잠수함의 음파탐지기(SONAR)

 

 

 

미국 로스엔젤리스 급 잠수함의 소나실.

 

 

 

일반적인 디젤 공격용잠수함이 운항하는 수심 150m 이하의 바다밑은 완전한 암흑세계이며 전략원잠이 운항하는 300m 의 수심에서는 강력한 수압때문에 잠수함의 속도 조차도 느려질 만큼 주변 환경이 지독한 것이다. 게다가 물 속에서는 전파가 흡수되어 소멸해 버리므로 현존하는 가장 효과적인 탐색장비인 레이다가 무용지물이 되어 버린다. 그러면 무엇으로 잠수함은  바깥의 상황을 알고 이리저리 제 갈길을 찾아 갈 수가 있을까..... 그것은 음파탐지기를 통한 탐색으로 바깥환경을 추정하여 가는 것인데 그것은 어디까지나 추정일 뿐, 명료하고도 확실한 정보는 아닌 것이니 만큼, 바깥을 확실히 모르는데에 따른 불안과 초조감 및 함장 자신의 결정에 대한 불확실성 등으로 항상 불안하고 조마조마한 심정으로 운항하는 것이다. 1 만톤 급의 초대형 전략원잠같은 경우는 오대양의 깊은 곳을 다니니 차라리 낫고, 1~2 천톤 정도의 암초 투성이인 근해및 연안 경계용 잠수함이 특히 더 그러한 것이다. 이 잠수함의 눈과 귀 역할을 하는 장비가 음파탐지기(소나 ; SONAR) 이다. SONAR 은 영어로 SOund  NAvigation  Radio  의 약자라고 한다. 이 소나는 한가지 종류만 있는게 아니고 사용 목적에 따라 여러가지가 있는데 워낙 복잡하고도 발전속도 또한 빠르므로 ... 짧게나마 소개하려고 한다.   ------------------------------------------------------------------------------     패시브 소나 ; Passive Sonar 이 시스템은 듣기만 하므로 귀의 역할을 한다. 즉, 가동시키면 적으로 부터 오는 소음의 진동파가 소나의 센서를 건드리고 그 센서가 미세하게 진동하면서 그 진동을 전기신호로 변경한 후에 디스플레이 하는 것이다. 이게 가장 초기의 소나의 형태이며 주로 잠수함의 양 옆에 일렬로 배치하여 진동의 강도와 센서간의 거리와 音原과의 방위각을 산출하여 거리를 계산하는 역할을 한다. 이 방위각 산출은 우리의 눈이 2 개라서 눈과 눈 사이의 거리차이로 인하여 두 눈으로 보는 목표물과의 거리를 한쪽 눈으로 볼 때 보다 훨씬 정확하게 느낄 수가 있는 것인데 이와 같은 원리가 패시브 소나에도 그대로 적용되는 것이다. 즉, 2 개의 소나로 잡은 음향반사파가 1 개의 소나로 잡은 음향반사파 보다 훨씬 정확한 정보 (거리, 각도, 방향, 속도 등등) 를 우리에게 준다는 것이다. 이 패시브 소나는 모든 잠수함에 반드시 장착하며 상당히 적은 동력으로 가동이 가능하고 수백 km 떨어진 곳에서 나는 음파도 감지할 만큼 민감한 기계이므로 모든 잠수함은 반드시 이 패시브 소나를 주로 이용하고잇다. 패시브 소나의 원리는 전화기의 수화기와 같으며 압전세라믹에 아주 미량의 전류를 흘리는 상태에서 음파가 세라믹을 건드리면 세라믹은 진동하고 이 진동의 강도에 따라 세라믹의 자체 저항율에 변동이 생기고 이 변화가 전류의 흐름을 방해하여 음파와 비슷한 전류의 변화를 발생시켜서 어떤 일정한 패턴을 나타내게 된다. 이 변화된 전류를 검출하여 증폭시키면 음파와 같은 강도와 파형을 알 수가 있게 되는 것이 패시브소나의 원리이다. 즉, 음파 --> 음파감지 세라믹센서 --> 세라믹센서 진동 --> 세라믹센서의 전기저항 변화 --> 세라믹센서 전류흐름방해 --> 전류흐름 변화 --> 전류 증폭 --> 디스플레이 이러한 작용을 하는 것이 패시브 소나이므로 잠수함의 양 옆 여러군데에 설치하여 감지능력을 높이고 여러 주파수 대역의 모든 것을 감지하기 위해서 주파수 대역에 맞는 소나를 여러 종류 만들어 잠수함의 양 옆에 다닥다닥 배열하는 것이다. 아마도 시커먼 철판뿐인 듯 보이는 잠수함의 옆부분에 이러한 민감하고도 중요한 장비가 숨어 있다고 생각하신 분은 없을 것이다. 대체로 잠수함 양 옆에는 주파수 대역별로 3 ~ 5 종류의 패시브소나를 장치하고 있다. 