2.1 포병사격장 안전기준 비교^[3–6]

포병사격장의 안전기준은 미 육군의 기술교범 385- 63 사격장 안전수칙에 자세하게 수록되어 있다. 한국은 미국 안전기준을 준용하고 있지만, 안전지역에 대한 정확한 구분과 안전조치 등에 대한 자세한 내용은 상세하게 제시하고 있지 못하다.

2.1.1 미국 안전기준

미국이 사용하고 있는 포병사격장 표적지의 안전기준은 Table 1과 같다. 안전기준에서는 A지역, B지역, C지역, 표적지역 등 네 개의 지역으로 구분한다. 탄착지역을 기준으로 표적지역 전방·후방 및 좌·우 사거리 공산오차가 고려된 표적지역과 외곽의 안전지역이 설정된다. 표적지역은 위험지역과 준위험지역으로 구분되며, 안전지역은 포목선을 기준으로 사거리방향 좌우 안전구역을 A지역으로 구분하고, 표적지역의 후방을 B지역, 표적지역 전방을 C지역으로 구분한다.

Table 1.

Basic demensions of artillery range safety area

2.1.2 한국 안전기준^[6,7]

한국에서 적용하고 있는 안전지역 기준은 Fig. 2와 같다. 한국군 포병사격장 안전지대 기준은 한국 육군의 포병 전술 및 사격훈련장 설치의 지침이 되는 ｢표준훈련장 설치기준｣에 제시되어 있다^[4,8,9]. 한국은 좁은 국토와 훈련환경의 제한으로 특정한 사격진지를 갖추기보다 전술진지 또는 부대 사격진지에서 사격을 하므로 포목선이 다양하게 구성된다. 표적지 전방 안전지역은 미국에 비해 매우 보수적인 기준이 적용되고 있고, 표적지역을 3개의 안전지대로 구분한 미국과 크게 다르지는 않지만 탄착지역과 표적지역을 표적으로 제시하고 있다.

Fig. 2.

Safety standard of artillery firing range(ROK)

Fig. 1.

Safety standard of an artillery range(USA)

한국의 기준은 다양한 사격진지를 고려했기 때문에 표적전방으로 안전거리를 미국기준에 비해 보수적인 2,400 m를 적용한 것으로 판단된다. 또한 표적지역 경계(점선)는 특정 크기가 명시되어 있지 않다. 이는 조준 시 특정 영역을 벗어나지 않도록 최소한의 경계구역으로 포탄의 살상반경 등이 고려된 것으로 판단된다. 즉 사격 시 좌∙우, 상∙하 사격 한계를 지정하는 영역이다. 이는 탄착지 면적이 넓을수록 여유있게 설정할 수 있지만, 한국지형에서는 여유 공간을 충분히 확보하는 것은 매우 어렵기 때문에 특별한 크기를 명시하지 않는 것으로 판단된다.

포병 사격장과 탄약시험장의 탄착지는 다소 차이가 있다고 할 수 있다. 포병 훈련을 목적으로 사격을 실시하는 경우 탄착 지역의 다양한 지점을 표적으로 설정하기 때문에 상대적으로 넓은 표적지를 구성해야 하지만, 탄약의 성능 검사를 위한 시험장의 경우 표적 중앙을 기준으로 일관된 사격을 실시한다.

2.2 탄도특성^[6,7]

진공 상태로 설정된 가상의 표준 조건에서 사격할 경우 포병사격으로 발생하는 탄도는 일정하다. 그러나 실제 사격 조건은 가상의 표준 조건과는 달리 탄도의 오차를 발생시킬 수 있는 다양한 요인들이 존재한다. 공기의 온도 및 밀도, 풍향 및 풍속 등과 같이 기상조건으로 발생하는 탄도의 오차는 사격제원의 조정을 통해 오차를 최소화할 수 있지만, 포신 및 탄약, 장약의 제작에서 발생할 수 있는 요인으로 인한 오차의 경우 예측할 수 없으며, 수정량을 적용한 사격제원의 조정을 통해 탄도의 오차를 보정할 수 없다.

2.2.1 사탄산포와 공산오차^[2]

Fig. 3은 사탄산포와 공산오차를 모형화하여 보여주고 있다. 탄도의 오차로 인해 발생하는 탄의 최종 탄착 오차를 ‘사탄산포’라고 정의한다. 동일한 진지에서 동일한 장약을 활용하여 동일한 사각과 편각으로 사격을 하더라도, 포탄은 동일한 탄착지점에 도달하지 않고 포목선을 기준으로 횡(편의) 방향과 종(사거리)방향으로 탄착지점의 분산이 발생한다. 이러한 사탄산포의 개념을 활용하여 ‘공산오차’를 설정한다.

