플라즈마 스텔스

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1. 개요

플라즈마 스텔스는 항공기의 레이더 반사 단면적(RCS)을 줄여 탐지를 어렵게 만드는 기술이다. 1950년대부터 연구가 시작되었으며, 플라즈마를 사용하여 레이더파를 흡수, 반사, 또는 굴절시키는 원리를 이용한다. 플라즈마는 특정 주파수 이하의 전파를 반사하고, 주파수에 따라 전송하거나 공진을 일으키며, 플라즈마의 특성을 제어하는 것이 핵심이다. 기술적 난제와 비용 문제, 플라즈마 자체의 방사 문제 등 해결해야 할 과제가 있으며, 1960년대 스푸트니크의 전리층 통과 연구가 플라즈마 스텔스 연구에 영향을 주었다.

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플라즈마 스텔스
개요
플라스마 스텔스의 개념도
유형	군사 기술
설명	항공기 주위에 플라스마를 생성하여 레이더 신호를 흡수하거나 굴절시키는 기술
기술적 세부 사항
원리	플라스마가 레이더파를 흡수하거나 굴절시켜 반사되는 레이더 신호를 줄이는 원리
플라스마 발생 방법	고전압 방전 마이크로파 방사 레이저 조사
플라스마 밀도	레이더파 흡수율에 영향
플라스마 주파수	레이더파 흡수율에 영향
장점
레이더 반사 면적 감소	스텔스 성능 향상
기존 항공기 개조 가능성	새로운 항공기 설계 없이 기존 항공기에 적용 가능
단점
높은 에너지 소비	플라스마 발생에 많은 에너지 필요
플라스마 유지의 어려움	플라스마를 안정적으로 유지하기 어려움
통신 장애 가능성	플라스마가 통신 신호를 방해할 수 있음
연구 및 개발 현황
연구 기관	러시아 미국 중국
개발 단계	초기 연구 및 개발 단계
참고 문헌

2. 역사

1956년, 제너럴 일렉트릭(General Electric)의 아놀드 엘드리지는 항공기에 입자 가속기를 사용하여 레이더 빔을 굴절시키거나 흡수하는 이온화 구름을 생성하는 "물체 위장 방법 및 장치"에 대한 특허를 출원했다. 이 연구의 자금 지원 및 시제품 제작 여부는 불분명하며, 1964년에 미국 특허 3,127,608호가 승인되었다.^[2]

CIA은 록히드 A-12 정찰기 운용 프로젝트 OXCART의 일환으로, A-12의 흡입구 콘의 RCS를 줄이기 위해 프로젝트 KEMPSTER에 자금을 지원했다. 이 프로젝트는 전자 빔 발생기를 사용하여 각 흡입구 앞에 이온화 구름을 생성했으며, 비행 테스트를 거쳤지만 실제 운용되지는 않았다.^[3]

1992년, 휴즈 연구소는 비자화 플라즈마에서 전자기파 전파를 연구하는 프로젝트를 수행했다. 고전압 스파크 갭을 사용하여 UV 방사선을 생성하고, 도파관에서 광이온화를 통해 플라즈마를 생성했으며, 플라즈마로 채워진 미사일 라돔은 반사 감쇠 테스트를 거쳤다.^[5] 같은 시기 R. J. 비드마는 대기압 플라즈마를 전자기 반사체 및 흡수체로 사용하는 연구를 수행했다.^[6] 다른 연구자들도 비균일 자화 플라즈마 슬래브의 경우를 연구했다.^[7]

1999년 러시아에서 전투기용 플라즈마 스텔스 장치에 대한 주장이 나왔다. 1999년 1월, 러시아 ITAR-TASS 통신은 켈디시 연구 센터 책임자인 아나톨리 코로테예프 박사와의 인터뷰를 게재했는데, 그는 자신의 조직에서 개발한 플라즈마 스텔스 장치에 대해 이야기했다.^[8] 전자 방어 저널(Journal of Electronic Defense)은 러시아에서 개발된 "스텔스 적용을 위한 플라즈마 구름 생성 기술"이 항공기의 RCS를 100배(20 dB) 감소시킨다고 보도했다. 2002년 6월 기사에 따르면, 러시아 플라즈마 스텔스 장치는 수호이 Su-27IB 전투 폭격기에 탑재되어 테스트되었다.^[9]

2. 1. 초기 연구

1956년, 제너럴 일렉트릭(General Electric)의 아놀드 엘드리지(Arnold Eldredge)는 항공기에 입자 가속기를 사용하여 레이더 빔을 굴절시키거나 흡수하는 이온화 구름을 생성하는 "물체 위장 방법 및 장치"에 대한 특허를 출원했다. 이 연구 자금 지원 및 시제품 제작 여부는 불분명하며, 1964년에 미국 특허 3,127,608호가 승인되었다.^[2]

