레이더 흡수 물질
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1. 개요
레이더 흡수 물질(RAM)은 레이더 전파를 흡수하여 반사를 줄이는 데 사용되는 재료이다. RAM은 전도성, 유전성, 자성 RAM으로 분류되며, 구조재형, 부착형, 도장형 등의 형태로 나뉜다. RAM은 제2차 세계 대전 중 독일에서 잠수함 스노클에 사용되었으며, 이후 미국에서 U-2, SR-71, F-117 등 스텔스 항공기에 적용되었다. 한국은 2000년대 초반부터 RAM 개발을 시작하여, 나노 기술을 활용한 램 페인트 개발에 성공하였다. RAM은 고가이고 유지 보수가 어렵다는 단점이 있으며, 스텔스 성능은 기체 형상과 RAM의 조합으로 결정된다.
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레이더 흡수 물질 | |
---|---|
명칭 | |
한국어 명칭 | 전파 흡수체 |
영어 명칭 | Radiation-absorbent material |
일본어 명칭 | 電波吸収体 (Denpa kyūshūtai) |
다른 명칭 | 레이더 흡수 물질 |
개요 | |
정의 | 전자기파 에너지를 흡수하여 반사를 줄이는 물질 |
주요 기능 | 레이더에 대한 스텔스 전자기 간섭 감소 |
작동 원리 | |
기본 원리 | 전자기파 에너지를 열 에너지 또는 다른 형태의 에너지로 변환 |
사용 메커니즘 | 자기 손실 전기 손실 유전 손실 |
유형 | |
분류 기준 | 재료 작동 주파수 적용 방법 |
주요 유형 | 유전체 흡수체 자성 흡수체 공진 흡수체 (예: 잘레스부리 스크린) 폼 흡수체 페인트형 흡수체 박막 흡수체 메타물질 흡수체 |
응용 분야 | |
군사 | 스텔스 항공기 스텔스 선박 미사일 |
상업 | 전자기 호환성 (EMC) 챔버 전자기 간섭 (EMI) 감소 무선 통신 의료 기기 건축 자재 |
설계 고려 사항 | |
주요 고려 사항 | 흡수 대역폭 흡수 효율 무게 내구성 환경 조건 비용 |
설계 방법 | 유한 요소법 (FEM) 시뮬레이션 전송선 이론 회로 모델링 |
재료 | |
일반적인 재료 | 카본 블랙 페라이트 전도성 폴리머 메타물질 탄소 나노튜브 |
추가 정보 | |
참고 자료 | 다양한 학술 논문 및 연구 자료 전자기파 관련 서적 |
미래 전망 | |
연구 동향 | 더 넓은 대역폭 흡수 더 얇고 가벼운 흡수체 개발 스마트 흡수체 (주파수 가변) 자기 조립 메타물질 |
2. 종류
RAM은 그 성질에 따라 크게 전도성, 유전성, 자성으로 나뉜다.
- 전도성 RAM: 재료 내부의 저항을 이용하여 전파 에너지를 열로 변환시켜 흡수한다. 전도성 섬유를 사용한 직물로 만든 전파 흡수재가 실용화되고 있다.[15]
- 유전성 RAM: 유전체의 분극 반응을 이용하며, 탄소 분말 등을 고무, 발포 우레탄, 발포 폴리스티렌 등에 혼합하여 외관상의 유전 손실을 크게 한 것이 개발되어 있다.[15]
- 자성 RAM: 페라이트나 카보닐 철 등의 자성체의 자기 손실을 이용하여 전파를 흡수한다. 철, 니켈, 페라이트를 사용하여 전파를 흡수할 수 있지만, 무거워지는 것이 단점이다.
이 외에도 다양한 종류의 RAM이 존재한다.
- 피라미드형 RAM: 탄소와 철의 혼합물이 함침된 고무 처리된 폼 재료로 구성되며, 산란과 흡수를 통해 신호를 감쇠시킨다. 피라미드 구조의 밑면에서 끝까지의 길이는 60cm인 반면 고주파 패널은 7.5cm 에서 10cm만큼 짧다.
- 페라이트 타일 RAM: 평평한 페라이트 재료로 만들어져 피라미드형 RAM보다 좁은 주파수 범위(30~1000MHz)에서 효과적이다.
