출처
: http://www.tfd.chalmers.se/~valeri/EMP.html
전자파 충격 무기
2002년 9월 1일. 2003년 2월 25일 갱신.
2004년 4월 19일: 파일 끝부분에 추가됨. 공중 전략: 대량 파괴용 '청정' 무기의 사용
전자파 무기에 관한 정보는 확실히 북유럽에서 비롯되고 있다. 스웨덴 국방연구소(FOA)의 안데르스 칼레나아스는 다음과 같이 썼다. "러시아는 세계에서 전자파 무기를 설계하고 제조하기에 가장 잘 갖춰진 나라다." 이를 보완하여 스웨덴 언론사 스벤스카 다글블라데트(1998년 3월 1일)는 AFP 통신의 보도를 인용해, 고출력 전자파 폭탄(‘비어캔’이라 불리며, 캐리어백에 수납 가능한 크기)이 러시아에서 15만 달러에 시장에 출시될 수 있으며, 호주가 이미 이러한 장비를 구입했다고 보도했다. 이러한 무기는 순간 출력이 10기가와트(1억 와트!)에 달하는 펄스를 방출할 수 있으며, 복잡한 전기 및 전자 시설(핵발전소, 비행기나 차량 등 모든 종류의 기계, 전력 발전소, 일반 전화기 등)을 파괴할 수 있다. 한 독자로부터의 의견: 이런 '캔'을 사용하면 AZF 시설을 파괴한 것과 같은 폭발을 유도할 수 있다. 또한 조사 자료 일부가 의도적으로 공개되지 않았다는 점도 보인다. 긴 기사가 게재되었는데(&&& 참고문헌을 찾아야 함), 그 내용은 폭발 전에 EDF의 변압기가 매우 명확하고 인상적인 방식으로 고장났다는 점을 보여주었다. 이 초기 현상이 폭발을 유발했고, 기록에 따르면 폭발은 단 한 번이 아니라 두 번 발생했다. 이 기사는 너무 기술적인 표현을 사용하여 요약이 부족해, 대부분의 사람들은 주목하지 않았다. 일반적으로 테러리스트를 무지한 사람으로 보는 것은 큰 실수다. 트윈 타워에 대한 테러는 분명히 이 주제와 관련이 없지만, 이는 정말 훌륭한 예시다. 벤 라덴 가문은 명성 있는 건축 설계를 수많이 수행했으며, 메카 지역의 중요한 개조 작업도 진행했다. 이 테러는 최고의 현대 건축 전문가들이 계획했다. 탑의 '내부 폭발'에 의한 붕괴는 미리 계획되어 있었다.
여기서 잠깐 다른 주제로 전환하자. 이전에도 다른 보고서에서 언급한 바 있다(하지만 내 사이트가 이제 사마리타인처럼 복잡해져서 어디가 어디인지 헷갈린다).
만약 내가 해당 문장을 다시 찾게 되면 이 단락을 링크로 대체할 것이다.
간단히 말해 트윈 타워는 중심 기둥 주변에 층층이 쌓인 바닥판이 고정되어 있다. 중심 기둥은 수직으로 배열된 금속 보의 집합체이며, 콘크리트 판으로 이루어진 정사각형 격자 안에 담겨 있다. 비행기가 탑에 충돌했을 때, 그 운동 에너지는 이 얇은 콘크리트 보호막을 뚫을 수 있었다(설계 당시 이런 상황을 전혀 고려하지 않았다. 콘크리트 판은 지지용이거나 보강되지 않았다. 중심 구조를 보호하기 위한 방어장치로 설계되지 않았다). 비행기의 케로신이 이 콘크리트 격자 안으로 쏟아져 들어갔고, 구조물이 들어간 통로가 불이 붙었다. 온도가 충분히 상승하자, 탑의 상단부터 구조물이 기능을 상실했다. 탑은 카드하우스처럼 무너지기 시작했다. 각 층이 무너지면서 바로 아래 층에 충격을 주었고, 그 결과 아래 층도 무너졌다. 이 테러는 사망자 수, 대규모 피해, 카미카제 테러리스트의 수가 극히 적다는 점에서 놀랍지만, 건물의 기술적 지식을 완벽히 이해하고 있다는 점에서도 놀랍다.
이 현상은 아마도 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 미리 평가되었을 것이며, 비행기 조종사가 아니라 전문가들에 의해 계획된 것이다.
