[논문]통합해석기법을 활용한 공대공 및 지대공 적외선 미사일 대응 초음속 항공기의 중적외선 및 원적외선 신호 분석

김태환; 배지열; 김태일; 정대윤; 황창수; 조형희

doi:10.9766/kimst.2014.17.6.764

통합해석기법을 활용한 공대공 및 지대공 적외선 미사일 대응 초음속 항공기의 중적외선 및 원적외선 신호 분석
Analysis of MWIR and LWIR Signature of Supersonic Aircraft to Air-to-air and Surface-to-air Missile by Coupled Simulation Method 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.17 no.6, 2014년, pp.764 - 772

김태환 (연세대학교 기계공학과) , 배지열 (연세대학교 기계공학과) , 김태일 (연세대학교 기계공학과) , 정대윤 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 황창수 (공군사관학교 물리학과) , 조형희 (연세대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The stealth performance of supersonic aircraft in recent air battlefield is one of the most significant feature for latest fighters. Especially, as the technology is advancing, the IR stealth capability becomes more important because of its passive characteristic. To design an aircraft with stealth capability, we must know how much the IR signature is generated from the aircraft. Also, predicting the IR signature of enemy's aircraft is tactically crucial. In this study, we calculated MWIR and LWIR infrared signature of $5^{th}$ generation supersonic aircraft against air-to-air and surface-to-air threat using IR simulation code and CFD coupled procedure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고도 10000 m에서 마하수 1.5로 초음속 순항하고 있는 5세대 항공기에 대한 공대공 및 지대공 상황에서 탐지 각도, 탐지 대역별 적외선 신호를 산출하였다. 구제척으로, CFD 솔버와 RadthermIR을 통합한 coupled iteration 기법을 사용하여 항공기 표면 온도 및 항공기 주변의 초음속 유동장, 유동 온도를 계산하여 적외선 신호 요인을 분석하였으며, 계산된 표면 온도를 바탕으로 적외선 이미지를 산출하고, 대비복사강도(CRI)를 계산하여 적외선 신호를 평가하였다.

가설 설정

LWIR의 경우 Fig. 8-(a)와 같이, 항공기 표면의 공력가열에 의한 동체부의 신호가 정확히 확인되는 반면에 MWIR의 경우는 (b) 엔진 및 플럼 고온부에 의한 수직꼬리 날개만이 확인되며, 동체 신호는 탐지되지 않는다. 후방에서 탐지한 경우인 (c), (d)의 경우는 두 가지 대역 모두에서 강한 적외선 신호를 방출하며, 그 크기는 MWIR 영역에서 더욱 크다.

