레이더 반사 면적

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1. 개요

레이더 반사 면적(RCS)은 레이더가 물체를 감지하는 데 사용되는 지표로, 물체가 레이더 전파를 반사하는 정도를 나타낸다. RCS는 물체의 크기, 재질, 형태, 방향, 표면 거칠기 등 다양한 요인에 영향을 받으며, 스텔스 기술에서 RCS를 줄이는 것은 매우 중요하다. RCS를 줄이기 위한 기술로는 형상화, 산란 에너지 방향 전환, 능동 상쇄, 전파흡수재 사용 등이 있다. RCS는 제곱미터(m²) 단위로 측정되며, 데시벨(dBsm) 단위로 표현되기도 한다.

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레이더 반사 면적
레이더 반사 면적
레이더 반사 면적 측정
정의	물체가 레이더 신호를 반사하는 능력의 척도
기호	σ (시그마)
단위	제곱미터 (m²)
다른 표현	레이더 단면적, 레이더 후방산란 단면적
설명
크기	물체의 실제 크기와 반드시 일치하지 않음
영향 요인	물체의 크기 물체의 모양 레이더 신호의 주파수 레이더 신호의 입사각 물체의 재질
활용	군사 분야에서 스텔스 기술 개발 기상학에서 강수량 측정 교통 분야에서 차량 감지 항공 분야에서 항공기 추적
측정
방법	레이더로 물체를 조준하여 반사되는 신호 측정 반사된 신호 강도를 분석하여 레이더 반사 면적 계산
측정 환경	전파 암실 실외 환경
계산
기본 공식	σ = lim R→∞ 4πR²\|Es / Ei\|²
Es	반사된 전계 강도
Ei	입사된 전계 강도
R	레이더와 물체 사이의 거리
참고 사항
레이더 반사 면적 감소 방법	물체 모양 변경 (예: 평면 또는 곡면 사용) 레이더 흡수 재료 사용 능동적인 레이더 신호 상쇄 기술 사용
레이더 반사 면적 증가 방법	코너 반사기와 같이 신호를 효과적으로 반사하는 구조 사용
기타
정규화된 레이더 반사 면적 (NRCS)	레이더 반사 면적을 해당 면적으로 나눈 값

2. 정의

비공식적으로, 물체의 RCS(레이더 반사 단면적)는 문제의 물체와 같은 세기의 반사를 생성하는 완벽하게 반사하는 구의 단면적이다.^[3] (이 가상 구의 크기가 더 클수록 더 강한 반사가 생성된다.) 따라서 RCS는 추상적인 개념이다. 즉, 물체의 레이더 반사 단면적이 반드시 그 물체의 물리적 단면적과 직접적인 관계가 있는 것은 아니며 다른 요인에 따라 달라진다.^[3]

조금 더 정확히 말하면, 레이더 표적의 RCS는 송신된 레이더 전력을 가로채고 그 전력을 등방성으로 레이더 수신기로 산란시키는 유효 면적이다.

더 정확하게는, 레이더 표적의 RCS는 표적에서 송신된 전력 밀도를 가로채는 데 필요한 가상적인 면적으로, 가로채진 총 전력이 등방적으로 재방사될 경우 수신기에서 실제로 관측되는 전력 밀도가 생성되는 면적이다.^[4] 이 설명은 단일 위치(레이더 송신기와 수신기가 동일 위치에 있음) 레이더 방정식을 한 항씩 조사하여 이해할 수 있다.

: $P_r = \sigma A_\mathrm{eff}$

여기서

$P_t$ = 송신기의 입력 전력 (와트)
$G_t$ = 레이더 송신 안테나의 이득 (무차원)
$r$ = 레이더에서 표적까지의 거리 (미터)
$\sigma$ = 표적의 레이더 반사 단면적 (제곱미터)
$A_\mathrm{eff}$ = 레이더 수신 안테나의 유효 면적 (제곱미터)
$P_r$ = 레이더가 표적에서 수신하는 전력 (와트)

레이더 방정식에서

:

항은 레이더 송신기가 표적에서 생성하는 전력 밀도(제곱미터당 와트)를 나타낸다. 이 전력 밀도는 레이더 반사 단면적

\sigma

을 가진 표적에 의해 가로채진다. 이는 면적(제곱미터)의 단위를 갖는다. 따라서, 곱

:

