[논문]해군 함정에서의 EMP 영향 및 대책

양진호; 남상욱

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.4.426

해군 함정에서의 EMP 영향 및 대책
Electromagnetic Pulse Coupling into Naval Warship and Protective Measures 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.4, 2014년, pp.426 - 433

양진호 (서울대학교 전기정보공학부) , 남상욱 (서울대학교 전기정보공학부)

초록
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고고도 핵폭발로 인해 고고도 전자기 펄스(HEMP)가 발생한다. 본 논문에서는 Bell 연구소와 IEC 61000-2-9 기준에 제시된 HEMP 파형이 해군 함정의 복사성 결합 통로와 전도성 결합 통로를 통해 입사할 때 침투하는 침투 전계 특성을 비교 검토하였다. 또한, 두 가지 종류의 결합에 대한 효과를 분석하고, 방호 대책을 제시하였다. 시뮬레이션 결과, IEC 61000-2-9 기준이 Bell 연구소의 기준보다 저주파수 대역을 제외하고 침투전계가 크므로 좀 더 엄격한 기준으로 볼 수 있고, 따라서 IEC 61000-2-9의 기준을 해군내 HEMP 기준으로 제시하였다. 최종적으로 HEMP 방호 대책으로 차폐 코팅, 허니컴 통풍구, TVS 소자 등을 이용하여 미국방부 기준에 부합하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high-altitude electromagnetic pulse(HEMP) generated by a high-altitude nuclear explosion. This paper presents the comparison of electric field penetration in Bell laboratories and IEC 61000-2-9 standard when HEMP source penetrates through Naval Warship conducted coupling path and radiated coupling path. Also we analyze the effects of two kinds of coupling and propose Protective measures. Simulation results confirm IEC 61000-2-9 standard is more strict than the Bell Laboratories standard except for a lower frequency band, so we proposed IEC 61000-2-9 standard as a Naval HEMP standard. Finally, we offer the protective measures such as the shielding coating, Honeycomb ventilation, TVS in order to meet the military criteria.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문을 통해 고고도 전자기 펄스(HEMP)가 해군 함정에 미치는 영향을 살펴보고, 미흡한 분야에 대해 그 대책을 제시하고자 한다.

가설 설정

그림 6의 왼쪽을 보면 전체 구조 가운데 점선으로 표시된 부분이 조타실(레이더, 통신기, 조타기 등), 통신실(통신 전자장비 수신단)이 위치해 있으므로 그곳의 격실을 중심으로 모델링을 하였고, 전자파 측정 지점(Probe)은 조타실과 통신실 공간상 임의의 중앙지점에 위치하였다. 경계조건은 그림 6의 오른쪽처럼 점선 아래 부분은 철판으로 이루어진 하부 갑판 구조물이기 때문에 PEC로 가정하여 E_t=0으로 적용하였고, 그 외 부분은 자유공간(Freespace)으로 적용하였다.
한편, 본 논문은 참고문헌 ^[3]과 상황이 다른데, 시뮬레이션상 위의 두 기준으로 확인 결과, IEC 기준이 Bell 연구소 기준보다 9 MHz 이하의 저주파 대역을 제외하고, 침투 전계는 조타실과 통신실 각각 28 %, 34 % 정도 큰 것을 확인했다. 따라서 본 논문에서 외부 HEMP 파형은 IEC 61000-2-9에서 정의한 파형을 적용하였고, 정면에서 입사함을 가정하였다.

제안 방법

그림 5는 해군에서 작전 중인 군함을 해군의 협조를 받아 모델링한 것이다. EMP 결합에 직접적인 영향을 줄 수 있는 유리창, 환풍구(전부, 후부)는 제원에 기초하여 직접 모델링하였고, 안테나의 경우는 케이블의 종류 및 길이를 확인하여 모델링하였다. 함정을 이루고 있는 전체의 Material은 철(Lossy metal, Electric Conductivity: 5.
먼저, 복사성 EMP 방호 대책을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 미국방부 기준인 MIL-STD-188-125-1을 만족시키기 위해서 그림 8과 같이 차폐 코팅을 실내 및 실외에 붙이고, 통풍관에 Honeycomb 모양의 통풍관을 적용하였다^[8].
먼저, 복사성 EMP 방호 대책을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 미국방부 기준인 MIL-STD-188-125-1을 만족시키기 위해서 그림 8과 같이 차폐 코팅을 실내 및 실외에 붙이고, 통풍관에 Honeycomb 모양의 통풍관을 적용하였다^[8].
본 논문을 통해 HEMP 기준 중 함정으로의 침투 전계가 상대적으로 크게 나타나는 IEC 61000-2-9 기준을 해군의 HEMP 기준으로 제시하였다. 또한, 두 경로를 통해 침투하는 HEMP 중 복사성 결합은 차폐 코팅, Honeycomb 통풍관을 이용해 차폐 효율(SE) 74 dB 이상을 만족하였고, 전도성 결합은 TVS 소자 등을 회로에 삽입하여 내부 잔류 전류 0.
시뮬레이션의 정확도를 확인하기 위하여 함정의 동축 케이블을 모델링하기에 앞서 1.5 m의 동축케이블(RG-58)의 감쇄 상수(α)를 이론 및 인터넷 계산기, CST-MW로 확인하고, 그것을 CST-CS와 비교하였다.
8×10⁶[S/m])이다. 실제 크기의 함정을 그대로 모델링하여 시뮬레이션을 진행하기에는 Simulator의 특성상(mesh 수의 제한, 시뮬레이션 시간 과다 등) 무리가 따르고, 또한 EMP 에 의해서 전압, 전류가 유기되는 것은 전자장비이므로 전자ㆍ통신 장비가 집중되어 있는 곳을 확인하였다.
위 모델링(그림 12)을 바탕으로 CST-CS를 이용하여 회로도로 연동하면 그림 13과 같이 나타나고, Ⅲ장에서 제시한 전도성 HEMP 신호를 인가하였을 때 함정 내부에서의 잔류 전류를 측정하였다.
함정 안테나 Cable을 그림 12와 같이 세 개의 동축케이블이 묶음으로 되어 있으며, 앞서 검증된 CST-CS로 모델링하였다.

