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사격 통제 장치

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목차

1. 개요

사격 통제 장치는 목표물을 효과적으로 타격하기 위해 관측, 조준, 측정 장비를 활용하여 목표 탐지, 추적, 사격까지의 과정을 총괄하는 시스템이다. 1차 세계 대전 중 기계식 계산기를 시작으로, 레이더, 컴퓨터 기술 발전에 따라 2차 세계 대전, 냉전 시대를 거치며 발전해왔다. 현대의 사격 통제 장치는 디지털 기술을 기반으로 하며, 레이저 거리 측정기, 풍속계 등 다양한 센서와 연동하여 탄도 계산의 정확도를 높이고, 자동 조준 및 사격 기능을 통해 효율성을 극대화한다. 육상, 해상, 항공기, 잠수함 등 다양한 플랫폼에 적용되며, 소형 화기에도 사용된다.

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사격 통제 장치
개요
명칭사격 통제 장치
영어 명칭Fire-control system (FCS)
일본어 명칭射撃統制システム (샤게키토세이시스테무)
기능 및 구성 요소
기능사격 정확도 향상
주요 구성 요소조준 장치
탄도 계산기
레이더
통신 장비
전원 장치
작동 원리
목표 추적레이더, 광학 장비 등을 이용하여 목표 위치, 속도, 방향 등을 실시간으로 추적
탄도 계산목표 정보, 기상 조건, 포탄 종류 등을 고려하여 탄도 계산
사격 제원 산출계산된 탄도를 바탕으로 포의 각도, 발사 시점 등을 결정
사격 통제사격 제원을 포에 전달하여 자동으로 사격 진행
적용 분야
해군 함포함포의 사격 통제
육군 포병야포, 자주포 등의 사격 통제
전차전차포의 사격 통제
항공기항공기 탑재 기관포, 미사일 등의 사격 통제
대공포대공포의 사격 통제
미사일미사일 발사 시스템의 사격 통제
소화기일부 소화기에 적용 (예: 스마트 소총)
발전 역사
초기 단계수동식 조준 장치 사용
간단한 계산 도구 활용
기계식 사격 통제 장치20세기 초 개발
기계식 컴퓨터를 이용한 탄도 계산
함포 사격 정확도 향상에 기여
전자식 사격 통제 장치2차 세계 대전 이후 개발
레이더, 전자 컴퓨터 등을 이용
자동화된 사격 통제 시스템 구축
현대적 사격 통제 장치디지털 기술, 인공지능(AI) 등을 접목
더욱 정확하고 신속한 사격 통제 가능
참고
관련 용어탄도학, 사격술, 레이더, 조준경

2. 역사

사격 통제 장치는 함선을 위해 처음 개발되었다. 초기에는 주로 시각적으로 거리를 확인하여 표적과 교전하는 방식(간접 사격)이었다. 1800년 이전의 대부분의 해전은 약 18.29m에서 약 45.72m 거리에서 이루어졌다.[13] 미국 남북 전쟁 중 햄프턴 로드 해전에서의 USS 모니터와 CSS 버지니아 사이의 교전도 약 91.44m 미만의 거리에서 벌어지는 경우가 많았다.[1]

19세기 후반, 기술 발전으로 포격 가능 거리가 크게 늘어났다. 더 커진 강선포는 가벼운 폭발성 포탄을 발사하여 사거리를 늘렸지만, 배가 파도 위에서 움직일 때 포를 조준하는 것은 큰 문제였다. 자이로스코프가 도입되면서 이 문제가 해결되었고, 1도 미만의 정확도를 제공했다. 포는 어떤 크기든 커질 수 있었고, 1890년대에는 10인치(250mm) 포 구경을 빠르게 넘어섰다. 이 포들은 매우 먼 거리를 공격할 수 있었지만, 표적 확인이 어려워 배에 높은 마스트를 사용하게 되었다.

증기 터빈의 도입은 배의 성능을 크게 향상시켰다. 이전의 왕복 엔진을 사용하는 주력함은 16노트 정도의 속도를 낼 수 있었지만, 최초의 대형 터빈 함선은 20노트 이상을 낼 수 있었다. 포의 사거리가 길어지면서, 포탄 발사 후 착탄 시간 사이에 표적 함선이 상당한 거리를 이동할 수 있었다. 따라서 더 이상 "육안"으로 조준하여 정확성을 기대하기는 어려웠다. 또한 해군 교전에서는 여러 포를 한 번에 제어해야 했다.

해군 포격 통제는 세 가지 수준의 복잡성을 가진다.


  • 국부 통제: 개별 포병 승무원이 조준하는 원시적인 포 설치.
  • 지휘관 통제: 배의 모든 포를 단일 표적에 조준.
  • 함대 편대: 전함 함대 작전의 초점은 함대에서 단일 표적에 대한 조정된 포격.


발사 해법에는 표면 풍속, 사격 함선의 롤 및 피치, 화약고 온도, 강선 발사체의 드리프트, 발사 간 확대에 맞춰 조절된 개별 포의 구경 및 이전 사격의 관찰을 기반으로 추가 수정 및 보정이 이루어진다. 결과적으로 얻어진 방향, 즉 '''발사 해법'''은 포탑에 전달되어 포를 조준하는 데 사용되었다. 포탄이 빗나가면 관측자는 얼마나, 어느 방향으로 빗나갔는지 계산할 수 있었고, 이 정보는 나머지 정보의 변경 사항과 함께 컴퓨터에 다시 입력되어 다른 사격이 시도되었다.

처음에는 포병 관측 기술을 사용하여 포를 조준했다. 그러나 포의 사거리가 증가하면서 이 방법은 점점 더 어려워졌다.[13][2] 미국 남북 전쟁과 1905년 사이에는 망원 조준경, 광학 거리 측정기와 같은 사격 통제 장비와, 교전 중 배의 위치를 수동으로 예측하기 위해 플로팅 보드를 사용하는 등의 절차적 개선이 이루어졌다.[3]

2. 1. 초기 개발

함포 사격 통제 장치도 참조

최초의 사격 통제 장치는 함선을 위해 개발되었다.