\sigma

는 전력(와트)의 차원을 가지며, 레이더 표적에 의해 가로채지는 가상의 총 전력을 나타낸다. 두 번째

:

항은 표적에서 레이더 수신기로의 이 가로채진 전력의 등방성 확산을 나타낸다. 따라서, 곱

:

\sigma

는 레이더 수신기에서의 반사 전력 밀도(다시 제곱미터당 와트)를 나타낸다. 그런 다음 수신 안테나는 유효 면적

A_\mathrm{eff}

로 이 전력 밀도를 수집하여 위의 레이더 방정식에 따라 레이더에 의해 수신되는 전력(와트)을 생성한다.

레이더 표적에 의한 입사 레이더 전력의 산란은 등방성이 아니며(구형 표적의 경우에도), RCS는 가상적인 면적이다.

레이더에서 방출된 전파가 목표물에 입사하면, 이로 인해 산란체에 전류가 유도되고, 전류에 의한 재방사가 산란장을 형성한다. RCS는 이 산란장을 이용하여 다음과 같이 정의된다.^[23]

:

\sigma = \lim_{R \to \infty}4\pi R^2\frac{|E_r|^2}{|E_i|^2}

::σ：RCS 값

::''E_r''^영어：산란 전계 강도

::''E_i''^영어：입사 전계 강도

::R：목표물과 레이더 간의 거리

레이더 목표물의 유효 반사 면적은 고유하게 결정되지 않는 변동량이므로, 일반적으로 평균적인 값을 사용한다.^[22] 정의상 RCS는 면적의 차원을 가지지만, 이러한 변동에 대해 설명할 때는, 데시벨 표시로 나타내는 경우도 있다. 이 경우, 1 m²을 0 dBsm(DeciBel squared meter, 데시벨 스퀘어미터)으로 하므로, 예를 들어 2 m²의 RCS는 3 dBsm이 된다.^[23]

RCS는 주파수의 영향도 받는다. 예를 들어 금속 구의 RCS를 생각하면, 주파수가 낮은 영역(Rayleigh 영역)에서는 단조롭게 증가하고, 중간 영역(공명 영역)에서는 목표물의 크기가 2분의 1 파장의 정수배 정도일 때 최대값을 가지도록 진동한다. 그리고 고주파 영역(기하광학 영역)에서는 기하학적인 단면적에 점근해 간다.^[23] 일반적인 레이더에서 사용되는 영역에서는, 예를 들어 RCS 저감책을 강구하지 않은 항공기의 경우, 파장과는 무관하게 아래 표와 같은 기준이 알려져 있다.^[22]

목표물	평균적 유효 반사 면적의 예 (m²)
곤충	0.001^[24]
조류	0.01^[24]
토마호크	0.5^[24]
소형전투기	2
대형 전투기	6
중형폭격기·여객기	20
대형 폭격기·여객기	40
점보 제트	100

단, 기본 설계가 동일하더라도, 전파흡수체 도포나 전자파 투과성 소재 채용 등의 점진적인 대책에 의한 RCS 저감은 가능하며, 예를 들어 F-16의 경우, 초기형의 RCS가 5 m²로 되어 있는데 반해, F-16C는 1.2 m²이다.^[24] 또한 RCS 저감책도 세대를 거듭할수록 진화하고 있어, 최초의 실용 스텔스기인 F-117 공격기의 RCS는 0.025 m²로 되어 있는데 반해, F-22나 B-2는 0.0001 m²이다.^[24]

한편, 함선에 대해서는, 미국 해군 기술 연구소(NRL)가 아래와 같은 RCS의 개산식을 발표하고 있지만, 이것도 마찬가지로 RCS 저감책을 고려하지 않은 것이므로, 스텔스성에 관해서 보정을 할 필요가 있다.^[25] 해상자위대가 1980년도부터 Mk 36 SRBOC 도입에 임함에 있어, 채프의 효과를 발휘하기 위해 자위함의 RCS 실측 데이터를 정리했을 때, NRL의 경험식과의 관계도 검토되었지만, 이 식에 의한 추정치는 실측 데이터보다 훨씬 큰 결과였다.^[26]

: $\sigma = 52f^{0.5}D^{1.5}$

::σ：RCS 값

::f：레이더 주파수 (메가헤르츠)