대상 데이터

차폐 코팅 재료는 구리이며, mesh로 이루어져 있고, mesh 간격은 20 um이다. Honeycomb 통풍관은 cell 간격이 3.
함정을 이루고 있는 전체의 Material은 철(Lossy metal, Electric Conductivity: 5.8×106[S/m])이다.

성능/효과

방호 대책이 적용되지 않았을 경우, 조타실과 통신실의 차폐 효율을 각각 계산해 보면 그림 7과 같은 결과를 얻을 수 있다. 그래프에서 보듯이 수상함정에 요구되는 차폐 효율 74 dB를 일부 저주파수 대역을 제외하고 만족 하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이는 전자 장비에 오작동 및 파괴현상을 일으킬 가능성이 높다고 말할 수 있다.
. 논문에 따르면 IEC-61000-2-9 기준이 Bell 연구소 기준보다 10 MHz 이하의 낮은 주파수 대역을 제외하고 침투 전계가 크지만, 침투 전계의 주파수 특성 경향은 거의 동일하다는 것을 알 수 있다. 한편, 본 논문은 참고문헌 ^[3]과 상황이 다른데, 시뮬레이션상 위의 두 기준으로 확인 결과, IEC 기준이 Bell 연구소 기준보다 9 MHz 이하의 저주파 대역을 제외하고, 침투 전계는 조타실과 통신실 각각 28 %, 34 % 정도 큰 것을 확인했다.
왜냐하면 국방시설이 민수보다 좀 더 견고하게 제작되고, 육/해/공군의 활동영역(지상/바다/하늘)의 차이로 전자파의 반사 형태도 조금씩 다르기 때문이다. 따라서 본 논문의 주제와 연관된 해군 수상함정의 기준(MIL-STD-461E, RS103)을 살펴보면 그림 3과 같이 모든 주파수 영역에서 차폐 효율 73.9 dB(약 74 dB) 이상이 요구된다.
본 논문을 통해 HEMP 기준 중 함정으로의 침투 전계가 상대적으로 크게 나타나는 IEC 61000-2-9 기준을 해군의 HEMP 기준으로 제시하였다. 또한, 두 경로를 통해 침투하는 HEMP 중 복사성 결합은 차폐 코팅, Honeycomb 통풍관을 이용해 차폐 효율(SE) 74 dB 이상을 만족하였고, 전도성 결합은 TVS 소자 등을 회로에 삽입하여 내부 잔류 전류 0.8 A로 기준에 충족하는 방호 대책을 확인하였다. 본 연구를 통해 해군 함정은 철로 수밀이 되어 있어 방수, 화학·생물학 가스 방호에 유리하지만, EMP와 같은 전자기파는 전자기적으로 개구면으로 볼 수 있는 유리창과 안테나를 통해 주로 입사되므로 설계시 이 부분에 대한 방호를 반드시 고려해야 한다.
는 차폐가 이루어졌을 때 전계의 크기이다. 미국 국방부 기준의 차폐 요구 성능을 보면 주파수 범위별로 조금씩 차이가 있지만, 결론적으로 모든 주파수 범위에서 차폐 효율 80 dB 이상을 만족해야 전자장비의 오작동 및 파괴 현상을 방지할 수 있다. 이것은 일반적인 사항이며, 국방시설과 민수시설의 기준이 다르고, 육/해/공군의 기준도 차이가 있다.
P1～P3는 신호를 인가하는 input, P4～P6는 함정 내부에서의 잔류 전류를 측정하는 output이다. 안테나 케이블을 통해 유입된 최대 진폭 2,500 A의 HEMP 신호는 그림 14에서 보듯이 2,390 A로 진폭이 감소하였음을 확인하였다. 이는 동축케이블의 감쇄 상수로 인한 결과이며, 8.
2 mm이고, Waveguide-Below-Cutoff 원리에 의거 Array length는 5 cm로 정하였다. 위와 같이 EMP 취약 개소에 대한 방호 대책을 적용한 결과, 차폐 효율은 그림 9와 같이 수상함정 요구 성능인 74 dB를 전 주파수 대역에서 만족함을 확인하였다.
논문에 따르면 IEC-61000-2-9 기준이 Bell 연구소 기준보다 10 MHz 이하의 낮은 주파수 대역을 제외하고 침투 전계가 크지만, 침투 전계의 주파수 특성 경향은 거의 동일하다는 것을 알 수 있다. 한편, 본 논문은 참고문헌 ^[3]과 상황이 다른데, 시뮬레이션상 위의 두 기준으로 확인 결과, IEC 기준이 Bell 연구소 기준보다 9 MHz 이하의 저주파 대역을 제외하고, 침투 전계는 조타실과 통신실 각각 28 %, 34 % 정도 큰 것을 확인했다. 따라서 본 논문에서 외부 HEMP 파형은 IEC 61000-2-9에서 정의한 파형을 적용하였고, 정면에서 입사함을 가정하였다.

