KR102452321B1

KR102452321B1 - 스텔스 구조체

Info

Publication number: KR102452321B1
Application number: KR1020220050702A
Authority: KR
Inventors: 정은태; 이주현; 박진우; 유병길
Original assignee: 한화시스템(주)
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2022-10-07

Abstract

면상 도전체와 이 면상 도전체 표면에 서로 나란하게 형성되는 복수 개의 라인상의 돌기들, 라인상의 돌기들 위로 설치되는 전파흡수체를 구비하여 이루어지는 스텔스 구조체가 개시된다.
본 발명에 따르면, 전파흡수층에 의한 반사파 세기 저감과 함께, 전파흡수층 아래에서 주기적으로 형성된 라인상 돌기들에 의해 이 돌기들을 구비한 면상 도전체의 실질적 표면적이 증가되어 표면의 각 영역에서의 전류 밀도가 줄고 반사파 세기가 줄어 저피탐 성능을 개선할 수 있으며, 복수의 돌기들의 설치 조건에 의해 형성된 주름진 표면 각 부분에서 반사파가 서로 다른 방향성을 가지도록 형성되고 간섭되어 전체적으로 스텔스 구조체 표면에서 발생하여 외부로 방출되는 실효적 반사파 세기를 줄일 수 있게 된다.

Description

스텔스 구조체{device having stealth structure}

본 발명은 스텔스 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저피탐 성능이 필요한 모든 플랫폼에 적용하여 레이더 반사 단면적 (RCS:Radar Cross Section) 값을 낮출 수 있는 표면 형상에 특징을 가지는 스텔스 구조체에 관한 것이다.

가시 영역 밖에서도 비행기나 선박을 찾을 수 있는 방법으로 레이더가 사용되고 있다. 이는 레이더 신호를 발생시켜 외부로 방출했을 때 비행기나 선박과 같은 탐지 대상물은 반사파를 발생시키고 레이더 장치는 이 반사파를 탐지하여 방향과 거리를 확인할 수 있기에 가능한 것이다.

특히 새와 같은 생체 자연물에 비해 통상적으로 도전성 금속 몸체를 가지는 비행기나 선박과 같은 구조물은 많은 양의 반사파를 발생시켜 레이더 탐지에 유리하게 된다. 레이더 전파를 반사시키는 정도는 레이더 반사 단면적 혹은 RCS(Radar Cross Section)로 통상 표시되는데, 대상물 RCS 레벨 혹은 RCS 값이 클수록 반사 단면적이 커서 레이더 전파를 잘 반사시켜 반사 전파 세기가 강해지고 레이더 모니터 디스플레이에는 대상물이 크게 표시되며, 대상물에 따른 RCS 값의 감소는 RCS 성능의 개선으로 볼 수 있다.

군사무기로 사용되는 항공기와 로켓, 선박, 차량 등에서는 RCS 레벨이 증가하면 적에 대한 노출 위험이 증가된다. 따라서 은밀한 기동이 요구되는 군사무기용 항공기나 선박 등에서는 이러한 RCS 레벨을 저감시키기 위해 이들의 표면 상태 및 형상을 레이더 장치에서 온 전파를 발신 위치와 다른 위치로 반사되도록 하는 구조로 만들고, 가능하면 반사파 자체가 많이 발생하지 않고 흡수되도록 하는 표면 처리를 하기 위해 노력하고 있다.

이런 노력의 하나로, 선박이나 항공기 등 군사장비의 전도체 표면에 전파흡수체(Absorber)를 도포하는 방법이 개발되고 있다.

도 1, 도 2, 도 3은 종래기술의 전도체와 전파흡수체를 포함한 대상물 구조체의 RCS 값 혹은 RCS 성능 비교에 관한 것이다. 이들 도면을 참조하면, 레이더 신호의 전자기파는 도1에서 나타나듯이 도체 및 전파흡수체가 이루는 평면 내의 수평 방향인 X축 방향으로 인가된다. 여기서 사용되는 전파흡수체는 특수복합소재 가령 탄소(Carbon) 기반 소재로 구성되어 있지만 이는 물론 저피탐 성능을 저감할 수 있는 기존에 알려진 다양한 재료로 대체될 수 있다.