해군 사격 통제의 초기 역사는 주로 시각적으로 거리를 확인하여 표적과 교전하는 방식(간접 사격)이었다. 1800년 이전의 대부분의 해전은 약 18.29m에서 약 45.72m 거리에서 이루어졌다.[13] 미국 남북 전쟁 중 햄프턴 로드 해전에서의 와 사이의 유명한 교전조차도 약 91.44m 미만의 거리에서 벌어지는 경우가 많았다.[1]

19세기 후반, 기술이 빠르게 발전하면서 포격 가능 거리가 크게 늘어났다. 더 커진 강선포는 상대적으로 가벼운 폭발성 포탄(전 금속 공에 비해)을 발사하여 포의 사거리를 크게 늘렸다. 하지만 배가 파도 위에서 움직이는 동안 포를 조준하는 것은 큰 문제였다. 이 문제는 자이로스코프가 도입되면서 해결되었는데, 자이로스코프는 이러한 움직임을 보정하여 1도 미만의 정확도를 제공했다. 포는 어떤 크기든 커질 수 있었고, 1890년대에는 10인치(250mm) 포 구경을 빠르게 넘어섰다. 이 포들은 매우 먼 거리를 공격할 수 있었지만, 표적을 확인하는 것이 어려워 배에 높은 마스트를 사용하게 되었다.

증기 터빈의 도입은 또 다른 기술적 개선으로, 배의 성능을 크게 향상시켰다. 이전의 왕복 엔진을 사용하는 주력함은 16노트 정도의 속도를 낼 수 있었지만, 최초의 대형 터빈 함선은 20노트 이상을 낼 수 있었다. 포의 사거리가 길어지면서, 포탄이 발사되어 착탄하는 시간 사이에 표적 함선이 상당한 거리, 즉 여러 배의 길이만큼 이동할 수 있었다. 따라서 더 이상 "육안"으로 조준하여 정확성을 기대하기는 어려웠다. 또한 해군 교전에서는 여러 포를 한 번에 제어해야 했다.

해군 포격 통제는 세 가지 수준의 복잡성을 가진다.

  • 국부 통제: 개별 포병 승무원이 조준하는 원시적인 포 설치에서 시작.
  • 지휘관 통제: 배의 모든 포를 단일 표적에 조준.
  • 함대 편대: 전함 함대 작전의 초점은 함대에서 단일 표적에 대한 조정된 포격.


표면 풍속, 사격 함선의 롤 및 피치, 화약고 온도, 강선 발사체의 드리프트, 발사 간 확대에 맞춰 조절된 개별 포의 구경 및 이전 사격의 관찰을 기반으로 발사 해법에 대한 추가 수정 및 보정이 이루어진다.

결과적으로 얻어진 방향, 즉 '''발사 해법'''은 포탑에 전달되어 포를 조준하는 데 사용되었다. 포탄이 빗나가면 관측자는 얼마나, 어느 방향으로 빗나갔는지 계산할 수 있었고, 이 정보는 나머지 정보의 변경 사항과 함께 컴퓨터에 다시 입력되어 다른 사격이 시도되었다.

처음에는 포병 관측 기술을 사용하여 포를 조준했다. 즉, 표적에 포탄을 발사하고, 포탄의 충돌 지점(탄착점)을 관찰한 다음, 포탄이 착탄하는 지점을 기반으로 조준을 수정했다. 그러나 포의 사거리가 증가하면서 이 방법은 점점 더 어려워졌다.[13][2]

미국 남북 전쟁과 1905년 사이에는 망원 조준경, 광학 거리 측정기와 같은 사격 통제 장비와, 교전 중 배의 위치를 수동으로 예측하기 위해 플로팅 보드를 사용하는 등의 절차적 개선이 이루어졌다.[3]

2. 2. 제1차 세계 대전

함포 사격 통제 장치도 참조

점점 더 정교해진 기계식 계산기가 적절한 사격에 사용되었으며, 일반적으로 다양한 관측자와 거리 측정기가 배의 깊숙한 곳에 있는 중앙 도해소로 전송되었다. 그곳에서 사격 통제 팀은 배와 표적의 위치, 속도, 방향뿐만 아니라 코리올리 효과, 공기 중의 기상 효과 및 기타 조정을 입력했다. 1905년경에는 드레이어 테이블, 두마레스크, [http://www.dreadnoughtproject.org/tech/essays/FireControl/ArgoAimCorrector/ 아르고 시계]와 같은 기계식 사격 통제 보조 장치가 출시되기 시작했지만, 이러한 장치가 널리 보급되기까지는 수년이 걸렸다.[4][5] 이 장치는 초기 형태의 사거리 계산기였다.

아서 폴렌과 프레데릭 찰스 드레이어는 독립적으로 이러한 시스템을 처음 개발했다. 폴렌은 1900년 몰타 근처의 사격 훈련에서 해군 포병의 낮은 정확도를 확인한 후 이 문제에 대한 연구를 시작했다.[6] 켈빈 경은 영국을 대표하는 과학자로 널리 알려져 있으며, 전투에 참여한 배들의 상대적 움직임과 포탄 비행 시간 지연으로 인해 발생하는 방정식을 해결하기 위해 아날로그 컴퓨터를 사용하여 필요한 궤도와 그에 따른 포의 방향과 고도를 계산할 것을 처음 제안했다.

폴렌은 중앙 집중식 사격 통제에 사용하기 위한 기계식 컴퓨터와 사거리 및 속도 자동 도해를 결합한 시스템을 제작하는 것을 목표로 했다. 표적의 위치와 상대적 움직임에 대한 정확한 데이터를 얻기 위해 폴렌은 이 데이터를 캡처하기 위한 도해 장치(또는 플로터)를 개발했다. 여기에 그는 발사하는 배의 요를 고려하기 위해 자이로스코프를 추가했다. 플로터와 마찬가지로 당시의 원시적인 자이로스코프는 지속적이고 안정적인 지침을 제공하기 위해 상당한 개발이 필요했다.[7] 1905년과 1906년의 시험은 실패했지만, 가능성을 보여주었다. 폴렌은 재키 피셔 제독, 아서 크니베트 윌슨 제독, 그리고 해군 군수품 및 어뢰국장(DNO) 존 젤리코 제독의 격려를 받았다. 폴렌은 연구를 계속했고, 가끔 영국 해군 군함에서 테스트를 수행했다.

