잠수함 선체에 부착된 다양한 음향탐지장비인 소나.


소나란 Sound Navigation and Ranging의 약어로서 음파에 의해 수중목표의 방위 및 거리를 알아내는 장비를 의미하며 음향탐지장비 혹은 음탐기라고 불린다.

 공기 중에서 전자파(Electromagnetic Wave)를 이용해 공중, 지상 및 해상의 물표를 탐지할 수 있는 것이 레이더(RADAR)다. 그러나 수중에서는 일반 광학장치나 레이더에 의한 통신이나 탐지가 불가능하기 때문에 음파는 수중에서의 유일한 탐지 수단이다. 음파는 수중에서 감쇄율이 낮고 전달속도가 1500m/sec로 공기 중의 속도에 4배인 특성이 있으며 수온, 염도, 압력·밀도와 같은 수중 환경에 매우 민감하다.

 소나의 작동 원리는 압전현상을 이용하는 것이다. 압전현상을 나타내는 결정이나 세라믹에 흐르는 전류의 세기를 일정한 주파수로 변화시키면 이들이 진동하면서 같은 주파수의 음파를 발생시킨다. 반대로 외부에서 음파를 받으면 전기에너지를 발생시키므로 이 전기신호를 분석하면 음파의 성분을 찾아낼 수 있다.

 함정에서 발사한 음파가 표적에서 반사되어 되돌아오는 신호로서 적 잠수함이나 기뢰 등을 탐지하는 장비를 능동소나라 부르며 잠수함이 항해할 때 엔진이나 프로펠러에서 내는 소음을 먼 거리에서 수신해 잠수함을 찾아내는 장비를 수동소나라 한다. 다양한 종류의 소나를 사용해 표적의 방향, 거리 및 종류를 식별할 수 있다.

 소나의 성능을 결정하는 요소는 출력, 주파수 및 지향성 등이다. 출력을 높이려면 압전효과가 큰 음향소자를 사용하고 전기적으로 신호를 크게 증폭시키는 방법이 있으나 이 방법은 여러 가지 물리적 제한이 따른다.

 낮은 주파수를 사용하면 음파가 멀리까지 전달되므로 소나의 탐지거리를 증가시킬 수 있으나 해상도가 저하되어 표적 식별이 어렵고 소나의 크기가 커지므로 무게가 증가해 함정에서 운용할 때 기동성이 제한된다. 부설된 기뢰나 공격해 오는 어뢰와 같이 수백 미터 이내의 가까운 거리에 있는 표적을 탐지할 때는 100K Hz 이상의 고주파 소나를 사용하고, 잠수함과 같은 원거리의 큰 표적은 5K Hz∼20K Hz 사이의 저주파 소나를 사용한다.

 최근의 잠수함은 다양한 종류의 소나를 선체의 모든 부분에 부착해 몸 전체로 외부 위험을 감지하는 물고기를 연상케 한다. 함수부에 광대역의 함수수동소나(Bow Passive)를, 선체 양 측면에는 선체부착배열소나(Frank Array), 선체 양 측면에 3개씩 배열한 수동측거소나(Passive Ranging), 분산 배치된 방수소나(Intercept), 선체 밖에 예인형 선배열소나(Towed Array Sonar)와 같은 수동소나를 주파수 대역별로 운용해 음원의 크기, 방위, 속도, 특성 등을 파악한다. 이 외에 능동소나(Active), 기뢰회피소나(Mine Avoidance) 등의 특수목적용의 능동소나를 마스트나 함수에 장착하고 있으나 은밀성을 가장 중요하게 생각하는 잠수함의 특성상 능동소나의 사용은 극히 제한된다고 한다.

 수상함정에는 함수 아래의 선저에 능동 헐마운트소나(HMS)와 케이블로 예인하는 예인선배열소나(TASS)를 운용해 잠수함을 탐지한다.

 이 외에 소나 응용체계로는 항공기에서 투하해 잠수함을 탐지하는 음향부표(Sonobuoy), 헬기에서 바다에 담가 탐지하는 디핑소나(deeping sonar), 항만 등의 해저 수백 킬로미터에 걸쳐 부설하는 해역감시음향체계(SOSUS) 등이 있다.

 한편, 소나로부터의 탐지를 회피하기 위한 연구도 꾸준히 진행되고 있다. 추진소음을 줄이거나 선체표면에 음파를 흡수하는 특수코팅을 해 탐지거리를 현격히 줄인다. 소나의 탐지능력 강화와 이를 회피하기 위한 창과 방패의 경쟁은 끝없이 계속될 것이다.

<박태유 박사 한국국방연구원 책임연구위원>

 

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