국내 유도무기 개발과정에서 가장 일반적으로 적용되는 M&S 도구는 유도탄의 각 구성품 및 공력특성 모델을 반영한 6자유도 비행모의 프로그램이다. 하지만 3세대 대전차 유도무기와 같이 영상탐색기가 적용되는 경우 6자유도 비행모의만으로 다양한 조건 하에서의 체계 성능을 확인할 수 없다. 영상탐색기의 추적 성능은 표적의 대조비나 온도차뿐만 아니라 유도탄 거동에 따른 표적 위치 이격, 회전 등에 민감하게 반응하기 때문에 유도무기 개발 과정에서 영상 추적 성능과 유도탄 비행성능을 통합하여 분석할 수 있는 M&S 도구가 요구된다. 3세대 대전차 유도무기인 현궁 개발 과정에서는 형상 설계 단계부터 '합성영상 생성 S/W'-'영상추적기'-'비행모의 프로그램'을 연동한 통합비행 M&S 도구를 개발, 적용하였다. 통합비행 M&S 도구 기반으로 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한 후 체계 주요 성능 지수, 즉 명중률 비교를 통해 적합한 형상을 선정하였다. 본 논문에서는 3세대 대전차유도무기 형상설계를 위한 고려요소와 함께 통합비행 M&S 방법론 및 분석 결과를 기술하였다.
국내 유도무기 개발과정에서 가장 일반적으로 적용되는 M&S 도구는 유도탄의 각 구성품 및 공력특성 모델을 반영한 6자유도 비행모의 프로그램이다. 하지만 3세대 대전차 유도무기와 같이 영상탐색기가 적용되는 경우 6자유도 비행모의만으로 다양한 조건 하에서의 체계 성능을 확인할 수 없다. 영상탐색기의 추적 성능은 표적의 대조비나 온도차뿐만 아니라 유도탄 거동에 따른 표적 위치 이격, 회전 등에 민감하게 반응하기 때문에 유도무기 개발 과정에서 영상 추적 성능과 유도탄 비행성능을 통합하여 분석할 수 있는 M&S 도구가 요구된다. 3세대 대전차 유도무기인 현궁 개발 과정에서는 형상 설계 단계부터 '합성영상 생성 S/W'-'영상추적기'-'비행모의 프로그램'을 연동한 통합비행 M&S 도구를 개발, 적용하였다. 통합비행 M&S 도구 기반으로 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한 후 체계 주요 성능 지수, 즉 명중률 비교를 통해 적합한 형상을 선정하였다. 본 논문에서는 3세대 대전차유도무기 형상설계를 위한 고려요소와 함께 통합비행 M&S 방법론 및 분석 결과를 기술하였다.
6-DOF flight simulation program is most generally used M&S tool in domestic missile development procedure. The 6-DOF M&S method, however, cannot validate the performance of a imaging seeker-adopted missile in various conditions. A M&S tool for the analysis of the integrated-flight simulation is requ...
6-DOF flight simulation program is most generally used M&S tool in domestic missile development procedure. The 6-DOF M&S method, however, cannot validate the performance of a imaging seeker-adopted missile in various conditions. A M&S tool for the analysis of the integrated-flight simulation is required since the tracking performance of the imaging seeker is highly dependent on the missile maneuvering, which introduces the displacement and rotation of the target in the seeker imagery. Through the development of the $3^{rd}$ generation anti-tank missile, Raybolt, the integrated-flight M&S tool was developed and applied to the missile configuration design. It integrates synthetic image generation S/W, imaging tracker, and flight simulation program and computes the main system performance criteria, hit probability by Monte-Carlo Simulation. In this paper, the issues in the $3^{rd}$ generation anti-tank missile configuration and the integrated-flight M&S method and results are described.
6-DOF flight simulation program is most generally used M&S tool in domestic missile development procedure. The 6-DOF M&S method, however, cannot validate the performance of a imaging seeker-adopted missile in various conditions. A M&S tool for the analysis of the integrated-flight simulation is required since the tracking performance of the imaging seeker is highly dependent on the missile maneuvering, which introduces the displacement and rotation of the target in the seeker imagery. Through the development of the $3^{rd}$ generation anti-tank missile, Raybolt, the integrated-flight M&S tool was developed and applied to the missile configuration design. It integrates synthetic image generation S/W, imaging tracker, and flight simulation program and computes the main system performance criteria, hit probability by Monte-Carlo Simulation. In this paper, the issues in the $3^{rd}$ generation anti-tank missile configuration and the integrated-flight M&S method and results are described.
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문제 정의
본 논문에서는 3세대 대전차 유도무기 형상 설계 과정에서 구축한 통합비행 M&S 도구 및 적용 사례를 기술하였다.
본 논문에서는 3세대 대전차 유도무기의 형상설계에 있어서의 고려 요소와 함께 이를 분석하기 위한 통합비행 M&S 도구 및 이를 적용한 분석결과를 기술하였다.
