함정 RCS 기준치 및 설계 목표치 설정을 위한 절차 연구 A Study on the Setting Procedure of Standard Value and Design Target Value for the RCS Reduced Design for Naval Ships원문보기
본 논문에서는 함정의 RCS(Radar Cross Section) 기준치 설정은 함정의 생존성, 기술적 건조 가능성, 운용성 등 여러가지 측면이 고려되어 결정될 수 있다. 본 연구는 수상함의 RCS 기준치 및 설계 목표치를 설정하기 위하여 수상함에 위협이 되는 대함유도탄, 연안레이다, 항공기 등의 기본 성능을 조사하고, 조사결과를 토대로 현재의 국내 기술수준에서 가능한 RCS 목표치/기준치 설정을 위한 절차를 제시하였다. RCS 기준은 가급적 낮게 설정하는 것이 생존성 측면에서 좋겠지만, 함정의 고유 기능에 대한 영향, 기술적인 한계, 비용 등을 감안하지 않을 수 없기 때문에, 이 연구에서는 구체적인 숫자의 제시보다는 기준에 필요한 요소를 분석하고, 생존성을 보장할 수 있는 RCS 범위를 제시함으로써 기준치 설정 절차를 제시하였다.
본 논문에서는 함정의 RCS(Radar Cross Section) 기준치 설정은 함정의 생존성, 기술적 건조 가능성, 운용성 등 여러가지 측면이 고려되어 결정될 수 있다. 본 연구는 수상함의 RCS 기준치 및 설계 목표치를 설정하기 위하여 수상함에 위협이 되는 대함유도탄, 연안레이다, 항공기 등의 기본 성능을 조사하고, 조사결과를 토대로 현재의 국내 기술수준에서 가능한 RCS 목표치/기준치 설정을 위한 절차를 제시하였다. RCS 기준은 가급적 낮게 설정하는 것이 생존성 측면에서 좋겠지만, 함정의 고유 기능에 대한 영향, 기술적인 한계, 비용 등을 감안하지 않을 수 없기 때문에, 이 연구에서는 구체적인 숫자의 제시보다는 기준에 필요한 요소를 분석하고, 생존성을 보장할 수 있는 RCS 범위를 제시함으로써 기준치 설정 절차를 제시하였다.
In this paper, we researched that setting standard for RSC(Radar Cross Section) of naval surface ship could be determined and considered in various ways on ship's survivability, technical building feasibility, operation and so on. This study presented fundamental capacity on anti-ship missile, radar...
In this paper, we researched that setting standard for RSC(Radar Cross Section) of naval surface ship could be determined and considered in various ways on ship's survivability, technical building feasibility, operation and so on. This study presented fundamental capacity on anti-ship missile, radar, flight and so no and the procedure to set of target/standards for RSC. The RCS standards is good at setting low as low as to improve survivability aspect, but because we should consider effect, technical limit, cost etc, this paper analyzed necessary elements to set standard than to suggest specific number and suggested procedure to set standars according to suggest the boundary of RCS.
In this paper, we researched that setting standard for RSC(Radar Cross Section) of naval surface ship could be determined and considered in various ways on ship's survivability, technical building feasibility, operation and so on. This study presented fundamental capacity on anti-ship missile, radar, flight and so no and the procedure to set of target/standards for RSC. The RCS standards is good at setting low as low as to improve survivability aspect, but because we should consider effect, technical limit, cost etc, this paper analyzed necessary elements to set standard than to suggest specific number and suggested procedure to set standars according to suggest the boundary of RCS.
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문제 정의
이를 위해 표준화/정형화된 절차에 의해 기준치 및 설계 목표치 설정을 해야 하나, 현재는 체계적인 절차가 미 구축되어 있는 상황이다[1]. 따라서 본 논문에서는 함정 RCS 신호의 기준치 및 설계 목표치 설정을 위한 다양한 고려요소를 분석하고, 생존성을 최적으로 보장할 수 있는 RCS 범위를 제시함으로써 기준치 및 설계 목표치 설정을 위한 절차를 제시하였다.
본 연구는 함정의 생존성 관점에서 향후 건조될 신형 함정의 RCS 기준치/목표치 설정에 필요한 고려요소들을 분석하였다. RCS 기준에 영향을 미치는 요소로서 함정에서 운용될 기만기 RCS 대비 함정의 RCS를 검토하였으며, 사거리가 늘어나고 지능화되고 있는 대함유도탄에 대한 생존성을 높일 수 있도록 장거리 해상감시 레이더에 대한 피탐 거리를 분석하였다.
RCS 기준에 영향을 미치는 요소로서 함정에서 운용될 기만기 RCS 대비 함정의 RCS를 검토하였으며, 사거리가 늘어나고 지능화되고 있는 대함유도탄에 대한 생존성을 높일 수 있도록 장거리 해상감시 레이더에 대한 피탐 거리를 분석하였다. 이와 함께 국내 실적함의 건조현황을 검토하여 RCS 추가 감소 가능성을 확인해 보았다.
