레이다 흡수 구조를 적용한 RCS 시뮬레이션

I. 연구 배경

최근 우크라이나-러시아 사태에서 다양한 레이더의 활약상이 소개되고, 탐지 성능은 나날이 발전하고 있다. 이에 방산관련 업체에서는 레이더에 탐지되지 않는 스텔스 성능에 대한 연구개발이 추세이며, 흡수 물질이나 구조는 설계 후 측정하는 것이 가능하지만, 실제 기체에 적용하여 측정하기엔 장소, 시간 그리고 비용에 대한 제약이 있다. 따라서, 기체 표면에 입사되는 전자파를 흡수하는 구조인 RAS(Radar Absorption Structure)를 최적화 설계 후 실제 크기와 같은 3D 모델에 적용하고, 스텔스 성능 지표인 RCS(Radar Cross Section)[1] 결과를 Ansys사 HFSS 시뮬레이션 툴을 통해 확인하는 방법을 제시한다.

II. RAS 구조 최적화 후 RCS 분석

RCS 개선을 위한 솔루션으로는 Fig.1에서 볼 수 있듯이 두 가지 방법이 존재하고, 이 둘을 적절히 섞은 Honeycomb 방식의 흡수 구조를 적용하였다.[2]

Fig 1. RCS 개선을 위한 솔루션

Fig.2-(a)처럼 제안하는 흡수 구조는 기체 성능 및 풍하중에 유리하도록 총 두께 6mm로 매우 낮게 설계하였으며, 상부 Paint, 유리섬유, HoneyComb. 순으로 구성되어 있다. 이어서 흡수 성능을 분석할 때는 입사파를 정의 해야 하는데, 일반적으로 군용레이더가 X-Band(8~ 12GHz)대역을 사용하기 때문에, 본 논문에서는 중심주파수인 10GHz의 Microwave를 0도 부터 45도 까지 5도 단위로 입사시키는 환경을 구성하였다. Fig.2-(b)와 같이 시뮬레이션 한 결과 X축은 주파수, Y축은 Absorption [dB]을 갖는 그래프를 얻을 수 있고, 분석한 결과 10GHz 기준 모든 각도에서 90% 이상의 흡수능을 갖는 것으로 확인되었다.

Fig 2. 흡수 구조 설계

(a)흡수 구조 모델링 (b)Absorption[dB] 분석 위 결과를 바탕으로 입사계수에 따른 반사/투과계수를 .rttbl 파일형태로 추출하고, 이후 Fig.3처럼 실제 F-22의 디자인을 적용하여 알루미늄 표면 위에 Fresnel 경계조건을 정의하였다.

Fig 3. HFSS SBR+ 환경에서 Fresnel 경계조건 적용

위 순서대로 시뮬레이션 환경을 구성 후 해석하였으며, 경계조건을 적용한 모델링과 아무것도 적용하지 않은 기존 모델링과의 RCS[dBsm]수치를 Fig.4에서 비교하였다.

Fig 4. Result 분석 : RCS 개선 확인

III. 결론

본 연구를 통해 기존 RCS값 보다 흡수구조체를 적용한 모델링이 최대 38dBsm 개선되었고, 실효 방위각(공대공) 기준 평균 18dBsm 개선 되었다.

결과적으로 스텔스 성능을 가늠하는 RCS 측정은 장소 섭외가 어렵고 시간/비용이 많이 소요되지만, 시뮬레이션을 활용한다면 RCS 결과 도출이 충분히 가능하다는 것과, 짧은 시간 안에 경향성을 파악할 수 있다는 것을 확인하였다.

*본 원고는 2023년 한국전자파학회 하계종학술대회 논문집 Vol. 11에서도 확인 가능합니다.

참고문헌

[1] Eugene F. Knott, Radar Cross Section Measurements, SciTech Publishing, 2006

[2] F. Ruiz-Perez, et al, “Carbon-based radar absorbing materials: A critical review,” Journal of Science: Advanced Materials and Devices, vol. 7, Issue. 2, Sep. 2022.

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