::D：만재 배수량 (킬로톤)

2. 1. 공식

비공식적으로, 물체의 레이더 반사 면적(RCS)은 해당 물체와 동일한 세기의 반사를 생성하는 완벽한 반사 구의 단면적이다.^[3] RCS는 추상적인 개념으로, 물체의 물리적 단면적과 반드시 직접적인 관계가 있는 것은 아니며 다른 요인에 따라 달라진다.^[3]

레이더 표적의 RCS는 송신된 레이더 전력을 가로채고 그 전력을 등방성으로 레이더 수신기에 산란시키는 유효 면적이다. 더 정확하게는, 표적에서 송신된 전력 밀도를 가로채는 데 필요한 가상적인 면적으로, 가로채진 총 전력이 등방적으로 재방사될 경우 수신기에서 실제로 관측되는 전력 밀도가 생성되는 면적이다.^[4]

단일 위치(레이더 송신기와 수신기가 동일 위치) 레이더 방정식은 다음과 같다.

:

P_r =  \sigma  A_\mathrm{eff}

여기서,

$P_t$ 는 송신기의 입력 전력 (와트)
$G_t$ 는 레이더 송신 안테나의 이득 (무차원)
$r$ 는 레이더에서 표적까지의 거리 (미터)
$\sigma$ 는 표적의 레이더 반사 단면적 (제곱미터)
$A_\mathrm{eff}$ 는 레이더 수신 안테나의 유효 면적 (제곱미터)
$P_r$ 는 레이더가 표적에서 수신하는 전력 (와트)

레이더 표적에 의한 입사 레이더 전력의 산란은 등방성이 아니며(구형 표적의 경우에도), RCS는 가상적인 면적이다.

레이더에서 방출된 전파가 목표물에 입사하면, 이로 인해 산란체에 전류가 유도되고, 전류에 의한 재방사가 산란장을 형성한다. RCS는 이 산란장을 이용하여 다음과 같이 정의된다.^[23]

:

\sigma = \lim_{R \to \infty}4\pi R^2\frac{|E_r|^2}{|E_i|^2}

::：RCS 값

::''E''}}：산란 전계 강도

::''E''}}：입사 전계 강도

::：목표물과 레이더 간의 거리

레이더 목표물의 유효 반사 면적은 고유하게 결정되지 않는 변동량이므로, 일반적으로 평균적인 값을 사용한다.^[22] 정의상 RCS는 면적의 차원을 가지지만, 변동에 대해 설명할 때는, 데시벨 표시로 나타내는 경우도 있다. 이 경우, 1 m²을 0 dBsm(DeciBel squared meter, 데시벨 스퀘어미터)으로 한다.^[23]

RCS는 주파수의 영향도 받는다. 금속 구의 RCS는 주파수가 낮은 영역(Rayleigh 영역)에서는 단조롭게 증가하고, 중간 영역(공명 영역)에서는 목표물의 크기가 2분의 1 파장의 정수배 정도일 때 최대값을 가지도록 진동한다. 고주파 영역(기하광학 영역)에서는 기하학적인 단면적에 점근해 간다.^[23]

일반적인 레이더에서 사용되는 영역에서 RCS 저감책을 강구하지 않은 항공기의 경우, 파장과는 무관하게 아래 표와 같은 기준이 알려져 있다.^[22]

목표물	평균적 유효 반사 면적의 예 (m²)
곤충	0.001^[24]
조류	0.01^[24]
토마호크	0.5^[24]
소형전투기	2
대형 전투기	6
중형폭격기·여객기	20
대형 폭격기·여객기	40
점보 제트	100

전파흡수체 도포나 전자파 투과성 소재 채용 등의 점진적인 대책에 의한 RCS 저감은 가능하다. 예를 들어 F-16 초기형의 RCS는 5 m², F-16C는 1.2 m²이다.^[24] 최초의 실용 스텔스기인 F-117 공격기의 RCS는 0.025 m², F-22나 B-2는 0.0001 m²이다.^[24]

함선의 RCS는 미국 해군 기술 연구소(NRL)가 아래와 같은 RCS의 개산식을 발표했지만, RCS 저감책을 고려하지 않은 것이므로, 스텔스성에 관해서 보정을 할 필요가 있다.^[25]

