2차대전 시절 미국 잠수함의 어뢰사격통제 컴퓨터는 Torpedo Data Computer, 줄여서 TDC라고 부름.

Mark 3 TDC는 2가지 장비로 구성됨. 좌현에는 주요 사격제원을 입력하고 입력된 사격제원을 바탕으로 표적의 미래위치를 예측하고 이 사격제원을 어뢰에 입력하는 포지션 키퍼, 그리고 우현에 어뢰 발사각과 발사심도를 결정하는 앵글 솔버로 구성됨.

TDC에 사격제원을 입력하기 위해서는, 주요 탐지장비를 이용해서 사격제원을 입력할 필요가 있음. 다음은 사격에 필요한 주요 요소들임.

1. 표적과의 거리
2. 상대방위
3. 함수각(Angle On the Bow)
4. 표적 속력
5. 자함속력
6. 자함침로

이중 자함 침로와 자함속력은 수동입력방식이 아닌 자동입력방식임.

이건 주로 잠수함의 선속계와 자이로 나침반과 연동되어 자동으로 입력되는 방식이기 때문에, 굳이 크게 손댈 필요까지는 없음. 자함속력과 침로를 제외하면, 나머지 사격제원의 경우 수동입력을 하게 됨.

그렇다면, 주요 정보획득 수단으로는 뭐가 있을까? 다음은 주요 정보획득 수단임.

1. 소나
2. 잠망경
3. 레이더
4. 견시
5. TBT

소나의 경우 QB, QC/JK 소나를 이용해 표적 방위각을 확인할 수 있음. QB소나의 경우 액티브 소나이기에 어느정도 믿을수 있는 거리 사격제원 역시도 획득 가능함.

주의사항으로, 방위각의 경우 비교적 정확하나 오차가 발생할 여지가 큼. 왜냐하면 당시 소나들은 대강 어느 방위에서 음탐이 되고 있다는 것은 알아도 리시버를 통해 받는 음탐 방위각에 약간의 소음 탐지 범위가 존재함.

예로 들어볼까?

상대방위 030도 부근에서 갑자기 단일 표적 소음이 잡혔어. 근데 소음이 028도에서 034도 내외에까지 이 소음이 같이 잡히고 있음. 이건 표적이 내는 소음의 확산 문제도 있지만, 아주 약간의 청음각이 존재함에 있어 생기는 오차임. 그렇기에, 음탐사들은 소음이 최대한 발생하는 좌/우 방위각을 확인해서 두 방위각의 가운데즈음에 위치한 소음을 표적의 '그나마' 정확한 방위각으로 결정할 수 있는 것임.

즉 위의 예시를 이용하자면, 표적의 방위각은 031도로 확인 가능함.

물론 이게 만능은 아니라서 표적의 침로 등에 따라 다르기 때문에 보통은 주기관 소음이나 스크류 회전음이 발생하는 선미 부근이 소나로 탐지할 수 있는 주요 방위각이 되겠다 하겠음. 즉 표적의 센터라인에서 아주 미세하게 벗어나는 오차가 생기게 된다 이말임. 주로 거리가 멀면 멀수록 그 오차는 줄고, 거리가 가까우면 오차가 점진적으로 커짐.

또한 예나 지금이나 패시브 소나만으로는 적의 거리정보를 획득함에 있어 어려움이 큼. 특히 저 시절에는 소음의 강도로 대강 거리가 멀다, 거리가 가깝다 정도까지만의 아주 제한적인 거리정보만을 확인할 수 있음. 또한 표적의 스펙을 알고있다면, 분당 스크류 회전수를 통해 표적의 속력을 확인할 수 있음. 하지만 이건 해군 정보부의 정보력에 크게 의존하기 때문에, 국가 및 해군 자체적인 정보수집 역량 떨어진다 싶으면 유의미한 사격제원으로서의 가치는 크지 않음. 분당 스크류 회전수와 속력과의 상관 정보를 모르는데 뭘 어쩌리오?