새로이 구축한 통합비행 M&S 도구는 기존에 유도탄 동역학 분석에 한정된 형태를, 탐색기 영상추적 알고리즘과 연계하여 폐루프 형태로 통합 분석하는 것을 목적으로 한다.
제안 방법
구축된 통합비행 M&S 도구를 활용하여 2장에서 언급한 두 가지 형태의 날개 형상에 대한 유도탄 체계 성능을 분석하기로 한다.
현궁은 적외선 영상(IIR; Imaging InfraRed)탐색기를 적용하는데, 적외선 영상은 주야간에 영상 획득이 가능하나 시간대 및 기상 조건에 따라 그 특성이 크게 상이하여 이를 고려한 영상추적 알고리즘 개발이 필요하다. 다양한 조건 하에서의 체계 성능 확인을 위해 다양한 환경 데이터베이스(지형, 계절, 표적 종류, 기상 조건 등)를 구축하였다. Figure 6은 통합비행 M&S의 개념을 나타내며, Figure 7, 8는 각각 6자유도 M&S와 통합비행 M&S의 블록 다이어그램을 보여주는데, 청색 블록이 통합비행 M&S에서 추가되는 부분이다.
이를 위해서는 영상추적 알고리즘의 입력이 되는 탐색기 영상이 필요한데, 이는 유도탄과 표적의 거동에 따라 실시간으로 변화해야하기 때문에 모의영상을 적용할 수밖에 없다. 본 연구에서는 모의영상 생성을 위해 국내외 많은 적용 사례를 통해 검증된 합성영상생성 S/W인 미국 Presagis사의 Vega Prime을 적용하였다. 또한 모의영상의 신뢰성을 확인하기 위한 연구를 별도로 진행하였다[5].
두 형상을 비교하기 위한 테스트베드로는 겨울철 대기모델(시정 10 km) 및 야지 지형 데이터베이스, M48 전차 표적을 적용하였다. 사거리는 0.5~3 km를 0.5 km 간격으로 200 회의 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 명중률을 산출하였다. 몬테카를로 시뮬레이션 시에는 현궁 시험을 통해 확보된 유도탄의 구성품 별 오차요소를 정규분포 형태로 인가하였다.
현궁은 보병이 휴대하여 운용하는 체계로서 경량화, 소형화를 설계 중점으로 두고 개발되었다. 앞서 언급된 유사체계에서의 형상설계 제약을 극복하기 위하여 기존 3세대 대전차 유도무기에 적용된 사례가 없는 랩어라운드 및 접이식 동체 부착형 날개를 개발, 적용하였다. 탐색개발 단계에서의 현궁 형상은 SPIKE와 유사하게 탄두 전방에 추진기관을 배치한 측방 추력 형태이나 날개를 랩어라운드(wrap-around) 형태의 동체 부착형으로 설계함으로써 날개가 삽입될 탄 내부 공간이 필요하지 않게 된다.
이 때문에 현궁 체계개발 기간 동안 다양한 환경 조건 하에서 명중률 산출이 가능한 통합비행 M&S 환경을 구축하고 이를 활용하여 최적의 형상을 선정한다.
1 초 내의 짧은 시간에 전개되며, 전개되는 과정에서 순간적으로 200~ 400 deg/s 이상의 큰 롤 각속도가 발생하나, 날개 전개가 완료되면서 롤 각속도는 크게 줄어들고 유도탄의 제어가 시작되면서 더 줄어들게 되어 전체적인 유도탄의 비행 성능에 큰 영향을 미치지 않게 된다. 현궁 체계개발 시에 보완 설계가 이루어지고 탄성 랩어라운드 날개 대신에 일반적인 강체 형태의 날개를 적용하였다. 이러한 날개는 동체 외곽에 접혀 있다가 120°각도로 전개되는 형태로 랩어라운드 날개에 비해 좀 더 복잡한 구조이나, 공력 하중에 대한 구조적인 안정성이 확보되고 초기 롤 각속도 발생 등이 없는 이점이 있다[4].
대상 데이터
구축된 통합비행 M&S 도구를 활용하여 2장에서 언급한 두 가지 형태의 날개 형상에 대한 유도탄 체계 성능을 분석하기로 한다. 두 형상을 비교하기 위한 테스트베드로는 겨울철 대기모델(시정 10 km) 및 야지 지형 데이터베이스, M48 전차 표적을 적용하였다. 사거리는 0.
성능/효과
결론적으로 3세대 대전차 유도무기 체계 성능의 신뢰성 확보를 위해서는 몬테카를로 시뮬레이션을 포함한 통합비행 M&S 환경에서 체계 성능 검증이 필수적임을 알 수 있다.
