KR102425862B1

KR102425862B1 - 유체 유동을 허용하는 전파 흡수체 및 그것을 포함하는 비행체

Info

Publication number: KR102425862B1
Application number: KR1020210041208A
Authority: KR
Inventors: 이원준; 이현석; 백상민; 김윤재
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-07-27

Abstract

본 발명은 윗면과 밑면이 개방된 다각기둥 형상의 단위 전파 흡수체를 포함하고, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체가 이웃하는 상기 단위 전파 흡수체와 옆면을 공유하여 배열된 격자 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 유체 유동을 허용하는 전파 흡수체로서, 본 발명에 의하면, 흡수체를 두껍게 하지 않으면서 유체의 유동은 허용하고 전자기파를 효율적으로 차단시킬 수 있다.

Description

유체 유동을 허용하는 전파 흡수체 및 그것을 포함하는 비행체{WAVE ABSORBER ALLOWING FLUID FLOW AND AIRCRAFT COMPRISING THE SAME}

본 발명은 입사파를 흡수하여 기체의 피탐 및 피격을 줄이기 위한 전파 흡수체 및 그것을 포함하는 비행체에 관한 것이다.

유해 불요 전자기파를 차단 및 흡수하기 위한 전파흡수체가 다양하게 연구 개발되고 있다. 일반적으로 전자기파는 도체(ex. 금속)를 투과할 수 없으므로 전자기파 차단은 단순히 구현 가능하지만, 차단된 전자기파는 소멸되지 않고 반사되어 나간다. 이에, 투과와 반사를 동시에 없애기 위해서는 입사파를 흡수해야만 한다. 전자기파 흡수체는 보통 소산형(dissipation) 매질을 이용하여 전파를 흡수하는 방식과 공진형(resonance) 설계를 통한 전파흡수 방식이 있다.

이와 같은 흡수체는 대부분 벽면이나 외피에 적용되기 때문에 막힌 구조이며, 전파흡수특성은 우수하나 유체의 투과가 불가능하다. 이에, 특정 목적으로 유체의 이동은 가능하지만 전자기파는 흡수 및 차단해야하는 경우에 효과적으로 적용할 수 있는 흡수체 기술이 필요한 실정이다.

국방 항공분야에서 레이더에 의한 기체의 피탐/피격을 줄이기 위하여 다양한 전파흡수체가 개발되고 있다. 비행체 레이더 반사면적을 증가시키는데 큰 역할을 하는 부분으로 엔진 흡입구가 있으며, 이러한 특성을 완화시키기 위해서 흡입구 벽면에 흡수체를 적용하거나, 흡입구 내부에 레이다 블로커(Radar blocker)를 적용하여 전파를 효과적으로 산란, 흡수시킨다. 레이다 블로커는 그리드(grid) 형상으로 이루어진 구조물로 공기 유동은 허용하면서 입사파를 차단하는 역할을 수행한다. 나아가, 이러한 블로커의 표면에도 전파흡수도료(RAM, Radar Absorbing Materials)를 도장하여 차단뿐만 아니라 일정 협대역 수준의 파장대역을 흡수하는 기능을 부여하기도 한다

그러나, 일반적으로 흡수대역폭은 흡수체의 두께에 비례하므로, 넓은 대역의 전자기파를 흡수하기에는 구조적으로 그 한계가 명확한 단점이 있다. 흡수대역폭을 확장하기 위해서는 코팅의 두께가 두꺼워지고, 블로커 그리드의 표면 코팅두께가 두꺼워질수록 유동 구간이 협소해져서 유동저항이 증가하며, 일정 수준 이상으로 두꺼워지면 유동 구간이 막혀버리므로 그리드형 블로커의 흡수대역폭 확장에는 명확한 한계가 존재한다.

본 발명에서는 새로운 설계기법을 이용하여 유체 흐름특성 저하를 최소화하면서도 광대역 전파흡수특성을 갖는 구조를 제안한다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국등록특허공보 제4330812호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 흡수체를 두껍게 하지 않으면서 유체의 유동은 허용하고 전자기파를 효율적으로 차단시킬 수 있는 유체 유동을 허용하는 전파 흡수체 및 그것을 포함하는 비행체를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 유체 유동을 허용하는 전파 흡수체는, 윗면과 밑면이 개방된 다각기둥 형상의 단위 전파 흡수체를 포함하고, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체가 이웃하는 상기 단위 전파 흡수체와 서로 옆면을 공유하여 배열된 격자 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각은 삼각기둥 또는 사각기둥 형상일 수 있다.