CIA은 록히드 A-12 정찰기 운용 프로젝트 OXCART 동안, A-12의 흡입구 콘의 RCS를 줄이기 위해 프로젝트 KEMPSTER에 자금을 지원했다. 이 프로젝트는 전자 빔 발생기를 사용하여 각 흡입구 앞에 이온화 구름을 생성했으며, 비행 테스트를 거쳤지만 실제 운용되지는 않았다.^[3] A-12는 또한 "A-50"이라는 세슘 기반 연료 첨가제를 사용하여 배기 가스를 이온화하여 레이더파 반사를 차단했다. 세슘은 뜨거운 배기 가스에 의해 쉽게 이온화되기 때문에 사용되었으며, 레이더 물리학자 에드 로빅 주니어(Ed Lovick Jr.)는 이 첨가제가 A-12 프로그램을 살렸다고 주장했다.^[4]

1992년, 휴즈 연구소(Hughes Research Laboratory)는 비자화 플라즈마에서 전자기파 전파를 연구하는 프로젝트를 수행했다. 고전압 스파크 갭을 사용하여 UV 방사선을 생성, 도파관에서 광이온화를 통해 플라즈마를 생성했으며, 플라즈마로 채워진 미사일 라돔은 반사 감쇠 테스트를 거쳤다.^[5] 같은 시기 R. J. 비드마(R. J. Vidmar)는 대기압 플라즈마를 전자기 반사체 및 흡수체로 사용하는 연구를 수행했다.^[6] 다른 연구자들도 비균일 자화 플라즈마 슬래브의 경우를 연구했다.^[7]

전투기용 플라즈마 스텔스 장치 설계는 기술적으로 어렵지만, 1999년 러시아에서 수출용 시스템이 제공되었다는 주장이 있다. 1999년 1월, 러시아 ITAR-TASS 통신은 켈디시 연구 센터(Keldysh Research Center)의 책임자인 아나톨리 코로테예프(Anatoliy Koroteyev) 박사와의 인터뷰를 게재했는데, 그는 자신의 조직에서 개발한 플라즈마 스텔스 장치에 대해 이야기했다.^[8]

''전자 방어 저널(Journal of Electronic Defense)''은 러시아에서 개발된 "스텔스 적용을 위한 플라즈마 구름 생성 기술"이 항공기의 RCS를 100배(20 dB) 감소시킨다고 보도했다. 2002년 6월 기사에 따르면, 러시아 플라즈마 스텔스 장치는 수호이 Su-27IB 전투 폭격기에 탑재되어 테스트되었다. 또한 RCS 감소를 위한 플라즈마 응용에 대한 유사한 연구가 미국(Accurate Automation Corporation, 올드 도미니언 대학교)과 프랑스(다쏘 항공, 탈레스 그룹)에서 진행되고 있다고 보도했다.^[9]

2. 2. 프로젝트 KEMPSTER

CIA가 A-12 정찰기 운용 프로젝트인 OXCART를 진행하는 동안, A-12의 흡입구 콘의 RCS를 줄이기 위해 자금을 지원했다. 프로젝트 KEMPSTER로 알려진 이 프로젝트는 전자 빔 발생기를 사용하여 각 흡입구 앞에 이온화 구름을 생성했다. 이 시스템은 비행 테스트를 거쳤지만, 실제 운용되는 A-12나 SR-71 블랙버드에는 배치되지 않았다.^[3] A-12는 또한 "A-50"이라는 세슘 기반 연료 첨가제를 사용하여 배기 가스를 이온화하여 후방 사분면과 엔진 배기 파이프에서 반사되는 레이더파를 차단했다. 세슘은 뜨거운 배기 가스에 의해 쉽게 이온화되기 때문에 사용되었다. 레이더 물리학자 에드 로빅 주니어(Ed Lovick Jr.)는 이 첨가제가 A-12 프로그램을 살렸다고 주장했다.^[4]

2. 3. 연료 첨가제

A-12 정찰기에는 "A-50"이라는 세슘 기반 연료 첨가제가 사용되었다. 이 첨가제는 배기 가스를 이온화하여 후방 및 엔진 배기 파이프에서 반사되는 레이더파를 차단하는 역할을 했다. 세슘은 뜨거운 배기 가스에 의해 쉽게 이온화되는 특성을 지니고 있어 효과적이었다. 레이더 물리학자 에드 로빅 주니어(Ed Lovick Jr.)는 이 첨가제가 A-12 프로그램의 존속에 기여했다고 평가했다.^[4]

2. 4. 1990년대 이후 연구

1992년, 휴즈 연구소는 비자화 플라즈마에서의 전자기파 전파를 연구하는 프로젝트를 수행했다. 이들은 고전압 스파크 갭을 이용해 UV 방사선을 만들고, 이를 통해 도파관에서 광이온화를 일으켜 플라즈마를 생성했다. 이렇게 플라즈마로 채워진 미사일 라돔은 반사 감쇠 효과를 확인하기 위해 무반향실에서 실험을 거쳤다.^[5] 비슷한 시기에 R. J. 비드마는 대기압 플라즈마를 전자기 반사체 및 흡수체로 활용하는 연구를 진행했다.^[6] 다른 연구자들은 비균일 자화 플라즈마 슬래브에 대한 연구도 수행했다.^[7]