발사 초기에 순간적으로 발생한 롤 각속도의 영향성이 기존 유도탄 동역학 분석 M&S 도구만을 활용하여 분석하였을 때는 식별되지 않았으나, 영상 추적 성능이 고려된 통합비행 M&S 환경에서는 이에 대한 영향성을 확인할 수 있었다. 또한 단일 통합비행 시뮬레이션에서는 차별화 되지 않던 영향성이 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 큰 차이(명중률)를 나타낸다는 것을 확인하였다. 결론적으로 3세대 대전차 유도무기 체계 성능의 신뢰성 확보를 위해서는 몬테카를로 시뮬레이션을 포함한 통합비행 M&S 환경에서 체계 성능 검증이 필수적임을 알 수 있다.
발사 초기에 순간적으로 발생한 롤 각속도의 영향성이 기존 유도탄 동역학 분석 M&S 도구만을 활용하여 분석하였을 때는 식별되지 않았으나, 영상 추적 성능이 고려된 통합비행 M&S 환경에서는 이에 대한 영향성을 확인할 수 있었다.
보병용 3세대 대전차 유도무기의 소형/경량화 설계를 위해 제시된 두 가지 동체 부착형 날개 설계 안을 통합비행 M&S 도구를 사용하여 체계 성능을 분석함으로써 최적 대안을 도출할 수 있었다.
탐색개발 단계에서의 현궁 형상은 SPIKE와 유사하게 탄두 전방에 추진기관을 배치한 측방 추력 형태이나 날개를 랩어라운드(wrap-around) 형태의 동체 부착형으로 설계함으로써 날개가 삽입될 탄 내부 공간이 필요하지 않게 된다. 즉, 유도탄의 길이 감소 및 여유 있는 날개 길이 확보로 체계 경량화 및 비행 성능 증대가 가능하였다.
후속연구
결론적으로 3세대 대전차 유도무기 체계 성능의 신뢰성 확보를 위해서는 몬테카를로 시뮬레이션을 포함한 통합비행 M&S 환경에서 체계 성능 검증이 필수적임을 알 수 있다. 아울러, 현궁 유도무기체계 개발 과정에서 획득된 통합비행 M&S 도구는 영상 탐색기가 적용된 유사 유도무기체계 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
통합비행 M&S 도구의 목적은?
새로이 구축한 통합비행 M&S 도구는 기존에 유도탄 동역학 분석에 한정된 형태를, 탐색기 영상추적 알고리즘과 연계하여 폐루프 형태로 통합 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해서는 영상추적 알고리즘의 입력이 되는 탐색기 영상이 필요한데, 이는 유도탄과 표적의 거동에 따라 실시간으로 변화해야하기 때문에 모의영상을 적용할 수밖에 없다.
비례항법유도란 무엇인가?
현대의 대부분의 유도탄의 종말 유도에는 비례항법유도가 적용되는데, 비례항법유도란 유도탄이 표적을 바라보는 시선각의 변화율에 비례하는 가속도를 낼 경우에 표적을 타격할 수 있음을 의미한다. 즉 유도탄-표적 시선 변화율을 \(\dot{\sigma}\)라 할 때 요구되는 유도탄의 기동 가속도 a는 다음과 같이 주어진다.
영상탐색기가 적용된 유도무기의 경우 6자유도 프로그램만으로 다양한 조건 하에서의 체계 성능을 확인하는 것이 제한되는 이유는?
그러나 3세대 ATGM과 같이 영상탐색기가 적용된 유도무기의 경우에 6자유도 프로그램만으로 다양한 조건 하에서의 체계 성능을 확인하는 것은 매우 제한된다. 영상탐색기의 추적 성능은 표적과 배경의 대조비 및 온도차뿐만 아니라 유도탄 거동에 의한 영상 내 표적 위치 변화 및 회전 등에 크게 영향을 받기 때문이다. 이러한 이유로 국외의 유사 대전차 유도무기인 Javelin(美) 개발 사례에서는 유도탄 비행성능과 탐색기 영상추적성능의 통합 모의 분석이 가능한 통합비행 M&S 도구를 개발, 적용하였으며 후속 사업에서도 활용하였다[1].
참고문헌 (5)
C. Bates, J. Lucas, J. Robinson, "The Javelin Integrated Flight Simulation", Int. Conference on Computational Science, pp. 507-514, 2001.
F. Johnsson, B. Vretblad, A. Sivertun. "SHAPED CHARGE CALCULATION MODELS FOR EXPLOSIVE ORDNANCE DISPOSAL OPERATIONS", Journal of Military Studies, Vol. 3, No. 1, 2012.
W. Walters, "Introduction to Shaped Charges", U.S. Army Research Laboratory, March 2007.
이건하 외 4명, "휴대용 유도탄 전방 접힘 날개 구조", 특허등록 제1356554호, 2014.
김석우, 박상혁, "검증 및 확인(V&V) 절차를 통한 무기체계 M&S 신뢰도 확보에 관한 연구", 한국시뮬레이션학회 논문지, pp. 1-8, Vol. 24, No. 3, 2015.
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