스크랩 현대 공중전을 지배하는 스텔스 전투기

[Passion-Run]

이라크전에선 F-117 스텔스 폭격기 엄호를 맡았던 F-15편대원들이 갑자기 레이더에도 잡히지 않는 물체가 눈앞에 보여 혼란상태에 빠졌던 적도 있었다. 나중에 알고보니 F-117. 눈앞에 있는데도 레이더에는 안 잡혔던 것이다.

당신은 공군 전투기 편대장이다. 전투기 3대로 정찰을 나갔다가 아군기와 성능이 비슷한 적 전투기 5대와 맞닥뜨렸다. 이때 당신은 어떤 판단을 내려야 할까. 싸울 생각은 버리고 ‘무조건’ 달아나야 한다. 싸운다면 적기 한 대를 격추하는 동안 아군기 3대가 모두 전멸할 것이다. 해 보지도 않고 어찌 아느냐고 하겠지만 해전과 공중전 결과는 적중률이 높은 예상 공식이 있다. 숫자가 많은 쪽에서 적은 쪽을 빼면 되는데, ‘제곱해서’ 계산한다. 앞서 말한 예는 ‘5²-3²=4²’으로 적을 수 있다. 그러니까 양측의 전력차이가 3:5가 아니라 그에 제곱을 한 9:25의 차이가 난다는 것이다. 이 공식은 한 영국인 과학자가 1,2차 세계대전의 공중전 자료를 분석해 만들었는데, 그 사람의 이름을 따 ‘란체스터 법칙’이라고 부른다. 란체스터 법칙은 육해공 모든 전투에 적용되며 지금도 유효하다. 세계 각국에서 전투기 숫자를 한 대라도 더 늘리기 위해 많은 예산을 투입하는 이유다.

B-2 폭격기,한 대당 대략 2조원

하지만 수십 년간 지켜졌던 이 절대적인 법칙에 예외가 생겼다. ‘스텔스 전투기’ 때문이다. 만약 당신이 스텔스 전투기를 타고 있다면 적군의 전투기 대수와 관계없이 무조건 100% 승리를 장담할 수 있다. 상대편이 스텔스 전투기라면? 그때에는 서로가 원거리에서는 보이지 않을테니 중거리나 근거리 교전이 발생할 것이다.

스텔스 전투기 한 대를 가지고 이런 말까지 나오는 이유는 스텔스기가 핵무기나 탄도미사일,고성능 레이더,핵 잠수함,군사위성과 함께 전략무기로 분류되기 때문이다. 스텔스기는 하늘에서 갑자기 나타나 미사일이나 폭탄을 쏟아 붓는다. 눈앞에서 적의 공습에 아군의 군사 기지,공항,발전소 등의 국가 기반시설들이 산산조각나는 모습을 두 손 놓고 볼 수밖에 없다.

노란 선들과 초록색 선들을 보면, 같은 색끼리 서로 평행인 것을 볼 수 있다. 레이더를 특정 한 방향으로만 반사시키겠다는 것이다. 또한 아랫사진들을 보면 엔진들이 마치 톱니같은 모양을 하고 있는것이 보일 것이다. 역시나 레이더 반사때문이다

스텔스 기술을 요약한다면...

스텔스 기술에는 123세대가 있는데...1,2세대는 별거 없으니 걍 생략하고 3세대는 에폭시 베이스에 나노입자를 섞어서 성형하는 방식으로 구조재로 만들수도 있고 도료로도 만들 수 있다. 원리는 에폭시 수지속의 나노입자가 레이더 전파를 산란시켜서 소재안에서 흡수되어 버리게 하는 방식으로서 가볍고 화학적 안정성이 높고 적용밴드도 넓으며 감쇠율은 –10~-30db이다. -10db일때 RCS는 1/10로 축소되고 탐지거리는 44%줄어서 (100km일 경우 56km로) 약 절반 조금 넘어서 탐지된다. -30db이라면 탐지거리는 83% 줄어들어 0.17배의 거리에서 탐지된다. 일본은 현재 실리콘카바이트를 이용한 소재를 개발하고 있는 것으로 알려져 있다. 현재 스텔스 기술을 완전히 보유한 나라는 미국과 일본 두 나라뿐이고 프랑스와 독일,영국등은 기초적인 스텔스 기술을 보유했을 뿐이다

스텔스기의 가격이 높은 이유는 물론 첨단 전자장비와 티타늄 합금의 가격때문이기도 하지만, 감쇠율이 가장 높은 탄소나노 튜브는 가격이 너무 높아서(비교적 가격이 싼 카본블랙 나노소자에 비해 2000배 가격, 단 카본블랙 혼합형은 약 -10db정도로 감쇠율이 낮다) 적용에 어려움이 있다.

