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초록
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항공기 추진 시스템의 IR 피탐지성 감소 연구를 위해 항공기 노즐형상 변화에 따른 IR 신호의 영향성을 연구하였다. 이를 위해 가상의 아음속 무인기를 선정하고, 임무분석 및 성능 해석을 통해 엔진을 결정한 후 전체 임무를 만족시키는 원형 노즐을 설계하였다. 또한 다수의 설계변수를 적용하여 다양한 형상의 노즐을 설계하였다. 압축성 CFD 코드를 이용하여 열유동장 및 노즐표면 온도를 분석하였다. 또한 열유동장 해석 결과를 바탕으로 narrow-band 모델과 RadThermIR을 기반으로 하여 항공기 플룸 및 노즐표면 IR 신호를 계산하였다. 계산된 플룸 및 고체 IR신호를 분석, 비교하여 항공기 IR 신호 특성에 관한 정성적 정보를 도출하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The effects of various nozzle configurations on infrared signature are investigated for the purpose of analysing the infrared signature level of aircraft propulsion system. A virtual subsonic aircraft is selected and then a circular convergent nozzle, which meets the mission requirements, is designe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • IR 저감 설계 기술 연구를 위하여 무인전투기의 후방방향/배기노즐 대표 형상을 설정하고 연구하였다. 대표 형상으로 Dassault Aviation에서 개발 중인 무인항공기 nEUROn의 노즐을 참고하여 연구를 진행하였다.
  • 본 논문에서는 항공기 IR 저감 설계 연구를 위하여 엔진 노즐 형상에 따른 IR 신호의 영향성을 관찰하였다. 이를 위해 가상의 무인 항공기에 대한 엔진 성능분석을 수행하고, 설정된 임무를 만족하는 원형 축소노즐을 설계하였다.
  • 본 연구에서는 항공기 IR 신호 저감설계 연구를 위하여 항공기 노즐 형상변화에 따른 IR 신호의 영향성을 분석하였다. 노즐 및 배기 플룸에서의 열유동장을 엔진 배기 노즐의 형상 변화에 따라서 해석하고, 이를 바탕으로 IR 신호의 변화를 관찰하여 항공기 엔진 배기 노즐의 형상변화가 IR신호에 미치는 영향을 분석하였다.

가설 설정

  • 1%로 가정하였다. 또한 노즐 내부유동은 C11H22의 분자구조를 갖는 제트 연료의 연소로 인하여 생성된 기체로서, 몰분율 기준으로 N2 74%, H2O 13%, CO2 13%로 가정하였다. 이때 연료의 연소는 미세먼지가 존재하지 않으며, 완전 연소하였다는 가정을 하였다.
  • 설계된 원형 축소노즐에 대해 대기 중의 화학종이 플룸 IR 신호에 미치는 영향을 고려하기 위해 외부공기는 몰분율 기준으로 N2 78%, O2 21%, CO2 1%로 가정하였다.
  • 전산해석결과를 바탕으로 narrow-band 모델을 이용한 IR 신호 계산을 수행하였다. 여기서 관측자의 위치는 노즐 출구의 중심점에서 20m 거리에 있고, 항공기 노즐출구를 기준으로 정 후방에 있을 경우, 위아래 4도 방향의 위치에 있을 경우, 측방향 4도의 위치에 있을 경우로 가정하였다. Fig.
  • 난류 모델은 유사 문제에 많이 사용되는 k-epsilon 모델을 사용하였다. 유동장은 열적평형상태로 가정하였으며, 화학종의 질량확산은 Fick의 법칙에 따른 Schmidt수를 사용하였다.
  • 또한 노즐 내부유동은 C11H22의 분자구조를 갖는 제트 연료의 연소로 인하여 생성된 기체로서, 몰분율 기준으로 N2 74%, H2O 13%, CO2 13%로 가정하였다. 이때 연료의 연소는 미세먼지가 존재하지 않으며, 완전 연소하였다는 가정을 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
생존성을 두 가지 개념으로 구분하라 이에 따라 고정익 및 회전익 항공기, 무인 비행체의 생존성[1-2] 향상이 절실히 요구되고 있다. 생존성(survivability)은 적에게 아군 무기체계의 존재가 탐지되는 피탐지성(susceptibility)과 탐지된 후 타격을 받아 임무의 계속적 수행에 심각한 영향을 주는 취약성(vulnerability)의 두 가지 개념으로 나눌 수 있다. 이 중 탐지의 가능성을 감소시키는 스텔스 기술이 보다 중요하다.
비행체의 피탐지성에 관련된 신호는 무엇이 있는가 특히 그중에서도 추진기관에 관련된 고려요소가 핵심적 기술문제로 부각되고 있다. 비행체의 피탐지성에 관련된 신호로는 적외선 신호[3-5], 레이더 파[6], 음파, 가시광선 등이 있으며, 이 중 적외선 신호를 발생시키는 요소들로 항공기의 경우 공력가열 현상, 고열의 엔진, 엔진 배기가스, solar reflection 및 skin emission 등이 있다. IR 신호를 감소시키기 위한 방법으로 열원과 배기가스의온도를 줄이는 방법, 열원의 표면 방사를 줄이는방법 및 표면에서 방사되는 부분을 줄이거나 차폐시키는 방법 등이 있다[7].
스텔스 기술의 기술 보유국은 어디가 있는가 이 중 탐지의 가능성을 감소시키는 스텔스 기술이 보다 중요하다. 현재 스텔스 기술은 미국이 독보적인 기술을 확보하고 있고 유럽, 인도,중국, 일본 등과 같은 국가에서도 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 기술 보유국들이 자국 내 기술을 엄격하게 보호하고 있어 기술 이전이 불가능한 상태에 있으므로, 현재 국내에서 개발 중인 무기체계에 있어서 피탐지성 관련 신호 저감기술 개발이 절실하게 요구되고 있다.
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참고문헌 (19)