: $\sigma = 52f^{0.5}D^{1.5}$

::：RCS 값

::：레이더 주파수 (메가헤르츠)

::：만재 배수량 (킬로톤)

펄스 레이더에 대한 레이더 방정식은 다음과 같다.^[21]

: $P_r = \frac{P_tG^2\lambda^2\sigma}{(4\pi)^3R^4}$

::：레이더 수신 전력

::：레이더 첨두 전력

::：안테나 이득

::：파장

::：표적과 레이더 간의 거리

레이더의 최저 수신 전력 이 결정되면, RCS가 σ인 표적의 최대 탐지 거리 는 다음 식으로 계산할 수 있다.

: $R_{\mathrm{max}} = \frac{P_t^{1/4} G^{1/2} \lambda^{1/2} \sigma^{1/4}}{P_r^{1/4} (4\pi)^{3/4}}$

탐지 거리는 RCS의 4제곱근에 비례한다. 예를 들어, F-117 나이트호크의 RCS는 0.025 m²이고, B-52 전략폭격기의 RCS는 100 m²로, 레이더 탐지 거리 차이는 8배이다.^[23] 탐지되는 거리를 2분의 1로 줄이려면 RCS는 16분의 1로 줄여야 한다.

2. 2. RCS 값의 변동성 및 단위

레이더에서 방출된 전파가 목표물에 입사하면, 산란체에 유도된 전류에 의해 재방사가 일어나 산란장이 형성된다. RCS는 이 산란장을 이용하여 다음과 같이 정의된다.^[23]

:

\sigma = \lim_{R \to \infty}4\pi R^2\frac{|E_r|^2}{|E_i|^2}

::σ：RCS 값

::''E_r''^영어：산란 전계 강도

::''E_i''^영어：입사 전계 강도

::R：목표물과 레이더 간의 거리

레이더 목표물의 유효 반사 면적은 고유하게 결정되지 않는 변동량이므로, 일반적으로 평균적인 값을 사용한다.^[22] 정의상 RCS는 면적의 차원을 가지지만, 이러한 변동에 대해 설명할 때는, 데시벨 표시로 나타내는 경우도 있다. 이 경우, 1 m²을 0 dBsm(DeciBel squared meter, 데시벨 스퀘어미터)으로 하므로, 예를 들어 2 m²의 RCS는 3 dBsm이 된다.^[23]

RCS는 주파수의 영향도 받는다. 금속 구의 RCS를 예로 들면, 주파수가 낮은 영역(Rayleigh 영역)에서는 단조롭게 증가하고, 중간 영역(공명 영역)에서는 목표물의 크기가 2분의 1 파장의 정수배 정도일 때 최대값을 가지도록 진동한다. 고주파 영역(기하광학 영역)에서는 기하학적인 단면적에 점근해 간다.^[23] 일반적인 레이더에서 사용되는 영역에서 RCS 저감책을 강구하지 않은 항공기의 경우, 파장과 무관하게 아래 표와 같은 기준이 알려져 있다.^[22]

목표물	평균적 유효 반사 면적의 예 (m²)
곤충	0.001^[24]
조류	0.01^[24]
토마호크	0.5^[24]
소형전투기	2
대형 전투기	6
중형폭격기·여객기	20
대형 폭격기·여객기	40
점보 제트	100

기본 설계가 동일하더라도, 전파흡수체 도포나 전자파 투과성 소재 채용 등의 점진적인 대책에 의한 RCS 저감은 가능하다. 예를 들어 F-16의 경우, 초기형의 RCS가 5 m²인데 반해, F-16C는 1.2 m²이다.^[24] 또한 RCS 저감책도 세대를 거듭할수록 진화하고 있어, 최초의 실용 스텔스기인 F-117 공격기의 RCS는 0.025 m²로 되어 있는데 반해, F-22나 B-2는 0.0001 m²이다.^[24]

함선의 경우, 미국 해군 기술 연구소(NRL)가 RCS 개산식을 발표했지만, 이는 RCS 저감책을 고려하지 않은 것이다.^[25] 해상자위대가 채프의 효과를 발휘하기 위해 자위함의 RCS 실측 데이터를 정리했을 때, NRL의 경험식에 의한 추정치는 실측 데이터보다 훨씬 큰 결과였다.^[26]

