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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 점점 그 위협이 증대되고 있는, 적외선 유도무기로 입사하는 항공기의 8~12μm 대역 적외선 신호의 감소를 위하여, 항공기 표면 적외선 신호 방사 및 반사를 조절하여, 궁극적으로 적외선 스텔스 성능을 갖는 표면 구조체의 설계 가이드라인을 제시하고자 한다.
- 따라서 이러한 태양·대기·지구복사 에너지가 항공기와 배경간 적외선 신호대비 값의 차이에 미치는 영향을 확인하기 위하여 TAIthermIR을 이용하여 수치해석을 진행하였다.
제안 방법
- 9를 적용하였다. 가장 중요한 항공기 표면 구조체 방사율의 경우 앞서 설정한 기본 구조를 바탕으로 방사율을 0.1에서 0.9까지 0.1 단위로 변화시키며 수치해석을 진행하였다. 구체적인 수치해석 조건은 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구는 항공기의 표면 구조체 방사율 설계를 위해서, 수치해석 프로그램을 이용한 통합분석 및 해석기법을 실제 비행환경을 고려한 적외선 신호분석에 사용하였다. 그리고 수치해석 결과를 바탕으로 항공기와 주위 배경간의 적외선 신호대비 값이 최소가 되는 표면 구조체 방사율의 가이드라인을 제시하고, 스텔스 효과를 검증하였다. 그 결과 주변 배경조건에 맞춰서 최적화된 표면 구조체의 방사율에서 평균 복사대비 감소를 통해 적외선 스텔스 효과를 극대화하고 생존성을 높일 수 있음을 확인하였다.
- 그리고 전산수치해석을 통한 대류·전도·복사 열전달 통합분석 및 해석기법을 정립하고 실제 비행환경을 적용하여 설계 가이드라인을 검증하였다.
- 이 두 종류 프로그램의 복합해석을 통해 적외선 유도무기에 입사하는 항공기 및 주위 배경의 적외선 신호 값을 획득하였다. 그리고 획득된 항공기와 배경의 적외선 신호 값을 바탕으로 표면 방사율 변화에 따른 평균복사대비(average contrast radiance)와 항공기 표면적을 고려한 CRI(contrast radiance intensity)를 산출하여, 적외선 스텔스 구조체의 성능을 검증하였다.
- 다양한 배경조건에서 표면 방사율 변화에 따른 항공기와 배경의 적외선 신호 대비 값을 알아보기 위하여, ANSYS Fluent를 통해서 비행고도 3000m, 비행마하수 Ma=1.2에서 해석한 항공기 표면 온도분포 결과를 바탕으로, 대한민국 서울의 여름철과 겨울철 맑은 날의 기상자료를 적용하여 해석을 진행하였다. 가상으로 설정한 지표면의 온도는 여름철 302K, 겨울철 278K이며, 지표 방사율은 0.
- 0을 사용하여 대류 열전달에 의한 항공기의 표면온도 변화를 계산하였다. 둘째로 TAIthermIR 10.4로 항공기 표면 방사율 구조체 조절에 따른 항공기 및 배경의 복사 및 전도 열전달에 의한 적외선 신호 값을 계산하였다. 이 두 종류 프로그램의 복합해석을 통해 적외선 유도무기에 입사하는 항공기 및 주위 배경의 적외선 신호 값을 획득하였다.
- 따라서 초창기 적외선 유도 무기는 항공기에서 발생하는 적외선 에너지 중 고온의 엔진과 그 주변부 및 배기가스(1,000K 내외)에서 발생하는 3~5μm 대역의 적외선 신호를 탐지 및 추적할 수 있도록 설계되었다.
- 먼저 항공기의 표면 절대온도를 바탕으로 한 적외선 신호 분석을 위해서 항공기 형상을 단순화시킨 후 수치해석을 위한 해석격자를 작성하였다. 격자생성프로그램은 ICEM CFD를 이용하였으며, 현재 다수의 국가에서 운용중인 Su-27을 모델링하여 185,152개의 표면격자와 5,049,687개의 체적격자를 Fig.
- 본 연구는 항공기의 표면 구조체 방사율 설계를 위해서, 수치해석 프로그램을 이용한 통합분석 및 해석기법을 실제 비행환경을 고려한 적외선 신호분석에 사용하였다. 그리고 수치해석 결과를 바탕으로 항공기와 주위 배경간의 적외선 신호대비 값이 최소가 되는 표면 구조체 방사율의 가이드라인을 제시하고, 스텔스 효과를 검증하였다.
- 4로 항공기 표면 방사율 구조체 조절에 따른 항공기 및 배경의 복사 및 전도 열전달에 의한 적외선 신호 값을 계산하였다. 이 두 종류 프로그램의 복합해석을 통해 적외선 유도무기에 입사하는 항공기 및 주위 배경의 적외선 신호 값을 획득하였다. 그리고 획득된 항공기와 배경의 적외선 신호 값을 바탕으로 표면 방사율 변화에 따른 평균복사대비(average contrast radiance)와 항공기 표면적을 고려한 CRI(contrast radiance intensity)를 산출하여, 적외선 스텔스 구조체의 성능을 검증하였다.