제안 방법

이를 위해 항공기를 Fig. 5의 (a)와 같이 40개의 파트로 구분하여, 각 파트별 격자의 크기를 조정하여 격자수를 최적화하였다. 체적 격자는 경계층과 노즐후방의 플럼부에 격자밀도를 높였으며, 최종적으로 표면 격자 약 23만개, 체적 격자 약 430만개를 계산에 이용하였다.
2세대 적외선 미사일은 중적외선 영역(MWIR : 3 ～ 5 μm) 대역의 대기창[6](atmospheric window : 대기 중 H2O, CO2 등의 분자에 의한 흡수 영역을 제외한 적외선 투과율이 높은 파장구간) 영역을 활용하였으며, 이 역시 항공기의 배기가스 및 고온부 탐지만이 가능한 후방 추적방식이었다.
5로 초음속 순항하고 있는 5세대 항공기에 대한 공대공 및 지대공 상황에서 탐지 각도, 탐지 대역별 적외선 신호를 산출하였다. 구제척으로, CFD 솔버와 RadthermIR을 통합한 coupled iteration 기법을 사용하여 항공기 표면 온도 및 항공기 주변의 초음속 유동장, 유동 온도를 계산하여 적외선 신호 요인을 분석하였으며, 계산된 표면 온도를 바탕으로 적외선 이미지를 산출하고, 대비복사강도(CRI)를 계산하여 적외선 신호를 평가하였다.
1의 (a), (b)에 나타낸 바와 같이 주로 항공기의 후방동체 쪽에 위치한다. 본 연구에서는 이러한 MWIR/LWIR 신호를 평가하기 위해 초음속(마하수 1.5)으로 순항하는 5세대 항공기의 공력가열과, 고온 플럼으로 인한 동체의 온도상승을 고려하였다. Fig.
열경계층과 유동경계층에서의 온도회복을 계산하기 위해서, 표면과 가까운 체적 격자의 두께는 500 μm로 설정하였다.
이에 본 연구에서는 5세대 초음속 항공기의 열/유동 시뮬레이션을 통해 표면온도를 산출하고, 적외선 신호 분석 프로그램을 통해 중적외선 및 원적외선 대역 적외선 신호를 평가하였다. 대표적으로 선정한 비행조건은 항공기의 비행가능구역에서 초음속 순항가능 구간을 고려한 고도 10000 m, 마하수 1.
4와 같이 표면 격자를 이용하여 FEM(Finite Element Method) 방식으로 열전달을 해석한다. 전도해석은 표면 격자를 이용하여 3차원 해석이 가능하고, 복사는각 표면격자의 view factor를 계산하고 표면에 할당된 방사율, 반사율을 바탕으로 면과 면사이의 복사해석을 수행한다. 대류 열전달의 경우 여러 가지 방법이 가능한데, 가장 간단한 방법은 표면에 열전달계수(h : convective heat transfer coefficient)를 입력해 주는 방법이다.
지대공/공대공 상황에 동일하게 탐지기의 대역은 중적 외선 대역과 원적외선 대역에 대하여 해석을 수행하였으며, 탐지각도는 (0 ～ 180°)에 대하여 5° 간격으로 분석을 수행하였다.
지대공 상황에선 탐지기가 지표에 고정되어 있다고 설정하였으며, 이에 따라 항공기를 바라보는 각도에 따라 거리가 달라진다. 항공기의 고도를 일정하다고 가정하였으므로 간단한 삼각함수를 이용하여 항공기와 탐지기 사이의 거리를 계산하였다. 예를 들어, 항공기와 탐지기의 각도가 5°인 경우의 거리는 11.

대상 데이터

5의 (a)와 같이 40개의 파트로 구분하여, 각 파트별 격자의 크기를 조정하여 격자수를 최적화하였다. 체적 격자는 경계층과 노즐후방의 플럼부에 격자밀도를 높였으며, 최종적으로 표면 격자 약 23만개, 체적 격자 약 430만개를 계산에 이용하였다. 항공기 표면 재질은 일반적으로 항공기에 사용되는 alloy-2024(density ρ = 2770 [kg/m³], specific heat α = 0.
항공기 표면 재질은 일반적으로 항공기에 사용되는 alloy-2024(density ρ = 2770 [kg/m3], specific heat α = 0.875[J/gK], thermal conductivity k = 177 [W/mK])로 설정하였으며, 표면은 회색 군용페인트로 도포되어 있다고 설정하였다[9].
5 조건은 초음속 항공기가 가장 많은 임무를 수행하는 고도에서 최고 속도로 가속할 수 있는 조건을 근거로 선정하였다. 항공기의 위치는 김포공항 상공 10000 m로 설정하였으며, 태양 복사량의 영향을 배제하고 공력가열에 의한 영향만을 확인하기 위해, 밤 10시의 대기조건을 입력하였다. Fig.

