Space-based Missile Defense

기술 요약: 우주 기반 미사일 방어 및 브릴리언트 스웜(Brilliant Swarms) 제안의 타당성

문제 정의
본 논문은 우주 기반 부스트 단계(boost-phase) 미사일 방어의 기술적 타당성을 다루며, 특히 Booz Allen Hamilton이 제안한 "브릴리언트 스웜" 제안을 평가한다. 2025년 1월 "골든 돔(Golden Dome)" 시스템을 위한 행정 명령과 궤를 같이하는 이 제안은, 저궤도(300600km)에 1,0002,000개의 경량 위성(각 40~80kg)을 배치하여 탄도 미사일의 부스트, 상승 및 초기 미드코스(midcourse) 단계를 차단할 것을 제안한다. 주요 동기는 현재의 미드코스 방어 체계를 괴롭히는 문제인, 미사일이 디코이(decoy), 다탄두 또는 대항 수단을 전개하기 전인 부스트 단계에서 미사일을 파괴하는 것이다. 그러나 본 논문은 궤도 역학의 물리 법칙과 요격체의 질량 요구 사항이 이러한 경량 시스템이 명시된 임무를 수행하는 것을 불가능하게 만들 수 있다는 결정적인 격차를 식별한다.

방법론
저자는 우주 기반 요격체가 부스트 또는 상승 단계의 요격을 달성하기 위해 필요한 최소 질량을 결정하기 위해 궤도 역학, 로켓 방정식 및 센서 요구 사항에 근거한 물리 기반 분석을 수행한다. 방법론은 다음과 같다:

1. 위협 특성 정의: 목표물을 고체 추진 미사일로 정의하며, 이는 현재 및 근미래의 북한, 중국, 러시아의 능력을 반영하여 짧은 연소 시간(약 3분)과 매우 짧은 상승 단계(약 30초)를 갖는다.
2. 요격체 질량 세부 분석: 요격체-위성을 구성하는 세 가지 주요 구성 요소의 질량을 추정한다:
   • 킬 비클(Kill Vehicle): 센서(부스트 및 상승 추적을 위한 LWIR 및 LIDAR 포함), 다이브 변속 스러스터(15g 가속 필요), 항공 전자 장치 및 관성 측정 장치를 포함한다. 연료가 없는 질량은 약 30kg으로 추정된다.
   • 추진 시스템: 로켓 방정식을 사용하여 필요한 속도 변화($\Delta v$)를 달성하는 데 필요한 추진제 및 탱크 질량을 계산한다.
   • 부스터 및 라이프재킷(Lifejacket): 궤도에서 킬 비클을 발사하는 데 필요한 로켓 부스터의 질량과 요격체를 지원하기 위한 "라이프재킷"(호스트 위성, 요격체 질량의 40%로 가정)의 질량을 추정한다.
3. 군집 분석: 2,000개 위성 시스템에 대한 두 가지 특정 궤도 구성을 모델링한다:
   • 원래의 Booz Allen 군집: 20개의 궤도 평면과 5개의 위성 그룹으로 구성되며, 이에 따라 그룹당 요구되는 커버리지 반경은 약 950km이다.
   • 대안 군집: 20개의 궤도 평면에 균일하게 분포된 단일 위성으로 구성되며, 이에 따라 요구되는 커버리지 반경은 약 500km이다.
4. 시나리오 시뮬레이션: 미사일 탐지와 요격체 발사 사이의 지연 시간(결정 시간)을 고려하여, 미사일을 추적하는 데 필요한 시간과 미사일이 목표 속도에 도달하기 전에 요격해야 하는 요구 사항을 반영하여 필요한 $\Delta v$와 그에 따른 총 위성 질량을 계산한다.

주요 기여
본 논문은 소형화 및 기성 부품(off-the-shelf components)이 부스트 단계 미사일 요격의 근본적인 물리학적 한계를 극복할 수 있다는 가정을 반박하며, "브릴리언트 스웜" 개념에 대한 엄격한 정량적 평가를 제공한다. 본 논문은 다음을 확립한다:

• 부스트 단계의 고체 추진 미사일을 맞추기 위해 기동할 수 있는 킬 비클의 질량은 센서 구경과 스러스터 요구 사항에 의해 제한되며, 이로 인해 최소 연료 미포함 질량은 약 30kg이 된다.
• 30kg의 킬 비클을 2.5 km/s만큼 기동하는 데 필요한 추진제는 그 질량을 약 95kg으로 두 배 이상 증가시킨다.
• 부스터 및 라이프재킷에 필요한 추가 질량과 300km 궤도에서 요격 지점까지 도달하기 위한 $\Delta v$를 결합하면, 총 위성 질량은 Booz Allen이 제안한 40~80kg을 훨씬 초과하게 된다.