또한 해상 및 수온 등의 자연요소에 의해 생기는 오차 역시도 무시할 수 없는 요소임. 악기상 상황이라서 잔파 소리 때문에 표적 소음이 마스킹되어 버리면, 음탐에 어려움을 느끼게 됨. 이건 자함 속력과도 관계가 있어서, 자함 속력이 빠르면 수중저항과 자함 소음에 묻혀 음탐 자체가 불가능해질 수도 있음.

액티브 소나의 경우 그나마 정확한 거리정보를 획득할 수 있음.

하지만 액티브 핑을 쏜다는건 잠수함의 존재를 확정적으로 드러내는 행위이기도 하기에, 호위함정이 없는 상황이라면 모를까 호위함정이 있다면 자기 위치를 드러내는 위험이 생기게 됨.

물론 이 거리측정 정보도 수중 상태에 따라 다르기 때문에, 수온차나 염분, 수압에 따라 음속이 달라지며 표층도파관(주1)의 존재, 수면 파도높이 등등의 요건에 따라 탐지가 잘되고 안되고가 심하게 바뀜.

이 물이라는 매질은 음파 전달이 아주 졸라 쉽게 되기 때문에, 수온차나 염분, 수압에 따라 다르긴 하나 평균적으로 수온 20도 기준에서 1483m/s의 속력을 가짐. 통박 때려서 대기중 음속보다 4배이상은 더 빠르다 보면 될 것임.

음탐을 통한 사격제원 획득에 있어서의 또다른 오차가 발생하게 되는데, 그것은 잠수함 중심선-소나 어레이 간의 거리에서 발생하는 방위각 오차가 있다 할 수 있음.

잘 생각해보면, 대부분 소나라는건 잠수함 함수 부근에 가깝게 위치하기 마련인데 함 중심선 기준 방위각이나 잠망경, 레이더 등을 통해서 수집한 방위각과 비교했을 때 오차가 생기게 됨.

잠망경은 보통 함 센터라인에 가깝게 위치해 있는 경우가 많으며 소나는 함수 부근에 위치하는 경우가 많기 때문에 같은 표적을 확인하더라도 방위각에는 상호 오차가 발생함. 예로 들어 잠망경으로 표적을 확인해서 상대방위각 275도가 나왔는데, 음탐정보로는 281도가 나오는 차이라 보면 될 것임. 조까튼거야 이거.

그나마 함 000도나 180도(180도 방위는 배플-Baffle-의 존재 때문에 잠망경이라면 관측 가능하나 음탐으로는 탐지가 제한적임.) 방위라면 음탐과 잠망경 관측 상호간의 오차는 극히 줄어들게 되는데, 표적이 함 좌우현에 위치해 있는 상황이라면 그 오차는 훨씬 커지게 된다 이 말이지.

음탐정보를 사용할 경우, 이 제반사항들을 고려해야 할 필요성이 있다 보면 될 것임.

잠망경의 경우 거리와 방위각, 함수각의 관측이 가능하며 일부 경험좀 있는 함장님들은 잠망경으로 대강 보고 속력까지도 예측 가능하심다...

거리의 경우 3가지 관측을 사용함.

1. 스테디미터
2. 눈금
3. 경험제원

스테디미터(Stadimeter)라는 것은 미해군 장교인 브래들리 A. 피스크라는 사람이 1895년에 섹스턴트를 기반으로 만든 거리측정장비로서, 아주 간단한 광학 거리측정장비임.

스테디미터를 사용하기 위해서는 표적의 스펙을 반드시 알아야 함. 스테디미터는 표적의 최대 높이를 기준으로 거리를 측정하는 광학장비임.

사용하는 방법. 미국 잠수함을 설명하는 거니 미국 함대형 잠수함용 92KA40T/1.99잠망경을 이용한 스테디미터 거리측정방법을 알아보자.

1. 표적을 식별한 후 표적의 마스트 끝단 높이를 확인한다.
2. 거리측정기의 마스트 끝단 높이값을 입력한다.

