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문제 정의
- B 형상의 경우, 기존의 모델 UCAV의 날개에 Sweep Angle을 변경하여 동체와 날개의 각이 같도록 변경해 앞전에 의한 RCS Spike가 기존 형상보다 측면 영역에서 생성되도록 설계하였다. C 형상은 IR 저감 노즐에서의 Plume 적외선 신호를 저감시키기 위해 후방 동체의 노즐 출구 부분에 Plate를 추가한 것으로, IR 저감을 위한 형상 변형이 RCS에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 모델 UCAV A, B, C의 모든 노즐 형상은 An의 논문[13]의 “IR 저감 노즐” 형상과 유사하게 노즐 입구 평판이 후방에서 최대한 노출되지 않도록 설계하였으며, 길이 방향으로 곡률이 적용되고 출구는 세장비가 큰 타원형으로 설계하였다.
- 또한 IR 저감을 위한 설계가 RCS에 미치는 영향을 파악하기 위해, IR 저감 노즐과 추가적인 IR 감소를 위한 후방 Plate 적용 형상에 대하여 RCS 해석을 수행한다. 마지막으로 공기 흡입구에 RCS 감소 기술인 RAM을 적용하였을 때의 RCS 감소 효과를 확인하고자 한다.
- 본 연구에서는 FEKO 소프트웨어를 활용하여 저피탐 UCAV 비행체 중 하나인 X-47B의 유사형상에 대해 고주파(10 GHz) 영역에서 RL-GO (Ray Launching Geometrical Optics) 기법을 적용하여 실제 크기의 1/2인 형상인 모델 UCAV의 RCS 특성을 분석하고자 한다. 또한 IR 저감을 위한 설계가 RCS에 미치는 영향을 파악하기 위해, IR 저감 노즐과 추가적인 IR 감소를 위한 후방 Plate 적용 형상에 대하여 RCS 해석을 수행한다.
제안 방법
- Coating 두께는 동일하게 3mm로 설정하고, 해당 ε과 두께/파장 비를 계산하여 MnZn Ferrite 계열 RAM의 이상적인 μ의 물성치를 도출하였다.
- FEKO 소프트웨어를 활용하기 전, 본 연구에서 다루는 RCS 예측 문제에 대해 검증하기 위해 일차적으로 구 형상에 대한 RCS 해석을 수행하였다. 해석 조건은 Monostatic 레이더, 주파수 1–2 GHz, 반지름 1m로 설정하였다.
- 해석 대상은 S-Duct 공기 흡입구와 IR 저감 노즐이 장착된 X-47B 형태의 모델 UCAV이며, 해석조건은 Table 1에 나타내었다. MLFMM과 RLGO, PO 기법 (Inlet이 존재하는 경우와 Inlet을 평평한 면으로 대체한 경우(Inlet Blocked)) 적용시 컴퓨터의 Core, 메모리, 해석 시간을 고려하여 공기 흡입구와 노즐 부분의 Local Mesh 크기를 조절하였다.
- 그리고 Cavity 입구를 평판으로 대체한 형상(PO; Inlet Blocked)의 경우에도, 평판 Specular Reflection에 의한 RCS만 –45°~+45° 영역에서 높게 예측되어 MLFMM과 비교하였을때 낮은 정확도를 나타내었다. 그러나, RL-GO 기법의 경우 회절 현상과 같은 산란 현상 해석은 어려우나 Cavity 형상에 대한 근사해석이 가능하므로 PO 해석에 비해 높은 RCS 결과를 예측하였다. 추가적으로 측, 후방 영역(120°~240°)에서도 PO 기법은 MLFMM 기법의 경향과 유사하지도 않으며 결과의 차이 또한 크게 나타난다.
- 8-11과 같이 Median RCS가 13dBsm 수준으로 다른 영역의 RCS 결과에 비해 높게 예측되었다. 그리고 IR저감을 위한 설계 요인(노즐 형상 변경, 후방 동체 변경)이 RCS에 어떤 영향을 미치는지 파악하기 위해 A, C, D 형상을 비교하였다. Fig.