그리고, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각은 육각기둥 형상인 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각은 정육각기둥 형상인 것을 특징으로 한다.

한편, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 옆면에는 전파 제어부가 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 상기 전파 제어부는 일정한 선폭을 가지고, 상기 단위 전파 흡수체의 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.

또는, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 상기 전파 제어부는 특정한 패턴 형상이 상기 단위 전파 흡수체의 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 상기 전파 제어부는 복수 개 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전파 제어부는 특정한 저항값을 갖는 도전성 소재로 형성된 것을 특징으로 한다.

보다 나아가, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체에 형성된 상기 전파 제어부의 선폭은 동일한 것을 특징으로 한다.

또는, 이웃하는 상기 단위 전파 흡수체 각각에 형성된 상기 전파 제어부의 선폭은 상이한 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 유체 유동을 허용하는 전파 흡수체는, 윗면과 밑면이 개방된 원기둥 형상의 단위 전파 흡수체를 포함하고, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체가 이웃하는 상기 단위 전파 흡수체와 서로 선접하여 배열된 것을 특징으로 한다.

그리고, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 옆면에는 전파 제어부가 형성된 것을 특징으로 한다.

나아가, 복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 상기 전파 제어부는 복수 개 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전파 제어부는 특정한 저항값을 갖는 도전성 소재로 형성된 것을 특징으로 한다.

나아가, 본 발명의 또 다른 관점에 의한 유체 유동을 허용하는 전파 흡수체는 중공이 형성된 단위 전파 흡수체를 포함하고,복수 개의 상기 단위 전파 흡수체가 이웃하는 상기 단위 전파 흡수체와 서로 접하여 격자 구조로 배열된 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 비행체는 상기의 전파 흡수체가 엔진흡입구 내측에 장착된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전파 흡수체는 유체 유동장 내에 설치하여 유동저항을 최소화하면서 동시에 입사되는 광대역의 전자기파를 흡수함으로써, 흡입구에서 발생하는 전파 산란을 최소화하여 구조물의 RCS(Radar Cross Section, 레이다 반사 면적)를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 특히 항공기 흡입구에 적용하여 기체 RCS 감소에 효과적으로 활용 가능하다.

그리고, 환기 덕트 등에서 발생하는 누설 전자기파나 유해 전자기파를 효과적으로 흡수함으로써 무선통신보안을 위한 구조물 등으로 활용할 수 있다.

또한, 일반적인 차양막, 커튼 등으로 활용이 가능하며 전자기 흡수 특성 구현이 가능하므로 전자기 차단막으로 적용 가능하며, 군사용도로는 레이더파를 흡수하는 위장막(camouflage)로 적용하여 탐지 및 피격 가능성을 줄여주는 전자기 위장막으로 활용 가능하다.

도 1은 본 발명의 전파 흡수체의 일 단위를 나타낸 것이다.
도 2는 단위 전파 흡수체의 흡수 특성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다층형 전파 흡수체를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 전파 흡수체의 측면상 특징을 도시한 것이다.
도 5는 도 3의 다층형 전파 흡수체의 흡수 특성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 전파 흡수체의 설계 방법을 순서적으로 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

본 발명은 유체 유동을 허용하는 고강성, 경량의 광대역 전파흡수체를 구현하기 위하여, 일 예로 허니컴(honeycomb) 형태의 전파흡수체를 제안한다.

본 발명의 전파 흡수체를 설계하는 방법은 도 6과 같다.

우선, 닫힌 구조의 다층형 흡수체 최적설계를 통하여 구성요소별 전자기적 물성치를 추출한다. 다음으로 해당 닫힌 구조를 열린 구조(ex. 허니컴 구조)로 치환하면서, 관련변수 추출을 위한 근사방정식(fitting eqn.)을 구한다. 이를 이용하여 등가화된 변수로 구성된 열린 구조의 전파 흡수체를 설계한다.

구체적으로 먼저 전자기 해석 S/W를 이용하여 목표 전기저항 패턴층으로 구성된 흡수체의 전자기 특성을 해석한다.(S10)

그리고, 초기 변수가 적용된 허니컴 전파 흡수체의 전자기 특성을 해석한다(S21).

