무기 토론방
레이더 전파의 추적 원리와 KFX의 스텔스 형상의 선택
레이더 전파의 추적 원리와 KFX의 스텔스 형상의 선택
1. 스텔스기의 원리
스텔스기의 개념을 크게 보면 [아군기는 적을 탐지하고 적은 아군기를 탐지하지 못한다!] 기본 개념이 스텔스기 입니다.
간단하게 보이지만 이해하기 쉬운 내용이 아닌것이 스텔스기라는 의미가 적이 탐지하는 현재와 미래 탐지기술능력을 미리파악하여 아군기에게 적용하는 개념이기 때문에
쉽게 이해되지 않는 개념입니다. 적이라는 것이 전투기 일수도 있지만 전투함이나 조기경보기 지상레이더 일수도 있기 때문입니다.
더구나 현대에는 데이터 링크라는 개념이 생겨 지상레이더나 조기 경보기에서 탐지한 정보를 전투기에게 줄수있고 광학측장비와 디지털 네트웍 추적 분석 장비들이
발달해서 스텔스라는 개념은 상당히 광의의 의미로서 상당히 복잡해 졌습니다.
그래서 보통은 협의의 의미로서 줄여서 사용하는데 [적 전투기 레이더를 회피할 수 있는 전투 비행기]를 스텔스기라고 부릅니다.(일단 IR스텔스는 아래 내용에 추가 하겠습니다. )
여기서 전투기 레이더란 대부분 X벤드급 레이더 입니다.
일부 출력을 높인 S벤드급 레이더가 있습니다만 오히려 s 벤드급은 레이더 전파의 특성으로인해 반사되어 같은 면적과 출력의 X-벤드급 레이더에 비해
1/10가랑으로 RCS가 줄기 때문에 X벤드급 레이더가 대세입니다 .
레이더의 벤드 분류
radar 란 무선파의 검출과 거리측정(radio detecting and ranging)을 약칭한 말로 주파수 분류는 아래와 같습니다.
Frequency Band의 관용적인 분류(미국전기전자기술인협회)
L-band 1 to 2 GHz(Long wave)
S-band 2 to 4 GHz(Short wave):
C-band 4 to 8 GHz(Compromise between S and X)
X-band 8 to 12 GHz(X for cross):
Ku-band 12 to 18 GHz(Kurz-under)
K-band 18 to 27 GHz(German Kurz (short))
Ka-band 27 to 40 GHz(Kurz-above)
V-band 40 to 75 GHz
W-band 75 to 110 GHz
mm-band 110 to 300 GHz
X벤드는 SHF이고 센치미터(약7cm) 파 입니다. 파장이 클수록 전파 수신부의 효과적인 모듈 크기가 결정 되었습니다.
전파 그림
최신 X벤드 AESA 레이더는 신호 수신부를 디지털화 하였습니다.
미국만 가능하다고 알려진 면방식 T/R모듈
특히 디지털화의 특징은 수신부가 파장보다 소형이 가능하며 작은공간에도 여러게 붙일 수 있고 모듈간 상호 비교하며 신
호수신을 증폭하고 노이즈를 쉽게 추출하게 하며
이를 위상차를 이용하여 비교하며 오류를 줄여 획기적으로 정교해 졌습니다.
초단파 아래의 파장은 지구의 공기층을 뚫고 신호의 측정이 가능하지만 장파는 회절현상이나 노이즈에 쉽게 노출됩니다.
X벤더 파장또한 구름이나 수분층을 그냥 통과하는 것이 아니며 미세한 신호손실이나 노이즈가 생깁니다.
그래서 X벤더용 장거리 레이더는 출력을 강화해 수신 신호를 높입니다.
원자력 에너지로 출력을 높인것으로 추정되는 미사일 방어용 이동식 X-벤드 AESA 레이더
2. 스텔스 기술의 현위치와 대스텔스 현황 요약
위의 내용중 놓치지 말아야 하는 것이 이렇게 큰 스텔스 의미를 줄여서 사용할 수 있는지 짚고 넘어 가지 않으면 안됩니다.
이것은 너무 많은 내용이기 때문에 간락히 줄여서 풀이했습니다.