한편, 드레이어의 지휘 하에 있는 한 그룹은 유사한 시스템을 설계했다. 두 시스템 모두 영국 해군의 신규 및 기존 함정에 주문되었지만, 드레이어 시스템은 최종적으로 Mark IV* 형태로 해군에서 가장 선호되었다. 지휘통제 장치의 추가는 제1차 세계 대전 군함을 위한 완전하고 실용적인 사격 통제 시스템을 용이하게 했으며, 대부분의 영국 해군 주력함이 1916년 중반까지 그렇게 장착되었다. 지휘통제 장치는 배 위에 높이 위치하여 운영자가 포탑에 있는 모든 사수보다 우수한 시야를 확보할 수 있었다. 또한 포탑의 사격을 조정하여 결합된 사격이 함께 작동하도록 할 수 있었다. 이는 조준을 개선했고 더 큰 광학식 거리 측정기는 발사 시 적의 위치 추정치를 개선했다. 이 시스템은 결국 1927년 이후에 건조된 함선을 위해 개선된 "해군성 사격 통제 표"로 대체되었다.[8]

HMS ''벨파스트''의 전송소에 있는 해군성 사격 통제 표

2. 3. 제2차 세계 대전

제2차 세계 대전 초기에 레이더가 사격 통제 시스템에 통합되면서 함선은 악천후와 야간에도 장거리에서 효과적인 사격 작전을 수행할 수 있게 되었다.[9]

지휘 통제 사격은 사격 통제 컴퓨터와 함께 개별 포탑에서 포의 조작을 중앙 위치로 옮겼다. 상부 구조물 높은 곳에 위치한 지휘관은 포탑에 장착된 조준경보다 적을 더 잘 볼 수 있었고, 포를 조작하는 승무원은 포의 소리와 충격에서 멀리 떨어져 있었다.

''Ford Mk 1 탄도 컴퓨터.'' '사거리 계산기'라는 이름은 사거리 계산기의 점점 더 복잡해지는 기능을 설명하기에 부적절하게 되기 시작했다. Mk 1 탄도 컴퓨터는 컴퓨터라고 불린 최초의 사거리 계산기였다.


잠수함 역시 동일한 이유로 사격 통제 컴퓨터를 장착했지만, 잠수함의 문제는 훨씬 더 두드러졌다. 전형적인 "사격"에서 어뢰는 목표물에 도달하는 데 1~2분이 걸렸다. 두 선박의 상대적인 움직임을 감안하여 적절한 "선행"을 계산하는 것은 매우 어려웠고, 이러한 계산 속도를 획기적으로 개선하기 위해 어뢰 데이터 컴퓨터가 추가되었다.

전형적인 제2차 세계 대전 영국 함선에서 사격 통제 시스템은 개별 포탑을 지휘탑(조준 장치가 있는 곳)과 함선 중심부의 아날로그 컴퓨터에 연결했다. 지휘탑에서 조작자는 망원경을 표적에 맞췄다. 하나의 망원경은 고도를 측정하고 다른 망원경은 방위를 측정했다. 별도의 마운팅에 있는 거리 측정기 망원경은 표적까지의 거리를 측정했다. 이러한 측정값은 사격 통제 표에 의해 포가 발사해야 하는 방위각과 고도로 변환되었다. 포탑에서 포수는 사격 통제 표에서 전송된 고도 지표와 일치하도록 포의 고도를 조정했다. 포탑 운용자는 방위각에 대해서도 동일하게 수행했다. 포가 표적에 맞춰지면 중앙에서 발사되었다.[10]

정확한 사격 통제 시스템은 20세기 초에 도입되었다. 그림은 구축함의 단면도이다. 갑판 아래의 아날로그 컴퓨터는 그림 중앙에 표시되어 있으며 "사격 계산 위치"라고 표시되어 있다.


아날로그 컴퓨터의 성능은 인상적이었다. 1945년 시험에서 USS 노스캐롤라이나는 일련의 고속 회전 중에도 표적에 대해 정확한 사격 해법을 유지할 수 있었다.[11]

레이더 데이터를 사거리 계산기에 입력할 수 있게 되면서 장거리 야간 해상 교전이 가능해졌다. 이러한 조합의 효과는 1942년 11월 사보 해전에서 USS 워싱턴이 일본 전함 기리시마와 야간에 약 7680.96m 거리에서 교전했을 때 입증되었다. ''기리시마''는 불길에 휩싸였고 여러 차례 폭발이 발생했으며, 승무원에 의해 자침되었다. ''기리시마''는 발사된 75발 중 최소 9발의 약 40.64cm 탄을 맞았다(명중률 12%).[13] ''기리시마''의 잔해는 1992년에 발견되었으며 함선의 전체 선수 부분이 없어졌다는 것을 보여주었다.[14] 제2차 세계 대전 중 일본은 미국 해군 수준의 레이더나 자동 사격 통제를 개발하지 못했고, 상당한 불이익을 받았다.[15]

2. 4. 1945년 이후

함포 사격 통제 장치도 참조

1950년대에 들어서면서 포탑은 점차 무인화되었으며, 레이더 및 기타 소스로부터의 입력을 사용하여 함선의 통제 센터에서 원격으로 포격 제어가 이루어졌다.

미 해군을 기준으로, 아날로그 사격 통제 장치의 마지막 실전은 1991년 걸프 전쟁[16] 당시 아이오와급 전함의 사격 통제 장치가 마지막 포격을 지시했을 때였다.

3. 사격 통제의 기본 요소

사격 통제는 목표물에 대해 효과적인 사격을 하기 위해 필요한 일련의 동작을 총괄하는 것을 의미한다. 여기에는 관측, 조준, 측정 장비 등을 사용하여 목표물을 찾고, 추적하고, 탄환을 발사하기까지의 과정이 포함된다.

이동하는 목표물에 대해 사격할 때는 일반적으로 다음 6단계를 거친다.

# 목표의 수색(search), 탐지(detection)

# 적과 아군의 식별(identification)

# 목표의 포착(acquisition), 추적(tracking)

# 미래 위치 수정각(prediction angle)의 산정

# 화기의 축선(weapon line) 설정(사선의 부여)

# 사격

이 중 "목표의 수색·탐지"에서 "미래 위치 수정각의 산정"까지가 사격 통제의 기본 요소에 해당한다. 경우에 따라서는 사선 설정, 사격 시간 및 탄약량 조절, 사격 후 평가 및 반영까지 포함하기도 한다.