하지만 다시 EMP 주제로 돌아가자:
전자파 무기의 독창성은 전기 도체에 도달한 후, 그 영향이 연결된 도체를 통해 멀리까지 전파될 수 있다는 점이다. 일반 폭탄으로 전기 시설을 파괴하려면 파괴는 충격 지점 주변에 국한된다. 그러나 EMP 무기의 경우 문제는 완전히 달라진다. 이 개념은 40년 전 안드레이 사흐아로프와 그의 동료 알츠후러, 보이텐코, 비첸코가 처음 연구한 것이다. 고고도에서 핵 폭발이 이루어졌을 때, 지표면의 전기 및 전자 시설을 파괴할 수 있다는 사실이 확인되면서 EMP 개념이 등장했다. 이후 군대는 파라데이 케이지와 같은 방호 장치를 통해 시설을 강화했다. 미사일과 같은 민감한 장비의 모든 전도 및 조종 시스템은 광섬유 기반 전자기기로 바뀌어 이 효과에 무감각하게 되었다. 그러나 이러한 새로운 기술 외부에 있는 모든 민간 시설은 여전히 취약하다.
비핵 전자파 무기 두 가지 유형이 개발되었다. 첫 번째는 일반 폭발물을 사용해 효과를 유도하고, 두 번째는 단일 펄스를 방출하는 마이크로파 발전기를 사용한다. 1996년 RAAF 공공력 연구센터에서 발표된 카를로 코프의 논문(카를로 코프: "전자폭탄: 전자 대량 파괴 무기", http://www.hut.fi/~zam/ew/mirror/apjemp.html)에서 이러한 EMP 무기의 가능성에 대해 언급되었다. 저자는 이러한 무기의 배치를 향후 10년 내에 고려해야 하며, 이로 인해 보조 피해를 줄일 수 있다고 결론지었다. 따라서 이러한 무기는 '비치명적 무기'(non-lethal weapons)의 범주에 속한다.
이러한 무기는 폭탄에 장착될 수 있을 뿐 아니라, 지상에서 작전을 수행하는 팀이 새로운 형태의 테러를 벌이기 위해 설치할 수도 있다. 이는 이제 일반적으로 알려진 'E-폭탄'으로 불린다. 미국은 사담 후세인의 지하 군사 시설을 무력화하기 위해 이를 사용할 계획이다. 실제로 일반 폭탄으로 지하 벙커를 공격하는 것은 매우 어렵다(간단한 굴곡만으로도 충격파 효과가 소멸된다). 그러나 지하 시설은 전자파 효과에 대해 훨씬 더 취약하다. 완전히 보호되기 위해서는 완전히 외부와 격리되어 파라데이 케이지 안에 있어야 한다. 전기 공급이나 외부 통신을 위한 최소한의 진입점은 전자파 파괴 펄스의 침투 경로가 된다. 이러한 E-폭탄의 표적이 되는 것은 다음과 같다:
- 통신 시스템
- 국가 전력망
- 금융 관리 시스템
- 운송 수단(예: 전기 기관차, 자동차 전자 장치 등)
- 미디어
이 모든 시스템이 전자기 기반으로 작동하기 때문이다. 이러한 무기를 두 가지 범주로 분류할 수 있다:
- HPM: 고출력 마이크로파 무기 (고출력 마이크로파를 사용하는 무기)
- UWB: 초광대역 무기
HPM 무기의 장점은 날씨와 관계없이 사용 가능하고, 제작 비용이 낮으며, 동시에 여러 표적을 공격할 수 있고, 인간을 살해하지 않으며, 감지되지 않는 조용한 공격이 가능하다는 점이다.
핵폭발과 열핵폭발은 짧은 파장의 고강도 방사선을 방출한다. 이 방사선은 폭발 지점 주변에 플라즈마를 형성한다('화염구'). 무기 설계 목적에 따라 이 폭발은 매우 강력한 전자기 효과를 동반할 수 있으며, 장거리에서도 효과를 발휘할 수 있다. 이러한 효과를 'EMP'(전자기 펄스)라고 한다. 생물체는 이 효과에 무감각하지만, 전기 및 전자 장치는 매우 취약하다. 생성된 이온화 가스는 짧은 파장의 모든 무선 신호(라디오 방송, 레이더 신호 등)를 상당 기간 차단할 수 있다. 이를 '화염구 블랙아웃' 또는 '화염구로 인한 블랙아웃'이라고 한다.
이 EMP 효과의 강도는 폭발 고도에 따라 달라진다. 고도가 높을수록 효과는 더 크며, 30km 이상에서는 매우 크다. 낮은 고도(4,000m 이하)에서도 효과는 크지만, 중간 고도에서는 효과가 상대적으로 약하다. 이 EMP 효과의 원인은 핵폭발 후 발생하는 강력한 감마선 방출이다. 강력한 EMP 효과를 얻기 위해서는 축대칭이 아닌 비등방성 현상을 활용해야 한다.