ADD가 주요 진행사업으로 항공기 및 함정용 전파흡수재료를 개발하고 있다고 처음 언급한 것이 2004년. ADD는 2002년부터 연구를 시작해 2003년부터 시제품을 만들어 보는 등 시험개발 과정을 거쳤다고 밝혔다. ADD는 그 2년 후인 2006년에는 실제로 RAP 또는 RAM 방식에 모두 응용할 수 있는 전파흡수 재료와 전자·세라믹 복합 재료를 개발했다. 이밖에도 텅스텐-구리 나노복합분말 및 성형체 제조기술 역시 개발해 RAS식 전파흡수 방식도 가능성을 보여줬다. 2006년 당시 민간 기업에서도 스텔스 관련 도료와 전파흡수장치를 개발해 화제가 됐다. 결국 ADD는 2008년 이런 기술들을 정리해 ‘레이더 전파흡수용 복합재를 개발했다’고 발표했다. 지금은 이 기술을 구형 F-4 팬텀기나 신형 T-50 고등훈련기에 적용해 실험 중이다. 현재는 3세대 나노입자 베이스 스텔스재료를 개발중인데 실험에서 최고 -32 db을 기록하기도 했다. 이 정도는 약 RCS 를 1/1000 로 줄이는 것이 가능해서 rcs 1m^2급의 항공기라면 0.001m^2급으로 낮출 수 있는데 이는 F-35,랩터에 근접하는 수치이다. 문제는 탄소나노 튜브의 가격이다. 아마 항공기용보다는 대함/순항미사일 등에 동체구조재로 먼저 채택이 되지 않을까 예상된다.

스텔스기가 레이더에 보이지 않는 이유

스텔스 기술은 적에게 비행기나 선박,차량 같은 무기를 들키지 않도록 하는 기술이다. 그리고 스텔스는 ‘키거나 끄거나’의 개념이 아니라 ‘더 멀리서 잡히냐 가까이에서 잡히냐’의 개념이다. 적에게 발견될 확률과 시간을 줄이는게 백번 유리하지 않겠나. 국방과학기술연구소(ADD)의 박태학,신상훈 연구원이 ‘국방 과학기술 플러스’지에 투고한 논문에 따르면 스텔스기술은 크게 4가지다.

레이더를 잡히지 않는 ‘전파신호 감소’

열추적 미사일을 피하기 위한 ‘적외선(열) 감소’

전투기 엔진의 굉음 소리가 들리지 않도록 하는 ‘음파 감소’

눈에 잘 띄지 않게 만드는 광학적 신호 감소(전투기 도색 위장 등)도 모두 스텔스 기술의 범주에 들어간다.

비행기를 탐지할수있는 방법중 대표적인 것은 육안 식별이 가능한 비행운이다. 비행운을 제거하는 방법은 사실상 항공기 기능과는 거리가 먼 자연현상이다. 하지만 스텔스 폭격기 B-2는 컴퓨터가 외부의 대기온도,습도를 측정하여 비행운이 생기는 상태가 되면 속도,고도를 변경하도록 자동 비행장치에 의해 조종된다. 하지만 대부분의 전투기들은 전 고도에서 다양한 임무를 해야하므로 B-2 폭격기처럼 선택적인 고도,속도를 택할 수 없다. 허나 랩터의 F-119엔진은 무연기술을 적용시켜 연기가 거의 발생하지 않아 스텔스성을 향상시켰다.

최근에는 미사일에도 스텔스 기능을 적용시키고 있는데 미군이 사용하는 장거리 순항 미사일 ‘BGM-109’는 요격미사일이 따라오는 것을 막기 위해 적외선 신호감소 기술(IR)을 적용하였다.

