[논문]항공기 날개 앞전의 레이더흡수구조 최적화

장병욱; 박선화; 이원준; 주영식; 박정선

doi:10.5139/jksas.2013.41.4.268

항공기 날개 앞전의 레이더흡수구조 최적화
Optimization of Radar Absorbing Structures for Aircraft Wing Leading Edge 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.41 no.4, 2013년, pp.268 - 274

장병욱 (Graduate School of Korea Aerospace University) , 박선화 (Graduate School of Korea Aerospace University) , 이원준 (Agency for Defence Development) , 주영식 (Agency for Defence Development) , 박정선 (School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

초록
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항공기 날개 앞전의 레이더흡수구조 최적화를 위한 목적함수를 정의하였으며, 유전체로 구성된 단층형 레이더흡수구조를 설계하였다. 설계변수는 흡수체의 복소유전율이며 반사계수와 레이더반사면적을 각각 목적함수로 사용하였다. 반사계수는 계산이 간단하여 최적화에 효과적으로 사용될 수 있지만 대상물을 평판형태로 가정하기 때문에 구조물의 형상을 충분히 반영하기 어렵다. 반면 레이더반사면적은 형상을 충분히 반영할 수 있지만 계산에 많은 시간이 요구된다. 반사계수는 전송선로이론을 통하여 계산하였으며, 레이더반사면적은 형상조건을 반영하기 위하여 날개 앞전 부분모델에 대해 물리광학법을 사용하여 평가하였다. 최적설계는 유전자알고리즘을 사용하였고, 설계된 레이더흡수구조를 날개 앞전에 적용하여 레이더반사면적을 계산함으로써 레이더흡수 성능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, objective functions are defined for optimization of radar absorbing structures (RAS) on the aircraft wing leading edge. RAS is regarded as a single layer structure made of dielectrics. Design variables are the real and imaginary parts of complex permittivity. Reflection coefficient(RC) and radar cross section(RCS) are used in the objective function respectively. Transmission line theory is employed to calculate the RC. The RCS is evaluated by using physical optics(PO) for a leading edge part model. Genetic algorithm(GA) is used to perform optimization procedures. The radar absorbing performance of designed RAS is assessed by the RCS of a wing which has RAS on the leading edge.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 최적화를 통하여 항공기 날개 앞전의 레이더흡수구조를 설계하였다. 사용된 날개 모델은 Fig.
본 논문에서는 항공기의 스텔스 성능 향상을 위해 반사계수와 레이더반사면적을 각각 목적함수로 사용하여 날개 앞전의 레이더흡수구조를 설계하였다. 항공기 날개의 앞전은 날개 부분 중전면에서 입사되는 레이더파가 가장 크게 반사되는 부분으로 고성능 항공기에서는 레이더흡수체가 적용된다.
항공기 날개 앞전의 레이더흡수구조 설계를 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 반사계수와 레이더반사면적(RCS)을 각각 목적함수로 사용하여 최적설계를 수행하였으며, 설계된 레이더흡수구조를 날개 앞전에 적용한 후 계산된 레이더반사면적을 비교하여 레이더흡수 성능을 평가한 후 타당한 목적함수를 선정하였다.

가설 설정

3과 같으며, 길이는 약 3m이다. 설계에 앞서 레이더흡수구조가 적용되지 않은 날개의 레이더반사 특성을 파악하기 위하여 날개의 스킨을 완전 전기전도체로 가정한 후 물리광학법으로 레이더반사면적을 계산하였다. 해석조건은 레이더파의 송수신부가 동일한 mono-static radar, 자기장이 입사면과 수직인 transverse magnetic(TM) wave 및 목표 주파수 10GHz를 사용하였다.