- 하이브리드 RAM: 피라미드 모양의 페라이트 구조로, 넓은 주파수 범위에서 효과적이며 피라미드 크기를 약 10cm로 유지할 수 있다.
- 야우만 흡수체 (Jaumann absorber): 두 개의 반사 표면과 도전성 접지면으로 구성된 다층 구조로, 파동 간섭을 이용하여 반사파를 상쇄한다.
- 분할 고리 공진기 (Split-ring resonator, SRR): "C"자 모양(또는 정사각형과 같은 다른 모양)의 공진기 배열로, 특정 파장에서 흡수를 최적화한다. 35 GHz에서 "C"의 지름은 약 5mm이다.
- 탄소 나노튜브: 다중벽 탄소 나노튜브(MWNTs)는 마이크로파를 흡수하여 레이더 반사 면적을 줄인다.
2. 1. 전도성 RAM
재료 내부의 저항을 이용하여 전파 에너지를 열로 변환시켜 흡수한다. 전도성 섬유를 사용한 직물로 만든 전파 흡수재가 실용화되고 있다.[15]2. 2. 유전성 RAM
유전체의 분극 반응을 이용하며, 탄소 분말 등을 고무, 발포 우레탄, 발포 폴리스티렌 등에 혼합하여 외관상의 유전 손실을 크게 한 것이 개발되어 있다.[15]2. 3. 자성 RAM
페라이트나 카보닐 철로 코팅된 미세한 구체를 포함하는 철구슬 페인트는 레이더파의 분자 진동을 유발하여 레이더 에너지를 열로 변환시킨다. 이 열은 항공기로 전달되어 소산된다.[1] F-117A 나이트호크와 같은 스텔스 항공기는 전기적으로 절연된 카보닐 철 구슬을 2액형 에폭시 페인트에 현탁하는 기술을 사용한다. 자기장을 가하여 액체 페인트 내 카보닐 철 구슬에 자기장 패턴을 생성하고, 페인트가 경화되면서 이 패턴을 유지한다.[1] 카본 블랙 입자가 포함된 네오프렌 고분자 시트 형태의 RAM도 사용된다. 초기 F-117A는 타일 형태였으나, 최신 모델은 페인트 RAM을 사용한다.
미국 공군은 페로유체 및 비자성 물질로 만든 레이더 흡수 페인트를 도입하여 레이더 탐지율을 감소시킨다.[1] 중화민국(타이완) 군은 스텔스 군함 및 전투기에 사용되는 레이더 흡수 페인트를 개발하여 중화인민공화국의 스텔스 기술에 대응하고 있다.[12][13]
자성체의 자기 손실을 이용하여 전파를 흡수한다. 철, 니켈, 페라이트를 사용하여 전파를 흡수할 수 있지만, 무거워지는 것이 단점이다.
3. 형태별 분류
레이더 흡수 물질(RAM)은 사용 형태에 따라 크게 구조재형, 부착형, 도장형으로 나뉜다.
- 구조재형 RAM: 구조재 자체가 전파 흡수 기능을 갖도록 하여, 구조의 단순화와 경량화를 꾀할 수 있다.
- 부착형 RAM: 페라이트나 탄소를 함유한 고무 시트, 또는 발포 스티로폼 등을 외부에 부착하는 형태이다.
- 도장형 RAM: 카보닐 철이나 페라이트 미세 입자를 포함한 페인트 형태로, 레이더 에너지를 열로 변환시켜 소산시키는 방식이다.
이 외에도, 다음과 같은 기술을 활용한 RAM이 존재한다.
- 야우만 흡수체(Jaumann absorber): 여러 겹의 유전체 표면을 사용하여 특정 파장에서 전파를 흡수한다.
- 분할 고리 공진기(Split-ring resonator, SRR): 특정 파장의 레이더를 흡수하도록 설계된 공진기 배열을 사용한다.
- 탄소 나노튜브(Carbon nanotube): 탄소 나노튜브를 이용하여 레이더를 흡수하는 방식으로, 가볍고 효율이 높다.
