레이더의 원리

2012 포스팅 자료실 2012.08.03 19:41

전파 특성과 레이더의 원리 ?

 

 

전투기의 눈이 되어주는 레이더의 원리는 무엇일까 ?

 

임상민교수님의 '전투기의 이해'를 빌어 레이더 체계에 대해 알아보려고 한다.

 

『 레이더(RADAR)는 'RAdio Detecting And Ranging'의 약어로, 전파를 이용해 물체가 어디 있는지 위치를 탐지하고 거리를 측정하는 장치이다. 전파는 전자기파의 일종으로 빛과 같이 일정한 속도로 직진하려는 특성을 지니며, 이 직진성은 파장이 짧을수록 강해진다. 또한 전파는 물체에 부딪치면 물체로부터 재방사되어 반사되는 특성을 지니고 있다. 레이더는 이러한 전파의 직진성과 반사 특성을 이용해 물체의 위치를 탐지하고 거리를 측정한다.

 

레이더는 안테나로부터 전파에너지를 공중에 빔 형태로 방사시켜 적기로 부터 반사된 전파를 분석하여 적기를 탐지한다. 반사파의 방향을 정밀하게 분석한다면 적기의 방향까지 알아낼 수 있고, 또 반사파의 높낮이로 적기의 고도까지 알아낼 수 있다. 뿐만 아니라 전파 속도가 일정하다는 특성을 이용하면 반사파의 도달 시간을 측정하여 적기와의 거리까지 산출해낼 수 있다.  』

 

 

레이더는 언제 부터 사용되었을까 ?

 

위키페디아에 따르면,

 

『  어두운 곳을 나는 박쥐가 초음파를 발사해 그 반사음으로 부딪치지 않고 비행하는 것부터 힌트를 얻었다.
 
1930년 독일이나 영국등에서 실용화되어 1940년 영국은 독일 공군의 공습에 대한 요격 전투에 사용하였다. 초기의 레이더는 비가 내리면 반사되어 거의 도움이 되지 않았고, 지향성도 불충분했다.
 
일본인이 발명한 야기 우다 안테나(이하 야기 안테나)는 지향성을 갖추는 획기적인 기술이었다. 이것은 구미에서 크게 호평을 받아서 각국에서 군사면에서의 기술개발이 급속히 진행되었다. 그 성과는 마침내 영국 본토 항공전에서 꽃 피었다. 독일 공군의 공습에 대해서 영국 공군은 레이더를 사용한 방공 시스템으로 효율적으로 대처할 수 있어 이 싸움은 전쟁의 분수령이 되었다. 또 나막신 시마오키 해전이나 빌라·스탄모아 야전에서 미국 해군은 레이더를 활용해 일본 해군을 상대로 승리를 거두었다. 이렇게 해서 레이더는 전쟁을 좌우하는 중요한 정보기기가 되었다.
 
당시 일본군은 야기 안테나를 완전히 불필요한 것으로 배제해 레이더 개발은 하지 않았다. 그 후 미군이 야기 안테나를 이용하고 있는 것을 알고 서둘러 개발했지만 때는 이미 늦었다.  』

 

 

송신기와 안테나

 

송신기(transmitter)는 레이더의 전파에너지를 발생시키는 장치이다.

송신기의 마그네트론을 자극하면 고주파의 전파가 발진하는데, 이때 나오는 전파는 동기기(synchronizer)와 변조기(modulator)의 변조를 거쳐 도파관(Wave Guides)으로 전달된다. 그 다음 전파는 진행파관(Travelling Wave Tube)을 거쳐 넓은 파장대로 증폭되고, 최종적으로 안테나를 통해 빔 형태로 방사된다.

 

전파가 적기에 부딪쳐오면 송신기는 다시 그것을 수신하는 역할까지 한다.

초기에는 전파 빔을 집속할 수 있도록 포물선형인 파라볼라 안테나로 설계했으나, 1970년대 전투기부터는 평판배열 안테나가 전투기 레이더 안테나의 주류를 이루었다. 평판배열 안테나는 평판에 줄지어 홈을 판 형상을 하고 있고, 각 홈들의 뒷면에는 도파관이 연결되어 있다. 홈마다 연결된 도파관을 통해 에너지를 통제함으로써 평판배열 안테나 전면의 방사에너지 분포를 조절할 수 있기 때문에 안테나 이득, 빔 폭, 사이드 로브(side lobe) 등을 통제하기 쉽다는 것이 특징이다.