미 해군 92KA40T/1.99 잠망경의 스테디미터 다이얼. 외부에 표적 마스트 높이설정 눈금이 있고 내부 원에 거리값이 나오는 구조.

3. 잠망경을 보고 스테디미터 다이얼 핸들을 조작해 2개의 상을 띄운 뒤, 상단에 뜬 상에 있는 표적의 흘수선을 표적의 마스트 끝단에 맞춘다. 그럼 스테디미터 다이얼에 표적의 거리가 나온다.

이렇게.

스테디미터의 단점은, 표적에 대한 상세정보가 없으면 사용하기 극히 힘들다는 점이 있음. 그래서, 확실하게 사용하기 위해서는 그만큼의 정보역량이 필요해짐.

또한 스테디미터는 장거리 표적에 대한 거리측정이 정확하지 않음. 이유는 표적이 거리가 멀 경우 그만큼 잠망경 상에 보이는 표적의 크기가 작아보이게 되는데 그만큼 마스트가 희미하게 보이거나 안 보일 가능성이 높고 거기에 스테디미터 눈금 역시도 매우 정밀하게 만들어져야 하는데 그 부분에서 큰 제한이 걸리기 때문임.

두번째 거리측정 방식은 눈금이 있음.

이 눈금은 초기형 잠망경 렌즈의 경우 콜리메이터 오브젝티브 눈금만 있고, 후기형 잠망경에는 스테디아 눈금이 추가로 존재함.

공격잠망경의 콜리메이터 오브젝티브 눈금 형태.


눈금을 이용한 거리측정 공식은 다음과 같음.

R(거리) = (19.1 h / n)

R(거리) = (76.2 h / N)

R = 야드 단위 거리
h = 피트 단위의 높이
n = 저배율 스케일
N = 고배율 스케일

R = h x 저-고배율 등가 초점 높이 / 저배율 혹은 고배율 스케일 눈금값 측정치




미국 잠수함 잠망경의 콜리메이터 오브젝티브 눈금은 1눈금당 등가 초점 높이/길이는 481.7mm (= 19.268 인치)이라는걸 감안합시다.

잠망경은 보통 저배율(Low Power)일 경우 배율은 1.5배율, 고배율(High Power)일 경우 6배율임. 즉 여기서 고배율은 저배율 대비 4배의 배율을 가진다는 것을 알 수 있음. 그렇다면, 여기서 저배율 관측시 배율당 1눈금의 등가 초점 높이는 19.268인치에 고배율일 시 77.072인치임.

저 짤에서 보다시피, 짤 상에서는 등가 초점값에 반올림값이나 버림값이 존재한다만 표적의 마스트 높이를 대략 120피트라고 가정하였을 경우 고배율 관측시 거리는 76.2 X 120 / 5디비전을 했을 경우 대충잡아서 1,840야드가 나오며 저배율시 19.1 X 120 / 1.25디비전을 했을 경우에도 얼추 비슷한 거리값이 나오게 됨. 약간의 오차는 존재하나, 어느정도 무시할 수 있고 추가적인 보정이 가능함.

물론, 전장을 통한 거리측정도 가능한데 예로 들어, 위의 거리측정 짤의 표적의 전장이 대강 289피트 정도 되니 그럼 여기에서 고배율 76.2 X 289 / 12디비전을 하면 거리값은 대략 1,835.15야드가 나오게 됨. 물론 함수각 90도 우현이라는 가정 하에서.

경험제원의 경우, 경험 있는 함장들의 주요 기술로서 여태껏 봐 온 자신의 경험에 의존한 거리측정을 하는 방식을 뜻함. 물론 이건 다소 부정확하다마는 사람에 따라서는 거리측정기 안써도 되는 수준의 정확도를 보여주는 탈인간급의 인종들도 더러 있음.

또한 미국 잠수함들은 후기에 잠망경 내장형의 거리측정용 ST레이더가 설치되는데, 이들은 SJ 수상수색 레이더의 오실로스코프를 공용으로 사용하거나 별도의 오실로스코프 디스플레이를 설치해 운영하기도 함. 이 잠망경 내장형 레이더를 통해서도 거리측정을 수행할 수 있음.