3. 1. 구조재형 RAM
구조재 자체에 전파 흡수 기능을 부여하여, 두 가지 기능을 겸비한 부재를 사용하는 기술이며, 구조가 단순하고 경량화할 수 있으므로 실용화되고 있다.3. 2. 부착형 RAM

외부에 부착하는 형태의 전파흡수물질(RAM)은 고무 시트 형태의 페라이트나 탄소를 사용한다.[1] 전파암실에서는 발포 스티로폼이 사용된다.[1] 이러한 방식은 무게가 증가하는 단점이 있다.
3. 3. 도장형 RAM
카보닐 철이나 페라이트로 코팅된 미세한 구체를 포함하는 페인트 형태의 전파 흡수 물질(RAM)이다. 레이더파가 이 페인트에 닿으면 교류 자기장에서 분자 진동이 발생하여 레이더 에너지가 열로 변환되고, 이 열은 항공기로 전달되어 소산된다. F-117A 나이트호크와 같은 스텔스 항공기는 이 기술을 활용하는데, 특수 크기의 카보닐 철 구슬을 2액형 에폭시 페인트에 섞어 사용한다.[11] 페인트가 액체 상태일 때 자기장을 가하여 카보닐 철 구슬에 자기 패턴을 형성하고, 페인트가 굳으면서 이 패턴이 유지된다.이러한 도장형 RAM은 미국 공군에서 페로유체 및 비자성 물질을 사용한 레이더 흡수 페인트를 도입하여 발전했으며, 전자파 반사를 줄여 레이더 탐지율을 낮추는 데 기여한다.[11] 이스라엘의 나노플라이트(Nanoflight)는 나노입자를 이용한 레이더 흡수 페인트를 개발했고,[11] 중화민국(타이완) 군대도 자체 개발한 레이더 흡수 페인트를 스텔스 군함 및 전투기에 적용하고 있다.[12][13]
하지만, 도장형 RAM은 두께를 일정하게 유지하기 어렵고, 두껍게 도장해야 하므로 벗겨지기 쉽다는 문제가 있다.[16]
4. 역사
레이더 흡수 물질(RAM)의 초기 역사는 제2차 세계 대전으로 거슬러 올라간다.
4. 1. 제2차 세계대전
일본은 타마 기술 연구소의 마노 소령과 도쿄 공과대학의 시바 박사가 일본 육군 항공대(IJAAF)를 위해 산화철 기반의 레이더 흡수 페인트를 개발했다. 산화철, 아스팔트, 항공기 도료를 혼합한 것이 가장 좋은 결과를 보였으나, 무게가 많이 나가 항공기 성능에 큰 영향을 미쳐 실제 사용은 거의 이루어지지 않았다.[5]반면 일본 해군은 레이더 반사 방지 물질의 잠재력을 높이 평가하여 제2해군기술연구소에서 탄소 분말을 포함한 고무와 플라스틱을 여러 층으로 만들어 레이더파를 흡수, 분산시키는 연구를 진행했다. 3000메가헤르츠 주파수에서는 좋은 결과를 얻었지만, 3cm 파장 레이더에는 효과가 미흡했다. 이 연구는 연합군의 폭격으로 중단되었으나, 전후 미국에 의해 계속되어 어느 정도 성공을 거두었다.[5]
1944년 9월,[6] 독일 해군은 제2차 세계 대전 중 잠수함 스노클(또는 잠망경)에 "Sumpf"와 "Schornsteinfeger"라는 코팅재를 사용했다. 이는 연합군이 사용하는 20cm 레이더 대역에서의 반사율을 낮추기 위한 것이었다. 이 물질은 층상 구조를 가지며, 고무 매트릭스에 흑연 입자 및 기타 반도체 물질을 넣어 만들었다. 그러나 이 물질의 효율은 해수의 작용으로 인해 부분적으로 감소했다.[7][8]
관련 기술은 호르텐 Ho 229 항공기에 적용될 예정이었다. 동체의 합판 시트를 접합하는 접착제에 흑연 입자를 넣어 영국의 레이더에 대한 항공기의 가시성을 줄이고자 했다.[9][10]
4. 2. 냉전 시대
U-2 정찰기, SR-71 정찰기, F-117 폭격기, F-22 전투기에 칠해진 레이더 흡수 물질(RAM) 페인트를 "아이언볼"이라고 부른다. 아이언볼 페인트는 카보닐 철 또는 페라이트로 코팅된 미세한 구체를 포함하고 있으며, 레이더파의 에너지를 열로 변환시켜 항공기로 전달하여 소산시킨다.F-117A 나이트호크를 비롯한 스텔스 항공기는 특수 제작된 카보닐 철 구슬을 에폭시 페인트에 넣어 사용한다. 이 구슬들은 이산화규소로 절연 코팅되어 있으며, 페인트가 액체 상태일 때 자기장을 가하여 입자들을 정렬시킨 후 굳힌다.