Fig. 3.

Dispersion and Probable Error(PE)

공산오차는 확률적 근거에 기초하여 설정된 개념으로 탄착점이 탄착 중심을 기준으로 어느 한계를 초과할 빈도와 초과하지 않을 빈도가 같은 확률을 의미하는 개념이다. ‘1 공산오차’는 탄착 중심을 기준으로 좌/우 또는 원/근으로 탄착 현상의 50 %가 발생하는 범위를 의미한다. 공산오차의 규모가 커질 경우 해당 범위에서 탄착 현상이 발생할 확률이 높아진다고 할 수 있다. 2 공산오차의 범위에서는 82 %의 탄착 현상이 발생하며, 3 공산오차에서는 96 %의 탄착 현상이 발생한다. 4 공산오차의 범위에서는 약 99.3 %의 탄착 현상이 발생한다고 가정했을 때, 4 공산오차의 범위에서는 거의 모든 탄의 탄착 현상이 발생한다고 할 수 있다. 따라서 탄착지점의 안전성을 고려했을 때, 4 공산오차의 개념을 적용할 경우 탄착의 오류로 발생하는 안전사고의 가능성은 매우 낮다고 평가해 볼 수 있다.

Fig. 3은 사거리 9 km를 기준으로 6호 장약을 활용하여 포병사격을 실시했을 때 발생하는 공산오차를 보여주고 있다. 사격시 가장 현저하게 발생하는 사탄산포의 특징은 좌/우 오차보다 원/근으로 발생하는 오차의 크기가 더 크다는 것이다.

2.2.2 공산오차 특성^[1–4]

공산오차의 특성을 제시하기에 앞서 공산오차의 종류를 살펴볼 필요가 있다. 공산오차는 크게 세 가지 종류로 나누어 볼 수 있다. 첫째, 사거리 공산오차이다. 사거리 공산오차란 포목선 상에서 탄이 탄착지점을 중심으로 원탄 및 근탄이 발생하는 오차를 의미한다. 사거리 공사오차가 발생하는 근본적인 원인은 풍향 및 풍속의 변화, 공기의 온도나 밀도와 같은 기상 조건의 변화로 인해 발생한다. 둘째, 편의 공산오차는 포목선 상의 탄착지점을 중심으로 좌탄 및 우탄이 발생하는 오차를 의미한다. 편의 공산오차의 발생 원인은 사거리 공산오차의 원인과 동일한 것으로 알려져 있다. 셋째, 파열 공산오차는 포병 탄약 중에는 공중에서 파열하는 기능을 가진 탄에서 발생하는 오차이다. 연막탄, 조명탄, 이중목적 개량고폭탄(DP-ICM) 등의 탄종은 공중에서 파열하여 기능을 발휘하도록 설계되어있다. 이처럼 공중에서 파열되는 탄이 갖는 파열 공산오차는 파열고 공산오차, 파열시간 공산오차, 파열거리 공산오차로 구분된다. 파열 현상과 관련된 오차가 발생하는 원인은 공중파열 기능을 조절하는 탄약의 신관작용에 의존한다고 볼 수 있다.

공산오차의 중요한 특성 중 하나는 사거리 증가에 따른 사거리 공산오차 및 편의 공산오차의 증가 패턴이 현저히 다르다는 것이다. 공사오차의 근본적 발생 원인이 기상조건의 변화 및 제작상의 오차라고 고려했을 때, 사거리의 증가는 자연스럽게 공산오차의 증가를 야기할 수 있다. 기상조건에 노출되는 시간이 길어질수록 오차를 발생시키는 원인과의 접촉 시간이 길어지기 때문이다. 따라서 사거리가 증가하면 사거리 공산오차와 편의 공산오차 모두 증가하는 현상이 발생한다. 여기서 주목할만한 사실 중 하나는 사거리 증가에 따른 사거리 공산오차의 증가율이 편의 공산오차의 증가율에 비해 현저히 높다는 사실이다.

Fig. 4는 155 mm 곡사포를 활용하여 고폭탄(HE)에 착발신관을 결합하여 단위장약 2호(U2)로 사격했을 때 사거리 증가에 따른 1 공산오차의 변화를 보여준다. 그림에 나타난 바와 같이 기본적으로 사거리 공산오차가 편의 공산오차에 비해 크며, 증가율 또한 사거리에 비례하여 증가함을 알 수 있다. 따라서 사격장 안전성 평가시 사격진지로부터 표적까지의 사거리가 안전성을 결정하는 주요한 인자로 작용할 것이다.

