레이돔은 레이더를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 하며, 스텔스 기술의 일환으로 주파수 선택 표면이 레이돔에 적용되고 있다. 본 연구에서는 Jerusalem-cross(JSC) 형상이 적용된 주파수 선택 표면 레이돔에 대해 비행 시나리오 상 공력가열로 인해 미사일의 FSS 레이돔의 전파 투과 특성의 변화를 다루었다. 이 내용을 바탕으로 공력가열에 따른 전파 투과 특성을 레이돔의 위치에 따라, 시간에 따라 수치 해석적으로 분석하였다. 수치 해석적 연구로 상용 프로그램 ANSYS Fluent 15.0과 COMSOL Multiphysics 5.2를 사용하였다. 비행 시나리오 상 전파 투과 특성의 변화로 초기 대역폭에 대한 평균 투과율 수치가 최대 -14.3 dB까지 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
레이돔은 레이더를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 하며, 스텔스 기술의 일환으로 주파수 선택 표면이 레이돔에 적용되고 있다. 본 연구에서는 Jerusalem-cross(JSC) 형상이 적용된 주파수 선택 표면 레이돔에 대해 비행 시나리오 상 공력가열로 인해 미사일의 FSS 레이돔의 전파 투과 특성의 변화를 다루었다. 이 내용을 바탕으로 공력가열에 따른 전파 투과 특성을 레이돔의 위치에 따라, 시간에 따라 수치 해석적으로 분석하였다. 수치 해석적 연구로 상용 프로그램 ANSYS Fluent 15.0과 COMSOL Multiphysics 5.2를 사용하였다. 비행 시나리오 상 전파 투과 특성의 변화로 초기 대역폭에 대한 평균 투과율 수치가 최대 -14.3 dB까지 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
A Radome protects the radar from the external environment, and as a part of the stealth technology, a frequency-selective surface (FSS) was applied to the radome. Our study investigates the changes in the electrical transmission characteristics of the missile's FSS radome due to aerodynamic heating ...
A Radome protects the radar from the external environment, and as a part of the stealth technology, a frequency-selective surface (FSS) was applied to the radome. Our study investigates the changes in the electrical transmission characteristics of the missile's FSS radome due to aerodynamic heating in various flight scenarios. Accordingly, we designed a FSS radome with a Jerusalem-cross(JSC) geometry and referred the missile flight scenario in the precedent research. Subsequently, electrical transmission characteristics affected by aerodynamic heating were numerically analyzed over time according to the position of radome. As a result, we found that the average transmission value maximally varies -14.3 dB compared to the initial bandwidth owing to changes in electrical transmission characteristics in flight scenarios.
A Radome protects the radar from the external environment, and as a part of the stealth technology, a frequency-selective surface (FSS) was applied to the radome. Our study investigates the changes in the electrical transmission characteristics of the missile's FSS radome due to aerodynamic heating in various flight scenarios. Accordingly, we designed a FSS radome with a Jerusalem-cross(JSC) geometry and referred the missile flight scenario in the precedent research. Subsequently, electrical transmission characteristics affected by aerodynamic heating were numerically analyzed over time according to the position of radome. As a result, we found that the average transmission value maximally varies -14.3 dB compared to the initial bandwidth owing to changes in electrical transmission characteristics in flight scenarios.
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문제 정의
본 연구에서는 비행 시나리오 상 미사일의 공력가열에 의한 FSS 레이돔의 투과 특성 변화에 대한 분석을 수행하였다. 레이돔 형상은 Tangent ogive를 이용하고 FSS 구조는 BeO 내부에 JSC 패턴의 금속층이 이중으로 위치하도록 설계하였다.
가설 설정
5 GHz로 X-band 대역이 사용된다. X-band 대역에 서 투과 성능을 높이기 위해 공진 주파수를 10 GHz로 가정하였다.
Axis-symmetric 조건을 적용하였으며, 레이돔 외부 유동에 대해서 Pressure far field 조건으로 Axis-symmetric 조 건을 적용하였으며, 레이돔 외부 유동에 대해서 Pressure far field 조건으로 경계 조건을 설정하였다. 레이돔의 외부 벽면에서 발생한 Heat dissipation이 레이돔 벽면부로 전도가 발생하는 경계 조건을 설정하였다. 레이돔의 Base 부분은 레이더 운용 온도에 맞게 일정하게 유지되므로, 300K으로 등온 조건을 설정하였다.
