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1 사드 레이더 위험구역 논란

1.1 지상100m / 상공 3600m

1.1.1 사드 레이더 위험구역의 범위

사드 레이더에 대한 미군 운용 매뉴얼# 과 괌 기지 환경영향 보고서# 를 참조하면 사드 레이더에 의한 전자파 위험 범위와 위험의 종류 등을 확인할 수 있다.

2개의 문서를 종합하면, 해당 위험구역(KOZ)에는 총 4가지 유형의 위험이 존재한다. 환경영향 보고서(2페이지)를 기준으로 이름을 붙이면 다음과 같다.

  • 1. EED를 장비한 군용기에 대한 전자파 위험 구역[1][2]
  • 2. 민간기에 대한 전자파 위험 구역 [3] [4]
  • 3. 인원 위험 [5] [6]
  • 4. 미통제 인원 위험 [7] [8]

1번 위험의 경우, 90도 상공까지, 그리고 레이더 정면 기준 좌우 65도 사이의 구역에서 레이더에서 5.5km 떨어진 위치까지 존재한다.
2번 위험의 경우, 90도 상공까지, 그리고 레이더 정면 기준 좌우 65도 사이의 구역에서 레이더에서 2.4km 떨어진 위치까지 존재한다.
4번 위험의 경우, 레이더로부터 100m~3600m 사이에서 레이더 고도 기준 상공 5도보다 위로 솟아오르는 지형/건물/탑 등이 있으면 존재하는 위험으로, 사실상 레이더 기준 상공 5도 이상으로 미통제 인원이 들어갈 수 있을 때 생기는 위험이다.[9]

3번 위험의 경우, 해석에 논란이 존재한다.

A personnel hazard would exist for 328 feet (ft) (100 meters [m]) on level ground in front of the radar and for elevations 5 degrees above the radar elevation out to 2.2 mi (3.6 km).

이 문장을 직역할 경우 "레이더 앞 동일고도 100m까지, 그리고 3.6km에 해당하는 거리 내에서 레이더 고도 위의 5도 상공에 해당하는 고도" 가 된다. 그러나 전자파에 의한 위험이 특정 선에만 존재한다는 것은 상식적으로 말이 안 되므로, 실질적으로 이 문구는 상공 5도를 기준으로 위, 혹은 아래를 지칭하는 것임을 알 수 있다. 그리고 제반 사정을 보면, 이 문구에서 의도한 것은 "상공 5도보다 위가 인체 위험 구역"임을 알 수 있다.

  • 해당 문구에서 이미 레이더 앞 동일고도 100m 까지 위험구역임을 명시했는데, "상공 5도 아래"로 해석할 경우 이 문구의 의미가 사라진다.
  • 운용 매뉴얼의 3-13 페이지를 보면, 레이더 작동 전에 100m 앞의 공간에서 모든 인원이 대피했음을 확인해야 한다고 지시하고 있다.[10] 이는 레이더 고도 기준 인체 위험 범위가 3.6km 이었으면 매우 부적절한 지시가 된다.
  • Uncontrolled personnel hazard 도 동일하게 상공 5도 이상으로 사람이 올라갈 수 있는 경우를 상정하고 있다. 이는 상공 5도 이하의 공간이 이미 personnel hazard 로 인하여 출입불가 통제를 받고 있으면 성립하지 않는 위험이며, 따라서 별도로 관리할 의미가 없어지는 위험이다.
  • 사드 레이더는 Phased Array 형태의 레이더를 채택하고 있으며[11], 같은 전파 출력 패턴을 가진다. 상공으로 쏘아지는 Main lobe 는 지표면 등으로 새어나가는 Side lobe 보다 1000배 이상 강하며, 따라서 그만큼 더 위험하므로 상공에서의 인체 위험 범위가 더 큰 것이 당연하다.[12]

1.1.2 널리 퍼진 오해에 대한 설명

일각에서는 레이더 고도 기준 3.6km 까지가 인원 위험이 존재하는 범위이고, 상공에서는 5.5km 까지가 인체에 대한 위험이 존재하는 범위라고 주장한다. 그러나 추가 정보를 분석하면 이것이 잘못임을 알 수 있다.