전투기에 적용할 수 있는 플라즈마 스텔스 장치를 설계하는 것은 기술적으로 어려운 문제이지만, 1999년 러시아에서 수출용으로 이러한 시스템을 제공했다는 주장이 제기되었다. 1999년 1월, 러시아 ITAR-TASS 통신은 켈디시 연구 센터(과거 열 과정 과학 연구소)의 책임자인 아나톨리 코로테예프 박사와의 인터뷰를 보도했다. 인터뷰에서 코로테예프 박사는 자신의 연구 기관에서 개발한 플라즈마 스텔스 장치에 대해 설명했다. 열 과정 연구소는 기초 물리학 분야에서 세계적으로 손꼽히는 과학 연구 기관 중 하나이기 때문에 이 주장은 특히 주목할 만했다.^[8]

''전자 방어 저널''은 러시아에서 개발된 "스텔스 적용을 위한 플라즈마 구름 생성 기술"이 항공기의 RCS를 100배(20 dB) 감소시킨다고 보도했다. 2002년 6월 기사에 따르면, 러시아의 플라즈마 스텔스 장치는 수호이 Su-27IB 전투 폭격기에 탑재되어 시험되었다. 이 저널은 또한 RCS 감소를 위한 플라즈마 기술에 대한 유사한 연구가 미국에서는 Accurate Automation Corporation(채터누가)와 올드 도미니언 대학교(노퍽)에서, 그리고 다쏘 항공(생클루)와 탈레스 그룹(파리)에서 진행되고 있다고 언급했다.^[9]

2. 5. 러시아의 플라즈마 스텔스 기술

1999년 1월, 러시아 ITAR-TASS 통신은 켈디시 연구 센터(Keldysh Research Center, 구 열 과정 과학 연구소)의 책임자인 아나톨리 코로테예프 박사와의 인터뷰를 게재했는데, 그는 자신의 조직에서 개발한 플라즈마 스텔스 장치에 대해 이야기했다. 열 과정 연구소는 기초 물리학 분야에서 세계 최고의 과학 연구 기관 중 하나이기에 이 주장은 특히 흥미로웠다.^[8]

전자 방어 저널(Journal of Electronic Defense)은 러시아에서 개발된 "스텔스 적용을 위한 플라즈마 구름 생성 기술"이 항공기의 RCS를 100배(20dB) 감소시킨다고 보도했다. 2002년 6월 기사에 따르면, 러시아 플라즈마 스텔스 장치는 수호이 Su-27IB 전투 폭격기에 탑재되어 테스트되었다.^[9]

3. 플라즈마의 성질

플라즈마는 준중성(총 전하가 0에 가까움) 혼합물로, 이온(이온화되어 순 양전하를 띠는 원자), 전자, 그리고 중성 입자(비이온화 원자 또는 분자)로 구성된다. 대부분의 플라즈마는 부분적으로만 이온화되어 있으며, 형광등과 같은 일반적인 플라즈마 장치의 이온화 정도는 1% 미만으로 상당히 낮다. 우주의 거의 모든 물질은 매우 낮은 밀도의 플라즈마 상태이다. 고체, 액체, 기체는 행성체에서 멀리 떨어진 곳에서는 흔하지 않다. 플라즈마는 형광 조명에서 반도체 제조를 위한 플라즈마 처리에 이르기까지 다양한 기술적 응용 분야를 가지고 있다.^[10]

3. 1. 플라즈마 주파수

플라스마는 전자기파와 강하게 상호작용할 수 있다. 플라스마와 전자기파 간의 상호작용은 플라스마의 물리적 특성과 매개변수, 특히 전자 온도와 플라스마 밀도에 크게 의존한다.

'''특성 전자 플라스마 주파수''', 전자가 진동하는 주파수(플라즈마 진동):

:

\omega_{pe} = (4\pi n_ee^2/m_e)^{1/2} = 5.64 \times 10^4 n_e^{1/2} \mbox{rad/s} = 9000 \times n_e^{1/2} \mbox{Hz}

플라스마는 온도와 밀도 모두에서 광범위한 값을 가질 수 있다. 플라스마 온도는 절대영도에 가깝고 10⁹ 켈빈을 훨씬 넘어서는 온도까지 다양하며(비교를 위해 텅스텐은 3700 켈빈에서 녹는다), 플라스마는 입자가 세제곱미터당 하나 미만일 수 있다. 전자 온도는 일반적으로 전자볼트(eV)로 표현되며, 1 eV는 11,604 K에 해당한다. 형광등 및 반도체 제조 공정에서의 일반적인 플라스마 온도 및 밀도는 약 수 eV 및 10^9-12/cm³이다. 광범위한 매개변수와 주파수에서 플라스마는 전기적으로 전도성이 있으며, 저주파 전자기파에 대한 응답은 금속과 유사하다. 플라스마는 단순히 입사 저주파 복사를 반사한다. 저주파는 특성 전자 플라즈마 주파수보다 낮다는 것을 의미한다.^[10]