따라서 유동 및 전도 해석으로부터 얻어지는 레이돔 벽면부 온도에 해당하는 BeO 물성(유전상수, Loss tangent)을 도출할 수 있다. 비행속도가 증가할수록 레이돔의 선단부와 후단부의 온도 상승 정도에 차이를 보인다. 레이돔 후단부보다 레이돔 선단부에서 온도 상승이 크게 일어난다는 사실을 확인할 수 있다.
제안 방법
9m를 기 준으로 공력가열에 따른 온도 변화를 시간에 따라 도출했다. 각 위치에서 전기적 물성치의 변화를 반영해 시간에 따른 FSS 레이돔의 전파 투과특성을 도출하였다.
기존 FSS에 대한 연구는 전기적 관점에서만 분석이 이루어져 왔지만, 본 연구에서는 공력가열로 인해 레이돔의 온도 상승이라는 요소를 고려함으로써 기계적 환경을 고려한 FSS의 전파 투과 특성에 대한 분석을 진행하였다. 더 나아가 레이돔 노즈 팁의 실제 적용 소재를 반영했을 때, 전파 투과 특성에 변화에 관한 연구가 진행되어야 할 것이다.
기존 문헌[8]에 제시된 DF-21의 비행 시나리오를 참고하여 특히 공력가열이 크게 발생하는 영역인 Boost phase 구간 (0 초∼74 초)을 비행 조건으로 적용하였다. 비행 조건 동안 공력 가열 에 의해 레이돔의 온도는 상승하며, 레이돔의 위치에 따라 온도 상승하는 정도가 다르게 나타났다.
비행 조건 동안 공력 가열 에 의해 레이돔의 온도는 상승하며, 레이돔의 위치에 따라 온도 상승하는 정도가 다르게 나타났다. 레이돔의 Nose로부터 떨어진 거리를 라고 할 때, x=0.1m, x=0.5m, x=0.9m, 세 지점에 대해 각각 비행 중 전파 투과 특성이 변화하는 양상을 도출하였다.
대상 데이터
5이다[10]. FSS를 구성하고 있는 금속층의 소재는 구리를 사용하였다. 또한, 레이돔은 전파 투과 특성을 향상시키기 위해 특정 주파수 대역에 대해 이상적인 Band-pass filter의 특성을 띄도록 설계되어야 한다.
레이돔의 구성 소재의 경우, 공력가열 발생에 대해 내열성을 지니고 있는 소재인 Beryllium oxide (BeO)를 적용했으며, 상온에서 유전율은 6.5이다[10]. FSS를 구성하고 있는 금속층의 소재는 구리를 사용하였다.
미사일 레이돔의 소재로는 내열성 소재인 세라믹을 이용하며, 일반적으로 유전체의 특성을 지닌다. Fig.
데이터처리
ANSYS Fluent 15.0을 이용해 열유동 수치해석을 진행했다. 난류 모델은 SST-k.
2에서의 격자 테스트는 공력 가열에 가장 큰 영향을 받는 레이돔의 노즈 팁 영역의 온도를 기준으로 수행하였다. COMSOL Multiphysics 5.2를 이용해 전파 투과 특성 수치 해석을 진행하였다. Electromagnetic Module을 사용하였으며, 격자의 최대 크기는 1 mm 수준으로 형성하였다.
Electromagnetic Module을 사용하였으며, 격자의 최대 크기는 1 mm 수준으로 형성하였다. Chandrika Sudhendra 등[3]이 제시한 Jerusalem cross (JSC) 패턴에 대한 투과율 데이터를 이용해 해석 모델의 검증을 진행하였다. Fig.
공력가열에 따른 FSS 레이돔의 전파 투과 특성을 도출하기 위해 수치 해석적 방법을 이용했으며, 상용프로그램 ANSYS Fluent 15.0와 COMSOL Multiphysics 5.2를 사용하였다. R.
9m) 에서 모두 유전상수와 Loss tangent의 값이 증가하는 경향을 보이며, 세 지점 중 위치에서 전파 투과 특성이 가장 크게 변화하고, 위치에서 가장 적게 변화한다. 또한, 전파 투과 특성의 변화를 정량화하기 위하여 FSS 레이돔의 대역폭(dB)에 대한 평균 투과율 값을 도출하였다. 평균 투과율 값이 –3 dB보다 낮아지는 시점은 x=0.
이론/모형
비행 시나리오 상 시간에 따라 비행 조건이 변화하는 점을 고려하기 위해 Transient method를 적용했다. Full transient method를 적용하는 경우 수치 해석 비용이 크게 발생하므로, 이러한 문제를 해결하기 위해 Quasi-transient method를 사용하였다[9]. 도출한 레이돔의 온도를 반영하여 FSS 레이돔의 전파 투과 특성을 도출하였다[10].