(사이드 로브는 안테나의 메인 빔 주위로 빔이 새는 것을 말하는데, 사이드 로브를 통제함으로써 높은 효율로 안테나 이득을 얻을 수 있다는 것이 평판배열 안테나의 장점이다)

 

평판배열 안테나의 뒤를 이어 전투기 레이더의 주류로 등장하고 있는 안테나가 바로 능동전자주사배열 안테나(AESA, active electronically scanned array antenna)이다.


 

 

 

레이더 탐지 공간과 탐색 패턴

 

전투기 레이더는 표적을 탐지하기 위해 안테나에서 방사되는 빔을 일정 영역에 발사하여 좌우로 왕복하며 순차적으로 탐색한다. 이때 좌우로 왕복하는 레이더 빔을 바(bar)라고 부른다. 이 바의 수는 레이더에 따라 다르며 전술적인 상황에 따라 선택이 가능하다.

 

바가 좌우로 가로지르는 각을 방위각이라고 하고, 바가 상하로 가로지느는 각을 고각이라고 한다. 이 방위각과 고각으로 결합되는 공간이 전투기 레이더의 탐지공간이 된다.

 

 

 

 

각각의 바는 좌우로 왕복하는 데 일정한 시간이 걸린다.

 따라서 바를 최대한 많이 선택하면 상하로 넓은 공간을 탐색할 수 있는 반면, 탐색 시간이 오래 걸린다.

또 바가 많아지면 탐색 공간의 상하를 조절할 수 있는 반면, 에너지가 분산된다는 단점이 있다. 바의 개수를 줄이면 그만큼 에너지를 집중시킬 수 있기 때문에 적기를 멀리서도 포착할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 바의 선택은 적기의 예상 위치와 전술적인 상황을 고려하여 결정한다.

 

 

출처 : 전투기의 이해, 위키페디아

사진 출처 : Raytheon illustration

 

 

BlueEdge 항공블로그

 

저작자 표시 비영리 변경 금지
신고

'2012 포스팅 자료실' 카테고리의 다른 글

로빈슨 R 시리즈  (0) 2012.08.04
S-76  (0) 2012.08.03
극저음 무인기 '드론'  (0) 2012.08.03
레이더의 원리  (0) 2012.08.03
S-92, 해상상태 6급 운용 인증 획득  (0) 2012.08.03
영국 퓨마 Mk2, 개량사업  (0) 2012.08.03
캐나다용 CH-147F 첫 비행  (0) 2012.08.02
AW159 영국 육,해군에 인도  (0) 2012.08.02

[RCS] 스텔스 원리 - 레이더 반사 면적(Rader Cross Section)

2012 포스팅 자료실 2012.02.09 18:19
**스텔스 원리 - [RCS] 레이더 반사 면적(Rader Cross Section)]**
Stealth 스텔스기 - RCS 레이더 반사 면적


RCS : Rader Cross Section
현대 전투기에서 RCS는 매우 중요하게 다루어지고 있다.
RCS는 레이더 반사 면적으로서 적의 전파에 대한 자신의 반사파의 면적량을 말한다. 이 RCS를 0.005 이하로 줄인 대표적인 기체가 F-22 Rapter 이다. F-22의 레이더 단면적은 곤충과 같은 정도이다.


스텔스기를 만들기 위해서는 이 RCS를 줄여야한다. RCS를 줄이는 방법으로는 RAM(Rader Absorbing Material : 전파흡수소재)과 RAS(Rader Absorbing Structure : 전파흡수구조) 두가지가 주로 사용된다. RAM은 레이더 송신기에서 방사된 전파를 흡수하는 흡수재를 개발하는 것이고, RAS는 항공기가 전파를 산란시켜 되돌아가지 못하게끔 항공기의 표면을 설계하는 것이다.