플라스마를 사용하여 물체에서 반사된 전자기파를 제어하는 것(플라스마 스텔스)은 플라스마의 전도도가 입사 전파와 강하게 상호작용할 수 있고, 전파가 흡수되어 열 에너지로 변환되거나 반사 또는 전송될 수 있는 적절한 주파수에서 가능하다. 이는 전파 주파수와 특성 플라스마 주파수 간의 관계에 따라 달라진다. 전파의 주파수가 플라스마 주파수보다 낮으면 반사되고, 높으면 전송된다. 이 둘이 같으면 공진이 발생한다. 반사를 줄일 수 있는 또 다른 메커니즘도 있다. 전자기파가 플라스마를 통과하여 금속에 반사되고, 반사파와 입사파의 세기가 거의 같으면 두 개의 페이저를 형성할 수 있는데, 이 두 페이저가 반대 위상일 때 서로 상쇄될 수 있다. 레이더 신호를 실질적으로 감쇠시키기 위해서는 플라스마 슬래브가 적절한 두께와 밀도를 가져야 한다.^[10]

3. 2. 전자기파와의 상호작용

플라즈마는 전자기파와 강하게 상호 작용할 수 있다. 이 때문에 플라즈마가 물체의 레이더 신호를 수정하는 데 사용될 수 있다. 플라즈마와 전자기파 간의 상호 작용은 플라즈마의 물리적 특성과 매개변수, 특히 전자 온도와 플라즈마 밀도에 크게 의존한다.^[10]

'''특성 전자 플라즈마 주파수''', 전자가 진동하는 주파수(플라즈마 진동):

:

\omega_{pe} = (4\pi n_ee^2/m_e)^{1/2} = 5.64 \times 10^4 n_e^{1/2} \mbox{rad/s} = 9000 \times n_e^{1/2} \mbox{Hz}

플라즈마는 온도와 밀도 모두에서 광범위한 값을 가질 수 있다. 플라즈마 온도는 절대 영도에 가깝고 10⁹ 켈빈을 훨씬 넘어서는 온도까지 다양하며(비교를 위해 텅스텐은 3700 켈빈에서 녹는다), 플라즈마는 입자가 세제곱미터당 하나 미만일 수 있다. 전자 온도는 일반적으로 전자볼트(eV)로 표현되며, 1 eV는 11,604 K에 해당한다. 형광등 및 반도체 제조 공정에서의 일반적인 플라즈마 온도 및 밀도는 약 수 eV 및 10^9-12/cm³이다. 광범위한 매개변수와 주파수에서 플라즈마는 전기적으로 전도성이 있으며, 저주파 전자기파에 대한 응답은 금속과 유사하다. 플라즈마는 단순히 입사 저주파 복사를 반사한다. 여기서 저주파는 특성 전자 플라즈마 주파수보다 낮은 주파수를 의미한다. 플라즈마를 사용하여 물체에서 반사된 전자기파를 제어하는 것(플라즈마 스텔스)은 플라즈마의 전도도가 입사 전파와 강하게 상호 작용할 수 있고, 전파가 흡수되어 열 에너지로 변환되거나 반사 또는 전송될 수 있는 적절한 주파수에서 가능하다. 이는 전파 주파수와 특성 플라즈마 주파수 간의 관계에 따라 달라진다. 전파의 주파수가 플라즈마 주파수보다 낮으면 반사되고, 높으면 전송된다. 이 둘이 같으면 공진이 발생한다. 반사를 줄일 수 있는 또 다른 메커니즘도 있다. 전자기파가 플라즈마를 통과하여 금속에 반사되고, 반사파와 입사파의 세기가 거의 같으면 두 개의 페이저를 형성할 수 있다. 이 두 페이저가 반대 위상일 때 서로 상쇄될 수 있다. 레이더 신호를 실질적으로 감쇠시키기 위해서는 플라즈마 슬래브가 적절한 두께와 밀도를 가져야 한다.^[10]

플라즈마는 다양한 파동을 지원하지만, 비자화 플라즈마의 경우 가장 관련 있는 것은 전자의 동적 압축에 해당하는 랭뮤어파이다. 자화 플라즈마의 경우, 레이더 주파수에서 방사와 상호 작용할 수 있는 다양한 파동 모드가 여기될 수 있다.

4. 전자기파 흡수

전자기파가 전도성 플라즈마로 전파되면, 이온과 전자는 시간 변화하는 전기장 및 자기장의 영향으로 위치가 바뀐다. 파동장은 입자에 에너지를 전달하며, 입자는 이 에너지의 일부를 파동에 다시 반환하지만, 일부는 산란, 공명 가속, 모드 변환, 비선형 효과 등의 과정을 통해 열로 흡수되거나 다른 파동 유형으로 전달될 수 있다. 플라즈마는 이론적으로 입사파의 모든 에너지를 흡수할 수 있으며, 이것이 플라즈마 스텔스의 핵심이다.^[10] 플라즈마 스텔스는 항공기의 RCS을 실질적으로 감소시켜 탐지를 어렵게 만든다. RCS 감소는 탐지 거리의 비례적 감소로 이어져, 항공기가 탐지되기 전에 레이더에 더 가까이 접근할 수 있게 한다.