도 2는 전파흡수체 설치 유무에 따라 도전체 표면이 이루는 평면에 대해 수직 방향으로 진동하는 VV(vertical to vertical) 편파에 대한 모노스태틱(monostatic) RCS 성능 도출 결과를 보여주며, 도 3은 전파흡수체 설치 유무에 따라 도전체 표면이 이루는 평면에 대해 수평 방향으로 진동하는 HH(horizontal to horizontal) 편파에 대한 모노스태틱(monostatic: 송수신 결합형) RCS 성능 도출 결과를 보여준다.

RCS 성능 비교 결과, VV편파는 전파흡수체(전파흡수층)가 도포된 경우, 전도체의 파이(Phi) 값 0도 위치에서 RCS 성능이 약 18dB(제곱미터 기준)이 개선되며, HH편파는 전파흡수체(전파흡수층)가 도포된 경우, 전도체의 파이(Phi) 값 0도 위치에서 약 20dB(제곱미터 기준)의 RCS 성능이 개선됨을 볼 수 있다.

그런데 RCS 레벨을 저감시키기 위해 전도체 표면에 전파흡수체(Absorber)를 적용하여도 전파흡수체의 재질 및 대상물 표면이 이루는 형태에 따라서 RCS를 저감 시킬 수 있는 한계를 가지게 되며, 기존의 전파흡수체의 한계점을 보안하며, RCS 성능을 더욱더 개선 시킬 수 있는 방법이 필요하다.

대한민국특허출원 제10-2014-0017642호 대한민국특허출원 제10-2021-0003507호 대한민국특허출원 제10-2019-0087861호

Antenna Theory (Balanis, 2nd Edition, 1977)

본 발명은 기존의 RCS 값 저감 방식에서 전도체 표면에 전파흡수체를 설치하여 적용하던 것에 더하여 기존의 전파흡수체의 한계점을 보안하면서 RCS 성능을 더욱 더 향상 시킬 수 있는 스텔스 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 레이더 전파에 노출될 때 전도체에 유기되는 표면 전류(Surface current) 밀도를 감소시켜 표면전류에 의해 인가된 전자기파의 에너지를 감소시켜 RCS 성능을 개선할 수 있는 스텔스 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스텔스 구조체는,

면상 도전체와 이 면상 도전체 표면에 서로 나란하게 형성되는 라인상의 돌기들을 구비하여 이루어진다.

혹은, 본 발명의 스텔스 구조체는 그 표면에 서로 나란하게 형성되는 복수의 라인상의 돌기들을 가져 돌기들이 주기적인 배열 형태를 이루는 주름진 표면(Corrugated surface)을 가진 면상 도전체를 구비하여 이루어진다.

또한, 본 발명에서 전체적 반사 신호 수준을 낮추기 위해 라인상의 돌기들 위로 전파흡수체(전파흡수층)가 구비된다.

본 발명에서 전파흡수층은 인접한 돌기들 사이의 골공간이 빈 공간을 이루도록 하면서 돌기들 위로 형성될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 전파흡수층을 돌기들 위로 설치하기 전에 돌기들과 접하는 전파가 상당 부분 통과 가능한 매우 얇은 도전체 판 혹은 도전체 막을 형성하고 그 위로 전파흡수층을 설치할 수 있다.

전파흡수층은 기존의 면상 도전체 표면에 전파흡수층을 설치한 스텔스 구조체에 사용되는 다양한 재질과 구성의 것을 마찬가지로 사용할 수 있다.

