스텔스 성능 향상을 위한 항공기 통신/탐지 시스템 기술
저자: 다쏘시스템 기술대표 하상규
문의: 다쏘시스템 영업대표 김현철( Hyeoncheol.KIM@3ds.com ),
다쏘시스템 영업대표 설 웅 ( Woong.SEOL@3ds.com )
미래 전장 환경은 우주, 공중, 해상뿐만 아니라 육상전의 4차원으로 확장되었으며 사이버영역을 포함하게 되면 5차원적 전장환경으로 확장될 것으로 판단된다. 최근 우주 항공 분야는 다중 대역폭 수요증가에 따른 시스템 복잡성 증가, 안테나 수의 증가에 따른 상호 간섭 문제, 자동 항법 의존도 증가에 따른 통신 신뢰성 및 탐지 시스템의 높은 성능 요구, 경량 복합소재의 사용 증가에 따른 안테나 통합 문제 그리고 전술용 항공기의 생존성 향상을 위한 높은 스텔스 성능 요구에 대한 다차원적 도전 과제가 대두 되고 있다.
한편, 비행 안전은 조종사가 지상과 항공에서 모든 상황을 정확하게 파악하고 있는지에 달려 있다. 이와 같은 상황을 파악하기 위해 승무원들은 레이더와 통신위성에 탑재되어 있는 트랜스폰더-(TRANS mitter 송신기)와 res PONDER (자동 응답기)의 합성어로 전기 신호를 중계 전송하거나 전기 신호와 광 신호를 상호 변환하거나 수신 신호에 어떤 응답을 반환하는 기기의 총칭)-를 이용해 항공기 교통 관제, 주변 항공기와의 무선 통신 그리고 지형 및 주변 기후를 탐지하게 된다. 따라서, 원활한 통신과 주변 환경에 대한 정확한 탐지는 안테나 성능에 의존할 수 밖에 없다. 안테나 위치와 무선 시스템의 상호 간섭은 안테나 성능 저하를 야기할 수 있으므로 엔지니어는 전체 항공 시스템을 고려해야 한다.
다쏘시스템의 전자기(EM) 시뮬레이션 솔루션은 설계 공정 초기부터 실제 환경에서의 안테나 성능을 해석하여 테스트 단계에서 발생 가능한 심각한 위험을 줄이고 3DEXPERIENCE 플랫폼을 이용한 효율적인 협업으로 제품의 품질을 향상시킬 수 있다. 항공기 통신 및 탐지 시스템 설계를 위한 Workflow는 다음과 같다. 먼저 Antenna Magus를 이용해 쉽고 빠르게 안테나를 설계하고 성능을 최적화 한다. 두번째로 다중 안테나 시스템의 효율적인 위치 지정 및 전체 항공기 수준에서 안테나 통합성을 보장하는 성능 최적화 작업을 수행한다. 세번째로 신호 전파와 전력 전달을 보장하는 안테나 급전 시스템을 설계하고 성능을 검증한다. 네번째로 안테나와 무선 시스템의 결합으로 인한 상호 간섭 문제를 식별하고 완화하여 인증 요구 사항을 충족 시킨다. 마지막으로 지형 및 주변 기후를 탐지하고 타 레이더에 의한 탐지 가능성을 평가한다.
– 개념 설계 및 검증: 전자기 해석을 통해 성능 목표를 충족하는 안테나 개념 설계 및 검증
– 시제품 제작 및 테스트 최소화: 사실적인 Multi-Scale 해석으로 시제품 제작 및 테스트 최소화 – 기능 및 안전 표준 보장: 통신 시스템의 상호 간섭을 예측해 안전 표준을 보장
– 디지털 연속성 보장: 요구사항을 아키텍처, 3D 설계 데이터 및 해석 결과의 디지털 연속성 보장
항공기 통신 시스템
안테나 설계
항공기에는 위성항법 장치 GPS, 항공기와 지상, 항공기와 타 항공기 상호 간의 단거리 통신용 VHF, 위성 통신용 SATCOM, 비행중인 항공기에 방위각 정보를 제공하고 기지국과의 거리를 알려주는 거리 측정 장비 DME, 전파를 이용해 안전한 착륙을 유도하는 계기착륙장치 ILS과 활공 각도계 Glide slope 그리고 기상 레이더 등과 같은 다양한 안테나가 탑재되어 운용된다. 다양한 성능을 요구하는 수 많은 안테나를 최적으로 설계하기 위해서는 제작 공차에 둔감하고 경제적으로 생산할 수 있는 요소를 산출해야 하며 설계 공정 초기 단계부터 최적의 요소를 선택하게 되면 생산 공정에서 예산과 시간을 최소화할 수 있다.
