항공기 레이더 스텔스 기술 개발동향 및 발전방향

[출처: 국방기술진흥연구소 디팀스위클리 네이버포스트]

 세계대전을 포함한 주요 전쟁이 발발한 이래로 항공기, 잠수함, 탱크 등 주요 군사 장비가 발각되어 피격되지 않도록 하기 위한 노력이 지속되었다. 전장감시체계의 발전으로 현대전장환경에서 저피탐 스텔스 능력이 없이는 생존이 어려워짐에 따라 필수적으로 확보해야 하는 국가전략기술이 되었다. 적을 탐지하기 위해 레이더 신호, 적외선 신호, 시각적 신호, 음향 신호 등의 다양한 신호를 활용하는데 이 중 레이더 신호는 타 탐지 신호 대비 탐지거리가 가장 길어 적의 공격 방어 및 항공 비행체의 생존 가능성을 증대시켜 주는 주요한 인자로 꼽힌다. 본 고에서는 이러한 레이더 신호에 의한 피탐성을 낮추기 위해 항공기에 적용된 스텔스 기술과 개발동향을 소개하고 발전방향에 대해 논하고자 한다.

조 수 영
국방기술진흥연구소 기반체계기술팀
연구원
 

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1. 서 론
 스텔스 기술은 적의 레이더 신호(Radar Signature), 적외선 신호(Infrared Signature), 시각적 신호(Visual Signature), 음향 신호(Acoustic Signature)로부터 아군의 무기체계가 탐지되는 시간을 연장하거나 탐지 가능성을 감소시켜 생존성을 향상시킴과 동시에 종심표적에 대한 감시 및 타격 임무 등의 성공률을 높일 수 있는 중요한 군사적 기술이다.

<그림 1> 다중 스펙트럼 호환 스텔스 개념(출처: [1])

 4가지 신호 중 레이더 신호의 경우 타 탐지 신호 대비 탐지거리가 가장 길어 대부분의 대공무기체계에서 탐지수단으로 활용하고 있다. 중·장거리 대공미사일에도 레이더 유도방식을 주로 사용하고 있기 때문에 스텔스 항공기에서 레이더 신호에 대한 대응 능력은 상당히 중요하다.
 레이더(RADAR: RAdio Detection And Ranging)는 방사된 전자파 신호가 물체 표면에서 반사되어 레이더 수신기에 수신되는데 이를 활용하여 표적 위치 및 속도를 계산하는 방식으로 적을 탐지한다. 표적이 전자파 신호를 반사시키는 정도는 표적의 레이더 단면적(RCS: Radar Cross Section)으로 나타내며 물체 표면에서 반사, 회절, 흡수, 표면을 따라 이동하는 등 여러 산란현상 결과물로 결정된다. 따라서, RCS는 항공기의 크기, 재질, 형상뿐만 아니라 탐지 레이더의 주파수 및 반사 각도에 따라 다르며 RCS 값이 항공기 탐지 최대거리에 직접적인 영향을 미치기 때문에 탐지거리 감소를 위한 상당 수준의 노력이 필요하다(R _{max}  PROPTO  root {4} of {RCS}).

<그림 2> 다양한 물체별 RCS(m2, dBsm)(좌, 출처: [2]), 군용항공기 별 RCS(m2)(우, 출처: [10])

 본 고에서는 이러한 항공기의 레이더 피탐성을 낮추기 위해 진행 중인 국방 레이더 스텔스 기술 관련 연구과제를 소개하고, RCS 저감을 위한 기술별 개발 동향을 파악하여 향후 저피탐 항공기 기술 발전방향에 대해 고찰하고자 한다.

<그림 3> 레이더 탐지 작동 원리 개념도(출처: [2])

2. 국방 레이더 스텔스 개발동향
 국내 항공분야 레이더 스텔스 기술은 국가 주도로 기술개발을 진행하고 있으며, 무인기 및 전투기 등에 적용 가능한 기초연구~응용연구 수준의 형상설계 및 소재 기술 개발이 이루어지고 있다.
 <표 1>에 국방 레이더 스텔스 관련 과제 현황을 정리하였으며 <표 2>에는 과제별 연구내용을 작성하였다. <표 2>의 경우 단위과제를 포함하는 특화연구실, 특화연구센터, 무기체계 패키지형 등의 단계는 레이더 스텔스와 관련된 세부과제에 대해 나타냈다.
 