앞의 船首와 船尾는 물론이고..... 이 패시브 소나는 귀의 역할 뿐만 아니라 이 소나로 수집한 음파를 재생, 보관하고 있다가 상대에게 되 쏘아 보내어 혼란을 주기도 하고 적의 구축함이 나타났을때 이 음파를 발사하여 구축함이 自國의 잠수함으로 착각하게 만들기도 한다. 그러면 패시브 소나는 듣기만 하는데 어떤 장치로 음파를 쏘아 보내기도 하는지 알아보자. 액티브 소나 ; Active Sonar 우리가 잠수함 전투를 줄거리로 하는 영화를 보러 가면 잠수함이, 또는 구축함이 내는 독특한 소리가 있다. " 찡 !......" 하거나 " 삥 !......" 하는 날카로운 소리를 내면서 구축함이 지나가면 숨을 죽이고 불안해 하는 잠수함의 승무원이 나온다.... 이 소리를 자체적으로 내는 기계가 액티브 소나이다.   패시브 소나는 적의 소리를 듣기만 하지만 액티브는 음파를 발사, 반사되어 오는 음파를 수집, 적의 존재를 찾는 것이 액티브 소나이다.   잠수함을 잡기위해 만든 전투함인 구축함에는 이 액티브 소나가 반드시 장착되며, 그 외에도 순양함, 항공모함, 소해정, 기뢰정 등등 요즘은 거의 모든 규모있는 전투함에는 잠수함을 잡는 액티브 소나가 장착된다.... 그만큼 최근에는 잠수함의 비중이 높아지고 있고,,, 수상함 끼리의 해상 전투가 벌어지면 바다 밑 어느 곳에는 해상 전투로 정신 없는 적함을 작살 내려고 반드시 잠수함이 끼어든다는 것이 정설이라는 것을 뜻한다. 액티브 소나의 원리는 아무것도 아니고 스피커와 꼭 같다. 水晶 이라는 광석에 전류를 흘리면 전류의 량에 따라서 각기 다른 주파수의 진동이 발생하는데 매우 규칙적이고 안정적이어서 이를 증폭하여 압전 세라믹을 진동시키고 그 진동을 음파발사기(Transduser ; 트랜듀서) 로 발사하는 것이 액티브 소나이다. 즉, 패시브 소나의 반대 순서로 일이 일어나는 것으로 보면 꼭 맞으며 이 때 발사하는 음파의 주파수는 사람의 귀에 들리지 않는 저주파로 부터 영화에서 처럼 날카로운 소리를 내는 可聽音波 까지 실로 다양하기 짝이 없는 음파를 만들어 낸다. 발사된 음파는 1,480m / sec 의 속도로 퍼져나가서 반사되어 돌아 오는데 반사되어 오는 음파의 유형과 패턴을 수집, 분석하고 정리하여 반사한 물체의 외형과 거리, 방위를 알아내는 것이다. 액티브 소나는 주로 잠수함의 앞머리와 뒤 꽁무니에 설치되며 외부음파의 변형과 음파 감소를 없애기 위해 아주 독특하고 특별히 제작된 소재로 만든 보호커버 속에 있다. 무엇보다도 이 소재는 음파를 흡수하지도 않고 감소시키지도 않은채 그대로 통과시켜야 하며, 민감하기 짝이 없는 소나의 부품을 상하지 않게 해야하는 설치 상의 어려움도 보통 일이 아니다. 소나가 설치된 보호카버 속에는 반드시 화학적으로 안정된 액체를 넣어서 아주 적은 녹이라도 발생하지 않게 하고 있고 음파 통과도 완벽히 되도록 하고 있다. 방위, 거리 측정 소나 ; PRS ; Passive Ranging Sonar 이 소나는 주로 거리측정에 사용되며 3 개의 패시브를 묶어서 1 개의 PRS 가 되며 잠수함 옆에 3 군데로 나누어 장치하는데, 가운데 소나로는 수중의 온갖 소음들 중에서 실제 기계가 발생하는 소음만을 골라내는 역할을 한다. 양 옆의 2 개로는 삼각도법으로 음원과의 거리측정에 사용되고....   역탐지 패시브 소나 ; IPS ; Intercept Passive Sonar 이 소나는 잠수함의 윗부분에 설치하여 잠수함 上部로 부터의 위협을 감지하는 역할을 한다. 즉, 100 KHz 정도되는 고주파음을 감지하는데, 이 음파는 거의가 공격용 미사일이나 어뢰가 돌진해 오면서 내는 음파이다. 이 소나가 감지하려는 목표 음파가 잡히면 즉시 경보가 울린다.... 그리고, 그 어느 놈과의 전투가 시작된다고 보면 된다.   측면 배열 소나 ; FAS ; Flank Array Sonar 이 소나는 잠수함 측면에 앞부터 뒤까지 직선으로 길게 배열하는 소나인데 목표 주파수가 중저주파를 감지하는 목적으로 설치하며 100km 이상의 원거리 탐색에 사용된다. 