전장에서 임무를 수행하는 항공기의 생존성이 위협을 받음에 따라 항공기의 생존성을 향상시키기 위한 연구의 필요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 항공기 PlumeIR 신호에 관련된 무인전투기의 생존성을 분석하였다. 항공기의 생존성을 분석하기 위해 먼저 항공기의 IR 탐지거리인 Lock-on Range와 미사일 격추 범위인 Lethal Envelope 개념을 도입하였다. 또한 수직면 기준 분석을 포함하는 지대공 미사일에 대한 Lethal Envelope를 계산하는 기법을 개발하였다. 계산결과 무인전투기의 Red Zone이 고도 위 방향과 아래 방향의 특성 뿐만 아니라 정량적인 Zone 사이즈에서 상당한 차이가 생김을 확인하였다.
전장에서 임무를 수행하는 항공기의 생존성이 위협을 받음에 따라 항공기의 생존성을 향상시키기 위한 연구의 필요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 항공기 Plume IR 신호에 관련된 무인전투기의 생존성을 분석하였다. 항공기의 생존성을 분석하기 위해 먼저 항공기의 IR 탐지거리인 Lock-on Range와 미사일 격추 범위인 Lethal Envelope 개념을 도입하였다. 또한 수직면 기준 분석을 포함하는 지대공 미사일에 대한 Lethal Envelope를 계산하는 기법을 개발하였다. 계산결과 무인전투기의 Red Zone이 고도 위 방향과 아래 방향의 특성 뿐만 아니라 정량적인 Zone 사이즈에서 상당한 차이가 생김을 확인하였다.
As the survivability of an aircraft in the battlefield becomes a critical issue, there is a growing need to improve the survivability of the aircraft. In this study, the survivability of an UCAV associated with plume IR signature was investigated. In order to analyze the survivability of the aircraf...
As the survivability of an aircraft in the battlefield becomes a critical issue, there is a growing need to improve the survivability of the aircraft. In this study, the survivability of an UCAV associated with plume IR signature was investigated. In order to analyze the survivability of the aircraft, the lock-on range and the lethal envelope, defined as the IR detection distance of the aircraft and the range of shooting down by the missile, respectively, were first introduced. Further, a method to calculate the lethal envelope for the scenario of surface-to-air missiles including the vertical plane was developed. The study confirmed that the red zone of an UCAV shows a substantial difference in the zone size as well as the characteristics in the upward and downward directions.
As the survivability of an aircraft in the battlefield becomes a critical issue, there is a growing need to improve the survivability of the aircraft. In this study, the survivability of an UCAV associated with plume IR signature was investigated. In order to analyze the survivability of the aircraft, the lock-on range and the lethal envelope, defined as the IR detection distance of the aircraft and the range of shooting down by the missile, respectively, were first introduced. Further, a method to calculate the lethal envelope for the scenario of surface-to-air missiles including the vertical plane was developed. The study confirmed that the red zone of an UCAV shows a substantial difference in the zone size as well as the characteristics in the upward and downward directions.
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문제 정의
본 연구에서는 Lock-on Range 및 Lethal Envelope, Red Zone 계산 시 IR 신호의 등방성및 이방성, 중력의 적용 및 미적용 경우를 모두 고려하여 공대공 및 지대공 미사일에 대한 항공기의 생존성을 분석하고자 하였다. 그리고 항공기의 Plume IR 신호를 그 중요성을 고려하여 우선적으로 고려하였다.
본 연구에서는 기존의 공대공 미사일 시나리오 이외에 항공기와 미사일이 수평면이 아닌 다른 고도에서 수직면상에 있다고 가정한 지대공 미사일 시나리오를 중점적으로 고려하여 항공기의 생존성을 분석하였다. 즉 미사일의 영향권 범위인 Lethal Envelope에 대하여 기존에 사용된 공대공 시나리오 Lethal Envelope뿐만 아니라 항공기와 미사일이 서로 다른 고도에 위치한다고 가정한 지대공 미사일 시나리오 Lethal Envelope 를 적용하였다.
본 연구에서는 지대공 적외선 추적 미사일에 대한 항공기의 생존성을 계산하기 위해 항공기의 IR 신호를 바탕으로 IR 신호 탐지가능 거리인 Lock-on Range와 미사일 격추가능 범위인 Lethal Envelope을 계산하였다.