<표 1> 국방 레이더 스텔스 관련 과제 현황(출처: [3], [4])

 현재 국내 국방 레이더 스텔스 기술은 기술적 접근방법 및 수행방안에서 일부 차이점이 있으나 전체적인 기술동향을 살펴보았을 때 ①항공기 레이더 스텔스 형상설계 기술 / ②전파흡수소재 또는 전파흡수구조 제작 및 설계 기술 / ③플라즈마 스텔스 기술과 같이 크게 3가지 방향으로 연구가 진행되고 있음을 확인할 수 있다.
 실제로 동체 및 날개 앞전, 엔진 흡입구 및 노즐, 무장과 같은 외부장착물과 안테나, 조종실 등에서 발생하는 정반사 및 다중반사가 항공기 RCS 증가의 주 요인이 되며 이러한 RCS 증가 요인을 낮추기 위한 형상/구조 설계과정이 반드시 필요하다. 또한, 경량 전파흡수소재, 다양한 주파수 영역대에 적용가능한 광대역 전파흡수구조 등에 대한 원천기술 확보도 진행되어야 한다. 부가적으로 RCS 산란부 및 내부무장창 등 RCS가 높게 측정되는 구조물에의 적용을 위한 플라즈마 스텔스 기술이 기획되어 있다.

<표 2> 국방 레이더 스텔스 관련 과제 연구내용(출처: [3], [4])

  
3. RCS 저감 기술별 개발동향
 3.1. RCS 저감 형상 설계 기술(항공기 형상설계)
 항공기의 RCS를 직접적으로 저감시킬 수 있는 가장 효과적인 방법으로 항공기에 입사되는 전자파가 최대한 적게 반사되도록 비행체 형상을 설계한다. RCS는 항공기 외형, 엔진 흡입구, 노즐 형상, 조종면, 덮개문, 연료탱크, 무장, 기타 외부 장착물 등의 다양한 구성 요소들의 영향을 받으며 최적화 과정에서 물체의 외부 표면과 가장자리 처리를 어떻게 하는지가 가장 중요하다. 동체 외부를 다수의 기울기를 가진 경계면으로 설계하여 전자파가 정반사되는 요소를 최소화 한 기체로 F-117, RAH-66이 있다. F-117의 경우 후퇴 날개를 기준으로 동체 형상 경계면의 기울기를 정렬하여 전자파가 정반사되는 요소를 최소화하여 실제 걸프전 당시 적의 레이더 및 방공망을 뚫고 주요 지휘통제소 및 군사기지를 파괴한 전례가 있다. RAH-66 역시 기체 측면을 경사진 평면으로 구성하여 스텔스 성능을 강화하였다.

<그림 4> F-117 Nighthawk(좌), RAH-66 Comanche(우)(출처: [5])

 하지만, 이러한 방식의 설계는 비행체의 공기역학적 성능에는 저해가 되어 최근에는 연속적으로 연결되며 곡률의 값은 일정하지 않은 외형으로 설계하거나 전자파를 강하게 반사시키는 면의 반사각도를 특정 방향으로 편중시키는 형상설계 기법이 많이 적용되고 있다. V자형 꼬리 날개 형상, BWB(Blended Wing Body)형상, 꼬리 날개가 없는 무미익 전익기 형상 등이 전자파의 다중반사를 방지하기 위해 설계된 대표적인 외형형상이다. 항공기의 외형 형상 뿐만 아니라 무장, 안테나 등 외부로 돌출된 항공장비 역시 RCS 증가의 주 요인이며 영향을 최소화하기 위해 동체 내부에 매립하여 설계하는 추세이다.
 엔진의 흡입구 또는 노즐부도 RCS 증가의 주 요인이며 B-2, B-21과 같이 엔진 흡입구를 동체 상부에 배치하여 전자파가 직접 엔진 흡입구를 통해 유입되지 않도록 함으로서 피탐 확률을 최소화하였다. 최근 미공군이 공식적으로 공개한 B-21 차세대 스텔스 폭격기의 경우 기존 B-2와 같이 엔진 흡입구가 상부에 위치하였으나 흡입구 돌출 크기를 축소시키고, 부드럽게 매립되어 있는 형상을 하고 있는데 이러한 설계 방향 역시 RCS 저감 형상 설계가 적용된 것을 확인할 수 있다.

<그림 5> B-2 Spirit(좌)(출처: [5]), B-21 Raider(우)(출처: U.S. Air Force)

 F-22와 같이 노즐 흡입구를 S자형으로 설계하거나 F-35와 같이 경계층 분리기가 없는 흡입구 DSI(Diverter-less Supersonic Inlet) 개념을 적용하여 RCS를 저감시키기도 하였다.