잠망경 내장형의 ST레이더 안테나. 혼 타입 안테나에 X밴드 거리측정 레이더로서 오차율은 거리오차 15미터, 각오차 5도를 가짐.

또한 거리 외에도 함수각 역시도 측정이 가능함. 함수각 측정의 경우 2가지로 나눔.

1. 렌즈 눈금 측정+삼각함수
2. 거리, 시간-방위기점
2. 방위환 혹은 사물 이용 측정
3. 경험측정

렌즈 눈금 측정의 경우 위와 비슷하게 진행되나 여기에서 공식이 더해지게 됨.

표적의 시야상에 보이는 전장과 높이를 이용한 표적과의 거리를 계산하고 표적의 실제 전장을 대입해 삼각함수를 계산해서 알파값을 계산해주면 되겠음.

삼각함수가 귀찮을 경우, 플로팅+시간,방위/거리기점을 통한 적함 침로 및 함수각 계산 역시도 사용할 수 있음.

대강 하는법. 1차 마크시 거리 1200야드, 방위 034도 기록후 2차 마크 시 거리 1240야드, 방위 035도를 확인 후 이걸 해도상에 그려 마킹을 해주면 표적의 침로와 거리가 나옴. 만약 3분간법을 사용할 경우, 3분간 표적이 1차 마킹 지점부터 2차 마킹 지점까지 이동하는데에 나온 거리를 계산하면 대충 표적 속력까지 통박으로 계산해 넣을수가 있음.

3분간법은 야드-노트 간의 상관관계를 통한 표적 속력측정 약산법인데, 보통 3분간 3노트로 항주한다 치면, 표적은 대략 302야드, 얼추 통박때려서 300야드 가량을 항주함. 이것을 이용해 저속으로 항주하는 표적에 대한 속력의 계산이 얼추 가능함. 물론 이건 표적의 속력이 빠르면 빠를 경우 오차가 가면갈수록 커지니 고속으로 항주하는 표적에게는 그닥 유용하지가 못함.

잠망경의 주요 단점은 악기상이나 야간 때에 표적확인에 어려움을 겪는다는 점임. 또한 사람이라는건 기본적으로 실수할 가능성이 높아 실 표적을 다른 표적으로 오인 식별할 가능성 역시 매우 높음.

방위환 및 사물을 이용한 함수각은 대강 눈대중을 통해서 표적의 함수각을 예상하는 방식이나 다소 부정확함. 경험측정 역시 마찬가지.

레이더 사격통제는 정말 간단함. 레이더의 성능이 우수하다는 가정 하에서라면, 방위각과 거리정보가 바로 뜨며 역시 거리, 시간-방위기점을 통한 표적의 침로와 함수각, 속력정보 역시 동시에 확인 가능함. 레이더는 표적의 길이나 높이가 어떻고, 선급이 뭐고를 따질 필요가 없음.

단점. 기상상황에 따라 해수면 반사값에 의한 노이즈가 다소 발생할 수 있으며 레이더 심도 혹은 부상상태를 유지할 필요가 있는데다 적이 ESM을 갖추고 있다면 자함의 위치가 발각될 가능성이 높음.

TBT는 Target Bearing Transmitter라고 부르는데, 표적 방위 송신기로 이해하면 되겠음.

TBT의 사진. TBT는 쌍안경으로 보이는 적함을 향해 돌린 다음, 방위각 확인 마커 버튼을 누르면 TDC에 자동으로 표적의 상대방위값이 입력되는 장비임. 수상에서만 사용 가능하며, 제한적으로 거리측정 역시도 쌍안경 눈금을 통해 가능함.

견시의 경우 선급확인, 대강의 방위각과 거리를 확인할 수 있음. 하지만 수상항주 상태를 유지해야만 하며(잠수중에 견시 올려보낼수는 없잖아) 거리측정이나 방위각 측정에 오차가 많을수 있음.