2.1. 스텔스기 형상은 X-Band 레이더의 회피에 최적화 되었습니다.
전투기 레이더는 점점더 고성능으로 발전하는 추세이지만 X-band라는 주파수 크기와 물리적 공간과 전투기 출력의 한계 때문에 전투기 레이더 기능은 미래에도 제한되어 있습니다.
그래서 스텔스기는 미래에도 전투기와 전투기간 공대공 교전시 가장 큰 능력을 발휘합니다.
2.2. 대스텔스 대안 기술중 IR 광학 장비가 있기는 하지만 비교적 근거리 [약40km 이하]가 아니면 탐지할수 없고 그나마 구름이나
날씨에 영향을 많이 받아 지속적으로 신뢰할수 없고 탐지 불능 사각이 많아 운용제한이 있습니다.
2.3.지상이나 해상 레이더를 살펴보면 레이더 주파수가 저주파 일수록 스텔스기는 전파를 회피하지 못하지만 저주파일수록 RCS정보가 작고
지상이나 수면에 회절현상이나 주변의 지형 구름등 간섭으로 지속적으로 정확한 위치 추적이 힘듭니다.
그래서 최근 대스텔스 장비 개발 흐름은 멀티주파수 레이더를 여러개를 넷트웍으로 비교하여 위치 추적을 합니다.
그러나 제작비가 고비용이고 이동식 지상형 멀티벤드라서 탐지거리가 짧아 대스텔스 운용에 여러가지 어려움이 많습니다.
결론은 대 스텔스 지상의 저주파 레이더 운용은 고도와 엑티브성등 여러가지 한계가 있기 때문에 스텔스기가 회피 가능 합니다.
2.4 세계 레이더의 X벤드급 전투기기술 개발 흐름은 재료 성능이 우수한 질화갈륨 GaN( Gallium Nitrid) 으로 신속히 대체되고 있으며 많은 정보가 들어오는 만큼 레이더 반사파를 분석하는 고성능 분석 성능의 추적기술 개발되고 있습니다. 그러나 X벤드 레이더 파장이란 한계 때문에 분석 거리 의 한계 연결되며 실제 운용성능은 아주 획기적 이게는 탐지 성능이 늘지 않는 편입니다.
위와같은 내용으로 종합적으로 정리해 보면 스텔스기의 효율적인 운용은 공대지 보다는 공대공 에서 효과가 높으며 X-band급 레이더가
장거리 탐지수단으로 유일한 현대 전투기들에게 5세대기 미래 가치나 효용성은 분명합니다.
특히 최근 10년동안 각국이 (특히 강대국) 스텔기를 개발 배치에 대규모 예산을 투자하는 결과가 시사하는 바는 스텔스기라는 기능을 이미 5세대기의 가치로서 인정한것 입니다.
3. RCS와 스텔기의 의미
radar cross section은 직역하면 레이다 횡단면이란 말이지만 의역하면 레이더 반사 면적 입니다.
현대 전투기의 구체적인 RCS는 극비사항이라서 대부분 공개된 내용은 전면 RCS나 부정확한 일부분 정보 입니다.
아래는 100% 신뢰할 수 없지만 현대 레이더가 정의하는 RCS의 특징을 보여 줍니다.
* 트럭: 200 sqm
* 자동차: 100 sqm
* B-52: 99.5 sqm
* B-1A: 10.0 sqm
* FB-111: 7 sqm
* F-4: 6 sqm
* Mig-21: 4 sqm
* Mig-29: 3 sqm
* 라팔 B: 2 sqm
* B-1B: 1.02 sqm
* 사람: 1 sqm
* F-35: 0.15 sqm
* BGM-109 토마호크: 0.05 sqm
* SR-71: 0.014 sqm
* 새: 0.01 sqm
* F-22: 0.0065 sqm
* F-117: 0.003 sqm
* B-2: 0.0015 sqm
* B-52: 99.5 sqm
* B-1A: 10.0 sqm
* FB-111: 7 sqm
* F-4: 6 sqm
* Mig-21: 4 sqm
* Mig-29: 3 sqm
* 라팔 B: 2 sqm
* B-1B: 1.02 sqm
* 사람: 1 sqm
* F-35: 0.15 sqm
* BGM-109 토마호크: 0.05 sqm
* SR-71: 0.014 sqm
* 새: 0.01 sqm
* F-22: 0.0065 sqm
* F-117: 0.003 sqm
* B-2: 0.0015 sqm
레이더는 에너지 전파 파장의 반사파를 이용한 극단적인 방법 입니다.