초기 함선의 함포 사격 통제 장치는 포탑이 점차 무인화되면서, 레이더 등을 통해 원격으로 제어되었다. 미 해군에서는 1991년 걸프 전쟁에서 아이오와급 전함의 사격 통제 장치가 마지막으로 사용되었다.[16]

3. 1. 목표 탐색 및 식별

사격 통제 시스템은 목표물을 찾고, 그것이 적인지 아군인지 알아내는 과정을 포함한다. 초기에는 폭격기에서 사용되어 고도와 속도 정보를 바탕으로 폭탄의 예상 낙하 지점을 계산하는 폭탄 조준기가 활용되었다. 미국의 노든 폭격 조준기가 대표적인 예시이다.[1]

시간이 지나면서 항공기에는 자이로스코프를 이용해 선회율을 측정하고 조준점을 조정하는 자이로 조준기와 반사 조준경이 도입되었다. 조종사는 목표물의 날개 길이를 입력하여 거리를 계산했고, 이후 레이더가 이 과정을 자동화했다. B-29는 중앙 집중식 사격 통제 시스템을 처음으로 탑재한 항공기였다.[17]

베트남 전쟁 시기에는 저고도 폭격 시스템(LABS)이라는 새로운 폭격 예측기가 핵무기 탑재 항공기에 통합되었다. 이 시스템은 컴퓨터가 폭탄 투하 시점을 결정하여, 항공기가 기동 중에도 정확한 무기 투하를 가능하게 했다.

이동하는 목표물에 대한 사격은 일반적으로 다음 단계를 거친다.[2]

# 목표 탐색 및 탐지

# 적과 아군 식별

# 목표 포착 및 추적

# 미래 위치 수정각 계산

# 화기 축선 설정

# 사격

이 중 "목표 탐색 및 탐지"부터 "미래 위치 수정각 계산"까지가 사격 통제의 기본 요소이다. 아군과 협력하여 목표 탐색 및 추적을 수행하면 유도 거리를 늘리거나, 자체 시스템의 탐지 가능성을 낮출 수 있다. 다른 센서 정보를 받아 미사일을 발사하는 LOR(Launch on Remote)과 EOR(Engage on Remote) 방식이 있다.[24]

3. 2. 목표 추적 및 미래 위치 예측

이동하는 목표물에 사격을 할 때는, 목표물을 추적하고 미래 위치를 예측하여 사격해야 한다. 이 과정은 보통 다음과 같은 단계로 이루어진다.[24]

1. 목표물 찾기 및 탐지

2. 아군과 적군 식별

3. 목표물 포착 및 추적

4. 미래 위치 수정각 계산

5. 화기 축선 설정 (사격 방향 설정)

6. 사격

이 중 "목표물 찾기 및 탐지"부터 "미래 위치 수정각 계산"까지가 사격 통제의 핵심 요소이다. 여기서 미래 위치 수정각은 목표물의 현재 위치와 움직임, 탄환의 탄도를 고려하여 계산된다.[24]

미래 위치 수정각은 목표의 현재 위치에 대한 화기의 조준선이 얼마나 벗어나야 하는지를 나타내는 각도이다. 여기에는 목표의 높낮이와 방향, 그리고 목표와 화기 사이의 상대적인 움직임, 탄환의 비행 궤적 등이 고려된다.[24]

초기에는 폭격기에서 고도와 속도 정보를 이용해 폭탄의 예상 낙하지점을 계산하는 폭탄 조준기가 사용되었다. 노든 폭격 조준기가 대표적인 예시이다. 시간이 지나면서 항공기에 자이로 조준기와 레이더가 도입되어 조준 과정이 자동화되었다.

현대전에서는 저고도 폭격 시스템(LABS)과 같은 전산화된 폭격 예측기가 사용된다. 이 시스템은 조종사가 아닌 컴퓨터가 폭탄 투하 시점을 결정하며, 항공기가 기동 중에도 정확한 폭격을 가능하게 한다. 또한, 사격 통제 컴퓨터는 발사될 무기의 비행 특성까지 고려하여 더욱 정밀한 사격을 지원한다.

사격 통제 레이더를 자체적으로 사용하지 않고, 아군의 다른 기체나 함정과 협력하여 탐지 정보를 공유하고, 이를 기반으로 미사일을 발사하여 명중률을 높이는 방법(LOR(Launch on Remote))도 사용된다. EOR(Engage on Remote)은 자체 레이더를 사용하지 않아 적에게 탐지될 확률을 낮출 수 있다.[24]

3. 3. 사선 설정 및 사격

사격 통제 시스템으로 이동 목표물과 교전하는 경우, 일반적으로 아래의 단계를 거친다.[24]

# 목표의 수색 및 탐지

# 적군과 아군 식별

# 목표 포착 및 추적

# 미래 위치 수정각(prediction angle영어) 산정

# 화기의 축선 설정 (사선 부여)

# 사격

이 중, "목표의 수색·탐지"에서 "미래 위치 수정각의 산정"까지가 사격 통제의 기본 요소이다. 사선의 부여까지 포함하는 경우나, 더 나아가 사격 시간, 탄약량, 탄환의 폭발을 제어하는 경우도 있다. 사격 후에는 그 효과를 평가하여 다음 사격에 반영하기도 한다.[24]

4. 사격 계산

기계식 계산기가 정교해짐에 따라 사격에 사용되기 시작했다. 일반적으로 다양한 관측자와 거리 측정기가 배의 깊숙한 곳에 있는 중앙 도해소로 데이터를 전송했고, 그곳에서 사격 통제 팀은 배와 표적의 위치, 속도, 방향뿐만 아니라 코리올리 효과, 공기 중의 기상 효과 및 기타 조정을 입력했다. 1905년경에는 드레이어 테이블, 두마레스크, [http://www.dreadnoughtproject.org/tech/essays/FireControl/ArgoAimCorrector/ 아르고 시계]와 같은 기계식 사격 통제 보조 장치가 등장했지만, 널리 보급되기까지는 시간이 걸렸다.[4][5] 이 장치들은 초기 형태의 사거리 계산기였다.