제안 방법

레이더반사면적은 계산에 많은 시간이 소모되지만 구조물의 형상을 반영하기 때문에 보다 정밀하게 레이더흡수구조의 성능을 평가할 수 있다. 따라서 날개 앞전의 레이더흡수구조 최적설계에 사용가능한 목적함수를 선정하기 위하여 반사계수와 레이더반사면적을 각각 사용하여 최적설계를 수행하였다. 반사계수는 날개의 앞전을 평판으로 가정한 후 수직입사(θ=0)에 대해 식 (4)와 식 (6)을 사용하여 계산하였다.
반면 레이더 반사면적은 해석기법으로 계산함으로 물체의 형상을 충분히 고려할 수 있으나 계산에 많은 시간이 요구된다. 목적함수로 사용된 반사계수는 앞전의 형상을 평판으로 가정한 후 수직입사파(normal incident wave)에 대하여 계산하였고, 레이더반사면적은 앞전의 형상을 반영한 해석모델을 사용하여 평가하였다. 최적설계기법으로는 유전자알고리즘을 사용하였으며 설계된 레이더흡수구조를 날개 앞전에 적용한 후 레이더반사면적을 계산함으로써 레이더흡수구조의 성능을 평가하고 날개 앞전의 레이더흡수구조 설계에 타당한 목적함수를 선정하였다.
반사계수는 입력임피던스가 공기 중의 특성임피던스와 일치할 때 최소가 되며 이를 임피던스정합(impedance matching)이라 한다[10]. 본 논문에 서는 Fig. 1과 같이 두께(t)를 가지고 뒷면에 완전전기전도체(perfect electric conductor, PEC)가 있는 단층형 레이더흡수구조를 설계하였으며 입력임피던스는 식 (6)으로 계산하였다.
본 논문에서는 날개 앞전의 레이더흡수구조를 상대적으로 적은 무게 증가로 높은 레이더흡수 성능을 획득할 수 있는 유전소재(dielectric material)로 제작된 단층형으로 고려하였으며 최적화를 위한 설계변수로는 유전율의 실수부(εr')와 허수부(εr′′)를 사용하였다.
최적설계는 유전자알고리즘으로 수행하였으며 결과는 Table 1과 Table 2에 나타내었다. 유전자 알고리즘의 실행을 위한 개체군(population)은 20개, 세대수(generation)는 50,000회, 교배확률(crossover)은 95%을 사용하였다. 설계결과 유전율의 실수부(ε_r')와 허수부(ε_r")는 레이더흡수구조의 두께가 증가함에 따라 감소되는 양상을 나타내었으며, 반사계수와 레이더반사면적을 목적함수 사용한 경우에서 근사한 수치를 나타내었다.
항공기 날개 앞전의 레이더흡수구조 설계를 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 반사계수와 레이더반사면적(RCS)을 각각 목적함수로 사용하여 최적설계를 수행하였으며, 설계된 레이더흡수구조를 날개 앞전에 적용한 후 계산된 레이더반사면적을 비교하여 레이더흡수 성능을 평가한 후 타당한 목적함수를 선정하였다. 연구결과 반사계수와 레이더반사면적을 목적함수로 사용하여 설계된 레이더흡수구조 모두에서 레이더반사면적 감소성능을 나타내었으며, 날개의 앞전을 평판으로 가정한 후 계산된 반사계수로도 뛰어난 성능의 레이더흡수구조를 설계할 수 있었다.
전파흡수구조의 두께는 유전율의 구현 가능성을 고려하여 2mm ≤ t ≤ 3mm로 하였으며, 0.1mm씩 증가시켜 두께에 따른 유전율을 계산하였다.
목적함수로 사용된 반사계수는 앞전의 형상을 평판으로 가정한 후 수직입사파(normal incident wave)에 대하여 계산하였고, 레이더반사면적은 앞전의 형상을 반영한 해석모델을 사용하여 평가하였다. 최적설계기법으로는 유전자알고리즘을 사용하였으며 설계된 레이더흡수구조를 날개 앞전에 적용한 후 레이더반사면적을 계산함으로써 레이더흡수구조의 성능을 평가하고 날개 앞전의 레이더흡수구조 설계에 타당한 목적함수를 선정하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 최적화를 통하여 항공기 날개 앞전의 레이더흡수구조를 설계하였다. 사용된 날개 모델은 Fig. 3과 같으며, 길이는 약 3m이다. 설계에 앞서 레이더흡수구조가 적용되지 않은 날개의 레이더반사 특성을 파악하기 위하여 날개의 스킨을 완전 전기전도체로 가정한 후 물리광학법으로 레이더반사면적을 계산하였다.
1mm씩 증가시켜 두께에 따른 유전율을 계산하였다. 설계를 위한 목표주파수는 10GHz이다.
6과 같은 앞전의 부분 모델을 사용하였다. 앞전 부분모델의 z방향 길이는 30mm이며, 총 24개의 면으로 구성되었다. 레이더반사면적은 mono-static radar, TM wave 및 고도각 -1°에서 계산하였다.
설계에 앞서 레이더흡수구조가 적용되지 않은 날개의 레이더반사 특성을 파악하기 위하여 날개의 스킨을 완전 전기전도체로 가정한 후 물리광학법으로 레이더반사면적을 계산하였다. 해석조건은 레이더파의 송수신부가 동일한 mono-static radar, 자기장이 입사면과 수직인 transverse magnetic(TM) wave 및 목표 주파수 10GHz를 사용하였다. 레이더파의 입사각(incident angle, θ)은 고도각(elevation angle)을 기준으로 정의하였으며, Fig.