4. 1. 주파수와 플라즈마의 관계

전자기파가 전도성 플라즈마로 전파될 때, 플라즈마는 특정 주파수(특성 전자 플라즈마 주파수) 이하의 전파는 반사하고, 그 이상의 주파수는 흡수하는 성질을 가진다.^[10]

저주파수 전파: 플라즈마는 특정 주파수 이하의 전파를 반사한다. 이는 단파 라디오 및 장거리 통신에 활용된다. 예를 들어, 초기 경보 초수평선 레이더는 50MHz 미만의 저주파수 전파를 사용하여 지구와 전리층 사이에서 반사시켜 장거리를 이동하게 한다.
고주파수 전파: 대부분의 군용 항공기 및 방공 레이더는 VHF, UHF 및 마이크로파 대역에서 작동하며, 이는 전리층의 특성 플라즈마 주파수보다 높다. 따라서 마이크로파는 전리층을 통과할 수 있으며, 지상과 통신 위성 간의 통신이 가능하다.

항공기 주변의 플라즈마는 입사 방사선을 흡수하여 항공기의 금속 부분으로부터의 신호 반사를 줄일 수 있다.^[10] 이를 통해 항공기는 장거리에서 레이더에 탐지되기 어려워진다. 또한, 플라즈마는 반사된 파동을 수정하여 적의 레이더 시스템을 혼란시킬 수 있다. 예를 들어, 반사된 방사선의 주파수를 이동시켜 도플러 필터링을 방해하고, 반사된 방사선을 노이즈와 구별하기 어렵게 만들 수 있다.

플라즈마의 밀도 및 온도와 같은 특성을 제어하는 것은 플라즈마 스텔스 장치에 중요하며, 다양한 유형의 레이더 시스템에 효과적으로 대응하기 위해 플라즈마 밀도, 온도, 조합 또는 자기장을 동적으로 조정해야 할 수 있다.

4. 2. 플라즈마에 의한 레이더 신호 제어

전자기파가 전도성 플라즈마로 전파되면, 이온과 전자는 시간에 따라 변하는 전기장 및 자기장의 영향으로 위치가 바뀐다. 파동장은 입자에 에너지를 전달한다. 입자는 일반적으로 얻은 에너지의 일부를 파동에 다시 반환하지만, 일부 에너지는 산란이나 공명 가속과 같은 과정을 통해 열로 영구히 흡수되거나, 모드 변환 또는 비선형 효과에 의해 다른 파동 형태로 바뀔 수 있다. 플라즈마는 이론적으로 입사파의 모든 에너지를 흡수할 수 있으며, 이것이 플라즈마 스텔스의 핵심이다. 플라즈마 스텔스는 항공기의 RCS을 줄여 탐지를 어렵게 만든다. RCS 감소는 탐지 거리의 감소로 이어져, 항공기가 탐지되기 전에 레이더에 더 가까이 접근할 수 있게 한다.^[10]

핵심 문제는 입사 신호의 주파수이다. 플라즈마는 특정 주파수(특성 전자 플라즈마 주파수) 이하의 전파를 반사한다. 이는 단파 라디오 및 장거리 통신의 기본 원리이다. 저주파수 전파 신호가 지구와 전리층 사이에서 반사되어 장거리를 이동할 수 있기 때문이다. 초기 경보 초수평선 레이더는 이러한 저주파수 전파(일반적으로 50 MHz 미만)를 사용한다. 그러나 대부분의 군용 항공기 및 방공 레이더는 VHF, UHF, 및 마이크로파 대역에서 작동하며, 이는 전리층의 특성 플라즈마 주파수보다 높은 주파수를 가지므로 마이크로파는 전리층을 통과할 수 있으며 지상과 통신 위성 간의 통신이 가능하다.

항공기 주변의 플라즈마는 입사 방사선을 흡수하여 항공기의 금속 부분으로부터의 신호 반사를 줄일 수 있다. 그러면 항공기는 약한 신호 수신으로 인해 장거리에서 레이더에 보이지 않게 된다.^[10] 플라즈마는 또한 반사된 파동을 수정하여 적의 레이더 시스템을 혼란시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 반사된 방사선의 주파수를 이동시키면 도플러 필터링이 방해받고 반사된 방사선이 노이즈와 구별하기 더 어려워질 수 있다.

밀도 및 온도와 같은 플라즈마 특성을 제어하는 것은 기능적인 플라즈마 스텔스 장치에 중요하며, 다양한 유형의 레이더 시스템을 효과적으로 무력화하기 위해 플라즈마 밀도, 온도 또는 조합, 또는 자기장을 동적으로 조정해야 할 수 있다. 플라즈마 스텔스가 레이더 흡수 재료 사용과 같은 기존의 무선 주파수 스텔스 기술에 비해 갖는 큰 장점은 플라즈마가 튜닝 가능하고 광대역이라는 것이다. 주파수 도약 레이더에 직면했을 때, 적어도 이론적으로 플라즈마 온도와 밀도를 변경하여 상황에 대처할 수 있다. 가장 큰 과제는 우수한 에너지 효율로 넓은 영역 또는 부피의 플라즈마를 생성하는 것이다.