Fig. 4.

Range and deviation Probable Error(PE)

2.2.3 사거리를 고려한 최적 장약의 선정과 공산오차

장약은 포탄을 탄착지점으로 이동시키는데 필요한 추진력을 제공하는 폭발물질이다. 기본적으로 사거리가 멀어질수록 더 많은 장약을 장입해야 하며 사거리가 짧아질수록 적은 양의 장약을 장입해야 한다. 그러나 동일한 사거리를 다양한 장약을 활용하여 사용하는 것이 불가능한 것은 아니다. 짧은 사거리를 사격하기 위해 많은 양의 장약을 장입한 경우 사각을 조정하여 원하는 지점에 탄착현상이 발생하게 할 수 있다. 또한, 먼 사거리를 사격하기 위해 적은 양의 장약을 장입한 경우에도 사각을 조정하여 탄착현상을 통제할 수 있다. 그러나 사거리에 최적화된 장약을 활용하지 않을 경우 공산오차의 크기가 현저히 증가하여 탄착지점의 정확도가 떨어지는 문제가 발생한다^[1,2].

Table 2는 단위장약 2호, 3호, 4호를 활용하여 사거리 1 km, 4 km, 7 km, 11 km에 대한 사격을 실시했을 때 발생하는 공산오차의 변화와 위험지역 및 준위험지역의 크기를 보여주고 있다. 장약 2호를 활용했을 때 최대 사거리는 11 km이며, 장약 3호의 경우 14 km, 장약 4호의 경우 18 km이다. 특정 장약을 활용하여 사거리를 증가시킬 때, 공산오차와 위험 및 준위험지역의 범위가 넓어지는 것을 확인할 수 있다.

Table 2.

PE according to the range of each charge

앞서 설명한 바와 같이 적정 사거리에 최적화된 장약을 선택하여 사격을 할 때 공산오차를 최소화할 수 있다. 예를 들어 사거리 1 km에 대한 각 장약의 공산오차를 비교해보면 단위장약 2호의 경우 8 m의 공산오차가 발생하며, 단위장약 3호는 12 m, 단위장약 4호는 19 m의 공산오차가 발생한다. 따라서 사거리 1 km 에 대한 최적화 단위장약은 2호라고 볼 수 있다. 그러나, 사거리 4 km, 7 km, 11 km의 최적화 장약은 단위장약 3호이다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 사거리 4 km 이상에서는 오히려 2호 장약보다 3호 장약을 사용했을 때 공산오차가 작다는 것을 알 수 있다. 따라서 사거리 4 km 이상에 대한 사격을 실시할 경우, 단위장약 3호를 사용하는 경우 탄착현상의 오차가 가장 적다는 사실을 확인할 수 있다. 포병사격을 위한 사격 지휘의 기본 원칙은 해당 사거리에서 가장 적은 공산오차를 발생시키는 장약을 활용하는 것이다. 따라서 사격장의 표적 크기를 설정할 때, 사격 진지와 표적지 간의 사거리를 고려한 최적장약으로 사격했을 때 발생하는 공산오차를 확인하고, 이를 적용하여 표적지를 구성해야 한다.

Fig. 5.

Comparison of PE by range and charge

3.2 한국형 안전기준 적용 표적지 설정(예)

공산오차의 일반적인 특징을 통해 표적지의 크기를 설정할 때에는 반드시 사거리와 사격진지의 방향 등 다양한 요소를 고려하여 안전기준을 적용해야 한다. 미국과 한국의 사격장 안전기준에서도 이러한 특징을 반영하여 제시하고 있다. 하지만 미국과 한국의 사격장 안전기준을 보면 표적과 탄착지역에 대한 명확한 기준과 설명이 제시되어 있지 않다. 안전과 훈련의 효과성을 고려한다면 사격 시 조준해야 할 기준점이 다양하면 좋을 수 있지만 실제 사격장의 입지를 고려해 볼 때 이러한 여유도를 갖추기에는 한국지형이 충분하지 않은 것이 현실이다. 이런 측면을 고려해 볼 때 한국지형에서는 표적 중앙을 설정하고 별도의 탄착지역을 두지 않는 것이 적절할 것으로 판단한다. 또한 99.3 % 이상의 탄착확률을 고려한 4 사거리 공산오차를 기준으로 위험지역과 준위험지역으로 구분하고, 안전을 위해 울타리로 출입이 통제되어야 할 것이다. Fig. 7은 공산오차를 고려한 사격장 크기를 결정하는 예를 보여주고 있다^[1].

Fig. 7.

