SM-3

이지스 BMD 시스템 전용 요격 미사일로서 미국 미사일 방어국(Missile Defense Agency) 주도로 레이시온이 개발했다. 현재 진행 중인 모든 탄도 미사일 방어 시스템 중 가장 잘 나가는 체계다. 사거리와 요격고도 또한 우주공간까지 뻗어나가는 만큼 커버리지가 매우 넓으며, 최신 Block 2A 버전은 ICBM의 요격이 가능하다.

또한 궤도상에서 고장나거나 수명을 다한 위성을 파괴할 때도 이용할 수 있다.

SM-3는 고체부스터와 2단 로켓엔진을 장착해 사정거리를 늘릴 예정이었던 SM-2 Block 4를 기반으로 3단 로켓으로 확대해서 지구 저궤도(500km)까지 올라갈 수 있도록 디자인 되었다. 위성 발사용 로켓처럼 고체부스터 → 1단 → 2단 → 페어링 → 3단 → 키네틱 탄두 순으로 잇따라 분리된 후 탄두의 적외선 센서가 탄도탄을 찾아 운동에너지로 직격하는 방식으로 운영된다. 이때 탄두는 측방에 탑재된 가스 분사구로 자세 제어를 하면서 목표까지 날아간다. 영상 1영상2

위에 변형되는 모습과[8] 센서 특성에서 볼 수 있듯이 이 미사일은 극단적으로 고고도 탄도미사일 요격에 치중된 미사일[9]이기 때문에 대기권 내에서는 운용이 불가능하다. 그 때문에 공군은 THAAD와 PAC-3, 해군은 SM-2와 SM-6를 통해 중저고도 방공을 보완하게 된다.

직격비행체는 영어로는 Kill Vehicle이라 부르는 부분이며, 실제로 적 탄도탄에 가서 들이 받는 부분이다. 이 부분에는 탐색기와 유도조종컴퓨터, 그리고 궤도 및 자세제어용 로켓인 DACS만 들어있다. 즉 '폭약'이 들어있지 않다. 그냥 그 자체의 운동에너지로 표적을 파괴하는 방식. 그래서 이 부분을 운동에너지 탄두(KW, Kinetic Warhead)라고 부른다. 혹은 LEAP(Light weight Exo-Atmosphere Projectile, 경량 외기권 비행체)이라 부르는데, 기존에 더 대형으로 개발되던 직격비행체 시스템에 비하여 함상운용을 위해 극단적으로 크기를 줄이는 프로젝트에서 비롯되어서 이렇다.

직격비행체는 SM-2로 치면 레이더가 들어차있던 부분에 들어있는데, 대기권 내에서는 페어링이라 부르는 미사일 앞부분의 덮개에 덮혀 있으며, 대기권 바깥에서 이 부분이 분리된 뒤 3단 로켓의 추진력이 다 떨어지면 분리된다. 이후 직격비행체 자체에는 자세/궤도수정용 로켓만 있을 뿐 속도를 더해주는 추진로켓은 없으나 이미 속도가 마하 7, 8급으로 가속된 상태인데다가 우주에서는 공기저항이 없으므로 속도가 줄어들일도 거의 없다. 어찌보면 초소형 인공위성을 우주 궤도를 돌게 하는 대신 엄청나게 빠른 속도로 표적에 직접 날리는 것에 가깝다.[10]

SM-3는 전방 고정형(상하좌우 구동이 안됨) 적외선 영상 탐색기를 사용한다. 블록1A는 중파장대역(MWIR)만 사용하는 1 color 방식이며 블록1B 부터는 중파장/장파장(MWIR/LWIR) 대역을 사용하는 2 Color 방식이다. 탐색기 자체는 냉각형으로, 고압용기에 들어있는 가스를 탐색기 센서에 순식간에 분사하여 급속냉각하는 방식을 사용한다.[11] 고압용기는 탐색기 통 주변 바깥에 도넛 형태로 부착된다.

SM-2가 레이더 방식을 사용한 것과 달리 SM-3는 적외선 영상 탐색기를 사용한 이유는 일단 무게를 극단적으로 줄이기 위해서다. 레이더는 그 자체가 많은 전력을 필요로 하는데다가 고주파 전파를 만드는데 들어가는 시스템등이 제법 무겁다. 물론 대기권내에서 운용되는 미사일이라면 탐지거리 등을 다졌을 때 레이더 탐색기가 유리하지만 대기가 없는 외기권에서는 이야기가 달라진다. 적외선이 대기에 의해 산란되거나 하지도 않고, 잡음으로 작용하는 바다, 지표면, 구름 등에 반사된 햇빛 같은 불필요한 열원도 없기 때문. 덕분에 적외선 영상 탐색기임에도 그 탐지거리는 대략 20~30 km에 달한다. 또한 적외선 영상 탐색기는 표적을 모양으로 구분하므로 그것이 표적부인 탄두인지, 아니면 적 탄도미사일에서 분리된 부스터 부분이나 아군을 속이기 위한 기만체(Dummy) 인지 구분하기가 더 쉽다. 또 대기의 산란등이 없다면 방향정확도 면에서 적외선 영상 탐색기가 레이더 탐색기보다 유리하다.