플라즈마 스텔스 기술은 또한 다양한 기술적 문제에 직면해 있다. 예를 들어, 플라즈마 자체는 전자기파(EM) 방사선을 방출하지만, 일반적으로 약하고 스펙트럼에서 노이즈와 유사하다. 또한 플라즈마가 대기에 재흡수되는 데 시간이 걸리고, 이동하는 항공기 뒤에 이온화된 공기의 흔적이 생성되지만, 현재 이러한 종류의 플라즈마 흔적을 장거리에서 감지하는 방법은 없다. 셋째, 플라즈마(예: 글로 방전 또는 형광등)는 가시적인 빛을 방출하는 경향이 있다. 이는 전반적인 저관측 개념과 일치하지 않는다. 마지막으로, 고속으로 이동하는 전체 항공기 주변에 레이더 흡수 플라즈마를 생성하는 것은 극도로 어렵고, 필요한 전력 소비가 막대하다. 그러나 터보 제트 엔진 팬 블레이드, 엔진 공기 흡입구, 수직 안정판 및 항공기 탑재 레이더 안테나와 같이 항공기의 가장 반사적인 표면 주변에 레이더 흡수 플라즈마를 생성하여 항공기 RCS의 실질적인 감소를 여전히 달성할 수 있다.

3차원 유한 차분 시간 영역 시뮬레이션을 사용하여 플라즈마 기반 레이더 반사 단면적 감소 기술에 대한 여러 계산 연구가 있었다. Chung은 대기 재진입 중에 발생하는 현상인 플라즈마로 덮인 금속 콘의 레이더 반사 변화를 연구했다.^[11] Chung은 일반 위성의 레이더 반사 단면적과 인공적으로 생성된 플라즈마 콘으로 덮였을 때의 레이더 반사 단면적을 시뮬레이션했다.^[12]

4. 3. 플라즈마 특성 제어

전파 신호와 같은 전자기파가 전도성 플라즈마로 전파되면, 이온과 전자는 시간 변화하는 전기장 및 자기장의 결과로 변위된다. 파동장은 입자에 에너지를 전달한다. 입자는 일반적으로 얻은 에너지의 일부를 파동에 다시 반환하지만, 일부 에너지는 열로 영구적으로 흡수되거나, 다른 파동 유형으로 전달될 수 있다. 플라즈마는 이론적으로 입사파의 모든 에너지를 흡수할 수 있으며, 이것이 플라즈마 스텔스의 핵심이다.^[10]

밀도 및 온도와 같은 플라즈마 특성을 제어하는 것은 기능적인 플라즈마 스텔스 장치에 중요하다. 다양한 유형의 레이더 시스템을 효과적으로 무력화하기 위해 플라즈마 밀도, 온도, 조합, 또는 자기장을 동적으로 조정해야 할 수 있다. 플라즈마 스텔스가 기존의 무선 주파수 스텔스 기술에 비해 갖는 큰 장점은 플라즈마가 튜닝 가능하고 광대역이라는 것이다. 주파수 도약 레이더에 직면했을 때, 적어도 이론적으로 플라즈마 온도와 밀도를 변경하여 상황에 대처할 수 있다. 가장 큰 과제는 우수한 에너지 효율로 넓은 영역 또는 부피의 플라즈마를 생성하는 것이다.

플라즈마 스텔스 기술은 또한 다양한 기술적 문제에 직면해 있다. 예를 들어, 플라즈마 자체는 EM 방사선을 방출하지만, 일반적으로 약하고 스펙트럼에서 노이즈와 유사하다. 또한 플라즈마가 대기에 재흡수되는 데 시간이 걸리고, 이동하는 항공기 뒤에 이온화된 공기의 흔적이 생성되지만, 현재 이러한 종류의 플라즈마 흔적을 장거리에서 감지하는 방법은 없다. 플라즈마는 가시적인 빛을 방출하는 경향이 있는데, 이는 전반적인 저관측 개념과 일치하지 않는다. 고속으로 이동하는 전체 항공기 주변에 레이더 흡수 플라즈마를 생성하는 것은 극도로 어렵고, 필요한 전력 소비가 막대하다. 그러나 항공기의 가장 반사적인 표면 주변에 레이더 흡수 플라즈마를 생성하여 항공기 RCS의 실질적인 감소를 여전히 달성할 수 있다.^[10]

5. 이론적 연구 및 스푸트니크

플라즈마가 항공기의 레이더 반사 단면적(RCS)에 미치는 영향에 대한 실험 연구는 군사적 응용 가능성 때문에 거의 공개되지 않았지만, 플라즈마와 마이크로파의 상호 작용은 일반 플라즈마 물리학에서 잘 연구된 분야이다. 표준 플라즈마 물리학 참고 문헌은 좋은 출발점이 된다.