이론/모형

반사계수는 날개의 앞전을 평판으로 가정한 후 수직입사(θ=0)에 대해 식 (4)와 식 (6)을 사용하여 계산하였다. 레이더반사면적은 물리광학법으로 평가하였으며, 날개 앞전의 형상을 고려하고 계산시간을 감소시키고자 Fig. 6과 같은 앞전의 부분 모델을 사용하였다. 앞전 부분모델의 z방향 길이는 30mm이며, 총 24개의 면으로 구성되었다.
)에 관한 근사식을 이용하여 레이더반사면적을 계산하는 방법이다. 이 기법은 고주파 근사(high frequency approximation)법으로 Maxwell 방정식의 적분형인 Stratton-Chu 방정식에 근거하며, 산란구조물의 크기가 입사 레이더파의 파장에 비해 상대적으로 큰 경우 적용이 가능하다[11]. 물리광학법은 계산에 많은 시간이 요구되는 복잡한 적분과정이 다소 생략됨으로 Maxwell 방정식을 직접적으로 풀이하는 모멘트법(method of moment, MOM), 유한요소법(finite element method, FEM), 유한체적법(finite volume method, FVM) 등에 비해 계산 시간이 짧은 장점이 있으며, 항공기의 초기설계 단계에서 주로 활용된다[12,13].
최적설계는 유전자알고리즘으로 수행하였으며 결과는 Table 1과 Table 2에 나타내었다. 유전자 알고리즘의 실행을 위한 개체군(population)은 20개, 세대수(generation)는 50,000회, 교배확률(crossover)은 95%을 사용하였다.

