지휘소 작전지속성 보장을 위한 도파관의 전자기파 차폐성능 향상방안 Assessment of the Electromagnetic Pulse Shield Effectiveness of the Wave-guided Below Cutoff Filled with Water and Oil for Guaranteeing the Operational Sustainment of the Command Post원문보기
유사시 군 지휘시설에서는 시설 외부로부터의 수자원 및 에너지자원 공급이 차단 혹은 제한된다. 따라서 방호시설 내부에는 작전기간 중 필요한 충분한 양의 수자원 및 에너지자원을 확보하고 있어야 한다. 하지만, 전쟁양상의 변화는 시설내부에서 최소 2주 이상의 작전지속성을 요구하고 있다. 이러한 요구로 인하여 유사시에도 시설 외부로부터 내부로의 수자원 및 에너지자원 공급이 불가피하게 되었다. 이에 본 연구에서는 유전체 자체의 EMP차폐 성능에 착안하여, 작전지속성 보장을 위한 충분한 급수/급유가 가능한 도파관 설치를 위하여 도파관 직경 및 유전체 종류에 따른 EMP 방호성능을 실험적으로 분석하였다. 실험을 통해 다중 도파관을 통해 효과적인 EMP 차폐와 동시에 군 지휘시설 내부로의 안정적인 급수/급유가 가능함을 확인할 수 있었다.
유사시 군 지휘시설에서는 시설 외부로부터의 수자원 및 에너지자원 공급이 차단 혹은 제한된다. 따라서 방호시설 내부에는 작전기간 중 필요한 충분한 양의 수자원 및 에너지자원을 확보하고 있어야 한다. 하지만, 전쟁양상의 변화는 시설내부에서 최소 2주 이상의 작전지속성을 요구하고 있다. 이러한 요구로 인하여 유사시에도 시설 외부로부터 내부로의 수자원 및 에너지자원 공급이 불가피하게 되었다. 이에 본 연구에서는 유전체 자체의 EMP 차폐 성능에 착안하여, 작전지속성 보장을 위한 충분한 급수/급유가 가능한 도파관 설치를 위하여 도파관 직경 및 유전체 종류에 따른 EMP 방호성능을 실험적으로 분석하였다. 실험을 통해 다중 도파관을 통해 효과적인 EMP 차폐와 동시에 군 지휘시설 내부로의 안정적인 급수/급유가 가능함을 확인할 수 있었다.
The stable fueling and water supply should be prerequisites to guarantee the operational sustainment of military command post. Meanwhile, in terms of the operational sustainment, it is verified that the current wave-guided below cutoff (WBC) system cannot satisfy the requirement of control associate...
The stable fueling and water supply should be prerequisites to guarantee the operational sustainment of military command post. Meanwhile, in terms of the operational sustainment, it is verified that the current wave-guided below cutoff (WBC) system cannot satisfy the requirement of control associated with water supply and fueling within the command post. In this study, as the dielectric substance can block electromagnetic pulse (EMP), it was tried to identify the shielding effectiveness of the multi WBCs filled with water and diesel for attenuating the EMP effect using experiment based on the MIL STD 188-125-1. According to the experimental results, used water in the experiment show the shielding effectiveness from around 640 MHz frequency because of minerals contained in the water. Furthermore, it was noted that EMP attenuating strength of the WBC filled with diesel was enlarged from around 1,680 MHz frequency. Resultingly, it could be concluded that it is enough to supply stable water and diesel through the multi WBC to block EMP within the military command post for guaranteeing the military operations sustainment.
The stable fueling and water supply should be prerequisites to guarantee the operational sustainment of military command post. Meanwhile, in terms of the operational sustainment, it is verified that the current wave-guided below cutoff (WBC) system cannot satisfy the requirement of control associated with water supply and fueling within the command post. In this study, as the dielectric substance can block electromagnetic pulse (EMP), it was tried to identify the shielding effectiveness of the multi WBCs filled with water and diesel for attenuating the EMP effect using experiment based on the MIL STD 188-125-1. According to the experimental results, used water in the experiment show the shielding effectiveness from around 640 MHz frequency because of minerals contained in the water. Furthermore, it was noted that EMP attenuating strength of the WBC filled with diesel was enlarged from around 1,680 MHz frequency. Resultingly, it could be concluded that it is enough to supply stable water and diesel through the multi WBC to block EMP within the military command post for guaranteeing the military operations sustainment.
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문제 정의
본 연구에서는 EMP 차폐성능을 평가하기 위해, 첫째, 도파관 직경에 따른 분석으로 직경25cm 파이프 내부에 5cm, 3 cm의 소형 파이프를 각각 삽입하여 EMP 차폐성능을 평가하였다. 둘째, 유전체의 종류(물, 중유)에 따른 전파 감쇄량을 확인 및 분석하였다.