최신 스텔스 항공기는 페인트된 RAM을 사용하며, F-117의 경우 산업용 로봇을 이용하여 페인트를 균일한 두께와 밀도로 도포한다.
미국 공군은 페로유체 및 비자성 물질을 사용한 레이더 흡수 페인트를 도입하여 항공기의 레이더 탐지율을 낮추고 있다.
이스라엘 기업 나노플라이트(Nanoflight)는 나노입자를 활용한 레이더 흡수 페인트를 개발했다.[11] 중화민국(타이완) 군 또한 레이더 흡수 페인트를 개발하여 스텔스 군함 및 전투기에 적용하고 있는데, 이는 스텔스 기술을 개발한 중화인민공화국에 대한 대응이다.[12][13]
5. 한국의 RAM 개발
한국은 국방과학연구소(ADD)를 중심으로 레이더 흡수 물질(RAM) 기술을 개발해 왔다.
5. 1. 1세대 RAM
2003년 한국 국방과학연구소는 -6 dBsm (= 0.25 m2) RCS 수준의 레이더 흡수 물질(RAM)을 개발했다. dBsm은 데시벨/m2을 의미하며, dBsm = 10 X log(x m2) 공식으로 변환된다.[18]방위사업청이 2008년 5월 12일에 공개한 "스텔스 기술개발 현황" 내부보고서에 따르면, 국방과학연구소는 1999년에 레이더 흡수 물질 개발을 시작하여 2007년 말 F-4 전투기 축소모형에 칠해 시험 비행을 했고, 양호한 결과를 얻었다. 곧 실제 전투기에 칠해 시험 비행을 할 계획이라고 밝혔다.[18] 군 관계자는 2003년부터 확보된 전파흡수 재료를 무기체계에 적용하는 시험 개발을 진행 중이며, 2010년대 중반까지 스텔스 기능 구현에 필요한 모든 핵심 기술을 개발할 계획이라고 말했다.[19] 개발된 RAM이 페인트 방식인지 합금 방식인지는 밝혀지지 않았다.
5. 2. 2세대 RAM
일본은 F-2 전투기에, 한국은 T-50에 적용 가능한 -12 dBsm (0.065 m2) 수준의 램 페인트를 개발했다.5. 3. 3세대 RAM
국방과학연구소는 나노 기술을 사용하여 실험실 수준에서 -32 dBsm (=0.00065 m2) RCS의 스텔스 성능을 나타내는 페인트를 개발하는데 성공했다.[20]6. 기술 발전
레이더 흡수 물질(RAM) 기술은 지속적으로 발전하고 있다. 초기에는 U-2 정찰기, SR-71 정찰기, F-117 폭격기, F-22 전투기 등에 칠해진 "아이언볼" 페인트가 널리 사용되었다. 이 페인트는 카보닐 철 또는 페라이트로 코팅된 미세한 구체를 포함하여 레이더파를 열로 변환시켜 소산시키는 방식으로 작동한다.
F-35에 사용되는 "파이버맷" 페인트는 또 다른 발전된 형태의 RAM이다. 미국 공군은 F-35의 스텔스 성능을 골프공 수준의 RCS라고 발표했는데, 이는 매우 낮은 레이더 반사 면적을 의미한다.
최근에는 나노 기술을 활용한 RAM 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 2010년 이스라엘 나노플라이트 사는 나노 기술을 적용한 램 페인트를 개발했다고 발표했으며, 한국 국방과학연구소도 나노 기술을 이용하여 높은 스텔스 성능을 보이는 페인트를 개발했다.
탄소 나노튜브(CNT)를 활용한 RAM 연구도 주목받고 있다. 다중벽 탄소 나노튜브(MWNTs)는 마이크로파 주파수 대역의 전파를 흡수할 수 있어, 항공기에 적용 시 스텔스 성능을 향상시킬 수 있다. 미시간 대학교에서는 탄소 나노튜브의 레이더 흡수 특성 및 야간 은폐 효과를 연구하기도 했다.