Target site size considering PE

화포의 기종은 155 mm 곡사포(K-55A1, KH-179)로 가정하고 탄약은 고폭탄(HE, KM107, M107) 및 착발신관을 기준으로 한다. 표준기상하에서 표준탄도를 적용하여 단위장약 2호(U2)를 활용, 사거리 7 km와 11 km 의 사격을 실시한다는 가정 하에 공산오차를 적용한 표적지역의 ‘위험지역’과 ‘준위험지역’은 아래 그림과 같다. 여기서 사거리 방향의 표적전방은 12 사거리 공산오차의 절반인 6 사거리 공산오차를 적용하여 표적지역을 구분하였다. 즉 위험지역은 탄착 현상의 99.3 %가 발생할 것으로 예상되는 공산오차를 적용했으며, 준위험지역은 위험지역의 두 배에 해당하는 지역으로 설정하였다.

Fig. 7의 좌측에 있는 7 km 사거리를 적용한 표적을 타격하기 위해 단위장약 2호를 활용했을 때, 1 편의 공산오차는 4 m이며, 1 사거리 공산오차는 20 m이다. 위험지역의 구성에 있어 좌/우 방향의 공산오차를 의미하는 편의 공산오차는 각각 좌/우 방향으로 4 편의 공산오차를 적용(4 m × 4 = 16 m)하여 위험지역의 횡방향 길이는 2배에 해당하는 32 m(16 m × 2)로 결정하였다. 포목선을 기준으로 원/근을 의미하는 사거리 공산오차의 경우 원탄 방향으로는 4 사거리 공산오차(20 m × 4 = 80 m)를 적용했으며, 근탄 방향으로는 6 사거리 공산오차(20 m × 6 = 120 m)를 적용하였다. 근탄 방향으로 더 보수적인 공산오차를 적용한 이유는 근탄에 의한 아군 피해방지와 관측소의 안전 등을 고려한 것으로 판단된다. 결과적으로 위험지역의 종방향 길이는 200 m, 횡방향은 32 m로 설정하였으며, 준위험지역은 위험지역의 두 배 넓이로 설정된다. 준위험지역의 횡방향 길이는 16 편의 공산오차인 64 m(4 m × 16)을 적용했으며 종방향 길이는 20 사거리 공산오차인 400 m(20 m × 20)를 적용하였다.

Fig. 7의 우측에 있는 탄착지 크기는 사거리 11 km 를 적용했을 때, 위험지역과 준위험지역의 크기를 보여주고 있다. 사거리 및 편의 공산오차를 고려할 경우 표적의 크기는 위험지역의 경우 56 m × 290 m, 준위험지역의 경우 112 m × 580 m으로 설정된다. 이와 같이 표적지 크기를 탄도의 일반적인 특성과 공산오차를 기초로 결정하는 것은 사격장 안전을 보장하는데 핵심요소이다. 또한, 광범위한 자연환경을 가진 국외 사격장과 달리 국내 포병사격장의 경우 평시 주둔지 혹은 정해진 사격진지에서 사격을 해야함으로 포목선이 다양하게 구성된다. 이러한 이유로 Fig. 2에서 보는 바와 같이 사격진지 방향에 따른 안전구역 설정이 추가적으로 요구된다^[1].

4.1 포병사격장 안전율^[3,4]

국내 운용 중인 포병사격장의 표적지에 대한 안전성을 평가하기 위해 위험지역과 준위험지역에 대한 면적을 기준으로 평가를 하고자 한다. 일반적으로 표적지의 형태는 공산오차를 기준으로 직사각형 형태로 구축해야 하지만 국내 사격장의 지리적 환경은 이를 준수하기에는 어려움이 많다. 따라서 대부분의 표적지는 특정 형태를 유지하지 못하고 지형적 특성에 맞게 구축되어 있다.

국내 포병사격장은 일반적으로 불모지로 형성된 위험지역과 울타리 또는 방화선(도로) 등으로 인원접근 을 엄격히 통제하는 준위험지역으로, 육안 또는 도상으로 충분히 확인 가능하도록 구축되어 있으며 안전지역은 특별한 경계 없이 민간인 거주지 등을 고려하여 통제하고 있다. 사격장의 안전은 인원 출입이 엄격히 통제되는 준위험지역의 면적이 얼마나 충분하느냐에 따라 결정될 수 있기 때문에 본 연구에서는 울타리 또는 방화도로 등으로 경계 구분이 가능한 준위험지역을 기준으로 도출하였다. 추가적으로 안전구역은 민간인 거주 및 이동 등을 고려하여 연구자가 인위적으로 구분하여 제시하고자 한다. 안전율을 산출하기 위해 위험지역과 준위험지역의 기준면적은 공산오차를 고려하여 다음과 같이 계산된다^[3,4].