Antenna Magus는 우주항공, 모바일, 자동차 산업 등 다양한 분야에 활용되는 안테나를 쉽게 설계할 수 있는 350개 이상의 안테나 데이터 베이스를 구축하고 빠르게 성능을 평가할 수 있는 기능을 보유하고 있어 초보 엔지니어도 짧은 시간 내에 다양한 안테나를 설계하고 평가할 수 있다. 또한, 기계 장비 부서의 CAD 파일, Antenna Magus의 안테나 모델 및 공급업체에서 측정한 안테나 패턴을 실시간으로 단일 시뮬레이션 모델에 통합할 수 있어 단시간내 설계 변경사항을 반영할 수 있다.
안테나 성능 검증
안테나는 동작 주파수, 이득, 입력 임피던스 및 기판 형태와 같은 다양한 목표에 맞게 설계된다. 따라서, 안테나 성능을 사전에 파악하면 비행 시험 단계에서 발생할 수 있는 위험을 줄일 수 있다. 항공기 시스템 엔지니어는 다쏘시스템의 전자기 시뮬레이션 솔루션인 SIMULIA CST Studio Suite®를 이용해 설계 전반에 걸쳐 사실적인 시뮬레이션을 통해 물리적 테스트 실패 위험과 재설계를 줄이고 신뢰성을 보장함으로써 필수 인증 및 안전 기준을 준수하기 위한 고비용 프로토타입 제작 및 측정 횟수를 줄일 수 있다. 또한, 안테나의 모든 구성을 평가함으로써 물리적 테스트 없이도 항공기에 거치된 안테나 성능을 신속하게 분석할 수 있다. 항공기 기하학이 안테나 성능에 미치는 영향은 전계 분포와 자계 분포 그리고 표면 전류 분포에 대한 해석을 통해 확인할 수 있으며 원거리 방사 패턴 시각화는 거치에 따른 안테나의 성능 최적화에 활용할 수 있다. 또한, 전기적 크기에 따라 적절한 Solver를 선택해 효율적으로 해석 결과를 도출할 수 있으며 다중 Solver 하이브리드 접근 방식을 이용해 거치에 따른 안테나 성능을 빠르게 해석 할 수 있다.
다중 Solver 하이브리드 접근 방식이란 전기적으로 작은 안테나 구조와 전지적으로 큰 항공기 구조를 동시에 해석할 경우 발생하는 컴퓨팅 리소스와 해석 시간을 줄이기 위한 접근 방식이다. 먼저 전기적으로 작은 안테나는 T-Solver 또는 F-Solver로 해석하고 Near-/Far-Field 데이터를 추출해 항공기에 거치 시킨다. 그런 다음 전기적으로 큰 구조 해석에 용이한 I-Solver 또는 A-Solver를 이용해 해석하게 되면 빠르게 결과를 도출할 수 있다. 또한, 해석 시 구조의 복잡성과 해석의 정확성을 고려해 단방향 해석과 양방향 해석을 선택 할 수 있다. 단방향 해석은 Field가 구조에 미치는 영향을 한 번(단방향) 해석하는 반면, 양방향 해석은 Field가 구조에 미치는 영향과 그 영향에 의해 다시 Field가 받는 영향에 대해 반복적인 해석을 진행해 보다 정확한 해석 결과를 도출할 수 있다.