중간 고도에서는 대기 중에서 감마선이 등방성으로 흡수되기 때문에, 장거리에서 영향을 미치는 전자기파의 방출은 거의 없거나 매우 미약하다.
중간 고도 핵폭발: 감마선의 등방성 흡수
공간 전하의 구형 대칭 분포 (EMP 효과 최소)
다음 그림은 EMP 효과의 일반적인 형태를 보여준다. 중요한 것은 곡선의 형태와 지속 시간이다. 강도는 임의의 단위로 표시된다.
빨간색은 핵무기의 효과, 초록색은 뇌전기 충격의 효과, 파란색은 '유속 압축 시스템'의 효과를 나타낸다. 핵폭발의 경우 약 0.3%의 에너지가 이 전자기 펄스로 변환되며, 지속 시간은 수십 나노초이다. 감마선은 공기 분자와 충돌해 전자를 방출하며, 이 과정은 '콤프턴 산란'이라 불린다. 방출된 전자는 다시 결합된 전자와 충돌하여 새로운 자유 전자를 생성한다(전자avalanche 현상, 네온관에서 발생하는 현상과 유사). 각 감마 광자는 약 3만 개의 자유 전자를 생성할 수 있다. 이러한 전자 방출은 기체를 플라즈마로 변환한다.
저고도에서는 가벼운 전자가 이온보다 빠르게 이동하여 '공간 전하 유도 효과'가 발생하고, 10나노초 후에 최대 전기장이 형성된다. 지표면과 가까운 위치에서는 감마선이 지표면에 흡수되기 때문에, 이 방향으로는 공간 전하 효과가 발생하지 않는다. 전하 분포는 등방성이 아니라 축대칭이 된다.
지표면 근처의 핵폭발: 지표면에 의한 감마선 흡수로 인해 공간 전하 효과가 비대칭이 된다.
전류는 지표면을 통해 루프를 형성한다(폭발로 유도된 전류의 토로이드형 기하학적 분포)
이러한 상황에서 EMP 효과는 수평 방향으로 전파된다. 전자기 에너지 방출은 100메가헤르츠까지 다양한 주파수를 포함한다. 지표면을 통해 전류가 흐르며, 지표면에서 강력한 자기장을 유도할 수 있다. 중간 고도(4,000m 미만)에서 폭발 시 초기 에너지의 약 3×10⁻¹⁰가 EMP 펄스로 변환되며, 1메가톤 폭탄의 경우 이는 1메가줄에 해당한다. 공간 전하 효과가 약 10마이크로초 지속되므로, 피크 전력은 100기가와트에 달한다. 지표면 근처에서 폭발한 무기의 파괴 효과는 폭발 지점 근처에서만 의미 있다. 저출력 폭탄의 경우 효과는 미약하며, 1메가톤 폭탄의 경우 10km 거리에서도 효과가 감지된다.
고고도(30km 이상)에서의 핵폭발은 훨씬 더 큰 규모의 다른 성격의 EMP 효과를 유발한다. 파괴 효과는 훨씬 더 크며, 폭탄 에너지의 약 0.3%가 EMP 효과로 변환된다. 1메가톤 폭탄의 경우 총 에너지는 10¹¹줄에 달한다. 이 EMP 효과는 감마선이 폭발 아래의 대기층과 상호작용할 때 발생한다. 폭발 아래에 이온화된 가스의 층이 형성되며, 그 지름은 폭발의 지평선에 따라 달라진다. 500km 고도에서 폭발하면 이 층은 지름 5,000km에 달할 수 있다. 폭발 지점 바로 아래에서 이온화층의 두께는 80km에 달한다. 지구 자기장이 작용하여 콤프턴 효과로 생성된 전자가 이 영역에서 나선형으로 움직이며, 지표면을 향한 강력한 전자기 펄스를 유도한다. 이 펄스는 수 마이크로초 지속되며, 수직 방향의 전기장 강도는 2050킬로볼트/미터(200500볼트/센티미터)에 달한다. 이 전기장은 플라즈마가 사라지고 이온화 해소 현상이 발생할 때까지 지속되며, 이는 수분에 이르기도 한다. 이 전기장은 중간 고도 핵폭발에 비해 약 10~100배 약하다. 그러나 그 영향 범위는 매우 광범위하다.
