공을 멀리 던지고 싶을 때 사람들은 땅과 나란히 던지지 않습니다. 비스듬히 위로 던집니다. 공은 높이 올랐다가 호를 그리며 먼 곳에 떨어집니다.
탄도미사일도 같은 모양의 길을 납니다. 차이는 크기입니다. 뉴스에 나오는 탄도미사일은 대기권 밖까지 올라갔다가 다시 떨어집니다. 이 글은 그 까닭을 물리 교과서의 던진 물체 운동으로 풀고, 비행을 세 단계로 나누는 방식과 뉴스에 자주 나오는 이름들을 미국 정부와 학술 자료로 살핍니다.
던진 공과 같은 길
탄도 궤적(ballistic trajectory)은 중력만 받으며 나는 길을 말합니다. 탄도미사일은 처음에 로켓 엔진으로 힘차게 오르고, 엔진이 꺼진 뒤에는 스스로 밀고 나가지 않습니다. 미사일방어청이 옮겨 실은 미 국방정보국(DIA)의 2025년 평가는 전통적 탄도미사일이 동력 비행 동안에는 유도되고 자유 비행 동안에는 유도되지 않는다고 적었습니다.
엔진이 꺼진 뒤의 길은 손으로 던진 공과 같은 물리로 설명됩니다. 물리 교과서는 이런 물체를 포물체(projectile), 그 길을 궤적(trajectory)이라고 부릅니다. 가장 중요한 성질은 가로 운동과 세로 운동이 서로 따로 논다는 것입니다.
공기 저항이 없다면 가로 속도는 처음부터 끝까지 그대로입니다. 중력은 아래로만 당기기 때문입니다.
세로 속도는 다릅니다. 올라가는 동안 점점 줄어 꼭대기에서 0이 되고, 그다음에는 아래쪽으로 커집니다. 두 움직임을 합치면 길은 포물선이 됩니다.
다만 이 깔끔한 포물선은 공기 저항을 무시한 조건에서만 맞습니다. 실제 공은 공기에 부딪혀 조금 덜 멀리 갑니다. 탄도미사일도 공기 속을 나는 구간이 있어 그림과 똑같이 날지는 않습니다.
멀리 가려면 높이 올라야 한다
던진 물체를 멀리 보내는 방법은 둘입니다. 같은 각도라면 처음 속도가 클수록 멀리 갑니다. 속도가 같다면 각도가 문제인데, 공기 저항이 없고 같은 높이의 평평한 면에서 쏘고 떨어질 때는 45°에서 가장 멀리 갑니다.
여기에 교과서의 다른 결과 하나를 겹쳐 봅니다. 꼭대기의 높이는 처음 속도의 세로 성분에만 달려 있습니다. 비스듬한 각도를 그대로 두고 속도만 키우면 세로 성분도 함께 커집니다.
그래서 더 멀리 보내려고 더 빠르게 쏜 물체는 더 높이 오릅니다. 탄도미사일이 대기권 밖까지 올라가는 모습도 이 원리와 이어집니다.
높이 오르면 달라지는 점도 있습니다. 대기권 밖으로 나가면 엔진이 꺼진 미사일은 지구 중력만 받으며 납니다. 교과서가 공기 저항을 뺀 조건과 닮은 환경입니다.
거리가 아주 멀어지면 평평한 땅이라는 가정도 맞지 않습니다. 교과서는 처음 속도가 충분히 크면 던진 물체가 궤도에 들어간다고 설명합니다. 지표 가까이에서 수평으로 8000 m/s의 속도를 주면, 물체가 떨어지는 만큼 둥근 지표도 계속 멀어져 땅에 닿지 않고 지구를 돈다는 것입니다. 먼 거리를 나는 탄도미사일의 길은 그래서 평평한 땅 위의 포물선보다, 둥근 지구 위로 그리는 큰 호에 가깝습니다.
비행의 세 단계
미 국립연구회의(National Research Council, NRC)의 2012년 탄도미사일 방어 보고서는 비행을 상승 단계(boost phase), 중간 단계(midcourse phase), 종말 단계(terminal phase)로 나눕니다. 이 구분은 방어 쪽에서 나왔습니다. 미 의회조사국(CRS)의 국방 입문서도 미국의 직접 충돌 요격 체계가 비행의 특정 단계를 맡도록 설계된다고 적었습니다. 이 입문서는 상승 단계와 중간 단계 사이에 상승 후 단계(post-boost phase)를 따로 두기도 합니다.
상승 단계는 미사일 주 단의 로켓이 타는 동안입니다. 엔진이 꺼지면 중간 단계가 시작됩니다. 중간 단계는 추진 로켓이 다 탄 뒤 대기권 밖에서 나는 구간이고, 이때 모든 물체는 지구 중력만 받으며 탄도 궤적을 따릅니다. 앞에서 본 던진 공의 원리가 가장 잘 들어맞는 구간입니다.
중간 단계 안에는 가장 높은 점, 곧 최고점(apogee)이 있습니다. 상승 단계가 끝난 뒤부터 최고점 전까지도 중간 단계에 들어갑니다. 최고점을 지나면 미사일은 내려오기 시작합니다.