이런 사격제원 확인을 위한 관측장비를 통해서, TDC의 포지션 키퍼에 정보를 입력하면 되겠음.

TDC는 표적지정 체계와도 연동되어 있는데, 이들은 레이더, TBT, 선속계 및 자이로 나침반과 연동되어 TDC가 사격제원에 따라 표적에 대해 자동추적을 실시하면 이에 반응하여 자동으로 표적의 거리, 방위, 속력을 표시해냄.

앵글 솔버는 앞에서 말했다시피, 어뢰 발사각(트랙 앵글)과 항주 심도를 세팅할 수 있음. 자동추적체계가 작동 중일경우, 앵글 솔버는 자동으로 표적의 미래위치를 향해 트랙 앵글이 조정되며 세부적으로 자이로값을 임의로 조작해 부채꼴로 어뢰를 발사하거나 혹은 발사값에 대한 임의적 보정이 가능함.


어뢰 발사시 어뢰 트랙의 대강의 모습.

자이로 앵글의 경우, 함의 정침로 기준이 아니라 어뢰 항주침로를 기준으로 세팅이 되고, 어뢰 항주 침로를 기준으로 좌/우로 발사각 조절이 가능하게끔 해놓은 체계임. 즉 어뢰 자이로 기준값은 어뢰 트랙 앵글을 기준으로 함수 어뢰 기준 0도, 함미 어뢰 기준 180도임.

이게 왜 이러냐면, 앞서 설명했다시피 TDC는 입력된 사격제원에 따라 표적 자동추적을 하는 기능을 가졌다고 앞서 설명했을 것임.

근데 이것이 그냥 적 예상 이동위치를 알려주는 기능만 하는것이 아니라, 자동으로 어뢰 선회각과 자이로각을 계속 갱신해주는 역할도 같이 하고 있음.

이렇게 입력된 값에 의해 미래 이동위치를 갱신하다 보면, 근본적으로 사격제원에 약간의 오차가 발생하는 경우가 매우 많음. 특히 거리랑 선수 각도에서 실제 적 선박과의 거리와 적 선박의 선수 각도가 차이가 나는 경우가 생김. 이게 기계적 문제라기 보다는 사람이 직접 눈으로 확인하는 경우가 많으니까, 실수로 인한 오차가 생길수밖에 없음.

이때 자이로 앵글 세팅을 수동으로 세팅해서 발사각을 조절하거나, 혹은 표적 추적이 정확하게 되고 있는 상황이라면 좀더 명중률을 올리거나 여러 구획 혹은 여러 선박에 피해를 입힐 수 있게 추적 중인 미래 위치를 기준으로 자이로 각도를 임의로 수동 세팅할 수 있는 거임.

즉 TDC의 포지션 키퍼가 적의 미래위치를 추적하는 와중에도 그 상황에 임의적으로 어뢰 자이로 값을 수동세팅해 발사각을 마음대로 조절할 수 있다는 말임.

하지만 어뢰발사를 함에 있어 난점이 존재함.

리치, 토피도 어드밴스와 선회반경, 그리고 선회를 하면서 생기는 터닝 모멘텀 때문에 실질적 표적 도달시간에 오차가 생기게 되기 때문임.

예로들어서 함미 어뢰발사관에서 트랙 앵글 061도 주고 쏴서 표적도달시간 56초 나오는데, 함수 어뢰발사관에서 트랙 앵글 127도 주고 쏴서 리치, 토피도 어드밴스, 터닝 모멘텀과 함미 어뢰발사관과 함수 어뢰발사관 간의 거리차 때문에 시간 더 까여서 실질적인 항주시간이 63초가량 나온다 생각해보자.

이게 사격을 함에 있어서 표적 실제 사격제원이랑 TDC에 입력된 정보가 완전 일치해서 제대로 조준하고 있는 상황이면 그나마 나은데, TDC 입력정보랑 실제 정보 차이가 나버리면 트랙 앵글이랑 사거리, 명중까지의 도달시간까지 죄 뻑남. 보통 제일 차이가 많이 나는게 사거리, 함수각임.