하지만 기존의 Lethal Envelope은 미사일의 속도가 일정하다고 가정하여 항공기와 미사일이 같은 수평면에 위치하는 공대공 미사일 시나리오에 대해서 유효하다. 본연구에서는 미사일의 속도에 중력장의 영향을 추가하여 지대공 미사일시나리오에 대해 항공기의 생존성을 예측할 수 있도록 하였다.
가설 설정
4) 미사일이 대상 항공기를 타격 할 때까지 위 과정을 반복한다.
또한 이전연구[3]에 따르면 항공기 전방 약0-30°, 330-0° 관측각도에서 배기 Plume이 관측되지 않아 본 연구에서는 그 값을 0으로 가정하였다.
Figure 8은 관측 각도 및 관측 거리에 따른 대기투과율의 경향성을 나타낸다. 무인전투기의 순항고도가 36,000ft라는 가정 하에 그 고도에서의 대기투과율을 계산하였다. 관측자-무인전투기-지면 사이의 각도인 관측 각도를 0°부터 180°까지 10°간격으로 계산하였다.
4의 (a)와 같이 측면 관측 시 Plume은 원기둥처럼 퍼지는 형상을 보이고 (b)와 같이 정 후방에서 관측 시둥근 원의 형상으로 보인다. 분석에 고려된 비행체의 운행 조건 고도 11km에서 마하수 0.8로 수평비행 중이고 추진기관 노즐의 직경이 0.4818 m인 무인전투기 가정하였다.
이 때 미사일 및 대상 항공기의 속력은 일정하고, 미사일은 공대공 미사일이며 대상항공기와 같은 고도인 수평면상에 있다고 가정할 수 있다. 대상 항공기와 미사일 사이의 최대 Lethal Range 는 직선상에서 서로 반대방향으로 진행할 때 최대가 되며, 이 때 최대 Lethal Range는 다음과 같이 표현된다.
이전연구에서는 항공기 정 후방에서의 Plume 관측 면적을 기준으로 Lock-on Range를 계산하고 모든 각도에서 그 값이 동일하다고 가정하였다. 하지만 관측 가능한 항공기 Plume의 면적은 방위각 및 고도각 방향에 따라 다르기 때문에 관측 방향에 따른 IR 신호의 값이 다르다.
고도각에서의 Lock-on Range 계산은 일반적으로 항공기와 IR 탐지기가 위치한 고도에 따라 큰 차이가 발생한다. 하지만 고도에 따른 대기투과율 차이를 비교 하기 위하여, Fig. 7에서는 모든 각도에서 대기투과율이 동일하다는 가정하에 우선적으로 계산을 진행하였다. 축대칭 형상이므로 방위각에서의 경우와 유사함을 확인할 수 있다.
하지만 이전연구에서는 Lethal Envelope 계산시 항공기와 미사일이 같은 수평면상에서 위치하고 등속으로 비행한다고 가정하였다. 이러한 경우에서는 주로 공대공 미사일 시나리오에 대해서만 항공기의 생존성을 예측할 수 있다.
제안 방법
1) 최초 대상 항공기 및 미사일의 위치를 계산한 후 각 위치를 기준으로 미사일과 항공기 사이의 거리 및 각도를 계산한다.
그러므로 Lethal Envelope은 IR 신호와 직접적인 계산 관계는 없으나, IR 신호와 직접적인 계산 관계에 있는 Lock-on Range와 함께 항공기의 생존성을 분석에 활용된다. Lock-on Range와 함께 항공기의 생존성을 판단하기 위해 Lethal Envelope을 계산하였다. 중력장 효과 무시 기존 Lethal Envelope 의 알고리즘은 Fig.
관측자-무인전투기-지면 사이의 각도인 관측 각도를 0°부터 180°까지 10°간격으로 계산하였다.