- 그리고 X-47B 모델 UCAV에서 형상 변경에 대한 RCS 해석을 수행하기 위해 날개의 Sweep Angle을 변경하였으며, IR 저감을 위한 노즐 또는 후방동체 형상의 변화가 RCS에 미치는 영향을 분석하기 위해 원형 노즐이 아닌, 세장비와 곡률이 반영된 변형 노즐과 노즐 후방 Plate를 적용하였다.
- 5 m로 설계하였다. 그리고 X-47B의 전방 RCS를 감안하여 공기 흡입구를 S-Duct 구조로 설계하였으며, 엔진 내부파트는 형상의 복잡성과 해석 시간이 길어지는 어려움으로 인해 구현하지 않았다.
- 다음으로 Full-Wave 기법과 고주파 근사해석기법을 활용한 해석 결과를 비교, 검증하였다. 해석 대상은 S-Duct 공기 흡입구와 IR 저감 노즐이 장착된 X-47B 형태의 모델 UCAV이며, 해석조건은 Table 1에 나타내었다.
- 다음으로는, 모델 UCAV에 RAM 적용과 미적용에 따른 RCS 해석 결과를 비교하였다. 본 연구에서 사용된 RAM의 물성치는 Table 3의 MnZn Ferrite와 Optimum RAM에 정리하였다.
- 두 번째 RAM인 “Optimum RAM“은 Musal의 논문[15]의 Universal Design Chart를 활용하여 RAM의 이상적인 μ를 이론적으로 도출하였다.
- 본 연구에서는 FEKO 소프트웨어를 활용하여 저피탐 UCAV 비행체 중 하나인 X-47B의 유사형상에 대해 고주파(10 GHz) 영역에서 RL-GO (Ray Launching Geometrical Optics) 기법을 적용하여 실제 크기의 1/2인 형상인 모델 UCAV의 RCS 특성을 분석하고자 한다. 또한 IR 저감을 위한 설계가 RCS에 미치는 영향을 파악하기 위해, IR 저감 노즐과 추가적인 IR 감소를 위한 후방 Plate 적용 형상에 대하여 RCS 해석을 수행한다. 마지막으로 공기 흡입구에 RCS 감소 기술인 RAM을 적용하였을 때의 RCS 감소 효과를 확인하고자 한다.
- 마지막으로 실제 적용되고 있는 RAM 중에 하나인 MnZn Ferrite의 두께, ε, μ의 물성치를 적용한 경우와 RAM의 두께 및 ε, Universal Design Chart를 통해 최적화된 μ를 도출한 후 공기 흡입구 부분에 적용한 경우를 함께 고려하였다.
- 모델 UCAV A, B, C의 모든 노즐 형상은 An의 논문[13]의 “IR 저감 노즐” 형상과 유사하게 노즐 입구 평판이 후방에서 최대한 노출되지 않도록 설계하였으며, 길이 방향으로 곡률이 적용되고 출구는 세장비가 큰 타원형으로 설계하였다. 마지막으로, D는 IR 저감 설계 노즐 자체가 RCS에 미치는 영향을 파악하고 RCS를 비교하기 위해 일반 원형 노즐을 설계하였다.
- 모델 UCAV A, B, C의 모든 노즐 형상은 An의 논문[13]의 “IR 저감 노즐” 형상과 유사하게 노즐 입구 평판이 후방에서 최대한 노출되지 않도록 설계하였으며, 길이 방향으로 곡률이 적용되고 출구는 세장비가 큰 타원형으로 설계하였다.
- 본 연구는 RL-GO 기법을 적용하여 X-47B 모델 UCAV 형상과 IR 저감이 고려된 변형 형상에 따른 RCS 해석을 수행하였다. MLFMM, RL-GO, PO 기법을 비교하였을 때, RL-GO 기법은 RCS 해석 결과 MLFMM 기법과 유사한 경향성을 도출하였다.
- 본 연구에서는 Northrop Grumman의 X-47B 형상을 참조하여 시험용 모델 UCAV를 설계하였다. X-47B는 다양한 저피탐 요소(수직 미익제거, 불연속적인 면 최소화, 각 모서리의 Angle–Alignment 적용)들이 반영된 BWB 형태의 UCAV이다.