아서 폴렌과 프레데릭 찰스 드레이어는 이러한 시스템을 독립적으로 개발했다. 폴렌은 1900년 몰타 근처의 사격 훈련에서 낮은 정확도를 확인한 후 연구를 시작했다.[6] 켈빈 경은 방정식을 해결하기 위해 아날로그 컴퓨터를 사용하여 필요한 궤도와 포의 방향, 고도를 계산할 것을 제안했다.

폴렌은 중앙 집중식 사격 통제를 위해 기계식 컴퓨터와 사거리 및 속도 자동 도해를 결합한 시스템을 제작했다. 표적의 위치와 상대적 움직임에 대한 정확한 데이터를 얻기 위해 도해 장치(플로터)를 개발했고, 발사하는 배의 요를 고려하기 위해 자이로스코프를 추가했다. 그러나 당시의 원시적인 자이로스코프는 지속적이고 안정적인 지침을 제공하기 위해 상당한 개발이 필요했다.[7] 1905년과 1906년의 시험은 실패했지만, 가능성을 보여주었다. 폴렌은 재키 피셔 제독, 아서 크니베트 윌슨 제독, 그리고 해군 군수품 및 어뢰국장(DNO) 존 젤리코 제독의 격려를 받았다.

드레이어의 지휘 하에 있는 한 그룹도 유사한 시스템을 설계했다. 두 시스템 모두 영국 해군의 함정에 주문되었지만, 드레이어 시스템이 최종적으로 해군에서 가장 선호되었다. 지휘통제 장치의 추가는 제1차 세계 대전 군함을 위한 완전하고 실용적인 사격 통제 시스템을 용이하게 했으며, 대부분의 영국 해군 주력함이 1916년 중반까지 장착했다. 지휘통제 장치는 배 위에 높이 위치하여 운영자가 포탑에 있는 사수보다 우수한 시야를 확보할 수 있었고, 포탑의 사격을 조정하여 결합된 사격이 함께 작동하도록 했다. 이는 조준을 개선했고 더 큰 광학식 거리 측정기는 발사 시 적의 위치 추정치를 개선했다. 이 시스템은 1927년 이후 건조된 함선을 위해 개선된 "해군성 사격 통제 표"로 대체되었다.[8]

제2차 세계 대전 시기에는 레이더가 사격 통제 시스템에 통합되면서 악천후와 야간에도 장거리에서 효과적인 사격 작전이 가능해졌다.[9] 지휘 통제 사격은 사격 통제 컴퓨터와 함께 개별 포탑에서 포의 조작을 중앙 위치로 옮겼다. 개별 포좌와 다포탑은 지휘관 정보 전송이 제한될 때 사용하기 위한 자체 제어 옵션을 유지할 수 있었다. 포는 계획된 일제 사격으로 발사될 수 있었고, 각 포는 약간 다른 궤도를 제공했다. 상부 구조물 높은 곳에 위치한 지휘관은 포탑에 장착된 조준경보다 적을 더 잘 볼 수 있었고, 이를 조작하는 승무원은 포의 소리와 충격에서 멀리 떨어져 있었다. 포 지휘관은 맨 위에 있었고, 광학 거리 측정기의 끝이 측면에서 돌출되어 독특한 외관을 보였다.

고고도 온도, 습도, 기압, 풍향 및 풍속과 같은 요소는 탄착 관측을 통해 최종 조정을 필요로 했다. 레이더를 사용할 수 있기 전에는 (표적과 포탄의 물보라 모두) 시각적 거리 측정은 어려웠다. 영국은 일치 거리 측정기를 선호한 반면, 독일은 입체식을 선호했다.

잠수함 역시 사격 통제 컴퓨터를 장착했지만, 어뢰는 목표물에 도달하는 데 시간이 걸렸기 때문에 적절한 "선행"을 계산하는 것은 어려웠고, 이를 위해 어뢰 데이터 컴퓨터가 추가되었다.

아날로그 컴퓨터의 성능은 인상적이었다. 1945년 시험에서 USS 노스캐롤라이나는 일련의 고속 회전 중에도 표적에 대해 정확한 사격 해법을 유지할 수 있었다.[11]

레이더 데이터를 사거리 계산기에 입력할 수 있게 되면서 장거리 야간 해상 교전이 가능해졌다. 이러한 조합의 효과는 1942년 11월 사보 해전에서 USS 워싱턴이 일본 전함 기리시마와 야간에 약 7680.96m 거리에서 교전했을 때 입증되었다. ''기리시마''는 불길에 휩싸였고 여러 차례 폭발이 발생했으며, 승무원에 의해 자침되었다. 그녀는 발사된 75발 중 최소 9발의 약 40.64cm 탄을 맞았다(명중률 12%).[13] ''기리시마''의 잔해는 1992년에 발견되었으며 함선의 전체 선수 부분이 없어졌다는 것을 보여주었다.[14] 제2차 세계 대전 중 일본은 미국 해군 수준의 레이더나 자동 사격 통제를 개발하지 못했고, 상당한 불이익을 받았다.[15]

1950년대에 들어서면서 포탑은 점차 무인화되었으며, 레이더 및 기타 소스로부터의 입력을 사용하여 함선의 통제 센터에서 원격으로 포격 제어가 이루어졌다. 미 해군을 기준으로, 아날로그 사격 통제 장치의 마지막 실전은 1991년 걸프 전쟁[16] 당시 아이오와급 전함의 사격 통제 장치가 마지막 포격을 지시했을 때였다.

제2차 세계 대전이 시작될 무렵, 항공기의 고도 성능이 크게 향상되어 대공포는 유사한 예측 문제를 겪게 되었고, 이에 따라 사격 통제 컴퓨터를 갖추는 경우가 늘어났다. 영국 해군의 고각 통제 시스템 (HACS) 초기 버전은 예측 주기가 진행되는 동안 표적의 속도, 방향, 고도가 일정하게 유지된다는 가정을 기반으로 예측하는 시스템의 예시였다. 미국 해군의 Mk 37 시스템도 유사한 가정을 사용했지만, 고도 변화율이 일정하다고 가정하여 예측할 수 있었다. 케리슨 예측기는 지휘관이 표적을 가리키고, 그런 다음 지휘관이 지시하는 포인터를 향해 포를 조준하는 것만으로 "실시간"으로 조준 문제를 해결하도록 제작된 시스템의 예시이다.