탐색기 센서자체는 탐색기 역할을 하는 통안에 중간에 매달려 있으며, 통 바닥쪽에는 주변 빛을 모아주는 거울이 있다. 즉 원리상으로는 반사망원경과 유사하다.[12] 탐색기 앞쪽은 원통형 햇빛가리개가 있다. 그리고 그 앞에는 아무것도 없다. 즉 일반 적외선 미사일이라면 당연히 있는 보호용 투명창이 없다. SM-3의 탐색기는 외기권에서만 사용되는 것이므로 공기저항 등으로 부터 탐색기를 보호할 필요가 없기 때문.[13]

DACS(Divert & Attitude Control System)은 우리말로 하자면 궤도 및 자세제어 장치다. SM-3의 직격비행체는 공기가 없는 외기권에서 운용되므로 카나드나 꼬리날개 같은 것으로는 방향이나 자세를 바꿀 수 없다. 그래서 우주선에서 주로 쓰는 DACS를 쓰는 것.

DACS는 일종의 자세, 궤도(경로)수정 전용 로켓이며 로켓 분사구가 뒤가 아니라 옆으로 나있다. 개념상으로는 건담의 어포지 모터와 흡사.[14]

로켓 노즐은 궤도수정용으로 직격비행체 무게중심 근처에 큰 것이 4개 붙어 있으며, 자세수정용으로 꼬리 부근에 6개가 붙어있다. 대기권 내에서는 꼬리쪽, 혹은 머리쪽의 측방향 로켓으로 로켓이나 미사일 자세를 바꾸면 공기의 힘에 의해 전체 궤도(경로)도 바뀌지만, SM-3의 직격비행체는 주변에 대기가 없으므로 자세수정용 로켓을 작동시켜봐야 허공에서 탄이 원래의 궤도를 따라가며 뱅뱅 돌 뿐, 궤도 자체는 변하지 않으므로 궤도수정용 로켓이 더 있는 것. 자세제어용 로켓이 6개인 이유는 상하좌우 움직임(Pitch, Yaw) 뿐만 아니라 팽이처럼 뱅글뱅글 도는 방향(Roll)도 제어해야 하기 때문이다.

비슷한 체계인 THAAD는 DACS로 액체로켓을 사용하지만, SM-3는 무게절감을 위하여 고체로켓을 사용하였다. 이 때문에 THAAD의 것은 LDACS(Liquid-DACS), SM-3의 것은 SDACS(Solid-DACS)라고 부르기도 한다.

그런데 DACS는 일반 로켓처럼 한 번 터트리는 것으로 끝나는 것이 아니라 각 방향의 추력을 끊임없이 제어해줘야 한다. 그런데 액체로켓은 액체인 연료나 산화제가 연소실로 들어가는 양을 밸브로 조절하여 비교적 간단하게 추력을 제어할 수 있지만, 고체로켓은 고체덩어리인 연료가 한 번 타들어가면 그 타들어가는 속도를 조절할 방법이 없기 때문에 추력제어가 어렵다.

굳이 추력을 제어하려면 로켓이 노즐로 빠저나가는 통로 중간에 일종의 마개를 달아서 이것을 여닫아 노즐로 분출되는 연소가스의 양을 조절해야 한다. 근데 연료가 타서 만들어진 이 연소가스라는 것이 속도도 엄청 빠를 뿐더러 온도가 2천도 급이다. 특히 DACS용 고체로켓은 이 마개가 삭마(갈려나감)되는 것을 막기위해 연소가스의 질량을 높여주는 알루미늄 분말 등의 금속연료를 쓸 수 없다보니 그 자체의 온도가 더욱 뜨겁다. 결과적으로 SM-3의 DACS용 연소가스는 온도가 2천5백도에 달한다.

당연히 일반 알루미늄이나 철강합금 따윈 녹는다. 이정도 온도를 버틸 수 있는 금속재질은 텅스텐 아니면 레늄 정도 뿐. 그런데 텅스텐은 단순 베어링 정도면 모를까 복잡한 모양의 정밀성형이 어렵기 때문에 결국 SM-3는 레늄을 사용했다. 문제는 레늄이 희귀금속이라 상당히 고가라는 점. 그리고 텅스텐보다 쉽다 뿐이지 이쪽도 정밀 성형이 어렵긴 매한가지다.