- 그러나 RL-GO 기법의 경우 또한 근사기법이므로 결과에선 조금 차이가 존재하나 MLFMM 기법과 비교하였을 때 유사한 경향성을 나타내므로 적용에 무리가 없다고 판단된다. 특히 MLFMM 기법 적용시 소요되는 시간에 비해 RL-GO 기법은 매우 효율적으로 해석 시간 단축이 가능하므로, 본 연구에서는 RL-GO 기법을 적용하여 X-47B 모델 UCAV의 RCS를 해석하였다.
대상 데이터
- Figure 4는 구 형상에 대해 MLFMM, RL-GO, PO 기법을 이용한 RCS 해석 결과를 비교하였다. 2 GHz를 기준으로 Mesh를 생성하였으며, MLFMM과 PO 기법의 경우 약 95,600개, RL-GO 기법의 경우 약 5,800개의 Mesh로 구성하였다. 일반적으로 구의 RCS 값은 주파수가 증가 할수록 구의 단면적의 크기에 수렴한다.
- X-47B는 다양한 저피탐 요소(수직 미익제거, 불연속적인 면 최소화, 각 모서리의 Angle–Alignment 적용)들이 반영된 BWB 형태의 UCAV이다. Fig. 1의 X-47B 유사 모델은 실제 크기에서 1/2로 축소한 모델로, 동체 길이는 약 5.9 m, 날개 길이는 약 9.5 m로 설계하였다. 그리고 X-47B의 전방 RCS를 감안하여 공기 흡입구를 S-Duct 구조로 설계하였으며, 엔진 내부파트는 형상의 복잡성과 해석 시간이 길어지는 어려움으로 인해 구현하지 않았다.
- 다음으로는, 모델 UCAV에 RAM 적용과 미적용에 따른 RCS 해석 결과를 비교하였다. 본 연구에서 사용된 RAM의 물성치는 Table 3의 MnZn Ferrite와 Optimum RAM에 정리하였다.
- 첫 번째 RAM은 Gama의 논문[14]의 “MnZn Ferrite”이며, 실제 Ferrite의 Permittivity(유전율, ε)와 Permeability(투자율, μ) 중 10 GHz에서의 해당되는 물성치를 사용하였고, Coating의 두께는 3mm로 적용하였다.
- Figure 6은 RCS 해석에 사용된 모델 UCAV의 여러 형상을 보여준다. 최초 모델 UCAV 형상인 A, 날개의 Sweep Angle이 변경된 B, 후방 동체에 Plate를 추가한 C, IR 저감 노즐이 아닌 원형 노즐을 장착한 D 형상들을 고려하였다. B 형상의 경우, 기존의 모델 UCAV의 날개에 Sweep Angle을 변경하여 동체와 날개의 각이 같도록 변경해 앞전에 의한 RCS Spike가 기존 형상보다 측면 영역에서 생성되도록 설계하였다.
- 다음으로 Full-Wave 기법과 고주파 근사해석기법을 활용한 해석 결과를 비교, 검증하였다. 해석 대상은 S-Duct 공기 흡입구와 IR 저감 노즐이 장착된 X-47B 형태의 모델 UCAV이며, 해석조건은 Table 1에 나타내었다. MLFMM과 RLGO, PO 기법 (Inlet이 존재하는 경우와 Inlet을 평평한 면으로 대체한 경우(Inlet Blocked)) 적용시 컴퓨터의 Core, 메모리, 해석 시간을 고려하여 공기 흡입구와 노즐 부분의 Local Mesh 크기를 조절하였다.
- 해석 조건은 Monostatic 레이더, 주파수 1–2 GHz, 반지름 1m로 설정하였다.
이론/모형
- Figure 2는 PO 기법의 원리를 나타내며, PO기법은 입사장(Incident Field)과 경계조건에 의해 물체의 표면에 생성되는 Current를 통해 Maxwell 방정식의 적분형인 Stratton-Chu 방정식을 기반으로 직접 RCS를 계산한다. 물체가 PEC (Perfect Electric Conductor)일 때, 물체 표면에서의 Current ()는 아래와 같이 식 (1)처럼 근사시킬 수 있다.
- 모델 UCAV에 대한 RCS를 해석하기 위해 Altair사의 FEKO 소프트웨어를 사용하였다. FEKO는 다양한 형상, 특정 면에 대한 유전체 적용 등 여러 유형에 대한 전자기적 해석이 가능하다.
