함정 전투체계의 운용개념 및 탐색 레이더의 운용성능을 고려하여 설계된 안테나는 반도체형 송수신기들로 구성된 능동배열안테나 시스템이다. 안테나 시스템을 구성하는 전자장비들을 배치하면, 전체 형상은 상당히 큰 크기의 박스 형태가 된다. 함정 마스트에 장착되어 기계적으로 회전하는 안테나 시스템은 가혹한 외부 환경으로부터 내부 장비를 보호하기 위해 밀폐된 하우징을 사용한다. 하우징의 외부형상을 결정할 때, 기존 설계는 강풍이 존재하더라도 정상 회전 유지가 중요한 설계 고려 요소이다. 최근에 함정의 생존성을 증대시키기 위해 저피탐 설계가 요구된다. 따라서 본 연구에서는 저피탐 설계요소를 추가하여 제안된 4 가지 모델에 대해서 외부 형상 설계를 분석하였다.
함정 전투체계의 운용개념 및 탐색 레이더의 운용성능을 고려하여 설계된 안테나는 반도체형 송수신기들로 구성된 능동배열안테나 시스템이다. 안테나 시스템을 구성하는 전자장비들을 배치하면, 전체 형상은 상당히 큰 크기의 박스 형태가 된다. 함정 마스트에 장착되어 기계적으로 회전하는 안테나 시스템은 가혹한 외부 환경으로부터 내부 장비를 보호하기 위해 밀폐된 하우징을 사용한다. 하우징의 외부형상을 결정할 때, 기존 설계는 강풍이 존재하더라도 정상 회전 유지가 중요한 설계 고려 요소이다. 최근에 함정의 생존성을 증대시키기 위해 저피탐 설계가 요구된다. 따라서 본 연구에서는 저피탐 설계요소를 추가하여 제안된 4 가지 모델에 대해서 외부 형상 설계를 분석하였다.
To satisfy the operational requirements of surveillance radar and the operational concept of a ship combat system, an active-array-type antenna was designed using solid-state transmitters and receivers. The arrangement of the constituent electronic components of the antenna system, considerably larg...
To satisfy the operational requirements of surveillance radar and the operational concept of a ship combat system, an active-array-type antenna was designed using solid-state transmitters and receivers. The arrangement of the constituent electronic components of the antenna system, considerably large in size, and therefore, the antenna needs to be housed in a box. The rotational antenna system installed on a ship mast is installed in a sealed housing to protect the interior equipment from environmental conditions. The outer shape of the housing is that the antenna should be capable of rotating normally despite strong winds. Furthermore, in recent times, designs with low radar cross section (RCS) have attracted attention from the viewpoint of improving the stealth of the ship. In this light, four types of models are proposed for the outer shape design of the antenna system, and they are investigated from the viewpoint of low RCS design as well as wind load.
To satisfy the operational requirements of surveillance radar and the operational concept of a ship combat system, an active-array-type antenna was designed using solid-state transmitters and receivers. The arrangement of the constituent electronic components of the antenna system, considerably large in size, and therefore, the antenna needs to be housed in a box. The rotational antenna system installed on a ship mast is installed in a sealed housing to protect the interior equipment from environmental conditions. The outer shape of the housing is that the antenna should be capable of rotating normally despite strong winds. Furthermore, in recent times, designs with low radar cross section (RCS) have attracted attention from the viewpoint of improving the stealth of the ship. In this light, four types of models are proposed for the outer shape design of the antenna system, and they are investigated from the viewpoint of low RCS design as well as wind load.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 레이더 전자장비의 내부 탑재를 고려한 기본 형상을 도출하고 이를 기반으로 회전하는 유동장을 고려한 엄밀 풍하중 최소화 형상과 RCS 저감 형상 설계 기법을 통합한 연구가 수행되었다.
제안 방법
(3) 정형화된 형상이 없는 상태에서 레이더 성능을 만족하는 전자파적 설계와 기계적 설계를 융합하고 지금까지 레이더 기계 분야에서 고려되지 않았던 저피탐 설계 요소를 도입하면서 기존 설계 요소들과 통합 분석하는 체계적인 설계 및 개발 진행 접근법을 제시하였다.
상대 풍속 75 knot 조건에서 안테나장치의 회전 각속도는 레이더 운용 모드 중 각속도를 가장 크게 요구하는 근거리 모드의 27 rpm 을 적용하였다. FLUENT 의 moving mesh 기능을 이용하여 안테나장치의 회전 효과를 고려하고 비정상 해석을 수행하여 1 회전 (360 도) 동안 안테나장치에 가해지는 압력 분포를 구하고 이를 회전축에 대한 토크로 계산하였다. Fig.
9 에 확대하여 나타내었다. Moving mesh 를 구현하기 위해서 안테나장치를 포함한 회전하는 체적을 생성하고 외부 영역과는 인터페이스 처리하였다.
