KR101018070B1 - 피라미드 형상의 연속적 배열로써 형상화된 반사판을 이용한 레이더 반사 신호 저감용 복합재료 평면 판넬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 RCS(Radar Cross Section) 신호저감 기술 중 하나인 형상화(Shaping) 기술을 응용한 것으로서, 함정선체 및 탑재장비의 구조를 직접 형상화하거나 레이더 흡수체를 이용하지 않고서도 단일 및 다중반사 영역을 해소할 수 있도록 선체 및 탑재장비에 구조재 및 차폐용으로 사용될 수 있는 복합재료 평면 판넬을 제공한다. 본 발명에 따르면, 함정 및 탑재장비의 공간 배치나 활용에 무리를 주지 않으면서도 함정 및 탑재장비에서 발생하는 강한 단일반사 및 다중반사를 해소하여 상당한 정도의 RCS 감소 효과를 이끌어낼 수 있다.

함정, 레이더, 단일반사, 다중반사, RCS(Radar Cross Section), 형상화

Description

피라미드 형상의 연속적 배열로써 형상화된 반사판을 이용한 레이더 반사 신호 저감용 복합재료 평면 판넬{Composite-material Flat Panel for Radar Cross Section Reducing using Shaped Reflector}

본 발명은 RCS(Radar Cross Section) 신호저감 기술 중 하나인 형상화(Shaping) 기술에 관한 것이다.

함정의 생존성을 향상시키기 위해서는 적 위협세력으로부터 탐지될 확률을 줄여야 한다. 레이더에 의한 탐지확률을 낮추기 위해서는 반사체의 반사특성을 나타내는 함정의 레이더반사단면적(Radar Cross Section, RCS)을 줄여야 한다. RCS는 물체의 표면에 투사된 레이더 신호 파워 대 레이더의 방향으로 후방산란(Back-Scattering)된 신호 파워의 비로서 물체가 레이더 신호를 얼마만큼 반사 혹은 산란시키는가를 정량화한 값이다. 물체의 RCS는 형상과 재질에 따라 달라지는 특성이 있다. 함정의 RCS 스텔스 설계에서 가장 문제가 되는 부분은 선체 및 탑재장비에서 발생하는 강한 단일반사 및 다중반사이다.

RCS 신호저감을 위해 주로 사용되는 기술은 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫째는 레이더 반사신호의 방향을 조절하여 해당 레이더의 방향으로 반사가 되지 않도록 하는 형상화(Shaping)이고, 둘째는 레이더의 전자파신호를 흡수하여 열 등의 다른 에너지로 변환하는 레이더 흡수체(Radar Absorbing Material, RAM)를 물체의 표면에 도포하는 기술이다.

형상화는 스텔스 개념에 부합하도록, 즉 반사되어 레이더로 되돌아가는 신호를 최소화하도록 함정 및 탑재장비의 외형을 디자인하는 모든 기술을 의미하는데, 선박의 표면을 구성하는 평판의 경사각을 조절하는 것이 가장 보편적으로 사용되는 기술이다.

함정의 스텔스 설계에서 함정 외형은 대부분 평판으로 구성하도록 되어 있다. 도 1과 같이 곡면의 경우 반사파는 입사파와 같은 방향으로 전파되며, 이는 반사파가 레이더에 의해 반드시 포착됨을 의미하므로 스텔스 개념에 위배된다. 반면에 도 1의 평판의 경우 반사파는 입사파의 입사각도와 동일한 각도의 반대 방향으로 반사되므로 평판에 수직으로 입사되는 경우를 제외하고는 반사파의 전파 방향이 레이더를 향하지 않음을 의미하며, 따라서 레이더에 의해 포착되지 않는다.

곡면과 더불어 함정의 스텔스 설계에서 피해야 할 구조는 도 2와 같이 두 평면이 수직을 이루는 이면체 구조이다. 도 2에서와 같이 이면체를 구성하는 두 평면 사이의 임의의 각도로 입사되는 전자파는 두 번의 반사(이중반사)를 통해 송신 레이더의 방향으로 반드시 되돌아간다. 도 1의 단일 평판에서는 입사파가 반사되어 레이더로 되돌아가는 경우는 평판에 수직으로 입사하는 한 가지 경우밖에 없으나, 이면체 구조에서는 거의 모든 각도에 걸쳐 입사파가 레이더의 방향으로 되돌아가므로 탐지될 확률이 높아지게 된다.