관측자-무인전투기-지면 사이의 각도인 관측 각도를 0°부터 180°까지 10°간격으로 계산하였다. 관측자가 무인전투 기로부터 1km, 5km, 10km 거리에서 관측하는세 가지 경우의 대기 투과율을 계산하였으며 각각 실선, 점선, 굵은 점선 순으로 나타내었다. 항공기의 정후방 0도를 기준으로 관측 각도가 저고도 일수록 대기의 밀도가 높아지기 때문에 대기투과율이 낮아짐을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 Lock-on Range 및 Lethal Envelope, Red Zone 계산 시 IR 신호의 등방성및 이방성, 중력의 적용 및 미적용 경우를 모두 고려하여 공대공 및 지대공 미사일에 대한 항공기의 생존성을 분석하고자 하였다. 그리고 항공기의 Plume IR 신호를 그 중요성을 고려하여 우선적으로 고려하였다. 향후 추진노즐 내부 등 항공기 고체 고온부에 의한 표면 IR 신호를 추가적 으로 감안한 전체 IR 신호에 기초한 항공기 생존성 분석 연구로 확장할 계획이다.
기존에 사용되었던 등방성 IR 신호를 이용한 Lock-on Range와 함께 관측각도와 고도에 따라 이방성 IR 신호를 이용하여 Lock-on Range를 계산하였다. 관측 각도에 따라서 관측되는 Plume의 면적에 차이가 있기 때문에, 동일한 관측거리에서도 서로 다른 Lock-on Range를 보인다.
기존의 Lethal Envelope에서 고려되지 않는 중력장 효과를 고려하여 지대공 미사일에 대한 적용이 가능하도록 신규 Lethal Envelope 해석코드를 개발하였다. 그 결과로 Lethal Envelope에서 중력을 고려하였을 때 기존의 격추가능 범위에 비해 위 방향에서는 더 먼 거리에서 격추가 가능하였고, 아래 방향에서는 격추가능 거리가 감소하였다.
10에서 알 수 있다. 기존의 코드에서 (1)번과 (2)번 점선박스 내용을 추가하였고, (3)번 점선박스부분은 기존 방식에서 일부 수정하였다. 중력을 고려한 알고리즘은 기존의 알고리즘에 비해 미사일의 속도 정의방식에 큰 차이가 있다.
이 기법은 복잡한 상미분 방정식 시스템에 기초한 삼차원 동역학적 분석이 아닌 간단한 미사일 유도논리에 기초한 기법으로 분석이 매우 효율적이다. 나아가 항공기의 IR 신호 탐지거리인 Lock-on Range에 대해 IR 신호가 등방성인 경우와 고도각 및 방위각에 따라 이방성인 경우를 동시에 고려하였다. 추가적으로 Lock-on Range와 Lethal Envelope을 함께 고려하여 지대공 및 공대공 시나리오에 대한 Red Zone의 차이를 분석하였다.
이는 중력과 같은 방향으로 미사일이 움직일 때 미사일이 가속되고, 중력과 반대방 향으로 미사일이 움직일 때 미사일이 감속되기 때문이다. 또한 Lock-on Range와 Lethal Envelope 을 동시에 고려하여 항공기의 생존성을 예측하는 Red Zone을 계산하였다. 그리고 등방성 Lock-on Range와 기존의 Lethal Envelope을 이용한 Red Zone과 이방성 Lock-on Range와 중력장을 고려한 Lethal Envelope을 이용하여 계산한 Red Zone의 면적과 형태에 큰 차이가 있는 것을 확인하였다.
관측 각도에 따라서 관측되는 Plume의 면적에 차이가 있기 때문에, 동일한 관측거리에서도 서로 다른 Lock-on Range를 보인다. 또한 대기투과율을 고려하여 Lock-on Range를 계산하였다. 대기투과율이 고려되지 않은 고도각 Lock-on Range에서는 항공기를 기준으로 고고도와 저고도에서 Lock-on Range가 동일하였다.
또한 본 연구에서는 지대공 미사일 시나리오의 경우 항공기의 IR 신호 중 Plume IR 신호가 전체 IR 신호에서 가장 큰 부분을 차지하기 때문에 Plume IR 신호 위주로 계산을 수행하였으며, 고체표면 IR에 대한 추가적인 계산은 진행하지 않았다. 뿐만 아니라, 저온의 고체 Surface IR에비해 배경의 영향이 미미한 Plume IR의 특성을 감안하여, 적외선 신호 대비 수준 Ic를 계산할 때 배경 효과를 무시하였다.