1963년 IEEE에서 발표된 논문은 플라즈마 껍질이 물체의 에코 면적을 감소시키거나 증가시킬 수 있음을 보여준다. 특히 두 반사파(위성 표면과 플라즈마 껍질)의 크기가 동일하고 위상이 반대일 때 상쇄 간섭이 발생하여 RCS가 0이 될 수 있다는 점을 강조한다. 이는 물체가 레이더에 완전히 보이지 않게 될 수 있음을 의미한다.

하지만, 이러한 이론을 복잡한 형태의 항공기에 적용하는 것은 매우 어렵다. 1963년 당시에는 IBM 704 컴퓨터를 사용하여 제한적인 연구가 진행되었지만, 현대에는 훨씬 발전된 기술을 통해 더 정밀한 분석이 가능하다.

플라즈마 스텔스의 간단한 응용 사례로 플라즈마 안테나가 있다. 금속 안테나는 큰 RCS를 갖지만, 저압 플라즈마를 채운 유리 튜브는 안테나로 사용될 수 있으며, 사용하지 않을 때는 레이더에 투명하다.

5. 1. 스푸트니크와 전리층

1957년, 소련은 최초의 인공위성인 스푸트니크를 발사했다. 스푸트니크를 추적하는 과정에서, 전자기파 산란 특성이 전도성 구체에서 예상되는 것과 다르다는 점이 발견되었다. 이는 위성이 전리층이라는 플라즈마 껍질 내부를 통과했기 때문이다.

스푸트니크는 단순한 형태를 가지고 있어 항공기의 레이더 반사 면적(RCS)에 대한 플라즈마의 영향을 보여주는 이상적인 사례이다. 전리층을 빠른 속도로 통과하며 자연 발생 플라즈마 껍질에 둘러싸인 스푸트니크의 경우, 두 가지 별도의 레이더 반사가 발생한다. 첫 번째는 위성의 전도성 표면에서, 두 번째는 유전체 플라즈마 껍질에서 발생한다.

1963년 IEEE 논문에 따르면, 유전체(플라즈마) 껍질은 물체의 에코 면적을 감소시키거나 증가시킬 수 있다. 두 반사의 크기가 동일할 때, 두 구성 요소는 페이저로 더해지고, 그 결과 필드가 전체 RCS를 결정한다. 이 두 구성 요소가 서로 위상이 반대일 때 상쇄가 발생하여 RCS가 0이 될 수 있다.

5. 2. IEEE 논문 (1963)

1963년 IEEE에서 발표된 논문은 "''유전체 또는 플라즈마 코팅된 전도성 구 및 원통의 레이더 반사 단면적''"(IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1963년 9월, pp. 558–569)이다. 이 논문은 1957년 소련이 최초의 인공위성 스푸트니크를 발사한 후, 스푸트니크의 전자기파 산란 특성이 전도성 구체에서 예상되는 것과 다르다는 점에 착안하여 연구되었다. 이는 위성이 전리층이라는 플라즈마 껍질 내부를 통과했기 때문이다.

스푸트니크는 단순한 형태를 가지고 있어 항공기의 RCS에 대한 플라즈마의 영향을 보여주는 이상적인 사례이다. 항공기는 더 복잡한 모양과 다양한 재료로 만들어지지만, 기본적인 효과는 동일하게 유지된다. 전리층을 빠른 속도로 통과하며 자연 발생 플라즈마 껍질에 둘러싸인 스푸트니크의 경우, 위성의 전도성 표면과 유전체 플라즈마 껍질에서 각각 두 가지 별도의 레이더 반사가 발생한다.

논문의 저자들은 유전체(플라즈마) 껍질이 물체의 에코 면적을 감소시키거나 증가시킬 수 있음을 발견했다. 두 반사 중 하나가 상당히 크다면, 더 약한 반사는 전체 효과에 크게 기여하지 않는다. 또한, 플라즈마 껍질을 통과하여 물체의 표면에서 반사되는 EM 신호는 플라즈마를 통과하면서 강도가 감소한다.

가장 흥미로운 효과는 두 반사의 크기가 동일할 때 관찰된다. 이 상황에서 두 구성 요소(두 반사)는 페이저로 더해지고, 그 결과 필드가 전체 RCS를 결정한다. 이 두 구성 요소가 서로 위상이 반대일 때 상쇄가 발생하여 RCS가 0이 되고, 물체가 레이더에 완전히 보이지 않게 된다.

이러한 수치 근사를 항공기의 복잡한 형태에 적용하는 것은 어려울 수 있다. 이를 위해서는 특정 기체 구조, 플라즈마의 특성, 공기역학적 측면, 입사 방사 등에 대한 광범위한 실험 데이터가 필요하다. 1963년 당시에는 1956년에 제작된 IBM 704 컴퓨터를 사용하여 소수의 사람들이 연구를 수행했으며, 연구 배경이 거의 없는 새로운 주제였다.

플라즈마 스텔스의 간단한 응용 사례는 플라즈마를 안테나로 사용하는 것이다. 금속 안테나 기둥은 큰 레이더 반사 단면적을 갖지만, 저압 플라즈마로 채워진 속이 빈 유리 튜브는 안테나로 사용될 수 있으며, 사용하지 않을 때는 레이더에 완전히 투명하다.