반사파 정보는 증폭기를 통해 수집되며 크게 정보를 보자면 반사방향과 반사거리를 추적 연산 할수 있습니다.
레이더는 반사파를 측정하는 방법으로 사람이 1sqm 이란 기준 면적으로 볼 수도 있지만 사람보다 백 여배는
족히 더 큰 B-2 스텔스기는 곤충 만하게 인식을 하기도 합니다.
여기서 RCS에서 중요한 것이 레이더의 반사파 임을 알 수 있으며 빛의 속도와 비슷하게 반사되는 레이더 파장은 RCS 추적 근거는 일종의 난반사 임을 알 수 있습니다.
그래서 정의하자면 레이더의 난반사를 줄여 통용되는 기술이 스텔스 기술의 핵심 이며 이는 RCS를 줄인 기술입니다.
그러므로 스텔스기를 만들기 위해서는 레이더의 난반사 원리를 이해하고 RCS를 어떻게 줄일 것인가 연구하면 스텔스 기술의 원론 해답이 나옵니다.
4. 스텔스기에 가장 중요한 것은 형상
위의 RCS 자료에서 특히 체크해야 할 사항은 50m정도의 날개길이를 가진 B-2 스피릿 폭격기가 F-35(10.7m)나 f-22(13.56m)보다 RCS가 작다는 점 입니다.
이것의 의미는 B-2에 특별한 재료나 패인팅 기술이 들어 갔고 f-22는 그렇지 않다 라기 보다는 B-2가 속도를 포기하고 스텔스 형상에 좀더 많은 노력을 한 결과라고 볼 수 있습니다.
B-2는 수직 날개가 없으며 전체적으로 높이가 낮으며 극단적으로 기체의 형상을 단순화 했습니다.
그리고 엔진을 흡입구와 출구를 기체 윗면에 숨겼 습니다.
특히 B-2의 납짝하고 단순한 형상의 장점은 레이더파의 작은 난반사 요소를 성공적으로 제거한 것으로 파악되고 있습니다.
레이더의 정교함은 동전만한 난반사요소가 있어도 물체를 지속적으로 추적할수 있는데
b-2는 이러한 요소를 형상의 단순함으로 극복했으며 스텔스기의 핵심요소의 1순위가 -레이더 난반사를 줄인 형상-임을 알수 있습니다.
RCS는 추적의 근거 이며 스텔기는 RCS의 근거인 레이더 난반사를 줄인 형상 입니다.
흔히 난반사란 사방으로 산란되는 반사와 정방향으로 반사되는 반사 모두를 포함한 모든 통재하거나 예측이 불가능한 반사를 포함한 말 입니다.
특히 이러한 반사점들은 실제 레이더에 수신될 때는 glinting 이라고 표현하듯 반짝거리듯 작은 정보 모음으로 표현 됩니다.
이러한 레이더 반사정보는 추적이나 합산정보를 거쳐 아래와 같은 그림으로 표현이 됩니다.
glinting 그룹의 표현 예
특히 레이더에서 가장 결정적인 glinting 추적 결정적인 근거는 난반사로 인해 발생하는 glinting 그룹+ 거리+속도+고도 입니다.
특히 현대의 X벤드 AESA 레이더는 이러한 정보를 매우 강력한 정보로 다시 재연산 하게 되며 래이더에 추적되는 glinting 그룹의 거리와 속도로 비행체로 인식 할 것인가를 빠르게 판단하여
자동으로 glinting 그룹의 추적을 컴퓨터가 결정하게 되는 것 입니다.
