잠수함은 어떻게 바닷속에서 통신을 하나?

잠수함은 어떻게 바닷속에서 통신을 하나?

우리는 가끔 뉴스 등을 통해 잠수함 폭발 사고 등을 접하기도 하는데, 바닷속을 뚫고 작전을 수행하는 잠수함은 한 번 잠수하면 몇 시간, 며칠 혹은 몇 달씩 떠오르지 않는 경우가 종종 있습니다. 사방팔방이 모두 바다인 상황에서 잠수함은 어떻게 다른 잠수함이나 지상과 소통하고 있는지, 바닷속에서의 통신 역사에 대해 기술 뉴스 블로그인 Hackaday가 설명하는 내용입니다.

잠수함이 본격적으로 전장에서 활약하게 된 제1차 세계대전 때는 잠수함은 한 번 바닷속으로 잠수하면 다시 해수면까지 부상해야 기지국이나 다른 전함과 통신을 할 수 있었습니다. 하지만 당시 잠수함은 기본적으로 수상함정으로 활동하고 있었고 잠수하는 것은 공격 시나 추적을 회피할 때에만 제한적이었기 때문에 잠수 중 통신이 불가능해도 별 문제가 없었다고 합니다.

제2차 세계대전 때 독일 해군 잠수함대 사령장관이던 카를 데니츠가 여러 잠수함에서 연계를 취하면서 적 수송선단을 공격하는 군랑작전을 고안하고, 잠수함도 적극적으로 통신하는 것을 필요하게 되었습니다. 그러나 당시 잠수함은 다른 잠수함과의 연락을 단파 선으로 하고 있어 무전기를 사용하기 위해서는 수면 위로 떠오를 필요가 있는 데다, 통신내용이 적에게 탐지될 가능성이 있었습니다.

독일과 비슷한 작전을 실행하던 미 해군은 잠수함이 수중에서도 통신할 수 있도록 하기 위해 'AN/BQC-1A', 일명 '가트루드'라는 통신기를 도입했습니다.

AN/BQC-1 수중전화(일명 "거트루드").

가트루드는 배터리 구동 수중전화로 아마추어 무전기에서는 일반적인 SSB 통신방식을 채택하고 있었습니다. 가트루드는 약 4~5km 범위에 있는 소나(SONAR : sound navigation ranging. 수중 음향 탐지기)가 배치된 다른 함들을 24.26kHz의 초음파로 호출할 수 있으며, 약 365m 이내의 거리라면 8.3375kHz에서 11.0875kHz의 주파수로 음성통신을 할 수 있었습니다. 그러나 염분을 포함한 해수 중에는 공기 중보다 전파 흡수율이 높기 때문에 신호의 감퇴나 손실이 발생하기 쉬웠다고 합니다.

Gertrude와 역호환되는 보다 현대적인 음향 수중 전화기

제2차 세계대전이 끝나고 수개월에 걸쳐 잠수활동을 할 수 있는 핵잠수함이 등장하자 잠수함의 역할은 '연계를 취하면서 적 수송선을 공격하는 유닛'에서 '바다에서 핵미사일을 발사할 수 있는 유닛'으로 변화하게 됩니다. 따라서 잠수함의 스텔스성은 그 어느 때보다 중요하게 되었습니다.

프로젝트 ELF 안테나. 출처:  Chetvorno  / CC0

 

그러나 잠수함에서 육상으로 신호를 전송하는 것은 자신의 위치를 넓히는 데다가 큰 용량의 데이터를 전송할 수 있는 만큼의 설비를 잠수함 내에 갖추는 것은 어려운 일이 있습니다. 따라서 냉전시대의 잠수함 통신시스템에는 '육상 송신국으로부터 발신된 전술명령을 스텔스성을 해치지 않고 수신할 것'이 요구되었습니다.