따라서 이면체 구조는 스텔스 설계에서 반드시 피해야 하며, 이를 위해서는 두 평판이 이루는 각이 90도가 되지 않도록 설계를 변경하여야 한다(이는 형상화에 해당한다). 일반적으로 한 번의 반사를 통해 전자파가 외부로 전파되는 현상을 단일반사라 하며, 두 번 이상의 반사를 통해 전파되는 현상을 다중반사라 한다. 함정 스텔스 설계의 핵심은 이러한 단일반사 혹은 다중반사된 전자파가 레이더로 되돌아가지 않도록 방지하는 형상화에 있다.

하지만 중요한 문제는, 형상이 복잡한 함정의 경우 형상화 기술의 적용에는 공간 배치 및 활용의 어려움 등의 이유로 다중반사 영역의 해소에 제한이 따르고, 탑재장비는 그 성격상 형상화의 적용이 불가능한 경우가 많다는 것이다.

도 3은 함정설계에서 발생할 수 있는 선체의 대표적인 이중반사 이면체 구조(A-B)를 보여준다. 이중반사 영역을 해소하기 위해서는 도 3의 인접하는 평판 A와 평판 B의 사잇각을 넓히거나 좁히는 두 가지 방안을 고려할 수 있다. 하지만 두 평판의 사잇각을 넓히는 경우 원하지 않는 방향으로의 단일반사가 발생할 수 있으며, 두 평판의 사잇각을 좁히는 경우 전체 형상이 시각적으로 불편해질 수 있다. 또한, 두 경우 모두 공간 배치 및 활용의 측면에서 문제가 발생할 여지가 있다.

도 4는 선체와 탑재장비 사이에서 빈번히 발생할 수 있는 이중반사 이면체의 구조를 보여준다. 도 4의 이중반사 문제를 해소하기 위해서는 탑재장비의 평판 A의 각도를 조절해야 하나, 이를 위해서는 장비 전체의 재설계가 필요하거나 아예 형상의 변경이 불가능한 경우도 많다.

이러한 문제를 해결할 수 있는 대안으로 생각해 볼 수 있는 것이 바로 레이더 흡수체이다. 레이더 흡수체는 근본적으로 레이더 신호를 다른 에너지로 변환하여 반사되는 전자기파의 양을 줄이는 기술이다. 그러나 일반적으로 레이더 흡수체는 주파수 대역에 따라 그 성능의 편차가 크고, 무엇보다도 가격이 비싸며 유지보수의 어려움이 있어 선체에 쉽게 적용할 수 있는 기술은 아니다. 또한, 센서류 등의 고가의 탑재장비의 경우 그 성능보장의 이유로 레이더 흡수체의 적용이 원천적으로 불가능한 경우도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 함정선체 및 탑재장비의 구조를 직접 형상화하거나 레이더 흡수체를 이용하지 않고서도 단일 및 다중반사 영역을 해소할 수 있도록 선체 및 탑재장비에 구조재 및 차폐용으로 사용될 수 있는 복합재료 평면 판넬을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 레이더 신호의 반사파의 방향을 조절하여 강한 단일반사 및 다중반사를 회피할 수 있도록 수평면에 대하여 소정의 각도만큼 경사진 네 개의 삼각요소평판(110)을 맞댄 피라미드 형상이 상하 및 좌우 네 방향으로 연속적으로 배열되게 형상화된 중앙반사판(100); 중앙반사판(100)의 양 외면을 덮음으로써 표면이 뾰족하게 돌출한 중앙반사판(100)에 의한 승조원의 부상 및 활동 제약을 방지하고, 중앙반사판(100)의 모양에 의한 시각적 불편함을 해소하며, 전체 판넬의 강도를 보강하는 FRP 평판(200); 및 중앙반사판(100)과 FRP 평판(200)의 사이에 채워져 중앙반사판(100)과 FRP 평판(200)을 접착시키는 한편, 외부의 물리적 충격을 흡수하여 FRP 평판(200)을 보호하는 충진제(300)를 포함하는 피라미드 형상의 연속적 배열로써 형상화된 반사판을 이용한 레이더 반사 신호 저감용 복합재료 평면 판넬을 제시한다.