그러므로 현대의 현대의 전투기는 위상차를 가진 AESA모듈에 glinting정보가 작게는 1~2개 많게는 100~200개가 나오더라도 glinting의 신호가 조금이라도 일정하거나 거리,속도,고도 가 의심되면 자동으로 쉽게 추적을 당하게 됩니다.
glinting 그룹의 추적은 특히 움직이는 물체에 반응을 잘하며 전투기는 움직이는 물체기이기 때문에 단순한 형상과 Edge를 추구 하지 못하면 glinting은 결코 콘트롤 할 수 없습니다.
그러므로 glinting을 어설프게 줄인 세미스텔스 개념이나 반매립식 무장창은 스텔스 형상과는 전혀 관계없고 오히려 glinting을 컨트롤을 적절하지 못하게 한 예인 것입니다.
또한 스텔스 형상은 전면 RCS만을 줄인것을 추구하면 옆면이나 하부의 돌출물이 방향 전환에도 glinting이 발생합니다. 그러므로 이또한 지속적인 난반사를 만드므로 스텔스형상 이라고 할 수 없는 것 입니다.
항공기 추적의 예
스텔스기에서 전체적으로 미치는 방향을 대략적으로 유추하면
약 90~99%의 레이더 난반사 파를 단순한 형상만으로 줄인 것으로 추측 됩니다.
나머지 10~1% 요소를 복합재질, 전파흡수 형상의 기골, 패인트 도료로 극복한 것으로 추측 합니다.
스텔스 요소에서 형상 이외의 나머지 10~1% 요소도 미미해 보이지만 이는 착시현상이며 스텔스기에 빠져서는 안되는 매우 중요한 것입니다.
스텔스기 표면에 적용된 것으로 추정되는 탄소 나노 튜브 패인팅 현미경 사진
특히 스텔기에 작지만 치명적인 약점 요소에서 발생하는 기체 재질 표면의 난반사 glinting 발생 요소를 패인팅을 통해 줄여주는 역활 이라고 생각 하면 될것 입니다.
전투기 기체표면은 매끈해 보이지만 현미경으로 보면 매우 거칠게 다루어져 있습니다. 특히 일반 패인트도료는 입자의 날카로운 면이 glinting의 발생요소가 됩니다.
그런면에서 전파의 고른 반사 통재를 위해 표면을 정확히 다룰 필요성이 있습니다.
기체표면 보호용 덧신을 신은 B-2정비사
최근 기술흐름은 기체의 관리가 힘든 도료에 의존하기 보다는 관리가 좀더쉬운 탄소나노튜브가 코팅된 에폭시나 플리스틱 복합재질로 기체표면을 모듈화 해서 만들고 있습니다.
하지만 모든 요소중 가장 핵심적인 압도적인 기본 요소가 단순한 외형 스텔스 형상 -레이더 난반사를 줄인 형상-임을 알 수 있습니다.
5. 스텔기의 형상 기술의 핵심은 레이더 반사파 통제 기술.
스텔스의 형상 특징을 정리하자면 아래와 같습니다.
5.1. 전체형상이 칼날과 같이 납짝 할수록 레이더 파를 컨트롤 해서 잘 흘려(반사라기 보다는) 버립니다.
5.2 반사 고각이 크면 glinting 발생 가능성이 높으며 레이더 전파가 반사가 잘 됩니다.
5.3. 납작한 기체 이외에 수직 날개와 수평 미익 같은 불규칙 모서리 돌출부는 크던 작던 난반사 요소를 많이 만듭니다.
특히 Edge[모서리]의 재질을 전파 흡수재질로 강화하고 기골까지 전파흡수 재질로 강화한 것으로 보면
형상중 Edge 모서리에서 난반사 요소가 가장 많음을 알 수 있습니다.
5.4. 전파를 일정한 방향으로 반사하도록 납작한 형상의 모든 Edge[모서리] 부분은 반사 각이 정렬 되어야 합니다.
f-22형상
위에 B-2형상과 F-22형상을 비교하면 측면이나 전면에 F-22가 난반사 요소가 더 많음을 알 수 있습니다.
또한 F-22는 난반사 요소가 많음에도 모서리[Edge] 를 B-2보다 효과적으로 컨트롤 하지 못했으며 모서리 재질도 고속기동과 많은 G를 감당하기 위해
날카로워 B-2보다는 재질 한계가 있음을 유추 할 수 있습니다.