  • 평면도에서 EED 위험 구역에 Aircraft Personnel Keep Out Zone 이 함께 붙어 있음을 근거로 상공 5.5km 까지 인체에 유해함을 주장하는 경우가 있다. 그러나 이 주장은 같은 문서의 다음 페이지에서 나오는 측면도에도, 그림의 원래 출처에 해당하는 문서에도, 각 hazard 에 대하여 설명하고 있는 환경영향 보고서에도 교차검증을 할 수 없는 내용으로서, 신뢰성이 없다고 볼 수 있다. 그리고 EED에 대해서 조금만 조사하면 이것이 오류임을 알 수 있는데, EED는 전기적 자극으로 폭발하는 장비들을 말하며, 단순 정전기만으로도 유폭할 수 있을 정도로 민감한 장비인 만큼[13], EED 오작동 가능성 = 인체 위험성 이라는 단순 등식은 잘못임을 알 수 있다.
  • "100m에서는 위험, 101m 에서는 안전?" 이라는 논리를 사용하는 경우가 있는데, 이는 위험 구역에 대한 오해에서 비롯된 질문이다. 위험 구역이 100m라고 설정되었다는 것은, 100m 밖에서는 안전하다는 것을 의미하지, 100m 지점이 무조건 위험하다는 것을 의미하는 것이 아니다. "100m 에서는 위험할지 안 위험할지 확답 못 해 주지만, 101m라면 안전"이 맞는 말이다.
  • "101m 에 사람이 서 있을 경우 레이더 주 전파가 겨우 머리 위 몇 미터를 지나가는데 안전하다고 할 수 있냐?" 라는 의견도 있는데, 이 또한 착각에서 비롯된 오류이다. 5~90도로 대표되는 위험구역은 사드 레이더의 main lobe 가 지나갈 수 있는 범위인 것은 맞다. 그러나 Main lobe 의 중앙이 지나가는 범위가 아니라, main lobe 전체를 통틀어서 지나갈 수 있는 범위이다. 따라서, 5~90도 밖으로 main lobe 전파가 튀어나오는 경우는 없다고 할 수 있다.
  • 서치라이트 등의 예시를 꺼내어서, 파동이 본디 퍼져나가는 성질을 지니고 있으니 레이더의 전파도 확산될 것이라고 주장하는 경우가 있는데, 이는 Phased Array 레이더의 동작 구조에 대한 이해 부족으로 인한 오류이다. 이러한 오류에 빠지지 않기 위해서는 Phased Array 형 레이더의 출력 분포가 어떻게 되는지 알 필요가 있다.

1.1.3 Phased Array 에 대한 설명

사드 레이더는 25000개가 넘는 개별 출력 소자를 사용하는 Phased Array 형태의 레이더를 채택하고 있다.# 따라서 이 형태의 레이더의 특성을 알아야 위험구역에 대한 유의미한 논의가 가능하다. 2009년 대학 레이더 교육 자료를 보면 이에 대한 자세한 내용을 알 수 있다.
Phased Array 는 강력한 Main lobe 와 약한 Side lobe 의 2가지 출력을 낸다. 이는 병렬로 구성된 여러 개의 출력 소자에서 나오는 전파가 각각 확산되면서 상호 간섭을 일으키고, 그 결과 특정 위치에서는 위상이 맞아서 전파의 세기가 강화되고 특정 위치에서는 위상이 맞지 않아서 그 세기가 약해지는 현상을 이용한 것이다. [14] 교육 자료의 28 페이지에서는 일반적인 Phased Array 의 Main lobe 및 Side lobe 출력 차이를 그래프로 볼 수 있으며, 약 40dB 의 출력 차이가 있음을 알 수 있다. 또한 26 페이지를 보면 Thinned Array 라는 형태의 Phased Array 에서 Main lobe 가 Side lobe 보다 평균 31.5dB 강하다는 사실을 알 수 있다. [15] 안전하게 둘 중 차이가 적은 수치인 31.5dB 를 기준으로 이야기를 하자면, 31.5 dB 는 1천배가 넘는 출력 차이로서, Main lobe 와 Side lobe 의 출력이 인체에 무해한 수준으로 감쇠하는 거리는 약 40배 차이가 나게 된다. 즉 THAAD 교범에서 지정하는 인체 위험 구역 지상 100m / 상공 3600m 은 적절한 비율임을 알 수 있다.