미 공군 차세대 제공전투기 사업에서 F-22 랩터에 밀려 탈락한 YF-23. 스텔스 성능에선 확실히 랩터보다 한수 위였다. 아랫사진을 보면 미익(꼬리 날개)의 크기가 작고 낮다. 당연히 측면에서 날아오는 적의 레이더 전파에 걸릴 확률이 낮아진다. 다만 그로 인해 기동성과 안정성은 낮아진다.

스텔스 기술에서 가장 중요한 부분은 역시 ‘적의 레이더에 발견되지 않는 기술’이다. 스텔스기라고 하면 ‘레이더에 전혀 보이지 않는다’고 생각하기 쉽지만 실제로는 레이더에 잡힌다. 다만 신호가 너무 약해서 곤충정도의 크기로만 잡힐 뿐이다. 공군에서 항공기 관제사로 근무했던 한 예비역 장교는 “레이더로 구름이나 작은 새도 잡아낼 수 있지만 항공기 관제와 관계없는 정보는 컴퓨터로 제거하고 있다”며 “스텔스는 이런(보통은 노이즈로 생각할 만한)것들과 구분이 안 갈 만큼 신호가 미약해 레이더에 표시되지 않는 것 같다”고 했다. 그렇다면 이런 노이즈 제거 기능을 꺼두면 스텔스기를 찾을 수 있는 걸까. 그렇다. 그러나 구름이나 새,곤충들로 인한 별의별 잡신호가 모두 뒤섞여 레이더 화면을 가득 채우게 돼 뭐가 뭔지 해석이 불가능하다. 드물게 미군 스텔스기가 한국 영공에 오는 경우가 있는데, 이 때는 비행기가 내보내는 식별신호 이외에는 아무것도 보이지 않는다”면서 “식별신호는 조종사가 마음대로 켜고 끌 수 있기 때문에 적기라고 생각하고 보면 정말 무섭다”고 설명했다.

이러다보니 비스텔스기들도 생존을 위해 결국 약간의 형상 변경을 하거나 갖가지 램도료를 입히는 막대한 예산을 투입하며 최선을 다하고 있다. 허나 이들의 전면부 rcs(레이더에 나타나는 전투기의 크기정도로 보면 편하다)는 0.1~0.5m^2정도에 불과하다. 반면, 미공군의 f-22, f-35전투기들의 전면 rcs는 최소 0.01m^2로 예상되어 지며 특히 f-22랩터의 경우 측면,후면,배면부의 rcs또한 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 제대로 된 스텔스기를 만들기 어려운 이유는 전면부 못지 않게 전투기의 측면,배면,후면부의 rcs가 매우 중요하기 때문이다. 적진에 들어간다면 각종 적 레이더의 전파가 기체의 위쪽부분(단 적기가 나보다 높은 고도에 있을 경우는 제외)을 제외한 모든 방향에서 나를 탐지하기 위해 날아올 것이다. 그렇다고 고도를 너무 높이면 대기 온도가 차가워져 전투기엔진의 열기가 두드러지게 눈에 띄고 구름 또한 없어 적 전투기의 열추적 감시장치에 걸리기 십상이다.

러시아 공군 차세대 스텔스 전투기 PAK-FA/T-50

현재 개발 막바지에 이른 것으로 알려진, 미공군 f-22 랩터를 뛰어넘기 위해 러시아가 야심차게 개발중인 스텔스 전투기 파크파의 목표 성능이 ‘전 방위 rcs 0.1~1m^2’로 애초의 목표보다 상당히 하향 조정된 것을 보면 스텔스 기술 개발이 얼마나 난이도 높은지 알 수 있다. 세계 1위를 차지하는 과학 기술을 수도 없이 보유했으며 오랜 전투기 개발 역사를 가진 러시아가 결국 현실과 타협한 것을 보면 거꾸로 미국이 얼마나 막대한 예산과 시간을 스텔스 기술 개발에 투입했는지 알 수 있다.

출처

http://science.dongascience.com/articleviews/article-view?acIdx=10397&acCode=4&year=2014&month=01&page=1

http://blog.naver.com/korea213/80020933057

http://blog.daum.net/philpindosa/1913

http://mohae.kr/info/526

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[래리어트]

전투기? 폭격기? 는 남자의 로망이죠. ㅎㅎ 좋은 글 잘 읽었어요~

[릴라no.1]

공군통제장교로 군생활했던 저로선
아주 흥미로운자료입니다ㅎㅎ