통신 간섭 방지를 위한 적합성
항공기 안테나 시스템 설계 시 몇 가지 설계 목표가 균형을 이뤄야 한다. 크기, 중량, 견고성 및 공기 역학 성능은 항공 애플리케이션에서 매우 중요한 요소 이지만 항공기 기체의 제한된 공간은 안테나 배치에 더 큰 제약이 된다. 따라서, 장치 오작동을 야기시킬 수 있는 무선 주파수(RF) 간섭을 제한하는 것이 중요하며 표준에서 요구하는 인증 테스트를 반드시 통과 해야한다 (예: DO-160 (RTCA), EURO CAE/ED-14, DEF-STD-59-411, MIL-STD-461와 같은 EMC 규제 표준). 최근 항공기는 정찰, 감시, 통신 장비뿐만 아니라 항법, 통신 링크, 데이터 링크 등 다양한 응용 분양에 대한 수많은 장비들이 장착되 있으며 그 중 안테나 시스템은 수백 MHz 대역에서 수십 GHz 대역까지 다양한 주파수 범위를 분포하고 있다. 사용 목적에 따라 다이폴 안테나, 모노폴 안테나, 패치 안테나, 배열 안테나, 혼 안테나 등 수많은 안테나가 사용된다. 하지만 항공기의 기체 형상에 의해 발생되는 안테나 방사 패턴과 반사 손실을 고려한 최적의 안테나 성능을 낼 수 있는 공간은 매우 제한적이기 때문에 거치된 안테나들 간 상호 간섭의 발생 원인이 된다.
항공기 시스템 엔지니어는 CST Studio Suite의 Interfere Task를 이용해 송신기, 수신기, 분배기와 같은 무선 모델을 정의하고 VHF, DEM, GPS 및 SATCOM 안테나 시스템들의 상호 간섭을 Violation Matrix 결과로 도출해 전체적인 간섭 문제를 파악할 수 있다. Violation Matrix의 행은 수신기로 열은 송신기로 표현해 간섭의 유무를 색상 코드 체계로 쉽게 파악할 수 있다. 특히 수신기에 도달하는 기생 전력이 수신기의 감도 이상인 경우 해당 항목은 빨간색으로 표시된다. 이는 수신기가 다른 송신 신호를 픽업하고 해당 수신기에서 신호 대 잡음 비(SNR)을 감소시킬 가능성이 높다는 것을 의미한다. 또한, 수신기 감도보다 10dB 낮은 마진이 설정될 경우 노란색으로 표시되며 임계값 아래로 떨어지는 모든 항목은 녹색으로 표시된다. Violation Matrix는 시스템 간의 RF 상호 운용성에 대한 명확하고 쉬운 결과를 제공한다.
– 시제품 제작 및 테스트 최소화: 전자기 시뮬레이션으로 EMC(Electromagnetic Compatibility) 문제를 예측하고 과잉 설계 방지
– 기능 및 안전 표준 보장: DC부터 EHF(Extremely High Frequency)에 이르는 광대역 분석으로 EMI(Electromagnetic Interference )를 예측해 안전 표준을 보장
안정성
항공기 운항시 안전성을 검증하기 위해서는 항공기 전체 단위에 대한 시험평가 검증은 매우 철저하게 진행되어야 한다. 항공기 운항 중 낙뢰를 맞게 되거나, 레이더 등의 강한 전자파로 인해 고강도 전자기장(HIRF)이 항공기로 유입되는 경우 위험하기때문에 항공기 전자기 검증이 매우 중요하다. 낙뢰는 직접적으로 항공기에 화재, 변형, 녹아내림 등의 영향을 미친다. 간접적으로는 항공기 내부의 전자 장비를 손상시키거나 오류를 발생시키는 위험성을 가지고 있다. 고강도 전자기장(HIRF: High Intensity Radiated Field)에 대한 항공기 안전성 확보도 중요하다. 고강도 전자기장은 레이더, 무선통신 등에서 발생되는 강한 전자기장으로 낙뢰와 같이 항공기에 물리적인 손상을 주지 않으나 항공기내 전자기기에 오동작 등의 문제를 발생시켜서 안전에 큰 영향을 줄 수 있다.