따라서 본 연구에서는 Table 1 에 제안된 4 가지 형상에 대하여 고주파 해석 기법을 이용한 RCS 예측을 수행하였다. 모델링 및 해석은 상용 소프트웨어인 SHIP-EDF-RCS (15)를 사용하였다.
본 연구에서 다루는 안테나부는 반도체송수신기가 적용된 능동위상배열안테나로서 회전하는 안테나장치(Antenna Unit)와 구동장치(Drive Unit)로 구분된다. 마스트의 경량, 슬림화 그리고 안테나부의 외부 노출 최소화를 위해 구동장치를 Fig. 1 과 같이 마스트에 삽입되는 형태(Mast Incorporated Type)의 설계를 채택하였다.
레이더 전파를 이용하여 적을 탐지하는 기술을 식별 기술이라 하면, 이에 대응하여 적에게 탐지 되지 않는 기술을 스텔스 기술이라 한다. 본 연구에서 언급된 탐색 레이더는 식별 기술을 적용한 것이다. 최신 함정의 생존 가능 여부는 피탐지확 율과 직접적으로 관련되어 있기 때문에 함정의 최상층부에 노출되는 탐색 레이더 또한 스텔스 기술이 적용될 필요가 있다.
본 연구에서는 안테나장치의 외부 형상을 결정하는데 기존의 내풍속 조건에 저피탐성을 추가로 고려하여 통합 분석하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
6 에 표시하였다. 함정용 무기 체계에 적용된 RCS 값(단위: dBsm)은 비밀로 분류된 특수 성능에 해당하므로 본 논문에서는 실제 수치를 표시하지 않았다. 편파는 수직, 수평파 모두에 대해서 해석을 하였으나 유사한 결과를 보이므로, 수직 편파에 대한 결과만을 표시하였다.
8 은 풍하중을 고려한 수치 해석 모델을 보여준다. 해석 영역의 경계가 해석결과에 미치는 영향을 최소화하기 위해서 참고문헌(6) 에서 제시한 영역(5Hⅹ5Hⅹ10H, H: building height)을 전체 해석 영역으로 고려하였다. 해석에 있어서 중요한 형상인 안테나장치와 마스트 형상을 Fig.
대상 데이터
본 연구에서 다루는 안테나부는 반도체송수신기가 적용된 능동위상배열안테나로서 회전하는 안테나장치(Antenna Unit)와 구동장치(Drive Unit)로 구분된다. 마스트의 경량, 슬림화 그리고 안테나부의 외부 노출 최소화를 위해 구동장치를 Fig.
데이터처리
그러므로 고각은 3°까지, 방위각은 360° 전 방향을 각각 고려한 선형 평균(linear mean) 값으로 결과를 비교하였다.
이론/모형
따라서 본 연구에서는 Table 1 에 제안된 4 가지 형상에 대하여 고주파 해석 기법을 이용한 RCS 예측을 수행하였다. 모델링 및 해석은 상용 소프트웨어인 SHIP-EDF-RCS (15)를 사용하였다. 위협체 (유도탄, 레이더)에서 널리 사용되는 송신 주파수는 Fig.
안테나장치의 삼차원적 형상에 대한 강풍 하중 해석을 수행하기 위해, 공기 격자는 상용 소프트웨어인 GAMBIT(17)를 이용하여 구성하였고 전산수치해석은 FLUENT(18)를 사용하였다. 상대 풍속 75 knot 조건에서 안테나장치의 회전 각속도는 레이더 운용 모드 중 각속도를 가장 크게 요구하는 근거리 모드의 27 rpm 을 적용하였다.
성능/효과
고각 0°조건에서 위협체 송신 주파수가 증가할수록 RCS 가 모든 모델에 대해 약간 증가하는 특성을 가지나, 모든 주파수 밴드에 대해 모델 “D” 가 가장 낮은 RCS 형상임을 알 수 있다.
또한 상세 설계단계에서 “B,” “D”로 설계를 변경하고자 할 경우, RMS 토크 기준으로 구동장치가 각각 24%, 30% 이상의 설계 여유를 가지고 있어야 구동장치의 설계 변경 없이 안테나장치의 외형 형상 변경이 가능하다.
후속연구
설계및 제작상에 많은 어려움이 예상되는 모델 “D”를 최초 개발품부터 적용하기 보다는 모델 “B”를 통해 내부 설계/제작/시험에 관한 기술을 축적한 후, 이를 기반으로 모델 “D”를 순차적으로 개발하는 것이 기술적 위험도를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
향후 연구에서는 안테나장치 내부 구조설계에 대해 다루고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
함정용 중거리급 탐색 레이더의 특징은 무엇인가?