1.1.3.1 알려진 THAAD 정보를 대입하여 실계산

THAAD 안테나 넓이 : 9.2 m2
소자 개수 : 25334
1m^2 당 소자 개수 : 2753.7
소자 간 거리 : 1.9cm

THAAD 레이더 주파수 범위 : X-Band(8GHz~12GHz)
각 경우의 파장 : 8GHz = 3.75cm, 10GHz=3cm, 12GHz=2.5cm
Grating Lobe 가 없기 위한 조건 : x, y축에서 인접 소자간 거리가 파장의 절반보다 짧을 것 (X밴드 내의 모든 주파수에 대해 만족)

THAAD 안테나에 공급되는 총 전력 : 1500kW
이 전력이 전부 소자로 100% 배분된다고 가정할 경우 소자별 전력 : 60W


적용 알고리즘 - 현 보유 문헌만으로는 확정지을 수 없으나, sidelobe 통제를 중요시했다는 THAAD 디자인 논문을 참고하여, mainlobe 대비 sidelobe 통제에 유리한 것으로 널리 알려진 phased array 소자 전파 패턴인 Chebyshev Pattern 을 적용. [1]

안전 판단 기준 : 10W/m^2 => [2] for general public exposure 수치

수식 관련 작성중......

1.2 지상 3600m / 상공 5500m

  1. ↑ THAAD radar radio frequency hazard area for military aircraft with electro-explosive devices
  2. ↑ The THAAD radar radio frequency hazard area for military aircraft with electro-explosive devices would exist from the radar out to 3.4 miles (mi) (5.5 kilometers [km]) from the radar, 65 degrees to the left and right of the main radar bore site and 90 degrees straight up.
  3. ↑ THAAD radar radio frequency hazard area for civilian aircraft
  4. ↑ A THAAD radar radio frequency hazard area for civilian aircraft would exist from the radar out to 1.5 mi (2.4 km) from the radar, 65 degrees to the left and right of the main radar bore site and 90 degrees straight up.
  5. ↑ personnel hazard
  6. ↑ A personnel hazard would exist for 328 feet (ft) (100 meters [m]) on level ground in front of the radar and for elevations 5 degrees above the radar elevation out to 2.2 mi (3.6 km).
  7. ↑ uncontrolled personnel hazard
  8. ↑ For distances from the radar between 328 ft (100 m) and 2.2 mi (3.6 km), if the difference in elevation between the radar and the terrain (or a tower or building in an urban environment) divided by the distance from the radar is greater than 0.0875, then an uncontrolled personnel hazard would exist.
  9. ↑ 일각의 주장과는 다르게, 우리가 흔히 오르막길 이라고 인식하는 수준의 오르막이면 5도보다 큰 상승폭을 지니며, 지표면이 높은 지대 + 건물, 내지는 언덕 정도면 충분히 만족할 수 있는 수준의 위험이다.
  10. ↑ Before radiating or going to remote operation, site personnel must ensure all crew members have vacated the 100m personnel KOZ in front of the AEU.
  11. ↑ 1-5 페이지
  12. ↑ 근거는 후술
  13. ↑ 근거
  14. ↑ 즉, 소자 개개별에서 나오는 전파가 넓게 확산한다는 건 맞는 이야기이다. 그러나 이 병렬 소자들의 출력이 상호 간섭을 일으킨 결과를 고려치 않을 경우 레이더 전체의 출력이 넓게 확산한다는 잘못된 결론으로 이끌리게 된다. Phased Array 레이더의 출력 그래프 등은 이미 확산, 간섭 등의 영향을 계산에 포함한 결과물이다.
  15. ↑ Thinned Array 는 일반적인 Phased Array 에서 일부 출력 소자를 제외한 형태의 레이더이며, 전체 출력이 감소하고, 통상의 Phased Array 에 비해서 Main lobe 대비 Side lobe 출력이 강하다.