: $\sigma = 52f^{0.5}D^{1.5}$

::σ：RCS 값

::f：레이더 주파수 (메가헤르츠)

::D：만재 배수량 (킬로톤)

3. RCS에 영향을 미치는 요인

3. 1. 크기

일반적으로 물체가 클수록 레이더 반사가 강해지고 따라서 RCS(레이더 반사 단면적)가 커진다. 또한, 특정 주파수 대역의 레이더는 특정 크기의 물체를 감지하지 못할 수도 있다. 예를 들어, 10cm(S대역 레이더)는 비 입자는 감지할 수 있지만, 너무 작은 물방울로 이루어진 구름은 감지할 수 없다.

3. 2. 재질

금속과 같은 물질은 레이더 반사율이 높아 강한 신호를 발생시키는 경향이 있다. 나무와 천(과거 항공기와 풍선의 일부에 흔히 사용됨) 또는 플라스틱과 섬유유리는 레이더 반사율이 낮거나 레이더에 투명하여 레이돔에 적합하다. 매우 얇은 금속층이라도 물체의 레이더 반사율을 크게 높일 수 있다. 채프는 종종 금속화 플라스틱이나 유리(식품의 금속화 박막과 유사)로 만들어지며, 미세하게 얇은 금속층을 가지고 있다.

또한, 레이더 안테나와 같이 레이더 활성 장치로 설계된 일부 장치는 RCS를 증가시킨다.

SR-71 블랙버드를 비롯한 일부 항공기에는 작은 금속 코팅 구체로 구성된 특수한 "아이언 볼 페인트"가 도장되었다. 이 페인트는 수신된 레이더 전파 에너지를 반사하지 않고 열로 변환시킨다.

3. 2. 1. 전파흡수재

SR-71 블랙버드를 비롯한 일부 항공기에는 작은 금속 코팅 구체로 구성된 특수한 "아이언 볼 페인트"가 도장되었다. 이 페인트는 수신된 레이더 전파 에너지를 반사하지 않고 열로 변환시킨다.

3. 3. 형태 및 방향

F-117A의 표면은 평평하고 각이 매우 심하게 지도록 설계되었다. 이는 레이더가 법선 벡터에 대해 큰 각도로 입사하여 비슷하게 높은 각도로 반사되는 효과를 가져온다. 이는 전방 산란이다. 모서리는 둥근 표면을 방지하기 위해 날카롭게 만들어져 있는데, 둥근 표면은 레이더 원천에 대해 어느 지점에서 법선이 되기 때문이다. 법선을 따라 입사하는 광선은 법선을 따라 다시 반사되므로 둥근 표면은 강한 반사 신호를 만든다.^[5]

측면에서 본 전투기는 정면에서 본 것보다 훨씬 더 큰 면적을 나타낸다. 다른 모든 요소가 동일하다면, 전투기는 정면보다 측면에서 더 강한 신호를 갖게 된다. 따라서 레이더 기지에 대한 표적의 방향이 중요하다.

3. 4. 표면 거칠기

표면의 요철에는 구석 반사체 역할을 하는 움푹 들어간 부분이 포함될 수 있으며, 이는 여러 방향에서 레이더 반사 면적(RCS)을 증가시킨다. 이는 개방된 폭탄창, 엔진 흡입구, 무장 파일런, 구조물 부분 사이의 이음매 등에서 발생할 수 있다. 또한, 이러한 표면에 레이더 흡수재를 코팅하는 것은 비실용적일 수 있다.

4. RCS 측정

레이더 반사 면적(RCS, Radar Cross Section)은 레이더에서 목표물의 크기를 나타내는 지표이며, 일반적으로 σ(시그마) 기호로 표기하고 제곱미터(m²) 단위로 표현한다. 하지만 이는 기하학적 면적과 같지 않다.^[5] 예를 들어, 투영 면적이 1 m² (직경 약 1.13 m)인 완벽하게 전도성이 있는 구의 경우 RCS는 1 m²이다. 레이더 파장이 구의 직경보다 훨씬 작을 때, RCS는 주파수와 무관하다. 반대로, 면적이 1 m²인 정사각형 평면의 경우 RCS는 σ = 4πA²/λ²(A는 면적, λ는 파장)로 계산되며, 레이더가 평면에 수직일 경우 1 GHz에서 139.62 m²가 된다.^[5] 입사각이 수직에서 벗어날 경우, 에너지가 수신기에서 멀리 반사되어 RCS가 감소한다.