본 연구에서는 방호대책이 요구되는 군 지휘시설에서 작전지속성 보장을 위한 안정적인 수자원 및 에너지자원 공급을 위한 다중형 도파관(Multi Wave-guided Below Cutoff, M-WBC)의 전자기파(Electromagnetic Pulse, 이하 EMP)에 대한 차폐성능을 평가하고자 한다.
이에 본 연구에서는 유전체 자체의 EMP 차폐 성능에 착안하여, 군 지휘시설 외부로부터 내부로 유입되는 도파관을 통한 적정의 급수 / 급유가 가능하도록 도파관 직경 및 유전체 종류에 따른 EMP 방호성능을 실험적으로 분석하였다.
제안 방법
본 연구에서는 EMP 차폐성능을 평가하기 위해, 첫째, 도파관 직경에 따른 분석으로 직경25cm 파이프 내부에 5cm, 3 cm의 소형 파이프를 각각 삽입하여 EMP 차폐성능을 평가하였다. 둘째, 유전체의 종류(물, 중유)에 따른 전파 감쇄량을 확인 및 분석하였다.
대상 데이터
도파관의 관경이 EMP 차폐에 미치는 영향을 파악하기 위하여 Figure 3과 같이 3개 형태의 도파관을 제작하였다. b, c형은 기존에 인입부에 설치되는 직경25cm 파이프(a형)에 대하여 내부에 5 cm, 3 cm의 소형 파이프를 각각 삽입하여 허니콤그릴과 유사한 형태로 제작하였다.
이론/모형
이 실험에서는 美군의 MIL-STD-188-125-1의 차폐성능 평가 기준을 적용하였다. 이 기준은 지상구조물에서 고고도 전자기탄(High Altitude Eletromagnetic Pulse, HEMP)의 위협을 낮추기 위해 요구되는 전자파 차단벽(시설, 장비, 설비 등)의 차폐효과를 측정하기 위한 것이다[10].
성능/효과
실험 결과에서 보는 바와 같이 저주파 영역에서는 개구부 입경의 크기가 작을수록 전파감쇄량이 뛰어남을 알 수 있다. 특히, 자유공간인 (a)에 비해서 도파관을 설치하였을 경우인 (b), (c), (d)에 확연히 전파감쇄량이 뛰어났으며, 도파관 설치의 경우에도 도파관 내의 격실, 즉 내부 입경이 줄어들수록 전파감쇄량이 뛰어남을 확인할 수 있었다.
다만, 순수한 물의 유전율 변화가 1,000 MHz 대역에서 급격하게 낮아지므로 전파 감쇄량 역시 해당 주파수에서 감쇄량이 증가되어야 하나, 지하수를 사용하였므로 지하수내 함유된 광물질에 의해 위 식의 투자율이 “1”이 아닌 “1~1.5” 정도가 되어 약 640 MHz대역부터 감쇄량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이는 유전율 관계식에서 나타나는 복소영역에 기인한다. 또한, 물(유전율 80)과 중유(유전율 4)의 유전율 차로 인해 전파 감쇄량에 큰 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
실험 결과, 첫째, 저 주파수 대역은 하니컴의 직경이 작으면 작을수록 둘째, 고 주파수 대역에서는 순수한 물이 아닌 지하수를 활용한 본 연구에서는 640 MHz에서, 중유의 경우는 1,680 MHz에서 목표 전파 감쇄량을 달성할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
5㎝ 인 원형 세부 도파관이 삽입된 경우에 대한 전파감쇄량을 보여주고 있다. 실험 결과에서 보는 바와 같이 저주파 영역에서는 개구부 입경의 크기가 작을수록 전파감쇄량이 뛰어남을 알 수 있다. 특히, 자유공간인 (a)에 비해서 도파관을 설치하였을 경우인 (b), (c), (d)에 확연히 전파감쇄량이 뛰어났으며, 도파관 설치의 경우에도 도파관 내의 격실, 즉 내부 입경이 줄어들수록 전파감쇄량이 뛰어남을 확인할 수 있었다.
주목할 점은 중유 역시 주파수 1,680 MHz 대역부터 Air filled 조건 보다 감쇄량이 증가하는 것을 알 수 있다. 이를 통해 유전체가 없이 공기로 채워진 하니컴 보다 유전체 충진시 높은 주파수에서는 전파 감쇄량을 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 저 주파수 대역은 하니컴의 직경 소형화로, 고 주파수의 경우는 유전체를 통해서 충분하게 목표 감쇄량에 도달할 수 있다.
후속연구
이는 차후 군 지휘시설에서 기존의 허니콤 그릴을 통해 제한되었던 급수/급유를 다중 도파관을 통해 가능케 함으로써 향후 작전지속성 향상에 상당히 기여할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 전자기파 차폐기술은 향후 민간 분야에서도 전자 시스템에 의해 운용되는 교통, 통신, 금융, 에너지 시스템에 확대 적용될 수 있을 것이며, 특히 국가 안보차원에서 유사 시 장기간 운용인원이 필요한 시설에 대해서 그 중요성이 더욱 크게 부각될 것이다.