이 소나는 잠수함 전체에 골고루 배치되기에, 잠수함 자체 소음도 같이 감지되므로 자체 소음을 구별하여 걸러내는 기술이 있어야 활용도가 높아지고 효율성이 있다. 따라서 가격이 비싸고 전자공학이 발전되지 않은 국가에서는 만들 수도 없는 소나이다.   견인 소나 ; TAS ; Towed Array Sonar 이 소나는 와이어 로프 처럼 감겨서 잠수함 내부에 수납되어 있다가 필요 시에 잠수함의 뒤로 풀어내어 사용하는 50 ~ 150 km 정도로 길고도 길다란 소나인데 그 와이어에 10 m 간격으로 센서를 부착한 특이한 소나이다. 잠수함은 바닥에 가라앉아 가만히 침묵상태로 있으면서 이 소나를 길게 풀어내어 물속에 띄워 두면 지나가는 잠수함과 구축함은 몽땅 다 잡을 수가 있을 뿐만 아니라 자기자신은 거의 안전하므로 효용성이 아주 높은데에도 이 장비를 채택한 나라는 미국, 영국, 호주 뿐이다.. 왜냐하면 150km 를 풀어낼려면 시간도 오래 걸리고 ,,, 거두어 들이는 데에는 시간이 더 오래 걸리는 등 장비를 풀고 감고 할 때에 발생하는 소음으로 적에게 포착될 가능성이 높기 때문이다..... 아무리 빨라도 30 분은 걸린다. 무려 150 km 이니..... 그런 이유로 미국에서는 풀어내지 않고 단번에 쏟아부어서 해류를 따라 천천히 흘러가면서 풀리도록 하는 방식을 사용하고 있다..  게다가 거두어 들이는 소음 때문에 적에게 잡힐 것 같은 예감만 들어도 아예 끊어버리고 간단다 .... 또한 그 상당한 부피의 장비를 좁디좁은 잠수함에 싣고 다니기도 버거운 노릇이기 때문이다. 그러나, 장치한 국가에서는 톡톡히 덕을 본다. 잠수함 자체 소음의 영향이 거의 없으므로 높은 수준의 감청이 가능하다는 장점이 있을 뿐만 아니라 감청 결과의 신뢰도가 아주 높기 때문이다. 역시나 돈을 쏟아 부으면 돈 값을 뽑는 것이다.   미래의 소나  현재 개발중인 패시브 소나는 광섬유 소나이다. 광섬유 소나는 광섬유내에 빛이 움직이는 상태에서 음파가 광섬유와 접촉하면 음파가 광섬유를 누르게 되고 이 누르는 힘이 빛의 통과를 방해하여 광학적 변화가 생기며 이 변화를 "광탄성 효과 (光彈性 效果)" 라고 하며 이렇게 위상이 변화된 빛 (光) 을 검출하여 음파의 주파수를 알아내는 방법을 사용하는 소나이다. 이 소나의 장점은 압전 세라믹보다 훨씬 경량이고 단순한 구조이며 증폭기도 불필요하며 제작 단가도 아주 쌀 뿐만아니라 제작 시간도 얼마 걸리지 않는등 좋은 점 투성이라고 할 수 있다. 액티브 소나는 발생하는 음파를 가능하면 自然소음에 가까운 音으로 하기 위한 연구가 열심히 진행중이다. 왜냐하면 人工音은 아무래도 그 특징이 있어서 적이 역탐지할 수가 있기에 그러하며 자연소음 (고래의 울음소리 등등...)은 자연계에서 흔히 발생하는 그런 自然音 이므로 적이 人工音波로서 인식하기가 어렵기 때문이다. 즉, 자연계에 이미 존재하는 주파수를 탐색주파수로 사용하려는 소나인데 이 경우, 진짜 자연소음과 어떻게 구별하느냐가 관건이 된다.    이 문제 때문에 실용화가 안 되고 있다......    ----------------------------------------------------------------------------- 이러한 것이 잠수함의 음파탐지기 이다. 아마, 잠수함의 시커먼 쇠껍데기에 그렇게 많은 비싼 장비가 장치되어 있을지 모르셨을 것이다. 그러나, 잠수함은 껍데기조차도 전부 아주 비싸고 민감한 기계장치로 둘러싸여 있다고 해도 과언이 아니다.  그러니, 잠수함이 외부선체를 다쳐서야 되겠는가...? 쇠덩어리라고만 보이던 잠수함이 이렇게 예민한 물체인 것이다..... 또한 , 잠수함 하나 제대로 만들려면 그 나라의 기술 수준이 어느 정도 되어야 하는지 아시겠지요 ? 금속공학, 기계공학,, 전자공학,, 등등등등 ..... 많겠죠 ? ----------------------------------------------------------