RCS가 목표물의 단면적과 직접적으로 관련이 있다면, RCS를 줄이는 유일한 방법은 물리적 크기를 줄이는 것뿐이다. 그러나 대부분의 복사 에너지를 반사하거나 흡수함으로써 목표물은 더 작은 레이더 반사 면적을 달성한다.^[7]

목표물의 RCS 측정은 레이더 반사율 측정 시스템 또는 산란 측정 시스템에서 수행된다. 첫 번째 유형의 시스템은 야외 시스템으로, 목표물은 특수한 형태의 낮은 RCS를 가진 지주에 설치되고, 송신기에서 일정 거리만큼 떨어져 위치한다. 이러한 시스템은 목표물 뒤에 레이더 흡수체를 설치할 필요가 없지만, 지면과의 다중 경로 반사를 완화해야 한다.

무향실 또한 일반적으로 사용된다. 무향실에서는 목표물이 중앙에 있는 회전 기둥에 배치되고, 벽, 바닥 및 천장은 레이더 흡수 재료로 덮여 있다. 이러한 흡수체는 반사로 인한 측정 오류를 방지한다. 컴팩트 레인지는 원거리 조건을 시뮬레이션하기 위한 반사판을 갖춘 무향실이다.

센티미터파 레이더의 일반적인 RCS 값은 다음과 같다.^[8]^[9]

물체	RCS (m²)
곤충	0.00001
새	0.01
스텔스기	<0.1 (예: F-117A(Lockheed F-117 Nighthawk): 0.001)
지대공 미사일	≈0.1
사람	1
소형 전투기	2–3
대형 전투기	5–6
수송기	최대 100
연안 무역선 (길이 55m)	300–4000
모서리 길이 1.5m 코너 반사기	≈20,000^[10]^[11]
호위함 (길이 103m)	5000–100,000
컨테이너선 (길이 212m)	10,000–80,000

5. RCS 계산

정량적으로 RCS는 3차원에서 다음과 같이 계산된다.^[3]

: $\sigma = \lim_{r \to \infty} 4 \pi r^{2} \frac{S_{s}}{S_{i}}$

여기서 $\sigma$ 는 RCS이고, $S_{i}$ 는 표적에서 측정된 입사 파워 밀도이며, $S_{s}$ 는 표적에서 $r$ 만큼 떨어진 곳에서 관측되는 산란 파워 밀도이다.

전자기 분석에서 이것은 다음과 같이 일반적으로 표현되기도 한다.^[5]

: $\sigma = \lim_{r \to \infty} 4 \pi r^{2} \frac{|E_{s}|^{2}}$

6. RCS 감소 기술

레이더 반사 면적(RCS) 감소는 항공기, 미사일, 함선 및 기타 군사 차량의 스텔스 기술에서 매우 중요하다. RCS가 작을수록 육상 기지, 유도 무기 또는 다른 차량으로부터의 레이더 탐지로부터 더 잘 회피할 수 있다. 감소된 신호 특성 설계는 또한 레이더 대응책의 효과를 향상시켜 플랫폼의 전반적인 생존성을 향상시킨다.^[5]

B-2 스피릿(B-2 Spirit)은 레이더에 '보이지 않게' 만드는 데 성공한 최초의 항공기 중 하나였다.

thumb의 세부 사항. 다면체 외관은 스텔스(Stealth ship)를 위한 레이더 반사 면적을 줄인다.]]

여러 가지 방법이 존재한다. 특정 레이더 구성에 대해 표적을 탐지할 수 있는 거리는 RCS의 네제곱근에 따라 달라진다.^[12] 따라서 탐지 거리를 10분의 1로 줄이려면 RCS를 10,000분의 1로 줄여야 한다. 이 정도의 개선은 어렵지만, 개념/설계 단계에서 플랫폼에 영향을 미칠 때와 아래에 설명된 제어 옵션을 구현하기 위해 전문가와 고급 컴퓨터 코드 시뮬레이션을 사용할 때 종종 가능하다.