또한 본 연구에서는 지대공 미사일 시나리오의 경우 항공기의 IR 신호 중 Plume IR 신호가 전체 IR 신호에서 가장 큰 부분을 차지하기 때문에 Plume IR 신호 위주로 계산을 수행하였으며, 고체표면 IR에 대한 추가적인 계산은 진행하지 않았다. 뿐만 아니라, 저온의 고체 Surface IR에비해 배경의 영향이 미미한 Plume IR의 특성을 감안하여, 적외선 신호 대비 수준 Ic를 계산할 때 배경 효과를 무시하였다. Fig.
이러한 이유로 본 논문에서는 3~5μm 밴드에서의 Plume IR 위주로 항공기 생존성을 분석하였다.
본 연구에서는 기존의 공대공 미사일 시나리오 이외에 항공기와 미사일이 수평면이 아닌 다른 고도에서 수직면상에 있다고 가정한 지대공 미사일 시나리오를 중점적으로 고려하여 항공기의 생존성을 분석하였다. 즉 미사일의 영향권 범위인 Lethal Envelope에 대하여 기존에 사용된 공대공 시나리오 Lethal Envelope뿐만 아니라 항공기와 미사일이 서로 다른 고도에 위치한다고 가정한 지대공 미사일 시나리오 Lethal Envelope 를 적용하였다. 이 기법은 복잡한 상미분 방정식 시스템에 기초한 삼차원 동역학적 분석이 아닌 간단한 미사일 유도논리에 기초한 기법으로 분석이 매우 효율적이다.
나아가 항공기의 IR 신호 탐지거리인 Lock-on Range에 대해 IR 신호가 등방성인 경우와 고도각 및 방위각에 따라 이방성인 경우를 동시에 고려하였다. 추가적으로 Lock-on Range와 Lethal Envelope을 함께 고려하여 지대공 및 공대공 시나리오에 대한 Red Zone의 차이를 분석하였다.
매질은 일반적으로 비균질이기 때문에 l의 기능은 계속된다. 플룸 IR 신호 해석 수행 시 각각의 지점에 온도, 압력, 혼합물의 물질에 따른 분압을 도출하여 Spectral Intensity의 계산을 수행하였다[13].
이론/모형
IR 탐지기의 특성값인 S/N 및 NEI는 Sonawane의 연구[15]를 참조하여 10, 2.5 × 10 W /m2 /Sr으로 설정하였다.
대기 영향성 계수 값인 ηa은 거리에 따라 영향을 받게 되어, IR 신호 탐지거리 RLo값 대수방정식 (3)을 반복기법을 이용하여 계산한다.
항공기의 생존성을 분석하기 위해서는 우선 IR 신호에 대한 계산이 진행되어야 한다. 본 연구에서는 이전연구[13,14]에서 사용된 근사기법 Narrow-Band 모델을 이용하여 Plume IR 신호를 계산하였다. 이 기법은 파장구간에서의 복사 물성치를 평균하여 나타내는 방법으로 많은 계산 시간이 요구되는 Line-by-Line Band 모델보다 효율적인 계산이 가능하다.
하지만 고도각 계산에서는 고도에 따른 대기의 밀도 차이에 의하여 대기투과율에 큰 차이가 있다. 이를 감안하기 위해, 본 연구에서는 대기전파 분석모델인 LOWTRAN 7[16]을 이용하여 관측 각도와 거리에 따라 대기효과를 산출하였다.
성능/효과
Figure 9는 대기효과를 적용한 고도각 Lock-on Range를 나타낸다. 고도에 따른 대기효과 변화를 무시한 기존의 Fig. 7에 비하여 저고도에서 관측시 탐지거리가 매우 짧아진 것을 확인할 수 있다. 이는 저고도에서 대기의 밀도가 높아지기 때문에 IR 신호가 대기 중에 많이 흡수되어 탐지거리가 줄어들기 때문이다.
기존의 Lethal Envelope에서 고려되지 않는 중력장 효과를 고려하여 지대공 미사일에 대한 적용이 가능하도록 신규 Lethal Envelope 해석코드를 개발하였다. 그 결과로 Lethal Envelope에서 중력을 고려하였을 때 기존의 격추가능 범위에 비해 위 방향에서는 더 먼 거리에서 격추가 가능하였고, 아래 방향에서는 격추가능 거리가 감소하였다. 이는 중력과 같은 방향으로 미사일이 움직일 때 미사일이 가속되고, 중력과 반대방 향으로 미사일이 움직일 때 미사일이 감속되기 때문이다.