- 본 연구에서는 10 GHz 고주파수 광학 영역에서 모델 UCAV의 RCS를 해석하기 위해 PO와 RL-GO 기법을 활용하였다.
- 미국의 X-47 시리즈, 프랑스의 nEUROn, 영국의 Taranis 등이 대표적이다. 스텔스 성능 향상을 위해 수직 미익제거, 날개와 동체 사이의 불연속적인 면 감소, 각 모서리의 Angle-Alignment 등의 기술을 적용하였다[6-7]. 국내의 경우 전파흡수구조가 적용된 저피탐 형상에 대한 RCS 예측, RCS 감소 설계기법, 공력과 RCS 성능을 동시에 고려한 최적화, 비행체 통합설계를 위한 비행체 공력, 구조, RF 스텔스 통합 시스템 등에 관한 연구가 존재한다[1,8-10].
성능/효과
- Figs. 8-11과 같이 Median RCS가 13dBsm 수준으로 다른 영역의 RCS 결과에 비해 높게 예측되었다. 그리고 IR저감을 위한 설계 요인(노즐 형상 변경, 후방 동체 변경)이 RCS에 어떤 영향을 미치는지 파악하기 위해 A, C, D 형상을 비교하였다.
- 8-11의 Side 영역(225°-315°)에서 C 형상은 Median RCS(270°)뿐만 아니라 Mean RCS(약 –4.6dBsm) 또한 타형상(A, B, D는 약 –7dBsm)에 비해 조금 높게 예측됨을 확인하였다.
- 또한 Plate를 적용한 형상의 경우 평균 –2dBsm, 원형 노즐의 경우 –3dBsm의 RCS 결과가 도출되었다. IR 저감 형상의 경우, 전체 RCS에는 큰 영향을 미치진 않지만 노즐 곡률 변화와 다중 반사, IR 저감을 위한 Plate 설계 등으로 인해 측면 및 후방 RCS에 적지 않은 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 이는 스텔스 전투기 설계 시 초기설계 단계에서 IR과 RCS 종합적으로 고려해야 함을 의미한다.
- 본 연구는 RL-GO 기법을 적용하여 X-47B 모델 UCAV 형상과 IR 저감이 고려된 변형 형상에 따른 RCS 해석을 수행하였다. MLFMM, RL-GO, PO 기법을 비교하였을 때, RL-GO 기법은 RCS 해석 결과 MLFMM 기법과 유사한 경향성을 도출하였다. 또한 시간적 측면에서도 PO 기법 해석 속도와 차이가 크지 않으므로 초기 비행체 설계에 효율적임을 확인하였다.
- Figure 13은 X-47B 형태의 모델 UCAV의 공기 흡입구에 RAM Coating 적용 여부에 따른 RCS 해석 결과를 나타낸다. MnZn Ferrite RAM을 적용한 형상은 미적용 형상에 비해 전체 RCS가 약 6.7dBsm 감소하였으며, Optimum RAM 적용 형상은 약 8.4dBsm까지 감소하였다.
- X-47B의 운용 고도는 약 12.8km (42,000ft)이며, X-47B의 평균 RCS가 –3dBsm 수준이라고 가정한다면 탐지 거리는 148km로, Elevation Angle은 약 5°로 도출되어 정밀한 RCS 해석 시 계산에 반영해야 할 것으로 판단된다.
- 그로 인해 A, B, D 형상의 Median RCS 예측 결과인 –2, –4, –2dBsm 수준에 비해 상대적으로 높은 결과인 16dBsm 수준으로 예측되었다.
- 전방 Median RCS는 –18dBsm 수준으로 매우 큰 감소효과를 나타내었다. 그리고 Cavity와 같이 다중 반사가 발생하는 공간에서의 RAM 적용은 반사되어 나오는 레이더 파를 더욱 흡수할 수 있으므로 RCS 감소에 큰 영향을 미침을 확인하였다.
- 그리고 Side 영역 또한 MnZn Ferrite RAM과 Optimum RAM의 Mean RCS는 RAM 미적용 형상의 Mean RCS에 비해 약 –7dBsm 감소하여, 공기 흡입구에만 RAM을 적용하더라도 전체 RCS 감소에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
- 그리고 Sweep Angle이 적용된 형상 또한 기본 형상과 유사하게 –3dBsm 수준의 Mean RCS 결과가 도출되었다.