여기서 공산오차 PE(Probable Error)는 사거리 공산오차와 편의 공산오차로 구분된다. 사거리(Range) 공산오차는 R_ra, 편의(Deviation) 공산오차는 R_de이다.

안전율(S_R1)은 사거리에 따른 공산오차를 고려한 이론적 안전기준과 실제 구축된 표적지의 실면적 비로 다음과 같이 정의한다. 본 연구에서는 실제 탄의 99.3 % 이상이 낙탄되는 위험지역 기준면적 A_S1을 기준으로 안전율을 평가하였다^[3,4].

여기서 A_①은 사격장 표적지의 위험지역 면적, A_②는 사격장 표적지의 준위험지역 면적이다. 사격장별 위험지역과 준위험지역의 면적은 부대별 제공되는 자료와 Google Earth pro를 이용하여 실제 측정한 면적으로 계산되었다.

먼저 우리군이 사용하는 가장 일반적인 탄인 M107 HE(고폭)탄을 고려하여 국내 포병사격장 표적지의 안전율을 확인하였다. 사격진지와 탄착지간 거리는 최대사거리 18 km를 고려하였다. M107 HE탄의 사거리공산오차는 R_ra = 52 m, 편의 공산오차는 R_de = 14 m이다. 이를 기준으로 위험지역과 준위험지역의 면적을 구한 예는 다음과 같다.

4.2 육군 포병사격장 안전성 평가

앞에서 제시한 한국 실정에 적합한 안전지대기준(안)을 적용하여 현행 포병 표적지의 안전성을 평가한 결과는 Table 4와 같다. 현재 육군에서 활용 중인 주요 포병 표적지 7개를 대상으로 안전성을 평가한 결과이다. 155 mm 곡사포를 활용하여 고폭탄 18 km를 사격했을 때 발생하는 1 편의 공산오차 14 m와 1 사거리 공산오차 52 m를 적용했을 때, 울타리 설치로 통제되어야하는 준위험지역의 기준면적(A_S1)은 232,960 m²이다. 기준 면적과 준위험지역 및 안전지역의 비율 A_① / (A_S1) 및 A_② / (A_S1)이 1보다 큰 표적지의 경우 해당 조건에서 안전성이 확보되었다고 평가할 수 있다. 일정한 사거리 18 km를 기준으로 안전율을 확인한 결과 부연동과 오소령 포적지가 부적합으로 확인되었다. 하지만 이는 실제 사격진지와 표적지까지의 사거리가 고려되지 않은 결과이므로 실사거리를 고려하여 재확인할 필요가 있다.

Table 4.

Safety ratio of artillery range in ROKA^[3] (18 km range)

Table 5는 육군에서 사용 중인 7개 포병 표적지의 둘래길이(km)와 준위험지역(A_①) 및 안전지역(A_②)의 면적을 기준으로 안전율을 재확인한 결과이다. 현재 육군이 활용 중인 표적지 중 둘레가 가장 긴 표적지는 ‘다락대’ 표적지이며, 면적이 가장 넓은 표적지는 ‘천미리’ 표적지이다. 또한, 둘레와 면적이 가장 작은 표적지는 ‘오소령’ 표적지인 것을 확인할 수 있다.

Table 5.

Safety ratio of artillery range in ROKA^[1] (actual range)

육군에서 활용 중인 7개 표적지 중 고폭탄 최대사거리인 18 km의 사거리를 갖는 사격장의 거의 없다. 실제 사거리를 적용할 경우 안전율은 Table 5에서 보는 바와 같다. 사격진지와 표적지의 사거리가 가장 짧은 표적지는 ‘무건리’ 표적지로 주로 4.3 km이며, 사거리가 가장 긴 표적지는 ‘백마골’ 표적지로 주로 사거리 17.3 km에서 사격이 이루어지고 있다. 각 표적지의 둘레와 준위험지역 및 안전지역의 넓이는 동일하지만 사거리에 따른 공산오차는 사격장마다 사거리에 따라 다르기 때문에 안전율 또한 변한다. 예상되는 바와 같이 사거리가 짧은 ‘무건리’ 표적지의 공산오차가 가장 작으며, ‘백마골’ 표적지의 공산오차가 가장 큰 것을 알 수 있다. 기준면적과 준위험지역 면적비를 고려한 ‘안전율’을 비교했을 때, 안전성이 가장 높은 표적지는 ‘다락대’ 표적지이다. 기준면적 대비 약 123배 큰 준위험지역을 설정하고 있기 때문에 기타 표적지에 비해 안전성이 높다고 평가할 수 있다.