6. 1. 형상화 (Purpose shaping)

목적 형상화는 표적의 반사 표면 형태를 설계하여 에너지를 발원지로부터 멀리 반사시키는 방법이다. 목표는 일반적으로 표적의 이동 방향에 대해 "침묵 원뿔"을 만드는 것이다. 에너지 반사로 인해 이 방법은 패시브(다중정지) 레이더를 사용하면 무력화된다.^[13]

F-117A 나이트호크 스텔스 공격기의 표면 패싯 설계에서 목적 형상화를 볼 수 있다. 1970년대 후반에 설계되었지만 1988년에야 대중에게 공개된 이 항공기는 많은 평평한 표면을 사용하여 입사 레이더 에너지를 발원지로부터 멀리 반사시킨다. 설계 단계에서 제한된 컴퓨팅 성능으로 인해 표면의 수가 최소화되었다.^[13] B-2 스피릿 스텔스 폭격기는 향상된 컴퓨팅 성능의 혜택을 받아 윤곽이 있는 형태와 RCS의 추가 감소를 가능하게 했다. F-22 랩터와 F-35 라이트닝 II는 목적 형상화의 추세를 이어가고 있으며 단정지 RCS를 더욱 줄일 것으로 기대된다.

6. 2. 산란 에너지 방향 전환 (Redirecting scattered energy without shaping)

이 기법은 주로 메타물질의 발명 이후 다른 기법들에 비해 비교적 최근에 개발된 기술이다.^[14]^[15]^[16] 기하학적 변형의 주된 목표는 산란파를 후방 산란 방향(또는 광원)에서 멀리 돌려보내는 것이지만, 이는 공기역학적 성능 저하를 초래할 수 있다.^[14]^[15]^[17] 최근에는 표적의 기하학적 형태를 변경하지 않고 산란파의 방향을 바꿀 수 있는 메타물질을 활용하는 방법이 연구되고 있다.^[15]^[16] 이러한 메타물질은 체커보드 메타물질과 구배 굴절률 메타물질, 크게 두 가지 범주로 분류할 수 있다.

6. 3. 능동 상쇄 (Active cancellation)

능동적 감쇄 방식에서는 표적이 입사하는 레이더 신호의 예상 반사파와 세기는 같지만 위상이 반대인 레이더 신호를 생성한다(소음 제거 이어폰과 유사). 이는 반사된 신호와 생성된 신호 사이에 상쇄 간섭을 일으켜 레이더 반사 면적(RCS)를 감소시킨다. 능동적 감쇄 기법을 통합하려면, 감쇄에 필요한 생성 에너지의 특성을 정의하기 때문에 조사 레이더 신호의 파형과 도착각의 정확한 특성을 알아야 한다. 단순하거나 저주파 레이더 시스템을 제외하고는 복잡한 처리 요구 사항과 항공기, 미사일 또는 기타 표적의 광범위한 각도에서 반사된 레이더 신호의 정확한 특성을 예측하는 어려움 때문에 능동적 감쇄 기법을 구현하는 것이 매우 어렵다.

6. 4. 전파흡수재 (Radar absorbent material)

전파흡수재(RAM, Radar absorbent material)는 원래 구조물에 사용되거나, 고반사 표면에 추가적으로 사용될 수 있다.^[5] 전파흡수재에는 공진형, 비공진 자성형, 비공진 대용량형 등 최소 세 가지 유형이 있다.

공진형 재료는 표적의 반사 표면에 적용된다. 재료의 두께는 예상되는 조사 전파의 4분의 1 파장에 해당한다(살리스베리 스크린). 입사 전파 에너지는 RAM의 안쪽과 바깥쪽 표면에서 반사되어 파괴적인 파동 간섭 패턴을 생성, 반사 에너지를 상쇄시킨다. 예상 주파수에서 벗어나면 전파 흡수에 손실이 발생하므로, 이러한 유형의 RAM은 단일하고 일반적이며 변하지 않는 주파수의 레이더에만 유용하다.

비공진 자성 RAM은 에폭시 또는 페인트에 현탁된 페라이트 입자를 사용하여 입사 전파에 대한 표면의 반사율을 줄인다. 비공진 RAM은 넓은 표면적에 걸쳐 입사 전파 에너지를 소산시키므로, 표면 온도의 미미한 상승으로 이어지며, 적외선 신호를 증가시키지 않고 RCS를 감소시킨다. 비공진 RAM은 넓은 주파수 범위에서 효과적일 수 있다.