1943년부터 레이더 기반의 M-9/SCR-584 대공 시스템이 대공포를 지휘하는 데 사용되었다. MIT 방사선 연구소의 SCR-584는 자동 추적 기능을 갖춘 최초의 레이더 시스템이었고, 벨 연구소의 M-9[18]는 복잡한 기계식 컴퓨터를 대체하는 전자 아날로그 사격 통제 컴퓨터였다. 이 시스템은 VT 근접 신관과 결합하여, 항공기당 100발 미만의 포탄으로 V-1 순항 미사일을 격추하는 놀라운 성과를 달성했다(이전의 대공 시스템에서는 수천 발이 일반적이었다).[19][20]

육상 기반 사격 통제 섹션에 나열되어 있지만, 대공 사격 통제 시스템은 해군 및 항공기 시스템에서도 찾을 수 있다.

해안 포병의 사격 통제 데이터 흐름에 대한 개념도.
미국 육군 해안 포병대에서, 해안 포병 사격 통제 시스템은 19세기 말에 개발되기 시작하여 제2차 세계 대전까지 발전했다.[21]

초기 시스템은 여러 관측소 또는 기지 종단소(그림 1 참조)를 사용하여 미국 항구를 공격하는 표적을 찾고 추적했다. 이 스테이션의 데이터는 플로팅 룸으로 전달되었고, 여기서 플로팅 보드와 같은 아날로그 기계 장치가 표적의 위치를 ​​추정하고 이를 저지하도록 지정된 해안 포대의 사격 데이터를 파생하는 데 사용되었다.

미국 해안 포대[22]는 12인치 해안 방어 박격포에서 3인치 및 6인치 중거리 포병을 거쳐 10인치 및 12인치 바베트 및 사라지는 포가, 14인치 철도 포병, 제2차 세계 대전 직전 및 기간에 설치된 16인치 캐논에 이르기까지 다양한 무기로 가득했다. 해안 포병의 사격 통제는 기상 조건, 사용된 화약의 상태 또는 지구 자전과 같은 요소를 사격 데이터 보정 측면에서 점점 더 정교해졌다.

제2차 세계 대전 후반에 해안 방어 레이더에 연결된 전기 기계식 사격 통제 계산기가 광학 관측 및 수동 플로팅 방식을 대체하여 해안 포병을 통제하기 시작했다. 그때조차도 수동 방식은 전쟁이 끝날 때까지 백업으로 유지되었다. 육상 기반 사격 통제 장치는 직사 화력과 간접 화력 무기 교전에 모두 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 소형 권총에서 대형 포병 무기에 이르기까지 다양한 무기에서 찾아볼 수 있다.

4. 1. 탄도 계산 기능

목표 및 자기 위치나 운동 정보, 탄도 계산에 필요한 탄도 제원 정보 등의 신호를 입력받아 화기에 부여할 미래 위치 수정각(고저 견시각·방향 견시각)을 계산한다. 탄도 계산을 위한 입력 제원으로는 탄종, 사거리, 발사약 온도, 포신 침식 등에 의한 초속 수정량, 기온, 기압, 횡풍 풍속, 포미 경사각 등이 있으며, 용도에 따라 달라진다. 이러한 제원들은 자동 또는 수동으로 계산기에 입력된다.

4. 2. 조준 제어 기능

사격 통제 장치는 계산된 미래 위치 수정각(고저 견시각 및 방향 견시각)을 바탕으로 화기의 자세 검출 데이터를 사용하여 좌표 변환을 수행한다. 이를 통해 화기 플랫폼을 기준으로 한 선회각과 부앙각을 연산한다. 이 각도 데이터는 화기의 선회 및 부앙 제어 장치로 전송되어, 화기가 정확한 방향과 각도로 목표물을 조준하도록 제어한다.[10] 이러한 과정은 자동화되어 있지만, 여전히 인적 요소가 필요하다. 예를 들어, HMS ''Hood''의 주포를 위한 송신소에는 27명의 승무원이 배치되어 있었다.[10]

4. 3. 입력 제원

탄도 계산에는 여러 가지 입력 제원이 사용된다. 전차포를 예로 들면, 다음과 같은 정보들이 사용된다.

종류설명
탄종사용하는 포탄의 종류
사거리포탄이 날아가야 할 거리
발사약 온도포탄을 발사하는 화약의 온도
포신 침식 등에 의한 초속 수정량포신의 마모 등으로 인해 포탄의 초기 속도가 달라지는 것을 보정하는 값
기온, 기압공기의 온도와 압력으로, 포탄의 탄도에 영향을 줌
횡풍 풍속옆에서 부는 바람의 속도로, 포탄의 탄도에 영향을 줌
포미 경사각포신의 기울어진 각도



이러한 정보들은 자동 또는 수동으로 계산기에 입력되어 탄도 계산에 사용된다.

5. 플랫폼별 사격 통제 시스템

함포 사격 통제 장치는 1950년대부터 포탑이 점차 무인화되고, 레이더 등에서 얻은 정보를 바탕으로 함선 통제 센터에서 원격으로 포격 제어를 하는 방식으로 발전했다.