본 발명에 따르면, 함정 및 탑재장비의 공간 배치나 활용에 무리를 주지 않으면서도 함정 및 탑재장비에서 발생하는 강한 단일반사 및 다중반사를 해소하여 상당한 정도의 RCS 감소 효과를 이끌어낼 수 있다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 근본적으로 레이더 신호의 반사방향을 조절하여 RCS를 저감하는 형상화 기술을 응용한 것이다. 본 발명은 도 5에 도시된 바와 같이 레이더 신호를 반사하는 형상화된 중앙반사판(100), 중앙반사판(100)의 양 외면을 덮는 FRP 평판(200), 그리고 중앙반사판(100)과 FRP 평판(200)의 사이를 채우는 충진제(300)로 이루어져 있다. 여기서, FRP 평판(200)과 충진제(300)는 부도체로서 레이더 신호인 전자기파가 투과하고, 중앙반사판(100)은 도체(철판)로서 표면에서 레이더 신호인 전자기파의 반사가 일어난다.

중앙반사판(100)의 주된 역할은 레이더 신호의 반사파의 방향을 조절하여 강한 단일반사 및 인접하는 수직평판과의 다중반사를 회피하는 것이다. FRP 평판(200)의 역할은 표면이 뾰족하게 돌출한 중앙반사판(100)에 의한 승조원의 부상 및 활동 제약을 방지하고, 중앙반사판(100)의 모양에 의한 시각적 불편함을 해소하며, 전체 판넬의 강도를 보강하는 데 있다. 끝으로 충진제(300)의 역할은 중앙반사판(100)과 FRP 평판(200)의 접착 및 외부충격 흡수를 통한 FRP 평판(200)의 보호에 있다.

본 발명의 성능특성은 중앙반사판(100)의 형상에 달려 있다. 도 6은 중앙반사판(100)의 형상을 구체적으로 보여준다. 중앙반사판(100)은 수평면에 대하여 소정의 각도만큼 경사진 네 개의 삼각요소평판(110)을 맞댄 피라미드 형상이 상하 및 좌우 네 방향으로 연속적으로 배열되도록 형상화가 이루어진다.

삼각요소평판(110)의 최소 길이는 레이더 신호의 주파수에 따라 결정된다. 일반적으로 미사일에 장착되는 탐색레이더의 주파수 대역이 C 대역(4~8GHz) 이상임 을 고려할 때, 레이더 신호를 유효하게 반사하기 위한 삼각요소평판(110)의 최소 길이는 적어도 4GHz 주파수의 한 파장에 해당하는 7.5cm 이상이 되어야 한다. 그러나 삼각요소평판(110)의 길이가 길어질수록 전체 판넬의 두께도 커지게 되므로(도 6에서 삼각요소평판(110)의 길이가 길어지면 피라미드 형상의 높이도 높아지게 되고 이에 따라 전체 판넬의 두께가 커지게 되는 것이다), 함정에 적용 시 무게와 공간의 낭비가 예상된다.

그리고 삼각요소평판(110)의 경사각은 수평면을 기준으로 7도 이상이 되어야 좋은 성능을 보장할 수 있다. 그러나 경사각이 커지면 상기와 마찬가지로 전체 판넬의 두께가 커지게 된다.

한편, 본 발명의 실용성을 높이기 위해서는 철판 두께를 고려하지 않을 때 중앙반사판(100)의 두께가 2cm 이하가 되도록 하는 것이 좋다. 따라서 삼각요소평판(110)의 최대 길이는 15cm 이하, 경사각은 15도 이하로 제한될 필요가 있다. 결론적으로 삼각요소평판(110)은 길이가 7.5cm 내지 15cm, 경사각이 7도 내지 15도의 수치범위를 갖는 것이 바람직하다. 중앙반사판(100)은 네 방향으로 경사를 주었기 때문에 이면체 구조뿐만 아니라 삼면체 구조에 대해서도 유용하게 활용될 수 있다.