- 따라서 본 논문에서는 점점 그 위협이 증대되고 있는, 적외선 유도무기로 입사하는 항공기의 8~12μm 대역 적외선 신호의 감소를 위하여, 항공기 표면 적외선 신호 방사 및 반사를 조절하여, 궁극적으로 적외선 스텔스 성능을 갖는 표면 구조체의 설계 가이드라인을 제시하고자 한다. 이를 위해 항공기의 표면 구조 특성 중 방사율(emissivity)을 제어하여 항공기와 주위 배경과의 적외선 신호대비 값을 줄이고, 항공기의 적외선 스텔스 효과를 높이고자 하였다. 그리고 전산수치해석을 통한 대류·전도·복사 열전달 통합분석 및 해석기법을 정립하고 실제 비행환경을 적용하여 설계 가이드라인을 검증하였다.
- 1과 같이 진행하였다. 첫째로 ANSYS Fluent 15.0을 사용하여 대류 열전달에 의한 항공기의 표면온도 변화를 계산하였다. 둘째로 TAIthermIR 10.
- 앞서 살펴봤듯이, 항공기 표면으로부터 적외선 유도무기로 입사되는 적외선 신호는 항공기 표면의 방사율과 반사율의 합으로 표현될 수 있다. 표면 방사율은 표면상태(광택, 거칠기, 산화 등)에 따라서 그 값이 달라지며, 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 항공기 표면을 완전확산체(perfect diffuse reflection)인 회체(graybody)로 설정하였다. 방사율은 0.
대상 데이터
- 2에서 해석한 항공기 표면 온도분포 결과를 바탕으로, 대한민국 서울의 여름철과 겨울철 맑은 날의 기상자료를 적용하여 해석을 진행하였다. 가상으로 설정한 지표면의 온도는 여름철 302K, 겨울철 278K이며, 지표 방사율은 0.9를 적용하였다. 가장 중요한 항공기 표면 구조체 방사율의 경우 앞서 설정한 기본 구조를 바탕으로 방사율을 0.
- 먼저 항공기의 표면 절대온도를 바탕으로 한 적외선 신호 분석을 위해서 항공기 형상을 단순화시킨 후 수치해석을 위한 해석격자를 작성하였다. 격자생성프로그램은 ICEM CFD를 이용하였으며, 현재 다수의 국가에서 운용중인 Su-27을 모델링하여 185,152개의 표면격자와 5,049,687개의 체적격자를 Fig. 4와 같이 생성하였다. ANSYS Fluent와 TAIthermIR의 복합해석을 통한 항공기 표면 온도분포 결과는 Fig.
이론/모형
- 표면 방사율 제어 구조체 설정 및 이에 따른 항공기 스텔스 효과 검증을 위해 두 가지 수치해석 프로그램을 사용하였다(Kim et al., 2014). 전체적인 해석과정은 Fig.
성능/효과
- 1) Look Up 상황에서는 배경이 하늘이며, 항공기에 입사되는 지구복사에너지의 영향을 크게 받는다. 여름철에 비해 겨울철이 방사율에 따른 평균복사대비 변화가 크며, 이는 상대적으로 항공기 자체에 비해 주위 배경의 적외선 신호 값이 작기 때문이다.
- 2) Level 상황에서는 배경이 하늘이며, 항공기에 입사되는 태양·대기·지구복사에너지의 영향이 복합적으로 나타난다.
- 3) Look Down 상황에서는 배경이 지표면이며, 항공기에 입사되는 태양, 대기복사에너지의 영향을 주로 받는다. 겨울철은 항공기의 공력가열에 의한 자체 적외선 신호에 비해 지표면의 적외선 신호가 작기 때문에 어느 특정 항공기 표면 방사율에서 항공기와 지표면과의 평균복사 대비가 0에 가깝게 된다.
- 4) 항공기 아랫면의 경우 평균복사대비가 방사율 0.1이 0.9보다 겨울철에 31.9% 감소하며, 정면의 경우에는 39.6%(여름철), 56.3%(겨울철) 감소하였다. 따라서 적외선 스텔스 효과를 높이기 위해서 항공기 아랫면과 정면은 표면 방사율을 0.
- 5) 항공기 윗면의 경우 여름철에는 표면 방사율이 0.9가 0.1보다 80.4% 평균복사대비가 감소한다. 그러나 겨울철의 경우에는 0.
- 6) 동일한 비행조건이라도 계절에 따라 태양·대기·지구복사 에너지의 영향으로 다른 적외선 radiance를 가지며, 이로 인해 배경과의 평균복사대비가 크게 달라진다.
- 그리고 수치해석 결과를 바탕으로 항공기와 주위 배경간의 적외선 신호대비 값이 최소가 되는 표면 구조체 방사율의 가이드라인을 제시하고, 스텔스 효과를 검증하였다. 그 결과 주변 배경조건에 맞춰서 최적화된 표면 구조체의 방사율에서 평균 복사대비 감소를 통해 적외선 스텔스 효과를 극대화하고 생존성을 높일 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 향후에는 다양한 주위 배경에 따라서 실시간으로 항공기 표면 방사율을 가변적으로 조절할 수 있는 구조체의 설계연구가 수행될 필요가 있다.
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