SAMPSON

SAMPSON multi-function dual-face active electronically scanned array radar

BAE Systems에서 개발한 영국 해군의 해양 레이더. 현대 영국의 함대 방공을 책임지고 있는 방공 구축함 45형 구축함의 주 레이더이며, Sea Viper, 혹은 PAAMS라 불리는 해상 방공 체계의 화력 통제 레이더다. SAMPSON 다기능 레이더는 400km 거리 바깥의 모든 타입의 물체들을 탐지할 수 있으며 한 번에 1000개의 목표를 동시 탐지할 수 있다.

SAMPSON 개발은 영국과 미국의 공동 다기능 전자주사식 레이더 개발 프로그램 MESAR 시리즈에서 시작됐다. 이후 미국과 영국은 MESAR2, ARTIST 등으로 연구 프로그램을 확장해 나가는데, 그 중에서도 ARTIST는 인공위성 추적 기능을 가진 레이더를 입증하기 위한 프로젝트였다. SAMPSON은 이 프로젝트들에서 영향을 받았다.

SAMPSON의 개발에 있어 가장 중대한 마일스톤이 되었던 MESAR는 All-solid-state, 다기능 레이더이자 최초의 디지털 빔 포밍(DBF) 레이더이기도 했다. MESAR는 1982년 6월 영국 DARA에 의해 연구 됐으며, 처음 이 연구 프로그램의 결과물로 제작될 함선형 레이더의 이름은 Trisar였다. 이것이 훗날 SAMPSON으로 바뀐다. 이 레이더는 기존의 레이더에 비해 다음과 같은 이점을 가지고 있었다:

1.T/R 트랜스리시버 유닛이 안테나에 직접적으로 연결되어 있기 때문에, 파워 손실이 매우 적고 에너지 사용률은 극히 높았으며, 노이즈는 매우 낮았다.

2.피크 파워(Peak power)가 낮았기에 T/R 부품과 피드 시스템의 비용을 억제할 수 있었다.

3.이 레이더를 위해 특별히 제작된 웨이브폼은 다양한 형태의 작전에 최적화될 수 있었다.

4.SLS(Side lobe suppression)이 탁월해 라디오 송신 중의 대 전자 간섭에 탁월한 성능을 발휘했다.

5.높은 정확도로 다양한 표적을 한 번에 추적할 수 있었다.

6.시스템의 안정성이 높았으며 유지보수능력이 뛰어났다.

7.ADB 기술로 멀티 빔을 조율하고 적응형 웨이브폼 프로세싱을 조합하여, 복잡한 지형에서의 전투와 전자전 방어 능력이 굉장히 뛰어났다.

MESAR는 안테나 어레이, T/R 모듈, ADB, 그리고 프로그래밍 가능한 디지털 웨이브폼 제너레이터, 디지털 펄스 컴프레서, 프로그램 가능한 시그널 프로세서, 레이더 콘솔, BMDP, 포인트 프로세서, Slow tracker 등 다양한 기능을 통합한 레이더 수트로 개발되었다. 특히 ADB는 적 재밍으로부터 이 레이더를 가시적으로 면역으로 만들어 주었다. MESAR의 DBF 어레이는 16개의 섭 어레이로 분열된 형태인데, 각 섭 어레이가 디지털 베이스 밴드 리시버와 연결되어 있는 구조다.


초기 MESAR는 GaAs 세미컨덕터를 사용했다. 실험형 MESAR 데몬스트레이터는 한 개의 어레이에 918개의 T/R 모듈을 장착했다. 이후에 제조된 MESAR-1형은 1면형 레이더였는데 어레이에 1060개의 유닛을 장착할 수 있었다.


MESAR-2는 1992년 만들어졌는데, 1형과는 많이 달라진 모습을 하고 있었다. 안테나 당 1246개의 T/R 모듈을 집적했고, 피크 파워는 10W였으며, Agile Frequency Range는 2.7~3.3GHz였다. 작전 사거리는 400km로 추정된다. 이 MESAR-2 형은 1994년 영국군에 조달되어 19975년까지 실험된다.