전파흡수체를 외부에 도장하는 방식은 두께를 일정하게 유지하기 어렵고 벗겨지기 쉽다는 단점이 있지만, 탄소마이크로코일(CMC) 등을 활용하여 광대역 전파 흡수가 가능한 기술도 개발되고 있다.
6. 1. Iron Ball
U-2 정찰기, SR-71 정찰기, F-117 폭격기, F-22 전투기에 칠해진 램 페인트를 "아이언볼"이라고 부른다.철구슬 페인트는 가장 일반적으로 알려진 RAM 유형 중 하나이다. 이 페인트는 카보닐 철 또는 페라이트로 코팅된 미세한 구체를 포함하고 있다. 레이더파는 이 페인트의 교류 자기장에서 분자 진동을 유발하며, 이는 레이더 에너지를 열로 변환시킨다. 그런 다음 열은 항공기에 전달되어 소산된다. 페인트 속 철 입자는 분해된 오탄화철에서 얻어지며, 탄소, 산소, 질소의 미량을 포함할 수 있다.
F-117A 나이트호크 및 기타 스텔스 항공기에서 사용되는 기술 중 하나는 특정 크기의 전기적으로 절연된 카보닐 철 구슬을 2액형 에폭시 페인트에 현탁하는 것이다. 이러한 미세한 구체 각각은 독점적인 공정을 통해 이산화규소로 절연 코팅된다. 이후 패널 제작 과정에서 페인트가 아직 액체 상태일 때 특정 가우스 강도와 특정 거리로 자기장을 가하여 액체 페인트 페로유체 내의 카보닐 철 구슬에 자기장 패턴을 생성한다. 그러면 페인트가 경화되면서 자기장이 입자를 자기 패턴으로 유지한다. 페인트된 패널의 반대쪽에 반대되는 남극-북극 자기장을 적용하여 카보닐 철 입자가 정렬되도록 (3차원적으로 자기장에 평행하게 세워지도록) 하는 실험도 일부 진행되었다. 카보닐 철 구슬 페인트는 구슬이 고르게 분산되고 전기적으로 절연되며, 입사하는 레이더파에 대해 점진적으로 더 큰 밀도의 기울기를 나타낼 때 가장 효과적이다.
페라이트 입자 또는 전도성 카본 블랙 입자(경화 중량의 약 0.30%의 결정질 흑연 포함)가 고분자 매트릭스에 포함된 네오프렌 고분자 시트도 관련된 RAM 유형이다. 이 타일은 초기 버전의 F-117A 나이트호크에 사용되었지만, 최신 모델은 페인트된 RAM을 사용한다. F-117의 도장은 산업용 로봇에 의해 수행되므로 페인트를 특정 층 두께와 밀도로 일관되게 적용할 수 있다. 항공기는 동체에 "붙인" 타일로 덮여 있으며 나머지 틈은 철구슬 "접착제"로 채워진다.
미국 공군은 페로유체 및 비자성 물질로 만든 레이더 흡수 페인트를 도입했다. 이 물질은 전자파의 반사를 줄임으로써 RAM으로 도색된 항공기의 레이더 탐지율을 감소시키는 데 도움이 된다.
6. 2. Fiber Mat
F-35에 칠하는 램 페인트를 "파이버맷"이라고 부른다. 미국 공군은 F-35의 스텔스 성능을 "골프공 수준의 RCS"라고 발표했는데, 골프공은 대략 -28.45 dBms (0.00143m2) 정도이다. 보통 수출형 F-35는 성능을 저하시켜서 RCS가 -8 dBms (0.15m2)라는 정보가 많이 돌아다니는데, 이에 대해 록히드 마틴은 수출형과 내수형에 성능 차이가 있다는 것을 부인했다.6. 3. 나노 기술
2010년 이스라엘 나노플라이트 사는 나노 기술을 적용한 램 페인트를 개발했다고 발표했다. 이 회사는 6조원에 달하는 미국산 스텔스기를 구매하는 것보다 훨씬 저렴한 비용으로 스텔스 성능을 확보할 수 있다고 주장했다.[20] 나노플라이트는 이 기술을 군용뿐만 아니라 민간용으로도 판매할 계획을 가지고 있었는데, 고압 전선 인근 건물에 스텔스 페인트를 칠하면 고압 전류에 의한 전자파를 분산시켜 전자파 피해를 줄일 수 있다고 설명했다.[21] 전직 이스라엘 공군 장교이자 나노플라이트 대변인인 Eli Shaldag는 이 기술이 "전쟁에서 게임 체인저가 될 것"이라고 언급했으며, 나노플라이트 CEO인 Ricardo Burstein도 상당한 수준의 스텔스 성능을 강조했다.[22]한국 국방과학연구소는 나노 기술을 이용하여 실험실 환경에서 -32 dBsm (=0.00065 m2) RCS의 스텔스 성능을 보이는 페인트를 개발했다.