F-35가 스텔스기로서 RCS가 너무커서 미군의 불만을 사고 있는 이유도 알고 보면 근본적으로 F-35의 형상 문제 입니다.
F-35의 형상을 자세히 보면 전체적으로 뚱뚱해서 F-22보다 납짝하지 못하며 기체에 돌출된 불규칙한 난반사 요소가 매우 많습니다.
이것은 스텔스의 핵심 요소인 형상을 단순화하여 레이더의 난반사를 최소화한다는 이념에서 조금 벗어난 기체이기 때문 입니다.
6. KFX 스텔스 형상의 적용과 이념
KFX는 고비용 기체가 아닙니다.
오히려 비용을 아끼기 위해서 실행할 예정인 사업 입니다.
우선 스텔스=고비용이라는 이야기는 옳은 이야기 입니다 만
스텔스 형상=고비용은 틀린 이야기 입니다. 물론 비용은 조금더 들지만 고비용이라고 할만큼 비용은 많이 들지 않습니다.
KFX는 완전한 스텔스 기체가 아니고 스텔스 형상만 일부 적용해 개발 예정 입니다.
즉 KFX는 스텔스 형상까지는 완전히 포기한 것이 결코 아닙니다.
왜냐하면 스텔스 기술은 이미 미래 전투기의 생존에 필수 요소이며 5세대 기체의 표준 이기 때문 입니다.
그런면에서 KFX는 적절한 저비용 수준의 스텔스 형상 기술을 추구하고 있습니다.
7. KFX 스텔스 형상 적용 수준
하지만 우리나라의 KFX 형상 설계를 보면 스텔스 형상 기술의 적용 수준은 걸음마 단계도 벗어나지 못하고 있습니다.
대표적인 형상으로 KFX-E와 KFX-c103 모두 지금까지 외부무장 위주 입니다.
외부무장을 장착하는 순간 기체는 수많은 날카로운 Edge가 생성되며 난반사 요소가 발생하며 glinting 발생이 높아 집니다.
외무무장을 하는 순간 스텔스 형상 이라고도 할 수 없습니다. 그냥 스텔스 모양의 부분적인 흉내일 뿐인 것입니다.
그래서 스텔스 형상을 마무리 하기 위해서는 적어도 내부무장창 기술까지 마무리가 필요한 것 입니다.
KFX c-103이나 KFX-E모두 상황은 같아 보이지만 자세히 형상을 파악하면 KFX-E는 전투기의 가장 핵심적인 요소인 엔진 추력을 늘일 수 없는 형상 입니다.
따라서 KFX-E형은 내부무장창을 넣을수 없고 미래에 스텔스형상을 완성할 수 없는 -발전 가능성이 없는 형상 입니다.
그런면에서 많은 사람들이 차후 스텔스 형상 이라도 마무리가 가능한 형태로 발전할 수 있는 C103 형상을 지지하는 겁니다.
간단하지 않은 내용이라 길어져 버렸네요.
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- best화력터널 (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-24 14:16:28
- 와......쩐다.....그저 찬양할 뿐입니다.
방사청은 무얼하고 있습니까. 검은선장님을 명예연구원으로 모셔가지 않구요.
KF-X를 스텔스기체로 개발해야 미래전에 쓸 수 있습니다. 2003년 다르고 2013년 다르고 2023년 다르고 2033년 다릅니다. 후손에게 부끄럽지 않은 전투기를 만들어서 물려줍시다.
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- helicopter (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-28 12:53:59
- KFX 형상에 대하여 많은 의구심을 가지구 있었는데...일목 요연한 정리에 감사드립니다. 더 관심을 가지고 공부를 해보아야 겠지만...방대한 자료중에서 핵심을 잘 정리하신 듯 합니다. 다시 한번 감사드리고 추천하고 싶습니다. 꾸벅...