이러한 현상이 전자 시스템에 미치는 영향은 평가하기 어렵지만, 그 파괴력이 매우 클 것으로 추정된다. 강력한 무기 하나가 한 대륙 전체에 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 이러한 현상은 안테나와 더 넓은 범위의 전도체, 금속 물체(비행기, 건물의 철근 등)에 파괴적인 전류를 유도할 수 있다. 전력망은 일반적인 뇌전기보다 훨씬 더 심각하게 손상될 것이다. 현재의 마이크로프로세서는 전기장에 매우 민감하다. 약간의 유도 전류만으로도 모든 정보 시스템이 파괴될 수 있다. 군사 장비는 보호되어 있다고 가정되지만, 실제로는 진정한 EMP 효과에 얼마나 견딜 수 있을지 불확실하다. 방호 장치의 미세한 결함(밀봉 불량, 곰팡이, 먼지, 잔해 등)은 방호 효과를 무력화할 수 있다. 고고도 핵폭발이 산업 지역 위에서 일어나면, 그 지역은 무기한으로 정지될 수 있다. 또한 이 이온화층은 라디오 및 레이더 신호를 수분 동안 차단할 수 있다. 이로 인해 무선 통신이 불가능해진다.
E-폭탄의 기초 기술
먼저 '폭발식 유도 플럭스 압축 발전기'(Explosive Pumped Flux Compression Generators, FCG)에 대해 설명하자. 이는 프랑스어로 '유속 압축 시스템'이라 불리며, 안드레이 사흐아로프의 초기 아이디어를 바탕으로 한다. 이 아이디어는 저자가 1995년 출간한 『악마의 자식들』(알빈 미셸 출판사, 303페이지)에서 이미 제시되었다. 이 축대칭 구조는 가장 일반적인 형태이다. 아래 그림은 이미 언급한 카를로 코프의 논문에서 가져왔다.
사흐아로프 유형의 전자기 압축 플럭스 발전기
위 시스템에서 솔레노이드는 내부 표면과 구리 튜브(폭발물로 채워진) 사이의 공기 공간에서 강력한 자기장을 생성한다. 폭발이 발생하면, 폭발로 인해 튜브가 플라스틱 변형되며, 솔레노이드의 첫 번째 권선과 접촉하면서 자기공간을 닫는다. 폭발은 오른쪽으로 전파된다(아래 세 그림 참조). 구리 튜브가 자기선을 빠르게 지나가면서 유도 전류가 발생하고, 이 전류는 솔레노이드에도 흐른다. 결과적으로 수백만 암페어 이상의 전류를 생성할 수 있다. 자기장은 공기 공간 내에서도 매우 높은 값을 갖게 된다. 이 모든 것은 전자기파 빔을 생성하는 다양한 방식으로 활용될 수 있다. 이 축대칭 구조는 폭탄, 순항 미사일, 심지어 '비어캔' 모양의 수류탄에도 쉽게 장착될 수 있다.
두 번째 유형의 발전기는 '충격관'과 유사하다. 나는 1960년대에 이 기술에 대해 연구한 바 있다. 이 기술은 폭발 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 그러나 당시 프랑스 군대는 전자기학이 전략적으로 중요한 무기로 사용될 수 있다는 것을 상상할 수 없었다. 충격관에서는 고속으로 이온화된 가스를 전자석의 공기 틈새로 주입하고, 전기장 V × B에 의해 유도된 전류를 전극을 통해 회수한다. 그러나 이 모든 것은 매우 단순한 개념에 불과하다. 실제로는 모든 것이 하나의 장치에 통합되어 있으며, MHD(자기유체역학)와 플라즈마 물리학의 영역에 속한다. 고주파 진동을 유도하기 위한 '공명 공진기'를 만들기 위해 모든 것이 활용된다. 유일한 차이점은 사용되는 전력의 규모가 레이더를 공급하는 클리스트론이나 매그네톤에서 나오는 것과는 비교할 수 없을 정도로 크다는 점이다. 실제로 마이크로파 무기의 종류는 표적의 종류에 따라 다양하다. 표적은 수신 안테나처럼 작동하며, 방출된 펄스가 표적과 공명할수록 파괴 효과는 더 커진다. E-폭탄은 지상의 시설, 평야의 시설을 표적으로 삼을 수 있다. 이들은 방출된 후 표적을 향해 조종되어, 손상이 최적화될 때 자동으로 폭발한다. 순항 미사일에는 'E-머리'가 장착될 수 있다. 이스라엘의 시설은 걸프 전쟁 중에 그 효율성을 시험했다. 더 작은 크기의 무기는 벙커의 환기구를 표적으로 삼을 수 있다.
또 다른 무기는 여러 층의 콘크리트를 뚫을 수 있는 폭탄에 장착될 수 있다. 4,700파운드의 '벙커 버스터'를 생각해보라. 미리 설정된 층에서 자동으로 폭발하는 이 마이크로파 무기는, 방호용 파라데이 케이지 내부에 있는 지하 시설을 화학