제안 방법
본 연구는 함정의 생존성 관점에서 향후 건조될 신형 함정의 RCS 기준치/목표치 설정에 필요한 고려요소들을 분석하였다. RCS 기준에 영향을 미치는 요소로서 함정에서 운용될 기만기 RCS 대비 함정의 RCS를 검토하였으며, 사거리가 늘어나고 지능화되고 있는 대함유도탄에 대한 생존성을 높일 수 있도록 장거리 해상감시 레이더에 대한 피탐 거리를 분석하였다. 이와 함께 국내 실적함의 건조현황을 검토하여 RCS 추가 감소 가능성을 확인해 보았다.
성능/효과
한편, 수상함의 RCS 수준이 증가할수록 피탐 거리가 증가하는 경향을 보이지만, 일반적으로 위협들의 운용거리 범위가 피탐거리 범위보다 작기 때문에, 피탐거리 측면에서의 수상함 RCS 감소 설계 노력은 큰 의미가 없을 것으로 판단된다. 다만, 수상함의 RCS 수준을 낮출수록 피탐 확률이 작아져 본 함의 작전효율이 향상되는 효과가 있을 것으로 판단된다.
상기 명시된 탑재장비는 설계 시에 함정 내부에 배치되어 외부 노출되지 않는다면 RCS 감소에 상당한 기여가 예상되므로, 향후 설계에서 내부배치가 반드시 고려되어야 하는 장비들이다. 또한, Type-26의 RCS 분석 과정에서 현재까지 국내의 함정 설계에서 고려하지 않았던 근접방어무기체계와 같은 장비의 RCS가 함정 RCS에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것이 부각되었다. 지금까지 국내 실적함의 RCS가 30 dBsm을 초과하였기 때문에, 레이돔 구조로 제작된 Phalanx와 같은 탑재장비를 모두 금속구조물로 모델링하여도 문제가 없었으나, 30 dBsm 미만 RCS 함정은 이러한 장비의 모델 충실도에 큰 영향을 받을 수 있다.
본 모델을 이용한 기만체계 효과도는 수상함과 수동식 기만체계의 RCS가 동일할 때 기만(decoy effectiveness) 확률이 50 %이고, 기만 확률이 90 % 이상이 되려면 “8 dB” 이상 차이가 나야 한다.
표 1은 국내 실적함들의 설계 및 건조 당시 고려한 주요 위협별 위협주파수 대역과 위협고각이고, 표 2는 최근 통합생존성 측면에서 선정된 대함미사일들의 성능을 나타낸 표이다. 이들 위협들이 장착하고 있는 레이다 센서 특성을 고려하면 위협주파수는 4～18 GHz, 위협고각은 0～10도로 선정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
예를 들어 레이다의 높이가 10 m이고, 해상상태가 3인 경우에 함정의 RCS는 자유공간의 RCS 대비 약 6 dB 증가 함을 알 수 있다. 해면 밀착형 대함유도탄의 고도가 10 m 내외임을 감안하면, CAD 모델을 이용한 함정의 RCS 예측을 수행한 결과, 고려 함정의 RCS는 자유공간의 RCS에 비하여 약 6 dB 증가한다고 가정할 수 있다.
해수면에 의한 함정의 RCS 증가를 고려하여야 하는 이유는 기만기의 운용고도와 함정의 운용고도가 차이가 나기 때문에, 해수면에 의한 RCS 증가는 주로 함정에만 나타날 가능성이 높기 때문이다. 해수면에 의한 함정 RCS 증가를 분석하기 위하여 CAD 모델을 이용한 함정의 RCS 예측을 수행한 결과, 해상상태가 높아지면 RCS 증가량은 감소하나, 레이다의 고도가 낮은 경우에는 해수면 효과가 해상상태에 영향을 적게 받는 것으로 분석되었다. 레이다의 고도는 10, 50, 100, 200, 500 m이며, 해수면 다중반사는 자유공간과 해상상태 0～5에 대하여 고려되었다.
후속연구
현재까지 국내 실적함의 RCS 목표치/기준치 설정은 주로 함정의 건조 및 기능 구현 가능성을 비중 있게 고려하였기 때문에, 스텔스 성능의 목표인 생존성 측면이 비중 있게 고려되지 못하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 접근방법은 앞으로 함정 RCS 기준을 설정함에 있어서 고려하여야할 주요 요소로 활용될 수 있으며, 향후 건조할 구축함의 기준치 설정에서 유용할 것으로 예상된다.