성능/효과

날개의 레이더반사면적 계산을 위한 해석조건은 앞전 부분모델에서의 경우와 동일하다. 계산 결과 반사계수와 레이더반사면적을 목적함수로 사용한 경우 모두에서 레이더흡수구조를 앞전에 적용했을 때 날개 레이더반사면적은 -10dBsm 이하로 계산되었다. 이는 날개를 완전 전기전도체로 가정하여 계산했을 때의 값인 2.
8과 같다. 계산 결과 설계된 레이더흡수구조는 넓은 입사각 범위에서 레이더 흡수성능을 나타내었으며, 각 경우에서 유사한 양상을 보였다.
계산 결과 에어포일 형상의 비대칭성으로 인해 레이더반사면적 또한 비대칭적으로 나타났으며, 앞전에서의 최대 레이더반사면적은 고도각 -1°에서 2.20dBsm 이다.
따라서 설계된 레이더흡수구조는 항공기 생존성 향상에 큰 효과를 가질 것으로 예상된다. 두 목적함수를 사용한 경우를 비교할 때 전체 결과에서 레이더반사면적을 목적함수로 한 경우에서 날개의 레이더반사면적이 약 0.6dBsm 이상 낮게 계산되었다. 이는 레이더흡수구조를 평판으로 가정하여 계산한 반사계수를 곡면인 날개의 앞전에 적용함으로써 발생되는 형상적인 영향에 의한 것으로 생각된다.
레이더의 탐지거리는 레이더 반사면적 감소의 4승에 비례하여 축소되며, 10dBsm의 레이더반사면적 감소는 약 45%의 레이더 탐지거리 축소를 의미한다. 따라서 설계된 레이더흡수구조는 항공기 생존성 향상에 큰 효과를 가질 것으로 예상된다. 두 목적함수를 사용한 경우를 비교할 때 전체 결과에서 레이더반사면적을 목적함수로 한 경우에서 날개의 레이더반사면적이 약 0.
연구결과 반사계수와 레이더반사면적을 목적함수로 사용하여 설계된 레이더흡수구조 모두에서 레이더반사면적 감소성능을 나타내었으며, 날개의 앞전을 평판으로 가정한 후 계산된 반사계수로도 뛰어난 성능의 레이더흡수구조를 설계할 수 있었다. 따라서 설계된 레이더흡수구조의 성능 및 계산의 효율을 고려할 때 반사계수가 날개 앞전 레이더흡수구조의 최적설계에 타당한 목적함수임을 결론지었다.
본 논문에서 사용된 앞전 부분모델은 24개의 면으로 구성되었기 때문에 레이더반사면적이 목적함수인 경우의 최적설계가 반사계수를 사용한 경우에 비하여 많은 시간이 소모되었지만, 두경우에서 날개의 레이더반사면적 감소량은 많은차이를 보이지 않았다. 따라서 설계된 레이더흡수구조의 성능 및 계산의 효율을 고려할 때 반사계수를 날개 앞전 레이더흡수구조의 최적설계를 위한 타당한 목적함수로 선정할 수 있었다.
반사계수를 목적함수로 사용한 경우에는 계산된 입력임피던스(Z_in)가 공기 중의 특성임피던(Z₀)인 377Ω에 근접하여 정합조건을 만족하였으며, 각 두께에서 반사계수는 모두 -50dB 이하로 계산되었다. 레이더반사면적을 목적함수로 사용한 경우에서는 반사계수와의 비교를 위하여 설계결과를 평판에 적용하여 입력임피던스를 계산한 결과, 입력임피던스는 앞전의 형상에 의한 영향으로 공기 중의 특성 임피던스와는 다소 차이가 있었지만, 레이더흡수구조는 높은 흡수 성능을 나타내어 앞전 부분 모델의 레이더반사면적은 모두 -50dBsm 이하로 계산되었다.
반사계수를 목적함수로 사용한 경우에는 계산된 입력임피던스(Zin)가 공기 중의 특성임피던(Z0)인 377Ω에 근접하여 정합조건을 만족하였으며, 각 두께에서 반사계수는 모두 -50dB 이하로 계산되었다.
따라서 레이더반사면적의 계산시간은 물체의 표면을 구성하는 면의 수에 따라 증가하며, 최적설계에 소모되는 시간 또한 늘어난다. 본 논문에서 사용된 앞전 부분모델은 24개의 면으로 구성되었기 때문에 레이더반사면적이 목적함수인 경우의 최적설계가 반사계수를 사용한 경우에 비하여 많은 시간이 소모되었지만, 두경우에서 날개의 레이더반사면적 감소량은 많은차이를 보이지 않았다. 따라서 설계된 레이더흡수구조의 성능 및 계산의 효율을 고려할 때 반사계수를 날개 앞전 레이더흡수구조의 최적설계를 위한 타당한 목적함수로 선정할 수 있었다.
설계결과 유전율의 실수부(εr')와 허수부(εr")는 레이더흡수구조의 두께가 증가함에 따라 감소되는 양상을 나타내었으며, 반사계수와 레이더반사면적을 목적함수 사용한 경우에서 근사한 수치를 나타내었다.
이를 위해 반사계수와 레이더반사면적(RCS)을 각각 목적함수로 사용하여 최적설계를 수행하였으며, 설계된 레이더흡수구조를 날개 앞전에 적용한 후 계산된 레이더반사면적을 비교하여 레이더흡수 성능을 평가한 후 타당한 목적함수를 선정하였다. 연구결과 반사계수와 레이더반사면적을 목적함수로 사용하여 설계된 레이더흡수구조 모두에서 레이더반사면적 감소성능을 나타내었으며, 날개의 앞전을 평판으로 가정한 후 계산된 반사계수로도 뛰어난 성능의 레이더흡수구조를 설계할 수 있었다. 따라서 설계된 레이더흡수구조의 성능 및 계산의 효율을 고려할 때 반사계수가 날개 앞전 레이더흡수구조의 최적설계에 타당한 목적함수임을 결론지었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이더반사면적 감소 성능을 확보하기 위하여 기체에 어떤 조치를 취할 수 있는가?	레이더반사면적은 항공기의 형상설계를 통해 레이더파를 입사 방향과 다른 방향으로 반사 또는 산란시켜 감소시킬 수 있다. 하지만 레이더반사 면적 감소를 위한 구조설계 단계에서는 외부형상의 변경이 불가능하므로 레이더흡수구조(radar absorbing structures, RAS)를 적용하거나, 레이더 흡수재료(radar absorbing materials, RAM)를 기체에 부착하여 추가적인 레이더반사면적 감소 성능을 확보한다[2].
	레이더반사면적이란 무엇인가?	레이더반사면적(radar cross section, RCS)은 방사된 레이더파가 기체에 반사되어 되돌아온 에너지의 크기를 수치적으로 나타낸 것으로, 반사면적의 감소는 레이더 탐지거리를 축소시킴으로 항공기의 생존성 향상을 위한 중요한 요소이다[1].
	레이더흡수구조의 흡수성능을 향상시키기 위하여 최근 레이더 흡수구조와 재료 개발을 위해 어떤 접근을 하고 있는가?	레이더흡수구조의 설계에 있어 기본적인 방법은 반사계수(reflection coefficient, I')의 최소 화로부터 도출되는 무반사곡선과 Cole-Cole plot 을 이용하는 것으로 지금까지 많은 연구들이 진행되었다[5,6]. 또한 근래에는 보다 뛰어난 성능의 레이더흡수구조와 재료를 개발하기 위하여 반사계수를 목적함수로 하는 최적화 기법이 적용되고 있다[7]. 이러한 연구들은 대부분 재료적인 측면에서 연구되었으며 평판형태에서의 레이더흡수 성능만을 평가하였다.

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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