게다가 레늄은 무겁기도 텅스텐 버금가게 무겁기 때문에 모든 DACS 관련 부품을 텅스텐으로 만드는 것은 불가능하므로, 기본적으로는 탄소복합제를 사용하되, 군데군데 특히 삭마가 잘되는 부분은 레늄으로 버티는 개념이다. [15]

초기형인 SM-3 블록1A의 DACS는 좌우/상하 로켓 노즐을 짝지어서 그 분기점에 일종의 '레늄 코팅이 된 공'을 집어 넣었다. 이 공주변에는 다른 작은 유로가 있으며, 그 유로중 어느 한쪽에서만 연소가스가 소량 흘러나오면 전체 압력의 변화로 공이 좌우 분기점중 한 군데를 막아 버리는 개념이다. 이렇게 공이 한쪽을 막으면 남은 쪽으로만 연소가스가 공급되어 좌우/상하 추력에 불균형이 생긴다. 만약 중립상태를 유지하려면 공이 가운데와서 양쪽 모두 추력을 만들게 된다. 양쪽 연소 가스를 모두 막아 버리면...? 공이 1개라 구조상 불가능하지만 그랬다간 연소가스가 빠져나갈 곳이 없어 연료통의 압력이 올라가 폭발한다...고체로켓은 액체로켓보다 가뜩이나 연료 효율도 안좋은데, 'Off' 개념이 없다보니 이런 제어용 로켓으로 쓰기엔 중립상태에서조차 버리는 연료가 꽤 많다. 즉 좌우, 상하 로켓 추력중 최대 추력을 1이라 생각했을때 0.5/0.5이거나 1/0이거나 0/1인 것만 가능하다.

대신 불필요한 연료소모를 좀 줄이고자 SM-3 블록 1A DACS의 고체추진제는 3단계로 되어있다. [16] 처음 추진제를 태우고, 일정 경로는 DACS 사용 없이 날아가다가 다시 2 번째것을 태우고, 또 막판에 직격 직전에 남은 것을 태우는 개념. 이렇게 하면 전체 작동가능 시간을 더 늘릴 수 있다.

이후 SM-3 블록 1B부터는 공 같은 간섭물을 사용하는 대신 로켓노즐 바로 근처에 일종의 마개인 핀틀(Pintle)을 다는 것으로 바뀌었다. 전기 작동기를 이용, 핀틀로 분사구를 막거나 열수 있다. 다만 노즐 근처는 연소가스의 속도가 매우 빠른 곳이어서 핀틀에 걸리는 힘도 큰데도 불구하고 아주 빠른 반응시간으로, 정확한 위치(단 1mm 차이로도 추력 크기가 확 바뀐다)를 잡아야 하므로 기술적으로 훨씬 어렵다. 결국 기술적 난이도 + 폭증하는 연구비때문에 합작한 부분인데 우주비행기술을 가진 서방계 국가는 EU와 일본 뿐이기 때문에 유럽보다는 비교적 MD에 적극적인 일본과 협업을 하게 된 것. 이를 기존 것과 구분하기 위해 추력조절이 가능하다 하여 Throttleable DACS, 즉 TDACS라 부른다.

2008년 2월 21일, 미해군은 자국의 고장난 첩보위성 USA-193을 위성 격추용으로 개조된 SM-3를 사용해 고도 247km에서 격추했다. 당시 위성과 SM-3의 상대속도는 36,667 km/h(마하 30)이었다. 위성의 속도는 마하 23이었고 SM-3가 마하7이었다. 이전에는 위성이 마하 30으로 떨어지고 있다고 적혀있었는데 잘못된 것이다. 미국은 해당 위성에 위험한 독성 하이드라진 연료가 탑재되어 있는데 크기가 너무 대형이라 대기권에서 소멸하지 않을 것을 우려해 격추한 것이라 해명했지만, 중국과 러시아는 미국이 우주 경쟁을 촉발시키고 자신들의불안감을 키운다며 반발했다.##

여하튼 이 사례는 사실상 SM-3에 ASAT(對인공위성) 능력이 있다는 것을 시사하는 것으로 고도와 사정거리가 크게 연장된 Block IIA라면 주로 500~1000km 고도를 공전하는 저궤도 정찰위성 정도는 무리없이 격추가 가능할 것으로 예상되고 있다.

SM-3 Block 1A, 1B는 미국이 직접 개발했으며 사정거리는 약 700km, 유효고도는 500km 정도로 SRBM 혹은 MRBM 정도만 요격할 수 있지만, Block 2A 부터는 유효고도와 사정거리가 각각 1200km/2500km로 늘어나고 키네틱 탄두 크기를 키워 IRBM 이하 탄도 미사일에 확실한 대응능력을 갖게되며, 제한적인 ICBM 요격능력도 확보하게 된다. Block 2A 개발 및 생산에는 일본이 공동참여하게 되는데, 일본 측은 미쓰비시 중공업을 주계약자로 노즈콘과 탄두의 QWIP(Quantum Well Infrared Photodetector:양자 우물 적외선 검출기) 시커, 2단/3단 로켓을, 미국은 레이시온이 MCT(Mercury Cadmium Telluride 화합물) 중적외선 검출소자와 주탄두, 1단 고체 부스터, 체계 통합을 담당한다.### 개발비는 총 30억 달러로 미국이 20억 달러, 일본이 10억 달러를 투자했다.

해당 문서 참조