현재 건조되고 있는 대부분의 해외 전투함정은 대부분의 탑재장비를 해면 밀착형 대함유도탄에 노출이 되지 않도록 은폐하고 있다. 따라서 향후 국내에서 건조될 함정은 이러한 설계추세에 걸맞게 갑판에 설치되는 구조물을 제거하여 선체의 스텔스 형상설계가 함정의 RCS 감소효과에 그대로 나타나도록 탑재장비를 내부에 배치하여야 한다. 특히, DDG-1000과 같이 극단적인 RCS 감소를 위하여 모든 탑재 센서와 무장을 개발하지 않더라도 탑재장비를 내부로 이동하거나 은폐하는 설계만이라도 적용되면, 국내 건조함정의 RCS를 상당히 감소할 수 있다고 판단된다.
지금까지 국내 실적함의 RCS가 30 dBsm을 초과하였기 때문에, 레이돔 구조로 제작된 Phalanx와 같은 탑재장비를 모두 금속구조물로 모델링하여도 문제가 없었으나, 30 dBsm 미만 RCS 함정은 이러한 장비의 모델 충실도에 큰 영향을 받을 수 있다. 따라서 향후 함정 설계에서 RCS 측정 및 예측 등을 통한 다양한 방법으로 비금속 탑재장비의 RCS 분석이 필요한 것으로 판단된다.
상기 명시된 탑재장비는 설계 시에 함정 내부에 배치되어 외부 노출되지 않는다면 RCS 감소에 상당한 기여가 예상되므로, 향후 설계에서 내부배치가 반드시 고려되어야 하는 장비들이다. 또한, Type-26의 RCS 분석 과정에서 현재까지 국내의 함정 설계에서 고려하지 않았던 근접방어무기체계와 같은 장비의 RCS가 함정 RCS에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것이 부각되었다.
반대로 수상함의 RCS 수준이 높아질수록 대공전 체계효과도는 점차 감소하나, 일정 수준 이상에서는 더 이상 체계효과도가 감소하지 않는다. 즉, 특정 개별요소의 효과도 개선을 통한 전체 체계효과도의 향상에는 한계가 있으며, 본함 전체의 체계구성 및 신호수준(RCS, IR, URN, EO/V 등) 균형 설계가 반드시 필요하다.
하지만, 함정의 RCS 목표치/기준치는 본 연구에서 제시된 항목에 대한 검토 외에도, 기술적인 실현 가능성, 비용 등이 고려되어 설정되어야 한다. 현재까지 국내 실적함의 RCS 목표치/기준치 설정은 주로 함정의 건조 및 기능 구현 가능성을 비중 있게 고려하였기 때문에, 스텔스 성능의 목표인 생존성 측면이 비중 있게 고려되지 못하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반저긍로 수상함 RCS 측면에서 고려하고 있는 위협으로 무엇이 있는가?
일반적으로 수상함 RCS 측면에서 고려하고 있는 위협으로 연안 레이다, 항공기, 대함미사일 등이 있으며, 최근 연안 작전의 중요성이 대두되면서 연안레이다가 위협적인 세력으로 새롭게 대두되고 있는 추세이다. 따라서, 이들 위협이 장착하고 운용하는 레이다 센서의 주파수 대역과 위협방향(고각, 방위각)에 대한 분석이 선행되어야 한다.
Cardinal point는 무엇인가?
그림 1은 전형적인 수상함 RCS 패턴을 보인 것이다. 방위각에 따라 RCS 값이 크게 변화하며, 수상함 주선체, 상부 구조물 등 주요 형상 특성에 의해 함수미 좌우현에서 매우 강한 RCS 피크값이 발생하는 것이 특징이다. 이를 Cardinal point라 부르며, 이러한 특징을 고려하여 기준 설정과 평가시 일반적으로 적용하는 Cardinal point(전방위각의 10 %)를 제외한 전방위구간을 고려하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
함정의 RCS 신호는 무엇에 따라 크게 좌우되는가?
특히 개념설계 단계에서는 설계 대상함의 임무를 고려한 스텔스 성능 신호관리 수준이 파악되어야 하며, 그에 따른 기술수준, 비용 등을 고려해 적정수준의 기준설정이 이루어져야 한다. 함정의 RCS 신호는 함정의 외형에 따라 크게 좌우되므로, 개념설계 단계에서부터 신호관리 수준이 검토되어야 하며, 그 결과에 따라 적절한 기준치와 설계 목표치가 제시되어야 한다는 것이다. 이를 위해 표준화/정형화된 절차에 의해 기준치 및 설계 목표치 설정을 해야 하나, 현재는 체계적인 절차가 미 구축되어 있는 상황이다[1].
Kookhyun Kim, Jin-Hyeong Kim, Tae-Muk Choi, and Dae-Seung Cho, "Development of radar cross section analysis system of naval ships", International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, vol. 4, no. 1, pp. 20-32, Mar. 2012.
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