항공 시스템 전장 분야의 안전성 검증을 위해 HIRF 전압은 인증 환경에 따라 SAE ARP 5583A 표준 파형으로 설정 할 수 있다 (10 KHz ~ 18/40 GHz). 고출력 RF 에너지를 사용하는 지상시스템의 증가로 항전시스템에 대한 전자기적 위협이 증가하며 다양한 Solver 기술을 이용해 효율적으로 HIRF 환경을 해석하고 CST Cable Studio와 T-Solver의 연계 해석으로 HIRF에 의한 케이블 유도 전류 분포를 분석한다. 시간 영역 해석을 통해 EMP(Electromagnetic Pulse) 과도 응답 및 강한 전자기 유도 레벨을 예측하고 전류/3D 필드 모니터 및 Probe를 이용해 벌크 전류와 항공기 내/외부 전자기 응답을 확하여 안정성을 확보한다. 최근에는 전자파의 복사의 안정성 검토를 위해 다음과 같은 해석을 수행하기도 한다.
– 인체 전자파 복사 위해도 (HERP): 인체 전자파 복사 위해성을 분석 – 병기 전자파 복사 위해도 (HERO): 병기의 오작동을 유발하는 전자파 복사 위해성을 분석
– 연료 전자파 복사 위해도 (HERF): 연료의 점화를 유발하는 전자파 복사 위해성을 분석
항공기 탐지 시스템
레이더(Radio Detection and Ranging)는 전자파를 이용해 물체의 거리, 각도 및 속도를 탐지하는 시스템으로 항공기, 유도 미사일, 기상 그리고 지형을 탐지하는 데 사용된다. 레이더는 목표물을 향해 편파 특성을 갖는 전자파를 발사해 목표물에 맞고 반사되어 수신기로 돌아오게 된다. 이때 목표물의 의해 발생되는 반사량은 목표물 단면적에 따라 차이가 발생하게 되는데 이를 레이더 단면적(RCS: Radar Cross Section) 또는 레이더 반사 면적이라 한다. 레이더의 종류는 탐지 레이더, 추적 레이더, 다기능 레이더 등으로 분류 된다. 목표물을 탐지하고 식별해 해당 목표물을 지정하는 탐지 레이더, 탐지 레이더로부터 지정 받은 목표물의 거리와 방향 그리고 고도를 계산하여 무기체계에 사격 제원을 제공하는 추적 레이더가 있다. 다기능 레이더는 단일 기능의 레이더와 탐지·추적 레이더가 동시에 기능을 수행하는 다목적 레이더로써 탐지·추적, 미사일 유도, 요격 확인 등의 임무를 수행할 수 있는 첨단 레이더 시스템이다.
전술용 항공기는 생존성 향상을 위해 적 레이더에 탐지되지 않는 높은 스텔스 성능이 요구되며 탐지를 최소화하기 위해 항공기 외형 설계, 내부 무장 형상 설계, 특수 도료를 사용하는 전파흡수체, 전자파흡수구조 등의 기술을 복합적으로 적용하고 있다. CST Studio Suite은 높은 스텔스 성능을 요구하는 다양한 조건에 대해 물리적 테스트 없이 항공기 탐지 시스템에 대한 성능을 신속하게 분석할 수 있다. A-Solver를 이용해 전기적으로 매우 큰 항공기의 원거리 방사 패턴 및 Monostatic 또는 Bi-static RCS를 효율적으로 도출 할 수 있으며, 완전 도체, 표면 임피던스, 전자파흡수체 및 전자파흡수구조와 같은 복합 물질 구조에 대한 해석이 가능하다. 또한, 전기적 크기에 따라 적절한 Solver를 선택해 효율적으로 항공기 탐지 시스템에 대한 정확한 해석 결과를 도출할 수 있다.
앞으로 다양한 통신 시스템과 탐지 시스템이 연결될 것이다. 그 과정에서 항공기 통신 및 탐지 시스템에 대한 다차원적인 도전과제를 효율적으로 해결할 수 있는 SIMULIA의 전자기 시뮬레이션 도구는 미래 항공 산업 분야 발전에 중추적인 기여를 할 것으로 판단된다.
☞ 자세히 알아보기
항공우주/국방 산업에서 활용되는 SIMULIA https://www.3ds.com/ko/products-services/simulia/solutions/aerospace-defense/