후속연구

본 연구를 통해 해군 함정은 철로 수밀이 되어 있어 방수, 화학·생물학 가스 방호에 유리하지만, EMP와 같은 전자기파는 전자기적으로 개구면으로 볼 수 있는 유리창과 안테나를 통해 주로 입사되므로 설계시 이 부분에 대한 방호를 반드시 고려해야 한다. EMP 측정(장비 손상)의 제한으로 실측정이 불가한 점은 아쉽지만, 미래 함정을 대상으로 실측정의 연구가 진행될 것으로 기대한다.
본 연구를 통해 해군 함정은 철로 수밀이 되어 있어 방수, 화학·생물학 가스 방호에 유리하지만, EMP와 같은 전자기파는 전자기적으로 개구면으로 볼 수 있는 유리창과 안테나를 통해 주로 입사되므로 설계시 이 부분에 대한 방호를 반드시 고려해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HEMP란?	HEMP(High Altitude Electromagnetic Pulse)는 고고도 핵 전자기 펄스로 EMP가 핵폭발에 의해 발생한 경우를 의미한다. HEMP의 전계는 다른 지속시간을 가지는 초기 HEMP, 중기 HEMP, 말기 HEMP 등 3개의 성분으로 복합 적인 구조를 가진다.
	HEMP의 전계는 어떤 구조를 가지는가?	HEMP(High Altitude Electromagnetic Pulse)는 고고도 핵 전자기 펄스로 EMP가 핵폭발에 의해 발생한 경우를 의미한다. HEMP의 전계는 다른 지속시간을 가지는 초기 HEMP, 중기 HEMP, 말기 HEMP 등 3개의 성분으로 복합 적인 구조를 가진다. 광범위한 전자장비에 가장 위험한 초기 HEMP를 기준으로 Bell 연구소와 IEC 61000-2-9 기준에서는 아래와 같은 식으로 정의하고 있다.
	전자기 펄스에서 대상 장비나 회로에 결합되는 결합효과를 일으키는 두 가지 경로는 무엇인가?	전자기 펄스는 대상 장비나 회로에 결합되는 결합효과를 일으키는 두 가지 경로가 있다. 첫 번째는 복사성 결합이고, 두 번째는 전도성 결합이다. 복사성 결합은 EMP 에너지가 Aperture와 slot 등 개구같이 열린 공간을 통해 유입되어 장비와 결합하는 것을 의미하고, 전도성 결합은 안테나와 회로 등 전기적 POE(Points of Entry)를 통해 EMP 에너지가 유입되어 장비와 결합하는 것을 의미한다[4],[5].

참고문헌 (9)

김영수, "EMI/EMC 기술 동향 분석", 한국과학기술정보연구원, 2003년 10월.
안규백, "우리 군 EMP 방호능력 매우 미비", 2012년 10월 5일자 News1.
임병진, 정성우, 조병두, 김기채, "HEMP 파원에 의한 무한 도체 평판 개구의 침투 전계 특성", 한국전자파학회논문지, 21(12), pp. 1454-1459, 2010년 12월.

원문보기 상세보기
Hui-cheng Xia, Shi-liao Zhang, and Jian-zho Maou, "Analyze on the EMP weapon damage to the ship electronics system", Fire Control & Command Control, vol. 35, no. 7, 2010.
Kelong Zhen, Shanwei Lv, and Yan Zhang, "Research on damage of intense electromagnetic pulse to radar receiving system", Global Symposium on Milimeter Waves (GSMM), 2012.
Military Standard - "High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) protection for ground-based C4I facilities performing critical, tine-urgent missions, Part 1 fixed facilities", MIL-STD-188-125-1, Dept. of Defense, Washington, DC. Apr. 2005.
장태헌, "HEMP 전도성 방해 펄스 전류 주입(PCI) 케이블의 영향 분석", 한국전자파학회논문지, 24(8), pp. 772-780, 2013년 8월.

원문보기 상세보기
이원길, "EMP 방호 대책과 소요 기술", 한국전자파학회지 전자파기술, 24(1), pp. 79-96, 2013년 1월.

원문보기 상세보기
Edoardo Genovese, "Real world cable modeling in CST studio suite", CST Workshop Series 2010, Feb. 2010.

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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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