탄소 나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)를 활용한 RAM 연구도 활발하게 진행되고 있다. 레이더는 마이크로파 주파수 대역에서 작동하는데, 다중벽 탄소 나노튜브(MWNTs)는 이 주파수 대역의 전파를 흡수할 수 있다. 항공기에 MWNTs를 적용하면 레이더 반사 면적을 줄여 스텔스 성능을 향상시킬 수 있다. 미시간 대학교에서는 항공기의 스텔스 기술로서 탄소 나노튜브의 활용 가능성을 연구했다. 연구 결과에 따르면, 나노튜브는 레이더 흡수 특성 외에도 가시광선을 반사하거나 산란시키지 않아, 기존 스텔스기처럼 검은색으로 도색하는 것보다 야간에 더욱 효과적으로 은폐할 수 있다. 그러나 현재의 제조 기술로는 나노튜브 코팅 항공기를 생산하는 데 어려움이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 한 가지 방안으로, 나노튜브로 작은 입자를 코팅하고, 이를 페인트와 같은 매체에 분산시켜 스텔스기 표면에 도포하는 방법이 제시되었다.[15]
전파흡수체를 외부에 도장하는 방식은 두께를 일정하게 유지하기 어렵고, 두껍게 도장해야 하므로 벗겨지기 쉽다는 문제가 있다.[16]
전파흡수체는 전파 특성, 각도 특성, 편파 특성, 부가 특성(무게, 내열성, 내후성, 시공성, 가격 등)을 고려하여 개발된다. 탄소마이크로코일(CMC)을 사용하면 광대역 전파 흡수가 가능하다. 코일 직경 1-10μm, 길이 0.2-10mm 정도의 CMC를 폴리우레탄과 같은 지지 기재에 1wt%-1.5wt% 첨가하면 -15dB 이상의 흡수 효율을 얻을 수 있다.
7. 문제점 및 한계
RAM(레이더 흡수 물질) 도료 방식은 가격이 비싸고 유지보수가 어렵다는 문제점이 있다.[4] 함정이나 차량의 경우, 운용상의 이유(RAM 도료는 내구성이 낮아 장기간의 야외 활동에 견딜 수 없고, 육상 무기는 약간의 위장만으로도 레이더에 잘 포착되지 않기 때문)로 인해 고가의 RAM을 사용하지 않고, 외형을 고려하는 정도에 그친다.
항공기에 높은 스텔스 성능을 부여하려면 기체 형상 자체가 스텔스 성능이 높아야 한다. 하지만 항공기의 경우 단순히 "스텔스 성능이 우수한 형상"만으로는 충분하지 않고, "양호한 비행이 가능한 형상", 즉 항공역학에 기반한 형상도 함께 필요하다. 이 두 가지를 조화시키기 위해서는 매우 복잡한 계산이 필요한 설계가 요구된다. 개발, 생산, 유지보수의 모든 단계에서 높은 기술력과 높은 비용이 모두 요구된다. 특히 유지보수는 어려워, 비행 중 물방울이나 먼지가 기체에 부착되거나, 나사 조임이 느슨해져 머리가 표면에서 약간 튀어나오기만 해도 스텔스 성능이 저하된다고 알려져 있다. 예를 들어 B-2 폭격기의 경우, 1기당 가격이 높을 뿐만 아니라 정비에는 전용 격납고가 필요하며, 해외 기지에 배치할 경우 전용 격납고도 함께 배치해야 한다.
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