스텔스 항공기 형상(configulation) 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 즉 거리가 2배가 됨에 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 수치 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.

 

그의 아이디어는 항공기의 기체를 레이더파를 산란시키던지 아니면 레이더로 되 돌아가는 반사파가 없게끔 반사파를 빗나게 할 수 있도록 일련의 면(Facet)과 각지게 되는 모서리(Edge)만으로 구성하는 것이었다. 즉 오늘날의 유한요소 FEM 모델과 유사하게 보이지만 1980년대 초까지 Pre/Post 가 없는 유닉스에서 돌아가는 NASTRAN 정도를 제외하고는 유한요소기법이 그다지 발달하지 못했다. 

 

이 부분에 관해서는 록히드가 방위산업체이기때문에 세밀한 내용을 밝히진 않았으나  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 빛 의 경로를 추적해 가는 Ray Tracing  기법으로 추정된다. 이 기법은 컴퓨터 그래픽스에서 광원을 중심으로 대상 물체의 음영이 있는 즉  그림자를 포함하는  (https://ejleep1.tistory.com/1647 ) 3차원 렌더링 기법이다. 즉 레이더파가 GHz 단위의 고주파이므로 충분히 이 기법 적용이 가능했을 것이다. 물론 당시의 컴퓨팅 환경이 IBM PC 초창기 수준이었으므로 아무래도 크래이 슈퍼컴이 필요했을 것이다.

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.

 

 

하지만 과학적인 측면에서 스컹크 워크스 팀에서 어떻게 RCS 를 계산하였는지 별도로 다음의 웹사이트를 참조하여 알아보자.

https://tobias.rautenkranz.ch/blog/the-f-117-computational-stealth-history.html

The F-117 Computational Stealth History

 

 

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. 특히 시제기 개발 1단계에서 "Have Blue" 를 조종했던 록히드의 시험 비행 조종사 빌 파크가 착륙 사고로 인해 다시 이륙하였으나 연료부족으로 인해 1만 피트 상공에서 seat ejection 에 의해 탈출하였으나 고도 확보 부족으로 인해 낙하 시 경착륙으로 인해 뇌진탕을 입었던 사건을 반추해 보면 그 기술적인 문제점을 이해할 수 있을 것이다. 어쨌든 F-117 Night Hawk 는 Dog Fighting 과 같은 공중전에는 사용이 불가능하며 정밀한 전폭기로만 사용이 되었다. 아래 웹사이트에서 빌 파크가 겪었던 정적 안정성이 결여된 항공기 조종의 어려움을 실제 사고를 통해 알아보자.

https://ejleep1.tistory.com/1648

스텔스 전폭기 F-117 Night Hawk 개발 비사 III: "Have Blue"시제기 1단계개발

 

 

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. 

 

이와 같이 스텔스 항공기 개발의 요점을 살펴 보았다. 국내에서도 무인기를 비롯 스텔스 항공기를 활발하게 개발 중이므로 프로젝트에 관련된 전문 분야를 더욱 자세히 살펴 볼 필요가 있다. 그런 측면에서 아래의 폴 크릭모어의 저작 내용들을 상세히 살펴 보면 F-117 Night Hawk 와 같은 공기역학적 특성을 무시한 Facet 모델을 대상으로도 스컹크 워크스의 레이더파 전문가를 중심으로 항공기 개발 분야 별로 긴밀히 연관되어 있음을 알 수 있다. 

 

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

https://ejleep1.tistory.com/1646

 

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

https://ejleep1.tistory.com/1647

 

하지만 동일한 프로젝트에서 파생된 Gramman사의 B-2 개발로 넘어가면 단순한 기하학적 Facet 모델에서 복잡한 곡면을 가지는 aerodynamic 한 형상으로 바뀌어 나감을 알 수 있다. 즉 RCS 를 줄이기 위한 레이더파 분석과 aerodynamic 한 성능 분석의 커플링이 필수적이 된다. 아울러 상당히 복잡한 항공기 기체를 설계하기 위해서는 CAD 디자이너들 조차 레이더파의 입사 및 반사 특성 뿐만 아니라 회절(diffraction) 특성까지 감안해서 기체 표면 로프팅 디자인에 적용해야 한다. 이러한 내용을 steatth 항공기 형상 설계 II 에서 살펴 보자.

 

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