미 해군은 1991년 걸프 전쟁에서 아이오와급 전함의 사격 통제 장치를 마지막으로 아날로그 사격 통제 장치를 실전에서 사용했다.[16]

5. 1. 육상 및 차량 탑재 FCS

육상 및 차량 탑재 FCS(사격 통제 시스템)는 육상 목표에 대한 소화기, 화포, 로켓포 및 미사일 발사기와 수상 목표 및 공중 목표에 대처하는 화포 및 미사일 발사기의 사격을 통제한다.[21] 전차의 경우, 시스템의 고기능화·복잡화에 따라 포의 선회·앙각 등을 제어하는 포 제어 장치(Gun control system, GCS영어)의 기능이 FCS에서 분화되었다. 예를 들어, 일본에서는 61식 전차까지는 FCS와 구분되지 않았지만,[22] 74식 전차 이후부터는 별도로 개발·장비되었다.[23]

육상 목표의 수색·추적을 위한 센서에는 주로 광파 장비가 사용된다. 전차포나 대전차 미사일 등에서는 대처 목표와의 거리가 기껏해야 5킬로미터 정도이며, 일반적으로 광학 조준경에 의한 각도 측정과 레이저 장치에 의한 거리 측정을 실시한다. 또한, 주야간을 불문하고 위장된 목표에서도 시인할 수 있는 적외선 센서(열선 영상 장치)를 병용하는 경우도 많다.[21]

한편, 공중 목표의 수색·추적을 위한 센서에는 주로 전파 장비가 사용된다. 이 전파 장비에는 수색 레이더, 포착 레이더, 추적 레이더, 거리 측정 레이더 등이 있으며, 목적에 따라 구분하여 사용된다. 또한, 복수의 기능을 하나의 레이더에 갖게 한 것도 있다. 이러한 센서에는 일반적으로 전자 방어 대책이 강구되어 있으며, 전자 공격이나 지표면 반사 등의 영향으로 기능이 저하된 경우에 대비하여 전자 광학 센서가 보조 수단으로 병용되는 경우가 많다. 또한 근거리(5킬로미터 정도 이하)에서는 간편하게 광학 조준경 등의 광파 센서가 이용되기도 한다.[21]

5. 2. 수상함 탑재 FCS

수상함 탑재 FCS(사격 지휘 시스템)는 육상 목표에 대한 화포 및 미사일 발사기, 수상 목표에 대처하는 화포·미사일 발사기 및 어뢰 발사관, 수중 목표에 대처하는 대잠 박격포 및 어뢰 발사관, 그리고 공중 목표에 대처하는 화포 및 미사일 발사의 사격을 통제한다.

육상·수상 및 공중 목표의 수색·추적을 위한 센서는 주로 전파 장비가 사용되며, 그 요령은 육상 및 차량 탑재 FCS와 동일하다. 한편, 수중 목표의 수색·추적을 위한 센서는 일반적으로 소나가 사용된다.

5. 3. 잠수함 탑재 FCS

잠수함 탑재 FCS(무기 통제 시스템)는 수상 목표에 대한 미사일 발사, 수상 또는 수중 목표에 대한 어뢰 발사관의 사격을 통제한다.

대함 미사일 및 어뢰 발사를 위한 목표 탐색과 추적에는 주로 소나와 잠망경이 사용된다. 예를 들어, 어뢰를 무유도로 발사할 때는 수동 또는 정보 처리 시스템으로 목표의 거리, 침로, 속력을 분석한다. 그 후, 발사된 어뢰와 목표 함선이 만나는 침로와 속력을 FCS로 계산하여 어뢰에 입력한다. 현대 유도 어뢰는 목표에 반드시 명중하지 않아도 근접하면 작동하며, 다양한 유도 방식이 있으므로 이러한 특성도 고려해야 한다.

5. 4. 항공기 탑재 FCS

항공기 탑재 FCS(사격 통제 장치)는 육상 및 수상 목표물에 대한 화포, 로켓 발사기, 미사일 발사기, 폭탄 투하와 공중 목표물에 대한 화포, 로켓 발사기, 미사일 발사기의 사격을 통제한다.[18]

초기에는 가늠자와 가늠쇠를 사용하는 방식에서 시작하여 망원경식 조준기를 거쳐, 제2차 세계 대전에서는 광상식 조준기로 발전했다.[19] 현재는 목표를 찾고 추적하기 위한 센서로 주로 전파 장비가 사용된다.[18] 다만 현대의 작전기 중에서도 대공전을 중요하게 여기지 않는 공격기는 광학 장비에 의존하기도 한다. 예를 들어 해리어 II의 경우, 후기 생산형(AV-8B+)을 제외한 기체는 광학식 AN/ASB-19를 탑재하고 있다.[20]

일반적으로 조종사는 항공기 조종과 사격을 동시에 해야 하므로, 항공기 탑재 FCS는 여러 무기를 하나의 FCS로 통제하는 등 다기능성이 필요하다. 따라서 단순히 공중 목표를 탐색하고 포착하기 위한 룩다운 능력뿐만 아니라 지상이나 해상을 탐색하기 위한 그라운드 맵 기능이 추가되는 경우가 많다.[18]

6. 현대 사격 통제 시스템

현대 사격 통제 시스템은 대부분 디지털 방식으로 작동한다. 초기에는 폭격기에서 고도 및 속도 정보를 받아 폭탄의 착탄점을 예측하는 폭탄 조준기를 활용했으며, 제2차 세계 대전 말기에는 자이로 조준기와 함께 반사 조준경을 통해 조준점을 표시하는 '리드 계산 조준기'가 등장했다. 전후 시대에는 레이더 장치가 추가되어 거리 입력이 자동화되었고, B-29에는 중앙 집중식 사격 통제 시스템이 처음으로 구현되었다.[17]

베트남 전쟁 시기에는 저고도 폭격 시스템(LABS)이라는 새로운 전산화된 폭격 예측기가 핵무기 탑재 항공기에 통합되었다. 이 시스템은 컴퓨터가 폭탄 해제 명령을 내린다는 점에서 혁신적이었으며, 항공기가 기동 중일 때도 무기를 정확하게 해제할 수 있도록 했다. 이후 LABS 시스템의 원리는 후기 폭격기 및 공격기의 사격 통제 컴퓨터에 통합되어 수평, 급강하, 투척 폭격을 가능하게 했다.

사격 통제 컴퓨터는 탄약 시스템과 통합되면서 발사될 무기의 비행 특성을 고려할 수 있게 되었다. 성능이 향상됨에 따라 공기 밀도, 바람, 포신 마모 및 열로 인한 왜곡 등 모든 입력을 추가할 수 있게 되었고, 전차를 필두로 점차 소형화되어 다양한 플랫폼에 적용되기 시작했다.

사격 통제 컴퓨터는 대형 대포뿐만 아니라 기관총, 소형 대포, 유도탄, 소총, 수류탄, 로켓 등 발사 또는 사격 매개변수를 변경할 수 있는 모든 종류의 무기를 조준하는 데 유용하다. 군함, 잠수함, 항공기, 전차는 물론, 일부 소형 화기에도 설치된다. 예를 들어, FN F2000 불펍 돌격 소총에 사용되는 유탄 발사기가 있다.