결과
분석 결과, 제안된 군집에 대한 질량 요구 사항에 관한 구체적인 결과는 다음과 같다:

• 원래의 Booz Allen 군집 (2,000개 위성, 그룹화됨):

  • 상승 단계(30초 결정 시간) 동안 고체 추진 미사일을 요격하기 위해 필요한 위성 질량은 약 10,900 kg이다.
  • 부스트 단계(0초 결정 시간) 동안 요격하기 위해 필요한 위성 질량은 19,900 kg을 초과한다.
  • 결정 시간이 없는 경우에도 부스트 단계 요격을 위한 질량은 14,200 kg이다.
  • 이 수치들은 제안된 40~80 kg보다 몇 자릿수나 높다.

• 대안 군집 (2,000개 위성, 균일 분포):

  • 커버리지 반경을 500km로 줄이면 질량 요구 사항이 낮아지지만, 제안된 수준까지 낮아지지는 않는다.
  • 상승 단계 요격(0초 결정 시간)의 경우, 필요한 위성 질량은 500 kg이다.
  • 부스트 단계 요격(0초 결정 시간)의 경우, 필요한 위성 질량은 855 kg이다.
  • 이 최적화된 구성에서도 요구되는 질량은 제안된 4080 kg보다 1020배 더 크다.

• 커버리지 공백:

  • 본 논문은 240kg의 위성이 커버리지 반경 약 150km만을 제공할 것임을 계산한다. 2,000개 위성 군집에서 이는 하늘의 광대한 영역을 무방비 상태로 남겨두게 된다.
  • 위성은 예측 가능한 궤도를 따르기 때문에, 적군은 이 시스템을 추적하고 틈새를 통해 미사일을 발사할 수 있으며, 이는 부분적인 커버리지를 효과적이지 않게 만든다. 이러한 공백을 메우려면 약 14,000개의 요격체가 필요하다.

• 비용 영향:

  • 초기 배치 비용은 250억 달러로 추정되지만, 대기 항력으로 인한 짧은 궤도 수명(4~5년)을 고려할 때, 군집 유지를 위한 20년간의 비용은 850억 달러에서 1,050억 달러에 달한다.

의의 및 주장
본 논문은 1,0002,000개의 저질량(4080kg) 위성을 사용하는 시스템은 현실적인 미사일 위협에 대해 신뢰할 수 있는 부스트 또는 상승 단계 방어를 제공할 수 없다고 결론짓는다. 저자는 다음과 같이 주장한다:

1. 물리적 불가능성: 물리학 법칙에 따라, 필요한 기동을 위한 추진제 질량은 40~80kg이라는 목표 질량을 달성 불가능하게 만든다.
2. 부분적 커버리지의 무효성: 설령 더 가벼운 요격체를 배치하더라도, 발생하는 커버리지 공백으로 인해 적이 방어망을 완전히 우회할 수 있다. 따라서 부분적 커버리지를 제공하는 시스템은 실질적인 방어책이 될 수 없다.
3. 근거와의 불일치: 만약 질량 제한으로 인해 미드코스 요격으로 제한된다면, 이는 우주 기반 방어를 촉발한 디코이 문제를 해결하지 못하게 된다.
4. 정책적 시사점: 현재 설명된 대로라면 "브릴리언트 스웜" 제안은 부스트 단계 방어로 기능할 수 없다. 대신, 본 논문에서 지적했듯이 이는 효과적인 미드코스 방어 시스템이 될 것이며, 해당 시스템은 요격체가 지상에 있든 우주에 있든 관계없이 여전히 대항 수단에 취약하다.

본 논문은 현재 기술이 부스트 단계 방어로서의 브릴리언트 스웜 개념의 타당성을 뒷받침하지 못하며, 실행 가능한 시스템은 훨씬 더 크고 무거운 요격체와 지속적인 커버리지를 보장하기 위한 훨씬 더 큰 규모의 군집을 필요로 한다고 단언한다.