영국의 BAE 시스템스가 SAMPSON의 원형을 만든 것은 1997년 들어서이다. 그 이전까지 영국군은 최적의 방공 레이더 시스템을 만들기 위해 다양한 형태의 레이더를 연구했다고 한다. 1999년에는 최초의 SAMPSON 프로토타입이 테스트 됐다. 그 해 10월, 1억 6000만 달러의 디벨롭먼트 계약을 통해 2000년에 MESAR의 IP는 영국 정부 소유가 된다.

2000년에 BAE 시스템스는 MESAR3 디스플레이 프로그램을 진행했다. MESAR2에서 BMD 기능을 접목한 형태였으며, 새로운 IRM(Inteligent Radar Manager) 기술을 도입하는 프로그램이었다. 특히 MESAR-2가 테스트 중에 탄도탄 탐지의 잠재력을 보여주었던 것이 BAE 시스템스가 새로운 탐색 개발에 나서는 동기가 되어주었다.

훗날 이것이 영국 데어링급 구축함의 BMD 개발 연구로 이어진다.

2001년에 영국은 미 국방부와 협업하여, 탄도탄 탄두를 탐지하는 테스트에 들어가게 된다. 이 단계에서, MESAR 프로그램은 이미 세계에서 가장 강력하고 성숙한 AESA 레이더 프로그램이 되어 있었다.

한편, SAMPSON의 두 번째, 그리고 세 번째 데몬스트레이터는 2000년 중반에 조달됐다. 프로덕션 라인은 2003년에 종료된다. SAMPSON이 실제로 함선에 탑재된 것은 2004년도의 일이다. 초기의 MESAR-1과 MESAR-2는 1면 고정형 레이더였는데, BAE는 360도 탐지를 위해 초기에 4면 배열 레이더 디자인을 선호했다. 심지어 5번째 안테나를 함선 위에 장착하여 시스키밍 미사일에 대응할 생각까지 했다. 하지만 시스키밍과 360도 탐지를 모두 만족하면서 비용 조건도 맞추기 위해서는 레이더 2면을 결합해 회전시키는 것이 가장 현실적이라는 결론에 도달하게 됐다.

영국 왕립 해군이 프랑스, 이탈리아와 함께 개발하던 호라이즌급 방공 호위함에서 돌아선 것 역시 SAMPSON 레이더의 개발 때문이기도 하다. 프랑스와 이탈리아는 호라이즌이 EMPAR만을 사용하기 원했다. 하지만 자국의 MESAR 프로그램을 가지고 있었던 영국이 꺼려했던 것으로 보인다. 결정적으로, 왕립 해군은 프랑스와 이탈리아보다 방공 능력 요구조건이 훨씬 더 까다로웠다. 그들의 차기 구축함은 반드시 최고의 성능을 가진 레이더를 장착해야만 했다. 결국 영국은 호라이즌 프로그램에서 탈퇴하여 Type 45로 선회하게 된다. 하지만 호라이즌급 유도 구축함의 C2 체계와 유사한 메커니즘을 가진 PAAMS를 사용한다.