통신에 사용되는 전파는 주파수에 따라 그 성질이 크게 변화합니다. 3MHz~30MHz의 단파대(HF)와 30kHz~300kHz의 장파대(LF)는 육상에서는 전리층에서의 굴절로 인해 지구 전체까지 도달할 수 있지만, 해수 중에서는 급속히 감쇠하기 때문에 바닷속에 있는 잠수함과의 통신에 사용하기에는 적합하지 않습니다.

3kHz~30kHz 초장파대(VLF)라면 수심 20m까지 통신이 가능하지만 잠수함의 스텔스성을 확보하기에는 충분한 깊이가 아닙니다. 그러나 더 낮은 주파수가 되는 3Hz~300Hz 극초장파대(ELF)라면 수심 120m라는 충분한 깊이까지 통신이 가능하다고 합니다. 그래서 미 해군은 1968년에 'Project Sanguine'이라고 하는 프로젝트를 추진하여 ELF에서의 통신 시스템 구축을 계획했습니다.

다만, ELF는 전파를 송신하기 위해서는 거대한 안테나와 고출력의 송신기가 필요합니다. 그래서 Project Sanguine에서는 미국 북부 위스콘신州의 州영토 40% 가까이 안테나 케이블을 메워 800메가와트의 전력으로 가동하는 고출력의 거대 송신국을 건설했습니다.

송신기는 위스콘신주와 미시간주에 건설되었습니다. 화강암 암반에 박힌 나무 지주에 쳐진 안테나의 길이는 약 22~44km로, 전기가 통하면 ELF를 발신하는 거대한 자기장이 생성되었습니다. 즉, 거대한 암반을 통째로 무선 통신용 안테나로 만들어 버린다는 것입니다.


그러나 ELF의 잠수함과의 통신시스템은 반전단체와 환경단체들로부터 예산 낭비다, 전자파가 주변 환경에 미치는 영향을 무시하고 있다며 맹렬한 반대를 받게 되었습니다. 또 미국 북부에 건설된 거대 송신기는 미국 남부 플로리다 반도 앞바다의 수심 122m에 메시지를 보낼 수 있었다고 하는데, 대역폭이 매우 좁아서 3자의 단축암호를 송신하는데 15분이나 걸렸다고 합니다. 그리고 통신기술의 진화로 '공중의 거대 수송기를 중계 포인트로 VLF나 HF에 의한 통신을 하는'방법이 확립되면서 이 ELF에 의한 통신시스템은 2004년에 폐지되었습니다.

그리고 현대에 들어서면서 수중에서의 통신기술은 더욱 진화하고 있습니다. 2020년 6월에 발표된 논문에서는 Raspberry Pi를 포함한 기존의 컴포넌트, LED, 레이저를 사용해 수중에서 인터넷의 무선접속을 가능하게 하는 시스템 「Aqua-Fi」가 발표되었습니다.
킹 압둘라 과학기술대 연구팀의 실험에서는 방수 스마트폰과 청녹색 레이저를 사용해 2.11Mbps라는 속도로 Skype 통화를 하는 데 성공했다고 합니다.

Hackaday에 따르면 "Aqua-Fi가 잠수함 네트워크로서 미래에 응용 가능할 것이라고 보기는 어렵지만, 이러한 시스템이 지원할 수 있는 것은 바닷속 전쟁만이 아니다"라고 언급하고 있습니다. 
예를 들어 태양전지식(太陽電池式) 부표를 통해 Aqua-Fi 액세스 포인트를 만들어 줌으로써 잠수부나 원격조작 바다속 탐사선 등이 인터넷에 상시 접속할 수 있음을 시사하며, 해양생물학과 지질학, 자연보호, 스포츠와 레크리에이션에 충분히 응용할 수 있다고 합니다.

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The Many Methods Of Communicating With Submarines | Hackaday

https://hackaday.com/2020/07/15/the-many-methods-of-communicating-with-submarines/

The Many Methods Of Communicating With Submarines