R. Savelsberg[8] 의 논문을 통해 알려져 있는 Dong-Feng 21 (DF-21) 비행 시나리오를 미사일 비행 조건으로 참고하였다.
R. Savelsberg[8]의 논문에 제시되어 있는 미사일(DF-21)의 궤적을 토대로 경계 조건을 설정하였다. 공력가열이 가장 크게 발생하는 영역에 대해 수치해석을 수행하기 위해 Boost phase 구간( 초∼ 초)을 비행 시나리오 조건으로 설정하였다.
레이돔의 전기적 물성치, 금속층의 기하학적 패턴의 사이즈, 레이돔 두께 및 금속층 사이 간격 등의 요소들이 전파 투과 특성에 미치는 영향이 복합적이기 때문에, 이들 사이에 일반화된 관계를 알기 힘들다[4]. 따라서 전파 투과 특성이 X-band 영역에 대해 대역폭이 1 GHz 이내가 되도록 Trial & Error 방법을 통해 FSS 구조 설계를 진행했다. Fig.
w. 모델(Menter’s Shear Stress Transport k-omega turbulence model)을 사용했으며, 격자는 Fig. 2 에서 보는 바와 같이 170000 개 수준에서 수렴하는 경향을 보인다.
비행 시나리오 상 시간에 따라 비행 조건이 변화하는 점을 고려하기 위해 Transient method를 적용했다. Full transient method를 적용하는 경우 수치 해석 비용이 크게 발생하므로, 이러한 문제를 해결하기 위해 Quasi-transient method를 사용하였다[9].
성능/효과
공력 가열로 인한 레이돔의 온도 상승에 의해 레이돔의 세 위치(x=0.1m, x=0.5m, x=0.9m) 에서 모두 유전상수와 Loss tangent의 값이 증가하는 경향을 보이며, 세 지점 중 위치에서 전파 투과 특성이 가장 크게 변화하고, 위치에서 가장 적게 변화한다. 또한, 전파 투과 특성의 변화를 정량화하기 위하여 FSS 레이돔의 대역폭(dB)에 대한 평균 투과율 값을 도출하였다.
비행속도가 증가할수록 레이돔의 선단부와 후단부의 온도 상승 정도에 차이를 보인다. 레이돔 후단부보다 레이돔 선단부에서 온도 상승이 크게 일어난다는 사실을 확인할 수 있다. Figs.
후속연구
기존 FSS에 대한 연구는 전기적 관점에서만 분석이 이루어져 왔지만, 본 연구에서는 공력가열로 인해 레이돔의 온도 상승이라는 요소를 고려함으로써 기계적 환경을 고려한 FSS의 전파 투과 특성에 대한 분석을 진행하였다. 더 나아가 레이돔 노즈 팁의 실제 적용 소재를 반영했을 때, 전파 투과 특성에 변화에 관한 연구가 진행되어야 할 것이다. 이러한 연구 결과는 향후 공력 가열과 같은 기계적 환경을 고려한 다양한 FSS 기술 개발과 효과적인 레이돔 설계에 이용할 수 있을 것이다.
더 나아가 레이돔 노즈 팁의 실제 적용 소재를 반영했을 때, 전파 투과 특성에 변화에 관한 연구가 진행되어야 할 것이다. 이러한 연구 결과는 향후 공력 가열과 같은 기계적 환경을 고려한 다양한 FSS 기술 개발과 효과적인 레이돔 설계에 이용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이돔은 무엇인가?
레이돔은 레이더와 돔의 합성어로 조류, 우박, 바람과 같은 외부 환경으로부터 레이더를 보호하는 역할을 한다[1]. 레이돔은 레이더를 보호하는 기계적 특성을 지니는 동시에 레이더의 전자 기파 송수신이 용이하도록 전기적 특성을 지녀야 한다.
레이돔의 기계적 특성과 전기적 특성의 관계는 무엇인가?
앞서 언급한 기계적 특성과 전기적 특성이 레이돔을 설계하는 데 고려해야 하는 주요 요소이다. 이 두 가지 요소는 서로 Trade-off 관계에 있다[2].
레이돔이 가져야 하는 특성은 무엇인가?
레이돔은 레이더와 돔의 합성어로 조류, 우박, 바람과 같은 외부 환경으로부터 레이더를 보호하는 역할을 한다[1]. 레이돔은 레이더를 보호하는 기계적 특성을 지니는 동시에 레이더의 전자 기파 송수신이 용이하도록 전기적 특성을 지녀야 한다. 레이돔은 비행기, 미사일, 선박, 건물 등 다양한 부분에 사용되며, 운용 목적에 따라 레이돔의 구성 및 설계가 달라진다[1].
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