종말 단계는 다시 대기권 안으로 들어온 뒤입니다. 이제 공기가 다시 힘을 씁니다. 중간에서 종말로 넘어가는 고도는 딱 잘라 정해지지 않습니다. 탄두를 싣고 대기권에 다시 들어오는 부분을 재진입체(reentry vehicle)라고 하는데, 이 재진입체에 공기의 힘이 크게 걸리는 것은 대략 40 km 아래입니다.
세 단계를 방어 쪽에서 어떻게 겹겹이 다루는지는 다층 미사일 방어: 왜 방어체계가 여러 겹일까에 정리해 두었습니다.
단계마다 걸리는 시간
세 단계의 길이는 크게 다릅니다. NRC 보고서에 따르면 상승 단계의 동력 비행은 짧아서 보통 60~300초입니다. 그 길이는 미사일의 사거리와 추진제 종류에 따라 다릅니다. 고체 연료 로켓 모터는 액체 연료보다 타는 시간이 크게 짧고, 먼 사거리일수록 오래 탑니다.
보고서는 대륙간 탄도미사일 한 예도 들었습니다. 한 발사 경로에서 액체 연료 미사일은 상승 단계가 약 250초이고 전체 비행 시간은 약 40분입니다. 같은 곳에서 쏜 고체 연료 미사일의 상승 단계는 약 180초입니다.
250초는 40분의 10분의 1 남짓입니다. 엔진이 타는 시간은 전체 비행에서 짧은 앞부분일 뿐이고, 나머지 대부분은 엔진 없이 날아가는 시간입니다.
중간 단계는 대기권을 벗어나는 미사일에서 비행 가운데 가장 긴 단계입니다. 공을 던질 때 손을 떠나기까지는 눈 깜짝할 사이지만 공이 날아가는 시간은 훨씬 긴 것과 비슷합니다. 실제로는 공과 달리 미사일의 엔진은 몇 분 동안 타고, 그동안 높이와 속도를 계속 얻습니다.
뉴스에 나오는 이름 읽기
탄도미사일은 발사하는 자리, 사거리, 싣는 것이 저마다 다릅니다. 뉴스에서 가장 자주 보는 구분은 사거리입니다. CRS 국방 입문서는 단거리 탄도미사일(short-range ballistic missile, SRBM)을 300~1,000 km, 준중거리 탄도미사일(medium-range ballistic missile, MRBM)을 1,000~5,500 km, 대륙간 탄도미사일(intercontinental ballistic missile, ICBM)을 5,500 km보다 먼 표적을 치는 미사일로 나눕니다.
다탄두 각개 목표 재진입체(multiple independently targetable reentry vehicles, MIRV)라는 말도 자주 나옵니다. 여러 탄두를 실은 미사일을 가리키는 말로, 앞에서 본 재진입체가 여럿이라는 뜻입니다.
"탄도가 아닌 궤적"이라는 표현도 있습니다. CRS는 극초음속 무기를 적어도 마하 5, 곧 소리의 다섯 배 속도로 나는 무기로 설명합니다. 그 가운데 극초음속 활공체는 로켓으로 쏘아 올린 뒤 표적까지 미끄러지듯 날아갑니다. 탄도미사일과 달리 극초음속 무기는 탄도 궤적을 따르지 않고, 가는 길에 방향을 바꿀 수 있습니다.
미 미사일방어청(MDA)도 기술 발전으로 극초음속 활공체와 탄도가 아닌 궤적으로 나는 미사일이 실용화되고 있다고 설명합니다.
그러니 뉴스에서 "탄도미사일"이라는 말을 보면, 엔진이 꺼진 뒤 대부분의 시간을 중력에 맡겨 나는 무기라고 읽으면 됩니다. "탄도가 아닌"이라는 말이 붙으면 이 그림에서 벗어난 다른 종류라는 신호입니다.
레이저와 맞닿는 점: 상승 단계를 노린 공중 레이저
상승 단계는 짧습니다. 보통 60~300초라는 그 시간 안에 무언가를 하려는 시도가 있었고, 그중 하나가 비행기에 실은 레이저였습니다. 미국의 공중 레이저(Airborne Laser, ABL) 사업입니다.
NRC 보고서는 연구를 시작한 2010년 무렵 미 국방장관이 내린 결정 가운데 하나로, 상승 단계 요격의 운용·기술상 어려움을 인정해 ABL 사업을 연구개발 활동으로 바꾼 일을 들었습니다. 같은 보고서는 상승 단계 요격의 가장 큰 어려움으로 짧은 동력 비행 시간을 꼽았습니다. ABL이 어떤 비행기에 무엇을 실었고 어떻게 끝났는지는 레이저 무기의 역사: 화학 레이저에서 전기 레이저로에서 읽을 수 있습니다.
다음에 읽을 글
- 다층 미사일 방어: 왜 방어체계가 여러 겹일까: 세 단계를 방어 쪽에서 보면 무엇이 달라지는지
- 레이저 무기의 역사: 화학 레이저에서 전기 레이저로: 상승 단계를 노린 공중 레이저의 시작과 끝
- 극초음속 활공체(HGV): 탄도미사일과 비행 경로가 다를까: 탄도가 아닌 궤적이 어떻게 생기는지
- 순항미사일: 비행기와 무엇이 비슷할까: 탄도미사일과 견주어 볼 또 다른 미사일