대용량 RAM은 일반적으로 저항성 탄소를 섬유유리 육각형 셀 항공기 구조 또는 기타 비전도성 구성 요소에 추가하여 사용한다. 저항성 재료의 핀도 추가될 수 있다. 폼이나 에어로젤로 간격을 둔 얇은 저항성 시트는 우주선에 적합할 수 있다.

유전체와 도체로만 만들어진 얇은 코팅은 흡수 대역폭이 매우 제한적이므로, 무게와 비용이 허용될 때 공진형 RAM이나 비공진형 RAM에서 자성 재료가 사용된다.

7. RCS 예시

X 밴드를 사용하는 레이다에서의 반사 면적은 다음과 같다.

트럭: 200 m²
자동차: 100 m²
B-52: 99.5 m²
B-1A: 10.0 m²
FB-111: 7 m²
F-4: 6 m²
MiG-21: 4 m²
MiG-29: 3 m²
라팔 B: 2 m²
B-1B: 1.02 m²
사람: 1 m²
BGM-109 토마호크: 0.5 m²
F-35: 0.15 m²
SR-71: 0.014 m²
새: 0.01 m²
F-22: 0.0065 m²
F-117: 0.003 m²
B-2: 0.0015 m²

8. 대한민국과 RCS

9. 관련 사항

헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)
보데 선도(Bode Plot)

참조

_[1] Youtube Radar Cross Section, Optical Theorem, Physical Optics Approx, Radiation by Line Sources https://www.youtube.[...]
_[2] 서적 Microwave Remote Sensing: Active and Passive, Volume 2 Artech House, Inc. 1986
_[3] 서적 Advanced Engineering Electromagnetics Wiley 2012
_[4] 서적 Introduction to Radar Systems McGraw-Hill 1980
_[5] 서적 Radar Cross Section, 2nd ed Artech House, Inc. 1993
_[6] 웹사이트 F-22 Raptor Stealth http://www.globalsec[...]
_[7] 뉴스 Unconventional Weapon: What we learned about stealth technology from the combat career of the F-117 http://www.airspacem[...] Smithsonian Air & Space Magazine 2008-01-01
_[8] 웹사이트 Radar Cross Section Measurements (8-12 GHz) http://www.sbfisica.[...]
_[9] 웹사이트 Ship RCS Table http://www.mar-it.de[...]
_[10] 웹사이트 Radar Cross Section (RCS) http://www.radartuto[...]
_[11] 서적 Introduction to radar systems. McGraw-Hill, Inc. 1980
_[12] 서적 YF-22 and YF-23 Advanced Tactical Fighters: Stealth, Speed and Agility for Air Superiority Motorbooks International 1991
_[13] 웹사이트 Detection of the B-2 Stealth Bomber And a Brief History on "Stealth" https://web.archive.[...] 2016-02-01
_[14] 논문 Metasurface-Based Method for Broadband RCS Reduction of Dihedral Corner Reflectors with Multiple Bounces 2019-12
_[15] 논문 New Class of RCS-Reduction Metasurfaces Based on Scattering Cancellation Using Array Theory 2019-01
_[16] 논문 Novel Design of Ultra-Broadband Radar Cross Section Reduction Surfaces using Artificial Magnetic Conductors 2017-10
_[17] 논문 2014
_[18] 웹사이트 A technique for measuring the scattering aperture and absorption aperture of an antenna https://web.archive.[...] 2009-05-12
_[19] 서적 Radar Cross Section SciTech Publishing 2004
_[20] 논문 A Method to Measure Radar Cross Section Parameters of Antennas 2008
_[21] 서적 電子戦の技術拡充編東京電機大学出版局 2014
_[22] 서적 改訂レーダ技術電子情報通信学会 1996
_[23] 서적 防衛用ITのすべて (防衛技術選書―兵器と防衛技術シリーズ) 防衛技術協会 2006
_[24] 웹사이트 Radar Cross Section (RCS) http://www.globalsec[...] 2014-09-19
_[25] 간행물 ステルス艦はペイするか (ステルス艦の現況) 海人社 1995-06
_[26] 서적 第5巻船務・航海水交会 2014