6. 플라즈마 스텔스의 과제

플라즈마 스텔스의 핵심 과제는 입사 신호의 주파수이다. 플라즈마는 특정 주파수(특성 전자 플라즈마 주파수) 이하의 전파는 반사한다. 이는 단파 라디오 및 장거리 통신의 기본 원리이다. 그러나 대부분의 군용 항공기 및 방공 레이더는 VHF, UHF, 및 마이크로파 대역에서 작동하며, 이는 전리층의 특성 플라즈마 주파수보다 높다.^[10]

항공기 주변의 플라즈마는 입사 방사선을 흡수하여 항공기의 금속 부분으로부터의 신호 반사를 줄일 수 있다. 또한 플라즈마는 반사된 파동을 수정하여 적의 레이더 시스템을 혼란시킬 수 있다. 예를 들어, 반사된 방사선의 주파수를 이동시키면 도플러 필터링이 방해받고 반사된 방사선이 노이즈와 구별하기 어려워진다.

기능적인 플라즈마 스텔스 장치를 위해서는 밀도 및 온도와 같은 플라즈마 특성을 제어하는 것이 중요하다. 다양한 유형의 레이더 시스템을 효과적으로 무력화하기 위해 플라즈마 밀도, 온도, 조합, 또는 자기장을 동적으로 조정해야 할 수 있다. 플라즈마 스텔스가 기존의 무선 주파수 스텔스 기술에 비해 갖는 큰 장점은 플라즈마가 튜닝 가능하고 광대역이라는 것이다. 가장 큰 과제는 우수한 에너지 효율로 넓은 영역 또는 부피의 플라즈마를 생성하는 것이다.

플라즈마 스텔스 기술은 다양한 기술적 문제에 직면해 있다. 예를 들어, 플라즈마 자체는 EM 방사선을 방출하지만, 일반적으로 약하고 스펙트럼에서 노이즈와 유사하다. 또한 플라즈마가 대기에 재흡수되는 데 시간이 걸리고, 이동하는 항공기 뒤에 이온화된 공기의 흔적이 생성되지만, 현재 이러한 종류의 플라즈마 흔적을 장거리에서 감지하는 방법은 없다. 셋째, 플라즈마는 가시적인 빛을 방출하는 경향이 있는데, 이는 전반적인 저관측 개념과 일치하지 않는다. 마지막으로, 고속으로 이동하는 전체 항공기 주변에 레이더 흡수 플라즈마를 생성하는 것은 극도로 어렵고, 필요한 전력 소비가 막대하다. 그러나 항공기의 가장 반사적인 표면 주변에 레이더 흡수 플라즈마를 생성하여 항공기 RCS의 실질적인 감소를 달성할 수 있다.

3차원 유한 차분 시간 영역 시뮬레이션을 사용하여 플라즈마 기반 레이더 반사 단면적 감소 기술에 대한 여러 계산 연구가 있었다. Chung은 대기 재진입 중에 발생하는 현상인 플라즈마로 덮인 금속 콘의 레이더 반사 변화를 연구했다.^[11] 또한 Chung은 일반 위성의 레이더 반사 단면적과 인공적으로 생성된 플라즈마 콘으로 덮였을 때의 레이더 반사 단면적을 시뮬레이션했다.^[12]

7. 대한민국과 플라즈마 스텔스

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참조

_[1] 간행물 Analysis of the Power Budget and Stability of High-Pressure Nonequilibrium Air Plasmas http://rclsgi.eng.oh[...] 2000
_[2] 특허 Object Camouflage Method and Apparatus
_[3] 웹사이트 The U-2's Intended Successor: Project Oxcart 1956-1968 http://www.blackbird[...] 2007-01-26
_[4] 웹사이트 The SR-71 Blackbird's Predecessor Created "Plasma Stealth" By Burning Cesium-Laced Fuel https://www.thedrive[...] The Drive 2019-09-12
_[5] 서적 Electromagnetic-Wave Propagation in Unmagnetized Plasmas https://www.ntis.gov[...] Air Force Office of Scientific Research 2015-04-14
_[6] 논문 On the Use of Atmospheric Pressure Plasmas as Electromagnetic Reflectors and Absorbers 1990-08
_[7] 기타 Numerical calculation of the reflection, absorption, and transmission of microwaves by a non-uniform plasma slab 1993
_[8] 뉴스 Russian scientists created revolutionary technologies for reducing radar visibility of aircraft ITAR-TASS 1999-01-20
_[9] 간행물 Russia Working on Stealth Plasma 2002-06
_[10] 서적 Radar Systems: Technology, Principles and Applications NOVA Publishers 2013
_[11] 논문 FDTD Simulations on Radar Cross Sections of Metal Cone and Plasma Covered Metal Cone 2012-02-08
_[12] 논문 Simulation on Change of Generic Satellite Radar Cross Section via Artificially Created Plasma Sprays 2016-03-30
_[13] 웹사이트 스텔스 http://www.iusm.co.k[...]

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