- 또한 Plate를 적용한 형상의 경우 평균 –2dBsm, 원형 노즐의 경우 –3dBsm의 RCS 결과가 도출되었다.
- MLFMM, RL-GO, PO 기법을 비교하였을 때, RL-GO 기법은 RCS 해석 결과 MLFMM 기법과 유사한 경향성을 도출하였다. 또한 시간적 측면에서도 PO 기법 해석 속도와 차이가 크지 않으므로 초기 비행체 설계에 효율적임을 확인하였다. 모델 UCAV 형상은 입사파를 기준으로 수직한 면이 거의 존재하지 않으므로 Specular Reflection에 의한 RCS가 대폭 감소하였고, 날개와 동체 사이의 불연속적인 면을 줄여 EM Boundary의 변화를 감소시켰으므로 RCS의 발생 요소가 대폭 감소하여 일반 비행체에 비해 전반적으로 낮은 RCS가 예측되었다.
- 7 C의 후방부 영역 중 일부(170°-190°)에서 Plate와 노즐 내부에서의 다중 반사로 인해 노즐 내부로부터 반사되어 나오는 레이더 파 수준이 A에 비해 상대적으로 적어 Mean RCS가 더 낮게 예측되었다고 판단된다. 또한, A와 D 형상 비교시 IR 저감 노즐이 일반 원형 노즐에 비해 RCS가 더높게 측정되었는데, 이는 IR 저감 노즐 내부의 표면 곡률 변화와 불규칙하게 발생한 다중 반사로 인해 RCS가 증가되었다고 판단된다. 이로부터 IR 저감 형상은 RCS를 증가시키는 효과를 야기할 수 있으므로, 목적에 따라 IR과 RCS를 종합적으로 고려한 후 형상 설계를 진행해야 할 것으로 판단된다.
- 모델 UCAV 형상에 대한 RCS 해석 결과, 기본 형상은 –3dBsm 수준의 Mean RCS 결과가 도출되었다.
- 또한 시간적 측면에서도 PO 기법 해석 속도와 차이가 크지 않으므로 초기 비행체 설계에 효율적임을 확인하였다. 모델 UCAV 형상은 입사파를 기준으로 수직한 면이 거의 존재하지 않으므로 Specular Reflection에 의한 RCS가 대폭 감소하였고, 날개와 동체 사이의 불연속적인 면을 줄여 EM Boundary의 변화를 감소시켰으므로 RCS의 발생 요소가 대폭 감소하여 일반 비행체에 비해 전반적으로 낮은 RCS가 예측되었다.
- 97dBsm)에 접근한다. 시뮬레이션 결과, MLFMM, RL-GO, PO 기법 모두 RCS 해석 값이 5dBsm 수준으로 유사하게 나타났다.
- 8dBsm 수준의 RCS 결과가 도출되었다. 이는 Cavity가 포함된 구성품에 RAM을 적용한다면 큰 RCS 감소 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 RAM을 적용하고자 한다면 Universal Design Chart를 통해 최적화된 Coating 두께를 찾는 것이 중요하다고 판단된다.
- 추가적으로 측, 후방 영역(120°~240°)에서도 PO 기법은 MLFMM 기법의 경향과 유사하지도 않으며 결과의 차이 또한 크게 나타난다.
후속연구
- 또한 RAM을 적용하고자 한다면 Universal Design Chart를 통해 최적화된 Coating 두께를 찾는 것이 중요하다고 판단된다. 그러나 Chart를 이용한 RAM 설계는 특정 주파수 영역에 대해서만 RCS 감소에 효과적이므로, 다양한 주파수 영역에 적용이 가능한 Broadband RAM 연구도 추가적으로 필요하다고 할 수 있다.
- 또한, A와 D 형상 비교시 IR 저감 노즐이 일반 원형 노즐에 비해 RCS가 더높게 측정되었는데, 이는 IR 저감 노즐 내부의 표면 곡률 변화와 불규칙하게 발생한 다중 반사로 인해 RCS가 증가되었다고 판단된다. 이로부터 IR 저감 형상은 RCS를 증가시키는 효과를 야기할 수 있으므로, 목적에 따라 IR과 RCS를 종합적으로 고려한 후 형상 설계를 진행해야 할 것으로 판단된다.
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