SAMPSON은 Aster-15/30 대공 미사일을 유도하여 영국 해군 함대에 대공 쉴드를 씌운다. 레이더는 마스트의 꼭대기에 통합되어 있으며 무게는 4.6톤, 사이즈는 2.4m * 2.4m에 달한다. 두 개의 레이더가 서로 등을 대고 맞붙어 있으며, 에어 쿨링 시스템을 사용한다. MESAR-2처럼 SAMPSON도 T/R 모듈이 직접 연결된 4개의 섭 안테나로 이루어져 있으며 각 안테나마다 650개의 GaAs 기반 T/R 모듈을 집적해 총 2600개의 세미컨덕터가 집적되어 있다. 트랜스미트 파워는 2~20w, 싱글 사이드의 토탈 파워는 25kW이다. 60rpm의 속도로 회전하며, 각 안테나 당 90도를 커버할 수 있어 허점 없이 360도를 감시한다. 최대 사거리는 400km, 320km의 반경에 나타난 4000개의 타깃을 감지하며 그 중 168개의 타깃을 매우 정확하게 추적하고, 한 번에 32개의 미사일을 유도하며 16개의 타깃을 동시 타격한다. 매우 낮은 RCS의 타깃을 감지하는데 탁월하여, RCS 0.008m^2의 타깃을 105km의 거리에서 감지하고, 골프 볼 사이즈의 타깃은 50km에서 감지한다.[1] 이것은 F-35 전면과 동등한 RCS라고 추정된다. SAMPSON은 미군 AN/SPY-1과 동일한 S-밴드 레이더이기 때문에 Wavelength가 G/C 프리퀀시를 사용하는 EMPAR보다 길다. SAMPSON은 장거리/중거리 탐지 모드를 바꿔 운용할 수 있으며, 초고강도의 전자전이 벌어지는 환경에서도 안정적으로 운용 가능하다. 이는 그 동안 기술이 축적되며 극히 성숙해진 MESAR의 DBF 덕분이었다. 사실상 SAMPSON은 대부분의 전자적 재밍에 가시적으로 면역된 상태라고 한다.

전자 카운터메저 측면에서, 전자전을 수행하는 방법은 대개 더 많은 숫자의 시그날을 상대 안테나의 Sidelobe에 보내어, 상대 레이더를 혼란스럽게 만들거나 아예 mainlobe를 인지하지 못하게 만드는 것이다. AESA의 장점은 세컨더리 안테나가 sidelobe를 받을 수 있게 신속하고 유연하게 전환 가능하다는 것이다. MESAR-2는 최대 16개의 버추얼 섭 안테나를 운용하여 sidelobe를 받을 안테나를 택할 수 있다. 거기에 AESA 레이더는 아주 정확하게 빔을 컨트롤할 수 있다는 기능적 장점이 있고, SAMPSON 자체가 기술적 측면에서 완숙기에 든 하드웨어이며, 또 어댑티브 디지털 빔 포밍의 특성까지 합쳐졌기에 영국은 SAMPSON이 전자 간섭을 거의 완벽하게 방어할 수 있다고 주장하는 것이다.

EMPAR와 SAMPSON은 2면 회전형 탐지 레이더이다. 이 레이더들은 비용을 억제할 수 있다는 장점이 있고, 무게가 낮아 마스트 위에 올려 시스키밍 대응에 용이하다는 전술적 이점이 있다. 대신 4면 고정형 레이더에 비해 상대적으로 타깃 갱신률은 떨어질 수밖에 없다. EMPAR 등의 레이더는 이를 빠른 로테이션 스피드로 보충하는데, SAMPSON은 거기에 더하여 양면형 안테나를 장착해 양쪽 90도를 커버하는 식으로 갱신률을 더욱 늘렸다.

호라이즌급은 2차 레이더를 장착하여 주력 레이더의 임무 부담을 덜어준다. 데어링급에 장착되는 S1850M 3D 정찰 레이더도 SAMPSON을 돕기 위해 설치된 레이더이다. 이 레이더는 탈레스제 SMART-L에 시그널 프로세싱 기능과 대 전자 간섭 능력을 부여하여 원본보다 전자전 대응 능력을 늘렸다. 분당 12회 회전하며, 0-70도의 수직 탐지 범위를 갖추고 있다. 항공기를 400+km에서 탐지하며, 1000개의 타깃과 100개의 해상 타깃을 동시에 추적한다. 스텔스 물체에 대해서는 65km에서 탐지 가능하다고 한다. SAMPSON 역시 로테이션을 줄이고 장거리 공대공 탐지가 가능하며 업링크와 다운링크 트랜스미션 기능이 있기에, 실질적으로는 S1850M의 도움을 받을 필요는 없다. 하지만 S1850M은 애초에 호라이즌 프로젝트의 EMPAR의 부족한 타깃 갱신률을 보충하기 위해 추가된 부속품이었고, 데어링급의 형상도 호라이즌에서 영향을 많이 받았기에, 이 2차 레이더는 사실상 호라이즌 시절의 흔적에 가깝다고 한다.