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- 돈드라 (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-26 00:39:16
- 일단 여기저기 자료를 놓고 보면
SR-71(0.014/0.015 ?) < F-35(0.15/0.005 ?) < F-22(0.0065/0.001 ?) < F-117(0.003) < B-2 (0.0014)
RCS값이 제각각이네요....-,.- 저도 모르겠습니다....헤헤헤
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- 돈드라 (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-26 00:30:07
- 아마 검은선장님은 아래의 위키백과를 참조하신듯 하네요.
http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%8A%A4%ED%85%94%EC%8A%A4%EA%B8%B0
여기에 문제의 RCS가 나오네요.
SR-71이 F-35보다 낮은값이 나오네요.
그리고, 아래를 보시면 SR-71 RCS 수치가 틀린게 아니라, F-35가 틀린것처럼 보입니다.
http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=leftcore&logNo=50074406135
SR-71은 여전히 0.014 이지만(자료의 아주 아래엔 0.015), F-35는 0.005m^2 로 나와 있군요.
아마도 위에 님이 설명하신데로 초기엔 F-35가 0.005m^2 였다가 나중에 이것저것 추가해서 0.15m^2 이 된것 같습니다.
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- 아라사 (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-25 23:03:17
- 좋은 자료 봤습니다. 전투기들의 RCS 수치는 자료 확인이 더 필요하겠습니다. F-22는 0.0001 F-35는 0.001 정도라는 게 일반적입니다. 최신 IRST의 탐지거리는 약 70km입니다.(전투기 전면부 기준)
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- 공군좋아 (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-25 20:09:14
- 먼저 유익한 정보를 올려주신 검은선장님께 감사드립니다.그동안 주욱 눈팅으로만 좋은 자료들을 감상했는데요,이번 자료에서 의외의 수치를 보고 글을 올립니다.
저는 F-35가 SR71 보다는 RCS값이 상당히 낮을줄 알앗는데 의외네요?
SR71을 어렵지 않게 레이다로 컨택해본 저로서는 저 수치가 정확하다면 F-35의 스텔스 성능이 상당히 우려스럽습니다.
물론 SR71은 전략정찰기라서 고도가 상당히 높지만 그걸 감안하더라도 상당히 실망스러운데요?
제가 모르는 무언가의 자료가 더 있겟죠?
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- xwing (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-25 18:06:29
- 실제 채프 사진들입니다. 특히 첫 번째 사진을 보면 통안에 여러 길이로 재단된 채프들이 층층이 들어있는게 보이실 겁니다.
http://static.howstuffworks.com/gif/guardian-anti-missle-system-9.jpg
http://www.themonsterguide.com/files/chaff.jpg
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- xwing (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-25 18:04:43
- 윙팁님, 이민복님//
채프는 유리섬유나 기타 복합재의 섬유형태의 가루에 알루미늄등의 금속성 물질을 입힌 것입니다. 2차대전때면 모를까, 현재는 알루미늄 박 자체를 쓰진 않습니다. 넓은 평판형태가 아니어도 전파 파장과 공진을 일으키는 길이이기만 하면 가는 섬유 형태여도 상관 없기 때문입니다. 다만 다양한 주파수 대역에 맞춰서 기본적으로 다양한 길이로 미리 잘라서 넣어 둡니다. RWR과 연동하여 위협 주파수에 맞춰 채프를 그 즉시 재단하여 투하하는 시스템도 있다고는 하는데 현재 주력 전투기나 폭격기등에 이런 시스템은 쓰지 않는것으로 압니다.
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- 일산니발 (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-25 15:46:59
- 추천합니다!! 이정도는 되어야 밀리터리매니아라고 할 수 있죠! 앞으로도 좋은 의견 올려 주십시오.. 좋은 공부가 되고 있습니다.
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- sharp defense (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-25 14:50:38
- 하우징 표면에 탄소나노튜브를 쓴다는것은 상당한 고급 기술인것 같습니다..대 미사일에 대한 적외선(엔진 분사열)회피는 가능한지 갑자기 궁금해지네요? ㅎ
스텔스 기술에 대한 고급정보는 처음으로 접하는군요~~감솨요~
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- 제르망 (218.145.xxx.xxx)
- 2013-11-25 13:18:31
- 검은선장//님. 감사합니다 ㅎ