이는 차후 군 지휘시설에서 기존의 허니콤 그릴을 통해 제한되었던 급수/급유를 다중 도파관을 통해 가능케 함으로써 향후 작전지속성 향상에 상당히 기여할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 전자기파 차폐기술은 향후 민간 분야에서도 전자 시스템에 의해 운용되는 교통, 통신, 금융, 에너지 시스템에 확대 적용될 수 있을 것이며, 특히 국가 안보차원에서 유사 시 장기간 운용인원이 필요한 시설에 대해서 그 중요성이 더욱 크게 부각될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전장기능의 대부분이 전자기기에 의존하는 전자정보전 시대에서의 전쟁수행 양상은?
전장기능의 대부분이 전자기기에 의존하는 전자정보전 시대에서의 전쟁수행 양상은 무차별 섬멸전이 아닌 선택적 마비전이다. 이에 EMP 무기는 인명살상을 최소화 하면서 전쟁수행의 필수적 요소들을 파괴 혹은 마비시킬 수 있어 현대전의 가장 큰 잠재적 위협의 하나로 판단되어지고 있다[5].
북한이 EMP 공격 능력을 보유하고 있는 것으로 확인된 사건은 무엇인가?
이미 북한은 2006년 10월 지하 핵실험을 통해 EMP 공격 능력을 보유하고 있는 것으로 밝혀졌으며, 한국군도 2015년 EMP 탄의 실전배치를 목표로 연구개발에 박차를 가하고 있다. 주목할 만한 사실은 원자력연구원의 연구결과에 의하면 이러한 EMP 무기는 지구자기장의 영향을 받기 때문에 한반도 북부지역보다는 남부지역이 상대적으로 더 불리한 상황에 있다는 점이다.
EMP 방호에 대한 중요성이 커지는 이유는 무엇인가?
이미 북한은 2006년 10월 지하 핵실험을 통해 EMP 공격 능력을 보유하고 있는 것으로 밝혀졌으며, 한국군도 2015년 EMP 탄의 실전배치를 목표로 연구개발에 박차를 가하고 있다. 주목할 만한 사실은 원자력연구원의 연구결과에 의하면 이러한 EMP 무기는 지구자기장의 영향을 받기 때문에 한반도 북부지역보다는 남부지역이 상대적으로 더 불리한 상황에 있다는 점이다. 또한 한국군은 북한군보다 첨단화된 전자장비를 통한 보다 발달된 무기체계를 갖추고 있어 EMP 공격에 노출 시 피해가 상대적으로 클 수밖에 없다[4,5].
참고문헌 (13)
Department of US Army. TM 5-855-1: Fundamentals of Protective Design (Non-nuclear). Washington DC: Department of Army Technical Manual; c1965. 455 p.
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Kim SB, Han SS, Kang YC, Baek SH. A Study for the Protective Performance of Military Facilities against Radioactive Contamination. Seoul (Korea): Korea Military Academy; 2008. 99 p.
Kim SB, Kim WD, Bang SK, Baek SH, Hwang HS. A Study for the Plan of Protective Facility from EMP and NBC. Seoul: Korea Military Academy; 2011. 112 p.
Miller CR. Electromagnetic Pulse Threats in 2010. Montgomery: US Air University; c2005. Chapter 12, Electronic circuit vulnerability to EMP; p. 385-410.
Angeli M, Cardeli E. Numerical Analysis of Diffracting Perforated Shields. IEEE Transactions on Magnetics. 1997;33(2):1472-5.
Meissner T, Wentz FJ. The Complex Dielectric Constant of Pure and Sea Water form Microwave Satellite Observations. Geoscience and Remote Sensing. IEEE Transactions. 2004;42(9):1836-49.
Suwarno IS. Dielectric Properties of Mixtures Between Mineral Oil and Natural Ester from Palm Oil. WSEAS Transactions on Power Systems. 2008;2(3):37-46.
Barthel J, Bachhuber K, Buchner R, Hetzenauer H, Kleebauer M. A Computer-Controlled System of Transmission Lines for the Determination of the Complex Permittivity of Lossy Liquids between 8.5 and 90 GHz. Berichte der Bunsengesellschaft fur physikalische Chemie. 1991;95(8):853-9.
Delogne P. Leaky Feeders and Subsurface Radio Communications. London (UK): Peregrinus; 1982. p. 23-4.
Stoudt D, Peterkin F. Transient RF and Microwave Pulse Propagation in a Debye Medium (Water). Interaction Note. 2011;622(4):1-43.
Department of Defense. MIL STD 188-125-1: High Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Protection for Ground-based C4I Facilities Performing Critical, Time-urgent Mission. Washington (WA): Washington DC US Department of Defense; 1994. 98 p.
Brown K, [Internet]. Metal oxide varistor degradation; 2004 Mar 1; Cited 2013 June 12]. Laei News; [1 screen]. Available from: http://www.iaei.org/?pageauthor_brownken&hhSearchTermsMetal+and+oxide+and+varistor
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