본 발명의 RCS 감소 성능을 확인하기 위해 도 7, 도 8과 같이 일반 평판만으로 구성된 이면체 구조와 한 면이 중앙반사판(100)으로 구성된 이면체 구조에 대해 RCS 해석을 수행하였다. 도 7은 일반 평판만으로 구성된 이면체 구조 RCS 해석 모델을, 도 8은 한 면이 중앙반사판(100)으로 구성된 이면체 구조 RCS 해석 모델을 보여주고 있다. 여기서, 사각 평판의 크기는 1m X 1m(가로 X 세로)이다. 해석에서 사용된 중앙반사판(100)의 경사요소평판(110)의 경사각은 10도이다.

그리고 일반 평판만으로 구성된 이면체 구조와 한 면이 중앙반사판(100)으로 구성된 이면체 구조의 RCS 해석결과를 도 9에서 비교하였다. 도 9에 따르면 일반 평판만을 사용한 이면체 구조에서는 강한 이중반사가 발생함을 알 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 판넬을 사용하는 경우 이중반사를 해소하여 상당량의 RCS 감소 효과를 얻을 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 곡면과 평면에서의 반사 특성을 비교한 결과를 보여주고 있다.

도 2는 이면체의 이중반사 특성을 보여주고 있다.

도 3은 함정 선체의 이중반사 이면체 구조를 보여주고 있다.

도 4는 함정 선체와 탑재장비 상호간의 이중반사 이면체 구조를 보여주고 있다.

도 5는 본 발명에 따른 형상화된 반사판을 이용한 레이더 반사 신호 저감용 복합재료 평면 판넬의 전체적인 구성을 보여주고 있다.

도 6은 중앙반사판의 형상을 보다 구체적으로 보여주고 있다.

도 7은 일반 평판만으로 구성된 이면체 구조 RCS 해석 모델을 보여주고 있다.

도 8은 한 면이 중앙반사판으로 구성된 이면체 구조 RCS 해석 모델을 보여주고 있다.

도 9는 일반평판과 중앙반사판에서의 RCS를 비교한 그래프이다.

<도면의 주요부호에 대한 설명>

100 : 중앙반사판

110 : 삼각요소평판

200 : FRP 평판

300 : 충진제

Claims (3)

1. 레이더 신호의 반사파의 방향을 조절하여 강한 단일반사 및 다중반사를 회피할 수 있도록 수평면에 대하여 소정의 각도만큼 경사진 네 개의 삼각요소평판(110)을 맞댄 피라미드 형상이 상하 및 좌우 네 방향으로 연속적으로 배열되게 형상화된 중앙반사판(100); 중앙반사판(100)의 양 외면을 덮음으로써 표면이 뾰족하게 돌출한 중앙반사판(100)에 의한 승조원의 부상 및 활동 제약을 방지하고, 중앙반사판(100)의 모양에 의한 시각적 불편함을 해소하며, 전체 판넬의 강도를 보강하는 FRP 평판(200); 및 중앙반사판(100)과 FRP 평판(200)의 사이에 채워져 중앙반사판(100)과 FRP 평판(200)을 접착시키는 한편, 외부의 물리적 충격을 흡수하여 FRP 평판(200)을 보호하는 충진제(300)를 포함하는 피라미드 형상의 연속적 배열로써 형상화된 반사판을 이용한 레이더 반사 신호 저감용 복합재료 평면 판넬.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 삼각요소평판(110)은 길이가 7.5cm 내지 15cm의 수치범위를 갖는 것을 특징으로 하는 피라미드 형상의 연속적 배열로써 형상화된 반사판을 이용한 레이더 반사 신호 저감용 복합재료 평면 판넬.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 삼각요소평판(110)은 경사각이 7도 내지 15도의 수치범위를 갖는 것을 특징으로 하는 피라미드 형상의 연속적 배열로써 형상화된 반사판을 이용한 레이더 반사 신호 저감용 복합재료 평면 판넬.

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