스텔스 항공기 형상 설계 I

 

 

 

 

 

RCS 란? 현대의 첨단 전투기는 적 레이더에 의한 탐색을 회피하기 위해서 특수한 기하학적 형태의 항공기 형상으로 설계함과 아울러 입사 레이더 전파를 스텔스 도료에서 거의 흡수하는 방식으로 제작하여 단면적으로 환산되는 레이더 반사파의 값 즉 Radar Cross Section Signature 를 최소화 하고 있다.

 

그림에서처럼 F-16은 레이더 단면적이 4.0 평방미터로 환산되지만 F-35는 새나 벌레보다 작은 값을 보여준다. 반면에 대형 폭격기인 B-2는 새 기준 대여섯 마리가 모여 있는 크기 값을 보여준다.

 

스텔스 개발 역사

 

"스텔스"라는 신기술의 존재는 1980년 8월 22일 펜타곤 기자회견에서 해럴드 브라운 국방장관에 의해 발표되었다.

 

스텔스의 특별한 공헌은 항공기의 레이더 반사 면적을 새의 수준까지 줄여 폭격기가 적의 영공 깊숙이 침투할 수 있도록 한다는 점이었다.

 

브라운 장관은 "기존 방공 시스템을 근본적으로 무력화시킴으로써 군사적 균형이 크게 변화한다고 해도 과언이 아니다."라고 말했다.

 

하지만 그는 1977년에 스텔스 전투기 시제기 즉 결국 F-117 나이트호크가 시험 비행을 했다는 사실이나, 스텔스 폭격기의 선구자인 미래의 B-2 스피릿이 이미 계약되었다는 사실은 언급하지 않았다.

 

스텔스 기술은 극비리에 개발 및 배치되었다. 간헐적인 유출과 엿보기에도 불구하고, 이 스텔스 항공기는 거의 10년 동안 공개되지 않았다. B-2는 1988년 11월에 공개되었으며, F-117 Night Hawk 는 1989년 파나마 침공에서 실전 데뷔한 지 4개월 후인 1990년 4월에 대중에 공개되었다.

 

레이더 탐지 원리

 

멀리 떨어진 곳에서 접근 중인 타겟을 대상으로 고주파 성분의 레이더 펄스파를 쏘게 되면 구면파가 되어 퍼져 나가 타겟에 도달한다. 일부는 레이더 쪽으로 반사(back scattering)가 일어나며 나머지는 타겟 뒤쪽으로 산란파가 패싱(forward scattering)하게 된다.

이와 같이 먼 거리에서 접근하는 항공기로부터 반사되는 레이더 신호를 수신함에 따라 거리와 도플러 효과에 따른 속도를 판별하여 움직이는 점의 크기로 레이더 스크린에 디스플레이 된다.

 

대부분의 타겟 항공기가 접근함에 따라 레이더에서 타겟 항공기를 바라보는 각도에 따라 RCS 값이 측정된다. 타겟이 레이더 방향으로 접근하는 항공기일 경우 전면에서 보는 항공기의 형상이 RCS 값에 큰 영향을 미치게 되며, 근거리에 접근하여 레이더 상공을 통과하는 경우 레이더의 탐지 각도 법위를 벗어나므로 탐지가 불가능하다.

 

금속 물질로 이루어진 저피탐 전투기 개발을 위해서는 전투기의 RCS Diagram 이 중요한 역할을 한다. 다음의 RCS Diagram 을 살펴보면 전면과 측면 값이 크다는 점을 알 수 있다. 물론 올려다 보는 각도에서 대단히 큰 값을 가질 수 있겠지만 레이더의 기구 특성상 수평 방향에서 수직 방향으로 각도를 틀 수는 없어 레이더 반사파 측정도 불가능하므로 그 값은 무시할 수밖에 없다. 아울러 레이더파는 구면파 형태이므로 거리의 배수에 따라 (1/4 )배씩 신호가 약해지기 때문에 음파나 초음파에서처럼 dB 단위로 처리한다.

 

그림의 공 모양 금속체에 대한 오른쪽 다이아그램을 살펴보면 공의 직경을 파장으로 나눈 상대 주파수 f가 높을수록 일정한 RCS 값에 접근함을 알 수 있다. 로그 로그 챠트를 감안하면 RCS 값은 상대 주파수 f 의 4승에 비례한다.

스텔스 원천 과학기술

 

참고 블로그:

LOCKHEED F-117 NIGHTHAWK STEALTH FIGHTER

https://pentagonus.ru/_ld/22/2265_OAV016_F-117.pdf

F-117 Development - F-117 Stealth Fighter Association

https://www.f117sfa.org/f117-development

 

스텔스 기술의 시작은 미국이 아닌 러시아의 물리광학 과학자인 Pyotr Ufimtsev 의 과학적 업적에 기인한다. 1962년에 물체의 꼭지점이나 모서리 즉 엣지에서의 광학적 회절 현상을 파동방정식 차원에서 물리적인 특성을 규명하였다. 당시의 관점은 군사학적인 중요성이 인식되기 전이었으므로 모스크바의 일반 학술지를 통해 그 내용이 공개되었다.