1. RAM
RAM은 전자기파를 열로 변화시켜 레이더를 흡수하는 물질이며, 고무를 주성분으로 하는 접착타일 방식과 페인트 방식이 있다.
과거에는 RAM으로 스텔스 도료를 사용하였다. 미국의 정찰기인 U-2에 '아이언볼(Iron Ball)' 이라는 도료가 발라졌으며, 그후 SR-71 이나 F-117, B-2 등 1~2세대 스텔스기들에 많이 사용되었다. 하지만 RAM 도료는 가격이 비쌀 뿐만 아니라 비행할 때마다 상당 부분이 벗겨저 도색을 반복해야 했고, 이러한 도색 작업은 세밀한 주의와 많은 시간을 필요로 했다. 이에따라 RAM은 잘 벗겨지고 재도포가 어려운 도료보다는 아예 기체에 장착해버리는 부품 및 구조물 형태로 진화하게 되었다. 플라스틱 기술이 항공기 부품을 만들어낼 수 있을 정도로 발전함에 따라 RAM은 이제 번거로운 도색의 필요가 없는 플라스틱 소재로서 스텔스기에 장착되고 있다. 

RAM 자세히 알아보기.

RAM에는 접착타일 방식과 페인트 방식이 있다.
타일 방식은 공기흡입구에 부착되는 방식으로, 노즐주변 등의 고온부에는 세라믹으로 처리된 타일이 사용된ㄷ. 페인트 방식은 RAP(Rader Absorbing Paint) 라고도 불리우며, 레이더 흡수 페인트는 날개나 핀의 앞전에 칠해져 전파를 흡수한다.

RAM의 소재는 다양한 물질이 사용되고 있고, 최근에는 부전도성 레이더 흡수물질과 자기성 물질이 주로 사용되고 있다. 절연성 물질에는 탄소 생성물을 추가함으로써 전자적 저항을 불러오고, 전자적 속성을 변화시킨다. 그래서 탄소에 기초한 흡수물질은 부전도성 레이더 흡수물질이라고도 불리운다. 부전도성 레이더 흡수물질은 공간이 제한되고 기계적 흔들림이 큰 곳에서는 부피가 크고 깨지기 쉽다.

자기성 레이더 흡수물질은 카르보닐 철(Carbony Iron)과 페라이트(Ferite)라고 불리우는 아철산염(Iron-oxide)과 같은 철의 화합물을 사용한다. 철은 레이더를 효과적으로 분산시키기 때문에 페인트 방식에 주로 사용되어 왔다. 이러한 방식은 고주파수의 전투기 레이더에 대해 효과적이다.

레이더 흡수 페인트는 페라이트 페인트 또는 아이언 볼 페인트라고도 불리며, 분사가 가능하고, 다양한 두께로 분사될 수 있는 장점이 있다. 폴리우레탄에 기초하여 제작되고 있으며, 인접된 패널사이에 분사될 경우 전자적 결합이라는 추가적인 효과를 얻을 수 있기 때문에 활용도가 높다. 다만 산화되는 경향으로 인해 지속적인 관리가 필요하며, 특히 함재기의 경우 추가정비 소요가 발생한다는 단점이 있다.



2. RAS
스텔스의 외형은 레이더 반사파를 레이더 발원체에 다시 반사시키지 않게 설계된다. 물론 이러한 설계방식은 완벽할 수 없다. 일정 각도로 반사시키는 반사파가 포착될 수 있기 때문이다. 이러한 특정각도의 레이더파 반사를 '레이더 스파이크(Rader spike)'라고 한다. 스텔스 외형은 이 레이더 스파이크를 통제하는 것이다. 반사면을 세밀하게 고려하여 설계하면 매우 적은 레이더 스파이크에 집중시킬 수 있으며, 스텔스기는 이 스파이크를 고려하여 적 레이더에 대한 회피전술을 구사하고 포착을 어렵게 할 수 있다. 스텔스 형상설계는 주익과 미익의 앞전과 뒷전, 조종면 등의 불연속면과 경사면의 각도를 일정하게 정렬시키는 방식으로 구성된다. 이때 레이더파가 두 번 반사되어 다시 되돌아가는 코너반사면을 막도록 설계하는 것이 중요하다.

RAS에 있어서 빠트릴 수 없는 것이 있다. 바로 무장창이다. 보통의 전투기들은 날개에 파일런을 달고 그곳에 무기를 장착하지만, 이는 레이더 반사에 치명적이다. 그렇기 때문에 현대의 스텔스 전투기들은 내부 무장창을 사용한다. 내부 무장창을 여는 순간 기체는 레이더에 잡히지만 창을 열고 무기를 발사시키는데는 3초도 걸리지 않기 때문에 큰 무리는 없다고 한다.


지금 까지 블루엣지였습니다.
참고 : 양욱 선생님, 임상민 선생님
저작자 표시 변경 금지
신고