이론/모형

특히나 본 연구의 대상과 같이, 초음속 환경의 복잡한 유동장에 노출되어 있는 항공기 표면의 열전달계수와 유동온도 예측을 위해선 별도의 CFD 프로그램 사용이 필수이며, CFD 결과를 RadthermIR에서 받아들일 수 있는 형식으로 내보낼 수 있는 어떠한 CFD 프로그램을 사용해도 무방하다. 본 연구에서는 초음속 유동장 해석을 정확하게 수행할 수 있는 검증된 프로그램인 Fluent를 CFD 프로그램으로 선정하였으며, 이러한 두 프로그램의 장점을 활용하는 방법이 coupling method 이며 적외선 신호 산출 과정은 Fig. 3과 같은 흐름으로 진행된다. 여기서 coupled iteration은 각 솔버에서 계산한 결과를 주고받는 과정이며, 3회 반복시 일정한 결과 값에 수렴함을 이전의 해석 수행을 통해 확인하였다^[9].
항공기 적외선 신호 산출을 위해 두 가지 프로그램을 사용하였다. 비행마찰열 및 플럼을 포함한 초음속 열유동장 열유동해석을 위해 Fluent를 사용하였으며, 항공기 표면의 3차원 열전달 현상 해석을 통한 표면온도 산출과, 산출된 표면온도를 통한 적외선 신호 산출을 위해 RadthermIR을 사용하였다. 적외선 신호 산출에 있어 두 가지 프로그램을 사용한 이유는 다음과 같다.

성능/효과

황화납을 이용한 1세대 적외선 탐지기는 근적외선 영역(SWIR : 1.3 ～ 3 μm)에서 감도가 우수하였으며, 항공기의 배기가스 및 고온부를 탐지할 수 있었다.

후속연구

비행마하수의 증감에 따른 표면 온도 변화와 대기조건에 따른 항공기 적외선 에너지 변화는 차종현, 김태환 등이 이전의 연구에서 수행하였다^[9,10]. 본 연구에서는 공대공/지대공 상황에서 항공기의 적외선 신호를 정량적으로 산출하였으며, 이러한 적외선 신호 평가 기법은 현재 운용되고 있는 초음속 항공기의 적외선 신호 분석을 통해 기종별 데이터 베이스 확보, 피아식별 자료, 추후 독자적인 적외선 스텔스 기술 적용 시, 신호 저감 능력 평가에 활용될 수 있다.
반면 후방 신호는 LWIR/MWIR 두 대역의 탐지기 모두가 탐지 가능하며, 같은 온도에 대한 후방 신호는 MWIR 대역에서 매우 크다. 본 연구의 결과와 적외선 신호 산출 기법은 향후 스텔스 기술을 통한 신호 저감 능력 평가, 피아식별을 위한 데이터 베이스 구축, 형상 변경에 따른 적외선 신호 증감 판단 등의 독자적 스텔스 기술 개발 과정에 활용되리라 기대한다.
즉, RadthermIR은 전도, 복사, 대류 열전달 해석을 수행할 수 있으며, 이를 통해 적외선 신호를 산출할 수 있지만, 자세한 유동장 계산은 별도의 CFD 프로그램을 통해야 한다. 특히나 본 연구의 대상과 같이, 초음속 환경의 복잡한 유동장에 노출되어 있는 항공기 표면의 열전달계수와 유동온도 예측을 위해선 별도의 CFD 프로그램 사용이 필수이며, CFD 결과를 RadthermIR에서 받아들일 수 있는 형식으로 내보낼 수 있는 어떠한 CFD 프로그램을 사용해도 무방하다. 본 연구에서는 초음속 유동장 해석을 정확하게 수행할 수 있는 검증된 프로그램인 Fluent를 CFD 프로그램으로 선정하였으며, 이러한 두 프로그램의 장점을 활용하는 방법이 coupling method 이며 적외선 신호 산출 과정은 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선 미사일의 장점은 무엇인가?	공군력의 손실은 적외선 미사일에 의한 격추가 주를 이루었는데, 이는 적외선 미사일의 특성 때문이다[1]. 적외선 미사일은 표적이 자체적으로 방사하는 적외선 신호를 탐지 및 추적에 이용하는 방식(passive)으로 ‘발사 후 망각(fire and forget)’을 가능케 하여 다음 임무를 연속적으로 수행할 수 있는 전술적 장점을 가졌으다. 또한, 표적을 탐지하기 위해 신호를 보내는 방식(active)인 레이더 미사일에 비해 표적입장에서 미사일에 탐지된 사실을 뒤늦게 확인할 수 있으므로 회피/기만 시간을 감소시킨다. 적외선 미사일의 탐지 기술은 2차 세계대전 이후 1세대 황화납(PbS) 탐지기(seeker)를 이용한 적외선 미사일을 시초로, 표적과 배경의 미세한 적외선 신호 차이를 구별할 수 있는 방향으로 연구 개발이 진행되고 있다[2-4].
	적의 방공망에 탐지 되지 않는 스텔스 기술이 중요한 이유는 무엇인가?	특히 초음속 항공기는 기술의 발달과 함께 공중기동성, 전투행동반경, 무장탑재, 정밀투하능력 등이 향상되었으며, 최근에는 적의 방공망에 탐지되지 않고 주요시설을 타격할 수 있는 스텔스 성능을 갖춘 5세대 항공기들이 전장에 투입되고 있다. 이러한 스텔스 기술이 중요한 이유는 초음속 항공기의 임무만큼이나 중요한 공군력의 ‘생존성’ 때문이다. 항공기의 생존을 위협하는 대표적 무기는 유도 미사일이다.
	최신 항공기가 대공 유도 미사일에 대응하기 위한 방법은?	항공기의 생존을 위협하는 대표적 무기는 유도 미사일이다. 최신 항공기는 공대공 및 지대공 유도 미사일의 위협에 대응하기 위해 가시(visual), 음향(aural), 적외선(infrared), 레이더(radio detection and ranging) 등의 신호 저감 기술을 도입하여 탐지에 대응(counter-measure)하고 있다. 이러한 스텔스 기능을 갖춘 항공기를 격추하기 위해, 무기체계 입장에선 보다 민감한/다중대역 탐지를 통한 스텔스 대응(countercounter-measure) 기술을 개발하여 도입하고 있으며, 이러한 기술 발전 상황은 흔히 창과 방패에 비유된다.