 

하지만 미국 록히드 스텔스 기술자였던 Denys Overhoster 가 Ufimtsev의 1962년 출판된 논문을 읽고 이를 레이더파 반사에 관한 유한요소 해석법을 당시의 슈퍼컴을 사용하여 완성하게 된다. 그는 오레곤 주립대에서 전기공학과 수학을 공부한 후 보잉사에 취업하여 미사일 프로젝트에 참여했었다가 선발되어 록히드사의 전설적인 개발팀이었던 스컹크 웍스(Skunk Works)에 참여하게 되었다.

 

즉 헬름홀츠 파동 방정식을 FEM 정식화를 통해 수치적으로 풀었다는 의미이다. 헬름홀츠 파동 방정식은 기계공학에서 흔히 다루는 진동 방정식의 형태와 유사성을 지닌다. 인터넷 문헌 조사를 살펴보면 FEM 이라기 보다는 FDM 즉 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)에서 흔히 사용하는 유한 차분법인 듯 하다. 그 이유는 FEM 기법 자체가 1990년대를 통해 선형 탄성 재료역학의 3차원 문제까지 다룰 수 있을 정도로 상업적인 발전이 이루어졌으며, 그 후에 공기역학을 포함하는 비선형의 유체역학 분야로 확장이 이루어졌기 때문이다.

 

이 부분에 관해서는 스텔스 전투기 F-117 Night Hawk 개발비사 II: Design & Development 편에서 상세히 다루는데 록히드의  축소 모형을 사용한 무향실 쳄버를 사용하는 실험으로 봐서 사용한 컴퓨터 프로그램이 FEM 이나 FDM 이 아닌 Ray Tracing  기법으로 추정된다. (https://ejleep1.tistory.com/1647 ) 

당시의 컴퓨터 연산 능력을 현재 기준으로 본다면 윈도우즈 PC 수준 정도로 보면 될 것이다. 물론 PC 가 출현하기 이전이므로 Unix 기반의 워크 스테이션 정도로 볼 수 있다. 다음 그림에서처럼 소수의 면(Facet) 으로 구성된 모델로서 공기역학 전문가가 설계하는 그런 형상과는 거리가 멀다. Facet 모델의 특성은 입사파 및 반사파의 회절 특성을 연구할 수 있는 모델이다. Facets 모델에서 부여된 숫자들은 FEM 모델 구성에서 나타나는 Node 번호로 볼 수 있을 것이다. 1980년대 초라면 IBM에서 제공하는 CAD 툴에서 3차원적 회전이 아주 느리지만 가능한 시대였다.

 

 

Facets 스텔스기의 치명적인 기술적인 문제는 과연 이런 형태의 항공기가 조종사의 조종에 따라 이착륙과 아울러 안정적인 비행이 가능하냐는 점에 달려 있었다. 예를 들면 trim 제어를 포함하는 정적인 안정성, 길이 방향 및 좌우 방향 동적 안정성이 확보되어야 안전한 비행이 가능해진다. 매뉴얼 트랜스미션 자동차처럼 매뉴얼로 항공기 조종이 불가능하다고 판단되었기에 컴퓨터 조종에 의한 Fly By Wire 기술이 대안으로 제안되었다. 어쨌든 F-117 Night Hawk 는 Dog Fighting 과 같은 공중전에는 사용이 불가능하며 정밀한 전폭기로만 사용이 된다.

 

초창기부터 1990년대 초 사막의 폭풍 작전 및 코소보 전쟁에서 중요한 역할을 했던 F-118 Night Hawk 는 영화나 사진에서 보면 항상 hanger 에 숨겨두었다가 꺼내서 출격하는 장면이 많이 나오는데 처음에는 비빌리에 개발한 항공기라 숨겨둔다고 생각했으나 그 비밀은 스텔스 도료가 물에 의해 부식이 일어날 가능성이 크다는 특성에 기인한 것으로 보인다.

 

한편 1999년 3월 27일, 세계 최초의 실전 배치 스텔스 항공기인 F-117 이 코소보 전쟁에서 유고슬라비아 육군에 의해 격추되면서 스텔스 기술이 러시아와 중국에 노출되어 무적이라는 인식은 사라져 버렸다. 아무래도 베끼는데 이골이 난 중국이 개발한 스텔스 전투기에 대해서 물에 의한 부식이 심하므로 기체 세정시에 물 사용을 금지해야 한다는 점을 유튜브 영상에서 정비사가 밝혔던 점에 주목할 필요가 있다.

 

 

스텔스 전투기 F-117 Night Hawk 개발 비사 I: INTRODUCTION

https://ejleep1.tistory.com/1646

스텔스 전투기 F-117 Night Hawk 개발 비사: I INTRODUCTION

 

 

스텔스 전투기 F-117 Night Hawk 개발 비사 II: DESIGN & DEVELOPMENT

https://ejleep1.tistory.com/1647

스텔스 전투기 F-117 Night Hawk 개발 비사: I INTRODUCTION

 

 

 

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