S21 해석 후 전기저항 패턴층과 허니컴 전파 흡수체의 S 파라미터와 표면 임피던스를 분석한다(S30).

다음, 허니컴 전파 흡수체의 S 파라미터와 표면 임피던스가 목표 전기저항 패턴층의 S 파라미터와 표면 임피던스와 매칭되는지를 확인하고(S40), 매칭되지 않으면 전자기 해석 S/W를 이용하여 수정 변수가 적용된 허니컴 전파 흡수체의 전자기 특성을 해석한다(S22).

S40에 의해 매칭되는 것으로 확인되면, 해당 허니컴 전파 흡수체의 변수를 추출한다(S50).

그리고, S60에 의해 5개 이상의 다른 목표 전기저항 패턴층에 대응하는 허니컴 전파 흡수체의 변수를 추출하고, 추출된 5개 이상의 허니컴 전파 흡수체 변수를 종합하여 Curve Fitting을 통해 관계식을 도출한다(S70).

그리고, 해당 관계식을 이용하여 임의의 목표 전기저항 패턴층과 대응되는 허니컴 전파 흡수체를 설계한다(S80).

이상과 같이 열린 구조의 전파 흡수체를 설계하며, 도 1은 이와 같이 설계된 본 발명의 유체 유동을 허용하는 전파 흡수체의 일 단위를 도시한 것이다.

본 발명의 유체 유동을 허용하는 전파 흡수체는 도시와 같이 윗면과 밑면이 개방된 열린 구조의 다각기둥 형태를 가진다. 또는 전파 흡수체는 원기둥 형상을 가짐으로써, 복수 개의 원기둥 형상의 이웃하는 단위 전파 흡수체가 서로 선접하여 배열될 수 있다.

나아가, 중공이 형성된 임의의 형상의 단위 전파 흡수체가 서로 접하여 격자 구조로 배열된 형태를 가질 수도 있다.

보다 바람직하게는 육각기둥 형태, 즉 허니컴(honeycomb) 형태를 가진다.

허니컴 샌드위치 구조는 제작이 용이하고 구조적으로 안정되고 경량화에 최적화된 형상이라 항공기 기체구조에 보다 적합하다.

따라서, 도 2와 같이 육각기둥의 길이 방향을 통해 유체의 이송이 가능하면서 동시에 길이 방향으로 입사되는 전자기파를 효과적으로 흡수할 수 있는 특성을 가진다.

나아가, 밑면이 정육각형인 정육각기둥인 것이 바람직하고, 옆면에는 전파 제어부(11, 12)가 둘레를 따라 형성되고, 복수 개로 형성될 수 있다.

전파 제어부(11, 12)는 전파 특성을 제어하기 위해 특정한 저항값을 갖는 도전성 소재로 형성될 수 있으며, 도전성 페이스트가 일정한 선폭을 가지며 옆면의 둘레를 따라 인쇄될 수 있다.

여기서, 도전성 소재의 전도도 및 저항값은 목표에 따라 설정 가능하다.

또는, 선의 형태가 아닌 사각 또는 원형의 점(dot) 등의 특정한 패턴 형상으로 옆면 둘레를 따라 형성될 수도 있다.

다음, 도 3은 본 발명의 다층형 전파 흡수체를 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 전파 흡수체의 측면상 특징을 도시한 것이다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 유체 유동을 허용하는 전파 흡수체를 설명하기로 한다.

본 발명의 전파 흡수체는 앞서 살펴본 단위 전파 흡수체가 복수 개로 형성되며, 이웃하는 단위 전파 흡수체와 옆면을 공유하는 형태, 즉 측방으로 배열된 다층 구조를 가진다.

이와 같은 다층 구조의 전파 흡수체로 형성되어, 다중 공진을 유도하여 전파 흡수체의 흡수대역폭의 확장이 가능하게 한다. 이를 통하여, 유동장의 진행방향으로 확보된 배열구조의 길이 및 해당 벽면에 적용된 다양한 패턴을 이용하여 광대역 전파흡수체 성능 구현이 가능하다.

그리고, 이 같은 격자(그리드, grid) 구조에 의해 유동장 흐름 방향으로 길이가 증가할 수는 있으나, 각 단위 전파 흡수체의 벽면 두께 자체는 증가되지 않으므로 유체의 흐름저항을 최소화 할 수 있다.