이 터닝 모멘텀과 리치, 토피도 어드밴스(주2)의 영향은 좌우현 부근에 위치한 적함에 대한 공격에도 매우 큰 영향을 미치게 되는데, 특히나 표적이 자함과 상대되는 침로로 접근해올 때에 그 차이는 더 심해짐. 이렇다보니 실질적으로 어뢰를 발사해 명중시킬 때 최적의 환경은 표적의 예상 이동경로를 향해 함수나 함미를 최대한 선회시켜 발사하는 것이 터닝 모멘텀이랑 토피도 어드밴스의 영향을 덜 받게 하는 것임. 실제로 U보트고 미국 함대형 잠수함이고 영국 잠수함이고 간에 최대한의 명중률을 보장받을 수 있는 트랙 앵글은 함수/함미 기준 좌우 30도씩까지임.



물론 잠수함 승조원들도 바보들은 아닌지라서 별의 별 전술을 다 동원해서 좌-우현에 위치하거나 함수/미 좌우현 30도 이상 벗어나는 표적에 대한 어뢰 명중률을 올리곤 했는데, 아예 트랙 앵글을 원하는 발사각으로 고정시켜 자동추적기능을 꺼버려 사거리, 침로, 속력, 방위 제원 변위를 억제한 다음 적 함정의 속력과 이동경로, 거리를 확인해 적절한 타이밍이 되었을 때에 자이로 각을 조정하면서 부채꼴로 발사하거나, 혹은 아예 토피도 어드밴스-터닝 모멘텀으로 까먹는 시간을 고려해서 트랙 앵글을 임의로 보정하거나, Longitudinal Spread 사격을 하는 방식으로 해결을 보려고 했음.(주3)




주1) Surface Duct. 즉 표층도파관은 수온약층의 존재에 따라 음파가 수온약층에 부딪힌 이후, 수면에 부딪히고 다시 수온약층과 수면에 부딪히는걸 반복해 반사-확산되어 음파가 멀리멀리 퍼지는 구간을 뜻함. 설명했다시피, 수온약층과 수면 사이에서 발생함.

주2) 여기서 좀더, 모르는 양반들을 위해서 설명하자면 토피도 어드밴스와 리치가 뭐냐면 토피도 어드밴스는 어뢰가 선회하면서 발생하는 반지름 거리를 뜻하고 리치는 어뢰가 어뢰발사관에서 발사된 이후 곧바로 선회하지 않고 어느정도 직주를 하는 구간을 뜻함.

왜 바로 선회하지 않느냐면, 어뢰발사관에서 발사되자마자 바로 어뢰가 트랙 앵글 선회를 해버리면 잠수함 함수나 함미에 어뢰가 충돌할 위험이 매우 높기 때문임. 특히 함수에서 이런 일이 일어날 가능성이 높음. 보통 잠수함이 전진을 하기 때문에 실질적으로 리치를 주는 것임. 일종의 최소안전 추진거리라고 이해하면 됨.

주3) Longitudinal Spread라는 것은 다른 말로 호스파이프 샐보라고도 불리는데, 어뢰를 2발 이상 발사 시 동일 어뢰 트랙 앵글을 설정한 상태에서 자이로값을 임의로 고정시킨 다음, 별도 트랙 앵글 및 자이로 앵글 변화 없이 동일 트랙 앵글로 어뢰를 일정 시간 간격을 두고 발사하는 방식을 뜻함. 보통 TDC의 자동추적 기능을 끄고 사용하거나, 기계식 사격통제 컴퓨터가 없거나 혹은 어뢰 트랙 앵글 조정이 불가능한 잠수함들이 이런 발사방식을 많이들 사용함.




설명 안한게 참 많은데, 이거 쓰는데에도 체력이 소진됨.

- there is no room for mistakes in submarines, you are either alive or dead.