이는 저고도에서 대기의 밀도가 높아지기 때문에 IR 신호가 대기 중에 많이 흡수되어 탐지거리가 줄어들기 때문이다. 그리고 고고도에서 관측거리가 30km이상이 되면 대기투과율이 거의 1에 수렴을 하여, 대기가 IR 신호 흡수에 큰 기여를 하지 않는 것을 확인하였다. 이로 인해 관측 각도 40° 이상에서부터 Lock-on Range가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.
또한 Lock-on Range와 Lethal Envelope 을 동시에 고려하여 항공기의 생존성을 예측하는 Red Zone을 계산하였다. 그리고 등방성 Lock-on Range와 기존의 Lethal Envelope을 이용한 Red Zone과 이방성 Lock-on Range와 중력장을 고려한 Lethal Envelope을 이용하여 계산한 Red Zone의 면적과 형태에 큰 차이가 있는 것을 확인하였다.
45% 차이가 났다. 이상의 분석으로부터 항공기를 기준으로 좌우가 대칭이고 동일한 Red Zone 범위를 지니는 공대공 미사일과 달리, 지대공 미사일의 경우 항공기를 기준으로 위 방향과 아래 방향에서 형태뿐만 아니라 정량적인 면적에서 큰 차이를 보임을 알 수 있다.
이로 인해 Lock-on Range의 계산 시 직접적 영향을 미치게 되어 등방성 IR 신호를 이용한 Lock-on Range의 형상과 확연히 다르게 된다. 정 후방에서 관측되는 Plume의 면적에 비해 항공기의 측면 90도 방향에서 관측되는 Plume의 면적이 더 큼으로 측면 방향에서 Lock-on Range가 더 크게 나타났다.
후속연구
그리고 항공기의 Plume IR 신호를 그 중요성을 고려하여 우선적으로 고려하였다. 향후 추진노즐 내부 등 항공기 고체 고온부에 의한 표면 IR 신호를 추가적 으로 감안한 전체 IR 신호에 기초한 항공기 생존성 분석 연구로 확장할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Ball이 정의한 항공기의 생존성에 영향을 미치는 세가지 요소는?
Ball[9]은 항공기의 생존성에 영향을 미치는 주된 세 가지 요소를 ‘적의 위협, 항공기의 성능, 전장의 상황‘으로 정의하였다. 중요 요소 중 하나인 적의 위협이 IR 유도 미사일인 경우, 미사일의 속도와 연료소모거리, 폭발 반경, IR 탐지기의 성능이 생존성 분석에 주요한 인자가 된다.
IR 신호의 종류는?
항공기로부터 발생되는 IR 신호는 크게 두 가지로 구분된다. 하나는 엔진의 배기가스로부터 방출되는 Plume IR 신호이고, 다른 하나는 비행체의 고체표면에서 방출되는 Surface IR 신호이다. 약 800 K 부근의 고온 영역인 Plume IR 신호는 주로 3~5μm 밴드에서 높은 수준의 신호를 방출하고, 약 400 K 부근의 저온 영역인 Surface IR은 주로 8~12μm 밴드에서 높은 수준의 신호를 방출한다.
생존성 분석에서, 항공기의 생존성에 영향을 미치는 세 가지 요소의 주요 인자는 무엇인가?
Ball[9]은 항공기의 생존성에 영향을 미치는 주된 세 가지 요소를 ‘적의 위협, 항공기의 성능, 전장의 상황‘으로 정의하였다. 중요 요소 중 하나인 적의 위협이 IR 유도 미사일인 경우, 미사일의 속도와 연료소모거리, 폭발 반경, IR 탐지기의 성능이 생존성 분석에 주요한 인자가 된다. 항공기 성능의 경우는 항공기의 속도, IR 신호의 세기가 있다. 전장의 상황은 항공기와 미사일이 존재하는 대기환경의 적외선 신호 투과율, 미사일이 항공기를 추적하는 경로, 미사일과 항공기의 고도와 위치가 있다. 그러므로 IR 신호를 저감하는 측면만으로는 항공기의 생존성을 정확히 분석하기에는 불충분하며, 항공기와 IR 유도 미사일이 처해있는 전장의 상황을 파악한 다음 생존성 분석과 향상을 도모하는 것이 필요하다.
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