하지만 SAMPSON이 굳이 S1850M의 보조를 필요로 하지 않는다 하더라도, 2차 레이더를 통해 얻을 수 있는 이점은 여전히 많다. 실제의 고강도 전투 상황에서 주력 레이더가 모든 기능을 한 번에 수행하는 것은 힘들다. 이를테면, 한 번에 수십 개의 타깃이 전투함을 노리고 날아들 때, SAMPSON의 극히 정확한 타깃 조준 능력과 미드 링크 트랜스미션을 통해 미사일을 유도하는 한편 S1850M은 장거리 탐색에 집중하여 상황 인식을 하고 다음 전투를 준비할 수 있다.

게다가 주력 레이더가 전투 중일 때는 에어스페이스 모니터링과 관제 기능을 사용하기 힘들 것이므로 2차 레이더가 요긴하게 쓰일 수 있다. 그러므로, S1850M의 존재는 SAMPSON이 전투에만 집중할 수 있도록 도와준다. 미국의 AN/SPY-1처럼(3.65*3.65m) 거대한 안테나를 장착한 시스템은 전투를 하는 한편 하드웨어의 남은 부분을 다른 임무에 투입할 수 있는 '여력'이 있다.[2]

정리해서, SAMPSON은 매우 강력한 방공 쉴드를 전개할 수 있는 AAW 특화 레이더이다. EMPAR 같은 시스템과는 여러 면에서 비교 불허하며, 이지스 시스템에 사용되는 SPY-1A/B/D에 대해서도 AAW와 시스키밍 측면에서 더 진보한 개념의 시스템이다. 그러나 그 대가로 SAMPSON은 매우 비싼 레이더이며, Type-45 데어링급 방공함의 비용 역시 SAMPSON을 포함한 각종 실험적인 기능들 때문에 알레이 버크급보다 20% 낮은 배수량과 1/2밖에 안 되는 빈약한 무장에도 불구하고 가격은 50%나 더 높았다. 미국처럼 구축함의 수요가 최대 70척에 달하는 국가가 아닌 영국은 규모의 경제로 비용을 억제할 수도 없으므로 이것은 치명적인 단점이었다.

SAMPSON 레이더는 대공 전투에 특화된 레이더이지만, 앞에 서술했다시피 이지스 전투 체계처럼 탁월한 탄도탄 탐지/추적 기능을 입증하기도 했다. 2013년부터 2015년까지 영국 국방부는 1500만 달러의 비용을 들여 데어링급의 전투 체계 Firmware와 소프트웨어를 업데이트하여 BMD 기능을 부여하는 실험을 진행했었다. 여기에는 시 바이퍼의 C2 체계 개량과 SAMPSON의 전투 소프트웨어 개수도 포함되어 있었다. 이후 BMD 소프트웨어와 레이더 미션 플래닝 툴 업데이트를 받은 데어링급 1번함 HMS 데어링 호는 미 육군의 막사가 있는 Kwajalein Atoll에서 3000km급 중거리 탄도탄 2발을 성공적으로 감지하고 추적할 수 있었다.

더불어 2015년의 실험에서는 AAW 작전 능력을 감소시키지 않고도 BMD를 수행할 수 있다는 것을 증명해 냈으며, 2015년 국방백서에서 영국 국방부는 공식적으로 데어링급의 BMD 기능을 개발할 것이라 발표하게 된다.[3]

현재 SAMSPON의 하드웨어(2.4*2.4m)로는 최대 1500km급 전술 탄도탄을 추적/요격하는 서치 볼륨을 가질 수 있을 거라고 한다. 영국군의 목적은 2000~3000km를 능가하는 대형 전술 탄도탄을 안정적으로 요격할 수 있는 서치 볼륨을 가지는 것이므로, SAMPSON의 안테나를 SPY-1D 급의 3.6m*3.6m로 확대한 새로운 어레이를 장착한다는 루머가 있으나, 아직까지는 확인되지 않았다.

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