<그림 6> F-22 Raptor(좌), F-35 Lightning Ⅱ(우)(출처: [5])

 3.2. RAM/RAS를 이용한 전자파 흡수 기술
 전자파가 항공기 기체 표면에 도달하게 되면 반사, 회절, 흡수, 표면을 따라 이동하는 등 다양한 산란현상이 발생한다. 이때 산란현상이 일어나게 되는 비중은 기체 표면의 소재에 따라 달라지는데 항공기 기체 표면에 많이 쓰이는 알루미늄과 같은 전도성 물질의 경우 반사율이 높아 입사된 전자파를 대부분 반사시켜 적으로부터 피탐되기 쉬운 한편 전자파흡수체는 이러한 전자파의 흡수율을 높여 피탐성을 높이는 효과가 있다. 이러한, 전자파 흡수소재(RAM: Radar Absorbing Materials)는 사용 목적에 따라 시트, 폼, 도료 등 다양한 형태로 제작되는데, 이 중 도료형태의 경우 복잡한 형상으로 되어있는 항공기 외부에의 적용 편리성 덕분에 U-2, SR-71, F-117, F-22 등 많은 기종에 적용되었다. 전파흡수체에 사용되는 특성에 따라 자성체(페라이트 계열), 유전체(카본블랙 등), 전도체(폴리피롤 등 전도성 고분자 계열)로 구분되며 필요에 따라 혼합하여 사용되기도 한다.

<그림 7> RAM에 의한 전자파 흡수 원리 개념도(출처: [2])

 RAM은 초기 스텔스기에 많이 적용되었으나 내구성이 약해 고속 비행 및 가혹 조건에서의 운용 조건에서 자주 손상되어 운용유지에 관한 문제가 발생하였다. F-117, F-22의 경우 도료형 전파 흡수 소재를 적용하였으나 도료형 소재의 낮은 내구성과 잦은 유지보수 문제에 직면한 바 있다. 이러한 RAM의 문제점을 보완하기 위해 기존 복합재 구조물 제작 시 전자파 흡수물질을 추가하여 전자파를 흡수하면서 하중 지탱까지 가능한 전자파 흡수구조 (RAS: Radar Absorbing Structure) 기술이 개발되었다. 섬유강화 고분자 복합재료의 특성을 이용하여 제작하는 RAS는 전자파흡수층과 전자파반사층으로 구성되어 표면에서 반사되는 전자파와 전자파반사층에서 반사되는 전자파를 상쇄시켜 RCS를 저감함과 동시에 탄소복합재로 이루어진 전파반사층에 의해 하중지지 구조물의 역할까지 수행할 수 있다는 장점이 있다.

<그림 8> RAS에 의한 전자파 흡수 원리 개념도(출처: [6])

 최근에는 최적의 유전율, 투자율, 두께, 흡수체 조성을 가지는 스텔스 소재 설계를 통해 다양한 주파수 대역 커버가 가능한 광대역 RAS 기술을 개발하는 추세에 있으며 흡수층에 주로 카본복합재섬유, CNT(Carbon Nanotube), 금속층(Ti)과 탄소층이 교대로 쌓인 나노물질 MXene 등 다양한 소재 개발을 통해 전파흡수율을 높이면서 경량화하는 연구를 진행하고 있다.
 
 3.3. 플라즈마 스텔스 기술
 플라즈마는 제 4의 물질 상태라고 알려져 있는 물질의 형태로 강한 전기장 또는 열로 인해 물질이 전자, 중성자, 이온 등의 입자들로 나누어진 상태로 정의된다. 플라즈마 스텔스는 러시아에서 시작된 개념으로 전자파와 플라즈마 사이의 특성을 이용하여 레이더 추적에 대응하고자 하였다. 전자파가 플라즈마 영역 주위를 휘어 지나가게 되면 대전된 입자에 부딪혀 흡수되거나 다른 주파수로 변환되는 특성이 있어 이 점을 활용한 것이다. 항공기 전방에 플라즈마 발생기를 설치하여 동체 주변에 생성되도록 하고, 날개 끝단에 자기장 발생장치를 설치하여 생성되어 있는 플라즈마 층을 고정시켜 레이더로부터 탐지되지 않도록 하는 아이디어였다.
 