따라서, 비행체의 엔진흡입구 내측에 장착됨으로써 유체의 유동은 최대한 허용하되 전파는 흡수 및 차단시키는 것이 가능하다.

도 4는 도 3의 다층 전파 흡수체의 측면 형상을 나타낸 것이다.

도시와 같이, 다층으로 격자 구조를 이루며, 각 단위 전파 흡수체(10)의 측면 중 일 면의 폭이 d이며, 단위 전파 흡수체(10)에 형성된 전파 제어부(11, 12)의 선폭이 BW이다.

목적에 맞는 흡수 전파 파장 및 전파 흡수율에 따라 모든 단위 전파 흡수체(10)의 전파 제어부의 선폭(BW)은 동일할 수 있으며, 또는 이웃하는 단위 전파 흡수체(10)에 형성된 전파 제어부의 선폭(BW)이 상이하게 형성될 수 있다.

도 5에서 참고되는 바와 같이 본 발명의 다층 구조의 전파 흡수체에 의하면 고른 주파수 영역의 전파를 흡수, 차단시킬 수가 있음을 알 수 있다.

금속재로 구성된 흡입구 덕트(duct)의 경우, 입사되는 전자기파가 다중 반사되어 되돌아 나오므로 높은 수준의 RCS(Radar Cross Section, 레이다 반사 면적)를 갖는다.

기존 기술로 흡수체가 도포된 레이더 블로커를 유동장 내 위치시킬 경우에 전파흡수 특성을 갖게 되므로 전반적으로 RCS가 감소하게 된다. 그러나 도포된 흡수체의 경우 특정 주파수대역만 흡수할 수 있으므로 그 외의 주파수 대역에서는 여전히 RCS가 높게 나타난다. 이론적으로는 도포/코팅 방식의 흡수체를 두껍게 설계하여 흡수특성을 향상시킬 수 있으나, 두께가 두꺼워질수록 유동저항이 급격히 증가하게 된다.

그러나, 상술한 본 발명에 의한 전파 흡수체 구조가 흡입구에 적용되면, 전파 흡수체의 두께 변화가 없으므로 유동저항이 증가하지 않으면서도 광대역 전파흡수특성을 이용하여 효과적으로 RCS를 감소시킬 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10 : 단위 전파 흡수체
11, 12 : 전파 제어부
100 : 전파 흡수체

Claims

윗면과 밑면이 개방된 다각기둥 형상의 단위 전파 흡수체를 포함하고,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체가 이웃하는 상기 단위 전파 흡수체와 서로 옆면을 공유하여 배열된 격자 구조로 형성된 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 1에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각은 삼각기둥 또는 사각기둥 형상인 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 1에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각은 육각기둥 형상인 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 3에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각은 정육각기둥 형상인 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 옆면에는 전파 제어부가 형성된 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 5에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 상기 전파 제어부는 특정한 패턴 형상이 상기 단위 전파 흡수체의 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 5에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 상기 전파 제어부는 일정한 선폭을 가지고, 상기 단위 전파 흡수체의 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 7에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 상기 전파 제어부는 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 7에 있어서,
상기 전파 제어부는 특정한 저항값을 갖는 도전성 소재로 형성된 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 7에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체에 형성된 상기 전파 제어부의 선폭은 모두동일한 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 7에 있어서,
이웃하는 상기 단위 전파 흡수체 각각에 형성된 상기 전파 제어부의 선폭은 서로 상이한 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
윗면과 밑면이 개방된 원기둥 형상의 단위 전파 흡수체를 포함하고,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체가 이웃하는 상기 단위 전파 흡수체와 서로 선접하여 배열된 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 12에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 옆면에는 전파 제어부가 형성된 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 13에 있어서,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체 각각의 상기 전파 제어부는 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 13에 있어서,
상기 전파 제어부는 특정한 저항값을 갖는 도전성 소재로 형성된 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
중공이 형성된 단위 전파 흡수체를 포함하고,
복수 개의 상기 단위 전파 흡수체가 이웃하는 상기 단위 전파 흡수체와 서로 접하여 격자 구조로 배열된 것을 특징으로 하는,
유체 유동을 허용하는 전파 흡수체.
청구항 1, 청구항 12 및 청구항 16 중 어느 한 항의 전파 흡수체가 엔진흡입구 내측에 장착된 것을 특징으로 하는 비행체.