참고문헌 (10)

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G. A. Rao and S. P. Mahulikar, "New Criterion for Aircraft Susceptibility to Infrared Guided Missiles," Aerospace Science and Technology, Vol. 9, No. 8, pp. 701-712, Nov. 2005.

상세보기
A. Rogalski, "Infrared Detectors : Status and Trends," Progress in Quantum Electronics, Vol. 27, No. 2, pp. 59-210, 2003.

상세보기
Y. Reibel, F. Chabuel, C. Vaz, D. Billon-Lanfrey, J. Baylet, O. Gravrand, P. Ballet, and G. Destefanis, "Infrared Dual-Band Detectors for Next Generation," pp. 801238-801238-13, 2011.
E.-C. Koch, "Review on Pyrotechnic Aerial Infrared Decoys," Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 26, No. 1, pp. 3-11, 2001

상세보기
K. N. LIOU., "An Introduction to Atmospheric Radiation," Academic Press, 2nd Edition, 2002.
W. Zhang, Y. Shi, R. Hu, Y. Zeng, and M. Yan, "Application Status and Development Trend of Infrared Imaging System," Vol. 8912, pp. 891219-7, 2013
H. R. Sonawane and S. P. Mahulikar, "Tactical Air Warfare : Generic Model for Aircraft Susceptibility to Infrared Guided Missiles," Aerospace Science and Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 249-260, Jun. 2011.

상세보기
T. H. Kim, J. W. Song, J. H. Cha, J. Bae, D. Jung and H. H. Cho, "IR Characteristics of an Aircraft in Different Atmospheric/Background Conditions," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 17, No. 4, pp. 456-462, 2014.

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Radtherm IR Training Manual, ThermoAnalytics, 2011.

저자의 다른 논문 :

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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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