 러시아에서 개발한 5세대 스텔스 전투기 SU-57의 개발 과정이 일부 소개되며 플라즈마 스텔스 기술이 적용되었을 것이라는 추측도 있었으나, 실용화되었다는 증거는 없는 상태이다. 플라즈마 스텔스 기술은 레이더에 의한 피탐 가능성은 줄일 수 있지만 다른 전자기적 탐지 방법으로 쉽게 탐지할 수 있을뿐더러 플라즈마, 자기장 발생장치로 인한 중량증가 및 기동력 저하(막대한 양의 에너지 소비)를 가져올 수 있다. 또한, 전투기의 고속 기동에 맞추어 플라즈마 막을 기체 표면에 유지시키기도 어려운 등 보완되어야 할 문제가 많은 기술이다.

4. 발전방향
 먼저 플라즈마 스텔스 기술은 실용화에 있어 대두된 문제점들을 선제적으로 해결할 수 있는 방안을 찾아야 하기 때문에 항공기 전체에 플라즈마 막을 생성하여 적용하는 것은 현 시점에서 기술적 한계가 있을 것으로 보인다. 플라즈마, 자기장 발생장치로 인한 중량증가 문제, 플라즈마 영역 생성 시 사용될 에너지 출력 문제, 고기동 상태에서의 플라즈마 영역 고정 문제들이 해결된다 할지라도 타 전자기적 탐지 방법으로 탐지가 쉬운이상 활용도 측면에서도 한계가 있을 것으로 생각된다. 활용되게 된다면 항공기의 RCS 산란부가 큰 지점이나 RCS 피탐이 필요해지는 순간에 소규모 영역에 한해 제한적으로 사용할 것으로 추측된다.
 6세대 전투기의 요구사항 중 하나가 5세대 전투기를 능가하는 뛰어난 스텔스 성능인 만큼 급속하게 발전하고 있는 표적 식별 기술에 대항하면서 기동력도 향상된 저피탐, 고기동이 가능한 기체 형상설계 및 제작기술이 우선적으로 선행되어야 할 것이다. 외부 형상 설계를 최적화하는 것이 가장 직접적으로 피탐성을 줄일 수 있는 방안이기 때문이다. 최근 미국에서 공개한 B-21 Raider와 같이 무미익 전익기 형상으로 설계하면 피탐성은 확보할 수 있을 것이나, 꼬리 날개의 부재로 기동성에서의 보완이 필요해지기 때문에 엔진의 성능이 뒷받침된다는 전제 조건하에 해당 형상으로 설계가 가능할 것이다. 따라서, 형상설계에 대한 연구뿐만 아니라 차세대 전투기용 엔진 및 저피탐, 저소음 추력 편향 기술 역시 병행해서 진행되어야 할 것이다.
 장기적인 관점에서 형상설계가 완료되고 나면 해당 무기체계에 대한 적용성이 우수하며 높은 호환성을 갖는 경량-고내구성-광대역 스텔스 소재를 개발하는 기술이 핵심기술이 될 것으로 예상된다. 나아가 초장기적인 관점에서는 최근 많은 기술들과 접목되고 있는 메타표면 및 AI(Artificial Intelligence) 기술을 융합하여 적의 첨단 레이더 탐지체계 정보를 역으로 분석하여 맞춤형으로 능동 대응이 가능한 가변형 전파 흡수체에 대한 연구가 필요해질 것이다. 현 시점에서는 기술적 난이도가 상당히 높지만 차세대 스텔스기 확보를 위해 궁극적으로 나아가야할 연구방향이라 예상되며 경량/고내구성 다중대역 전파 흡수소재 + AI 기반 능동/가변형 전파 스텔스 소재 개발에 대한 연구를 염두에 두고 기초 원천기술 확보부터 진행해나가야 할 것이다.
 
5. 결 론
 세계적으로 고생존성 저피탐 스텔스 기술은 소수의 기술 선진국들만이 보유하고 있고, 이전 불가능한 EL(Export License) 품목으로 지정되어 엄격히 통제되고 있음에 따라 국가적 차원에서 장기간 지속적인 연구개발 투자를 통해 획득해야하는 선진기술이다. 해외 저피탐 스텔스 기술에 대한 국내 접근이 제한적이기 때문에 해외와 국내 기술간 격차를 줄이기 위해 국내에서 자체적인 연구개발을 통해 저피탐 요소기술을 확보하고, 기술 수준의 고도화를 통한 기술 자립화가 반드시 필요하다. 하여 정부 차원에서의 많은 관심과 지원이 필요하며 군, 방위사업청, 국과연, 산·학·연 등 유관기관들의 긴밀한 협조를 통해 연구개발을 진행해 나가야 할 것이다.
 

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참고문헌
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[출처: 국방기술진흥연구소 디팀스위클리 네이버포스트]