함정용 중거리급 탐색 레이더는 적의 전자전 위협과 다양한 해상 클러터 환경하에서 대함/대공 표적을 탐지 및 추적하여 삼차원 탐색정보(거리, 방위, 고각)를 함정 전투체계에 제공하는 핵심 센서이다. 표적에 관한 정보 처리, 통제 및 운용에 관련된 탐색 레이더의 장비들은 함정 내부에 설치되지만, 레이더 전파를 자유 공간으로 내보내고 표적으로부터 반사되어 들어오는 전파를 수신하는 안테나부(Antenna System)는 함정 상층부에 해당하는 마스트에 장착된다.
배열안테나조립체의 역할은 무엇인가?
마스트 상부에 노출된 안테나장치 내부에는 배열안테나조립체(Array Antenna Assembly), 송수신조립체(Transmitter/Receiver Assembly), 전원공급조립체(Power Supply Assembly), 그리고 이를 상호 연결 하는 각종 케이블로 배치된다. 배열안테나조립체는 송수신조립체로부터 전자파 에너지를 전달받아 자유공간으로 방사하고, 표적으로부터 반사된 전자파 에너지를 수신하여 이를 송수신조립체로 전달하는 역할을 한다. 송수신조립체는 레이더 기준 신호를 고출력으로 증폭하여 배열안테나조립체로 보내고, 송수신빔 조향 및 고각 빔 안정화, 그리고 수신 신호를 저잡음(low noise)으로 증폭하는 기능을 수행한다.
외부에 노출되는 안테나장치의 RCS을 줄이는 것이 중요한 이유는 무엇인가?
함정에 대한 레이더 반사면적(Radar Cross Section: RCS) 계산에 의하면, 주요 반사체가 선미와 상부 구조물로 나타난다.(8) 상부 구조물에 장착되는 탐색 레이더는 적군 표적을 탐지하는 장비이지만, 위협체(레이더, 유도탄 전자파 탐색기) 입장에서는 탐지 대상이 된다. 따라서 함정의 생존성을 증대시키기 위해 외부에 노출되는 안테나장치의 RCS 을 줄이는 것이 중요하다.
참고문헌 (18)
MIL-STD-810F, 2000, "Environmental Engineering Consideration and Laboratory Tests."
MIL-STD-167-1A, 2005, "Mechanical Vibrations of Shipboard Equipment."
MIL-HDBK-2036, 1999, "Preparation of Electronic Equipment Specification."
MIL-STD-461E, 1999, "Req' for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment."
Tominaga, Y., Mochida, A., Yohie, R., Kataoka, H., Nozu, T., Yoshikawa, M. and Shirawawa, T., 2008, "AIJ Guideline for Practical Applications of CFD to Pedestrian Wind Environment Around Buildings," Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 96, pp. 1749-1761.
Bae, H. G., Lee, K. G., Jeong, J. O., San, D. K. and Kwon, J. H., 2012, "500 lbs-Class Air-to-Surface Missile Design by Integration of Aerodynamics and RCS," The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 40, No. 2, pp. 184-191.
Cho, S. W. and Boo, S. Y., 2000, "Computation of Radar Cross Section of Ship's Structure Using a Physical Optics Method," The Society of Naval Architects of Korea, Vol. 37, No. 42, pp. 82-91.
Park, C. S., Cho, Y. G., Park, D. H. and Ahn, J. W., 2006, "A Study on Ship Shape Design Optimization for RCS Reduction Using Taguchi Method," The Society of Naval Architects of Korea, Vol. 46, No. 6, pp. 693-699.
Park, M. J., Lee, D. H., Myong, R. S. and Cho, T. H., 2008, "An Integrated System for Aerodynamic, Structural and RF Stealth Analysis of Flying Vehicles," The Korean Society for Aeronautical & Space Science, Vol. 36, No. 1, pp. 86-91.
Skolnik, M. I., 2000, Introduction to Radar System, McGraw-Hill, New York.
Knott, E. F., Shaeffer, J. F. and Tulley, M. T., 1985, Radar Cross Section: Its prediction, Measurement and Reduction, Book-mart Press, North Bergen, N. J.
Knott, E. F., Shaeffer, J. F. and Tulley, M. T., 1990, Radar Cross Section, Artech House, Boston.
Michaeli, A., 1984, "Equivalent Edge Currents for Arbitrary Aspects of Observation," IEEE Trans. On AP, Vol. AP-32, No. 3, pp. 252-258
Ship-EDF-RCS Section User's Manual, Version 6.0, 2009, Ingegneria Dei Sistemi S.P.A.
Richards, C. J.,1969, An Introduction to Mechanical Engineering in Radar and Communications, D. Van Nostrand Reinhold Company
GAMBIT User's Guide, Version 2.3, 2006, Fluent Inc.
FLUENT User's Guide, Version 6.3, 2006, Fluent Inc.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.