미 해군을 기준으로, 아날로그 사격 통제 장치의 마지막 실전은 1991년 걸프 전쟁[16] 당시 아이오와급 전함의 사격 통제 장치가 마지막 포격을 지시했을 때였다.

6. 1. 주요 특징

현대 사격 통제 장치는 대부분 디지털 방식digital영어을 사용한다. 성능이 향상되면서 공기 밀도, 바람, 포신 마모 및 열로 인한 왜곡 등 다양한 외부 요인들을 고려할 수 있게 되었다. 이러한 사격 통제 장치는 점차 소형화되어 다양한 플랫폼에 적용되고 있다.

초기에는 전차에서 레이저 거리 측정기와 포신 왜곡 측정기를 활용하여 자동 포신 조준을 하는 방식으로 사용되었다. 현대에는 군함, 잠수함, 항공기, 전차뿐만 아니라 일부 소형 화기에도 사격 통제 시스템이 설치된다. 예를 들어, FN F2000 불펍 돌격 소총에 사용되는 유탄 발사기에도 사격 통제 컴퓨터가 탑재되어 있다.

현대 사격 통제 시스템은 효율적인 사격 제원을 계산하기 위해 다양한 센서와 연동된다. 센서의 종류는 다음과 같다.

위와 같은 센서를 통해 표적의 방향, 거리, 환경 정보를 수집한다. 또한, 조작자가 표적을 직접 가리키는 광학 조준경을 사용하면 표적에게 경고를 줄 가능성을 낮추면서도 쉽게 사거리 정보를 얻을 수 있다.

장거리 사격의 경우, 탄약의 탄도에 영향을 미치는 바람, 온도, 공기 밀도 등의 환경 정보가 매우 중요하다. 따라서 정확한 사격 제원을 계산하기 위해 위성이나 기구를 통해 고고도 또는 발사 지점과 표적 사이의 환경 데이터를 수집하기도 한다.

최신 사격 통제 시스템은 계산된 사격 제원을 바탕으로 무기를 자동으로 조준하고 발사할 수 있다. 이는 사격 속도와 정확성을 높여줄 뿐만 아니라, 조종사나 사수가 표적 추적이나 항공기 비행과 같은 다른 임무를 동시에 수행할 수 있도록 돕는다. 시스템이 무기를 직접 조준할 수 없는 경우에도, 조준점을 헤드업 디스플레이(HUD)에 표시하여 조작자가 무기를 정확하게 조준할 수 있도록 돕는다. 미사일 발사의 경우, 사격 통제 컴퓨터는 표적이 미사일 사정 거리 내에 있는지, 현재 발사했을 때 명중 가능성이 얼마나 되는지 등의 정보를 조종사에게 제공하여 최적의 발사 시점을 결정할 수 있도록 돕는다.

6. 2. 센서와의 연동

사격 통제 시스템은 효율적인 사격 해법을 계산하기 위해 다양한 센서와 연동된다.[17] 이때 사용되는 센서에는 소나, 레이더, 적외선 탐색 및 추적(IRST), 레이저 거리 측정기, 풍속계, 풍향계, 온도계, 기압계 등이 있다.

  • '''목표 정보 획득''': 소나, 레이더, IRST, 레이저 거리 측정기는 시스템에 표적의 방향 및/또는 거리 정보를 제공한다. 광학 조준경을 통해 조작자가 표적을 지정하면, 다른 센서가 표적의 거리 정보를 제공하여 조작의 편의성을 높이고 표적이 추적 사실을 인지할 가능성을 낮춘다.
  • '''환경 정보 획득''': 장거리 사격의 경우, 탄약의 탄도에 영향을 미치는 바람, 온도, 공기 밀도 등의 환경 정보를 파악하는 것이 중요하다. 이러한 정보는 위성이나 기구를 통해 획득하며, 때로는 고고도 또는 발사 지점과 표적 사이의 환경 데이터를 수집하기도 한다.


이처럼 다양한 센서와의 연동을 통해 획득한 정보는 사격 통제 시스템의 정확도와 효율성을 높이는 데 기여한다.

6. 3. 자동 조준 및 사격

현대식 사격 통제 장치는 디지털 방식이며, 성능이 향상됨에 따라 공기 밀도, 바람, 포신 마모 및 열로 인한 왜곡 등 모든 요소를 고려할 수 있다. 사격 통제 시스템은 센서와 연동되어 표적 정보를 자동으로 획득하고, 수동 입력 정보량을 줄이거나 없앤다.

사격 해결책이 계산되면, 많은 최신 사격 통제 시스템은 자동으로 무기를 조준하고 발사할 수 있다. 이는 속도와 정확성을 위한 것이며, 조종사나 사수가 표적 추적 또는 비행과 같은 다른 작업에 집중할 수 있도록 돕는다.

항공기의 경우, 조준 신호는 헤드업 디스플레이(HUD)에 투영되는 조준점 형태로 나타난다. 조종사는 조준점과 표적을 일치시켜 무기를 발사하거나, 자동으로 발사되도록 할 수 있다. 미사일 발사의 경우, 사격 통제 컴퓨터는 표적이 미사일 사정거리 내에 있는지, 발사 시 명중 가능성은 어느 정도인지 등의 정보를 조종사에게 제공한다.

참조

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[8] 웹사이트 A Glimpse at Naval Gunnery http://ahoy.tk-jk.ne[...] Ahoy: Naval, Maritime, Australian History
[9] 문서
[10] 문서 B.R. 901/43, ''Handbook of The Admiralty Fire Control Clock Mark I and I*''
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[12] 간행물 The Evolution of Battleship Gunnery in the U.S. Navy, 1920–1945 http://www.navweaps.[...] 2006-10-18
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[15] 서적 Between Human and Machine Johns Hopkins
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[18] 간행물 BLOW HOT-BLOW COLD - The M9 never failed https://www.american[...] 1946-12
[19] 문서 Baxter, "Scientists Against Time"
[20] 문서 Bennett, "A History of Control Engineering"
[21] 문서
[22] 문서
[23] 문서
[24] 서적 航空装備の最新技術 防衛技術協会 2016-12-01


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