  1. Ball, R. E., The Fundamentals of Aircraft Combat Survivability Analysis and Design, AIAA Education Series, 2nd Edition, 2003. 

  2. Survivability/Vulnerability Information Analysis Center, www.bahdayton.com/surviac/ 

  3. Simmons, F. S., Rocket Exhaust Plume Phenomenology, The Aerospace Press, 2000. 

  4. Anonym, "Self-Protection Upgrade for TH98," Stealth Conference UK, 2007. 

  5. Hudson, R. D. Jr., Infrared System Engineering, Wiley, 1969. 

  6. Lynch, D. Jr., Introduction to RF Stealth, SciTech Publishing Inc., 2004. 

  7. Mahulikar, S. P., Sonawane, H. R., Rao, G. A., "Infrared Signature Studies of Aerospace Vehicles," Progress in Aerospace Sciences, Vol. 43, 2007, pp. 218-245. 

  8. Thompson, J., Birk, A. M., "Design of an Infrared Signature Suppressor for the Bell 205(UH-1H) Helicopter Part 1: Aerothermal Design," 11th CASI Propulsion Symposium, 2010. 

  9. Mahulikar, S. P., Rao, G. A., Kolhe, P. S., "Infrared Signatures of Low Flying Aircraft and their Rear Fuselage Skin's Emissivity Optimisation," AIAA Journal of Aircraft, Vol. 43, No. 1, 2006, pp. 226-232. 

  10. Hallberg, T., Niinimaki-Heikkila, T., Hedborg-Karlsson, E., Salonen, P. S., Nilsson, C., Janis, A., "Development of Low-emissive Camouflage Paint ; Final Report," Scientific Report, 2005. 

  11. An, S. Y., Kim, W. C., Oh, S. H., "A Study on the Effect of Engine Nozzle Configuration on the Plume IR Signature", Journal of The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 40, No. 8, 2012, pp. 688-694. 

  12. Lee, K. J., Baek, S. W., Lee, S. N., Kim, M. Y., Kim, W. C., "Effects of Nozzle Characteristics on the Rear Fuselage Temperature Distribution", Journal of The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 39, No. 12, 2011, pp. 1225-1348. 

  13. Chun, S. H., Yang, Y. R., Moon, H., Myong, R. S., Cho, T. H., "Computational Investigation of Nozzle Flowfields at Various Flight Conditions for Aircraft Infrared Signature Analysis", Journal of Computational Fluids Engineering, Vol. 16, No. 3, 2011, pp. 15-21. 

  14. Kim, J. Y., Chun, S. H., Myong, R. S., Kim, W. C., "Computational Investigation of the Effect of Various Flight Conditions on Plume Infrared Signature", Journal of The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 41, No. 3, 2013, pp. 185-193. 

  15. Mattingly, J. D., Heiser, W. H., Pratt, D. T., Aircraft Engine Design, AIAA Education Series, 2nd Edition, 2002. 

  16. CFD-FASTRAN, ESI, 2011. 

  17. RadThermIR: Thermal and Infrared Simulation Software, Thermo Analytics Inc., 2006. 

  18. 1st AIAA Propulsion Aerodynamics Workshop, http://aiaapaw.tecplot.com/index.html/, 2012. 

  19. Grosshandler, W. L., "RADCAL : A Narrow-Band Model for Radiation Calculations in a Combustion Environment," National Technical Information Service, TN 1402, 1993. 

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