본 발명에서 면상 도전체는 완전한 평면일 수도 있지만 완만한 곡면을 이루거나 부분적으로 거의 평면에 가까운 것도 해당될 수 있다. 기존의 스텔스 구조체가 사용되는 스텔스 항공기, 로켓, 군함, 군사용 차량 등을 고려할 때 이들은 필요한 일정한 형태를 가져야 하므로 모든 부분이 평면, 완만한 곡면이 될 수는 없고 부분적으로 각지게 형성되는 것도 가능하며, 이런 상황을 고려할 때 이들 대상의 일정 부분이 스텔스 구조체를 형성하여 필요한 저피탐 설계가 적용될 수 있을 것이다.

본 발명에서 개념적으로 구분하여 보면 면상 도전체 표면은 매끈하게 처리된 표면이고, 라인상 돌기는 일정 폭(너비)으로 형성되고, 면상 도전체 표면에서 외측으로 일정 두께(높이)로, 가령 법선 방향으로, 돌출되는 것일 수 있고, 이때 복수의 라인상 돌기 사이에서 서로 인접한 두 라인상 돌기 사이의 간격(거리)은 일정한 크기가 되도록 형성될 수 있고, 따라서 라인상 돌기는 폭 방향으로 주기적으로 설치되는 것일 수 있다.

본 발명에서 라인상 돌기는 면상 도전체와 일체로 형성되는 것도 가능하며 일반적인 형태가 될 수 있다. 가령 면상 도전체와 같은 재질로 사출성형이나 압출을 통해 형성되는 것도 가능하다.

라인상 돌기는 면상 도전체 표면에서 좁은 영역에서 미시적으로 대략 볼 때 직선에 가깝게 일정 방향(라인 방향)으로 형성되고, 그와 수직한 방향(폭방향)으로 서로 일정 간격으로 이격 형성되는 것일 수 있고, 라인과 수직한 단면 형상은 삼각형, 반원, 혹은 다른 다각도형 혹은 폐곡선을 이룰 수도 있으나 저피탐 효과 계산과 예측 가능성을 높이기 위해 직사각형을 이룰 수 있다.

본 발명에 따르면 기존의 스텔스 구조체에 적용되는 전파흡수체에 더하여, 면상 도전체 표면에 주기적인 배열 형태의 라인형 돌기를 가지도록 한 주름진 표면(corrugated surface)을 적용하여 표면 전류(Surface current) 밀도를 감소시키고, 입사하는 레이더 전파에 기인하여 발생하는 반사파의 에너지를 감소시킬 수 있고, 이로써 본 발명의 스텔스 구조체를 적용한 대상물의 RCS 성능을 개선할 수 있다.

도1은 종래의 면상 도전체 및 스텔스 구조체에 전파가 입사하는 형태를 나타내는 개념적 사시도,
도2는 도1의 두 대상에서의 VV 편파에 대한 표면 전류밀도 흡수 혹은 전파 감쇄를 나타내는 비교 그래프,
도3은 도1의 두 대상에서의 HH 편파에 대한 표면 전류밀도 흡수 혹은 전파 감쇄를 나타내는 비교 그래프,
도4는 본 발명의 일 실시예를 이루는 스텔스 구조체를 나타내는 사시도,
도5는 도4의 스텔스 구조체의 분해 사시도 및 분해 측면도,
도6은 복수개의 라인상 돌기가 설치된 도전체와 단순한 표면의 도전체에서 비교 측정을 위한 위치 설정 방식을 나타내는 개념도,
도7 내지 도9는 각각 도6과 같이 설정된 위치에서의 입사된 외부 전파에 의해 야기된 표면 전류밀도 비율을 z축 거리에 따라 측정한 결과 그래프로서, 측정 조건을 달리하면서 각각의 조건에 대해 얻은 결과 그래프들,
도10은 주름진 표면의 스텔스 구조체 적용 가능성, 접합 조건 탐색을 위한 알고리즘을 나타내는 흐름도,
도11은 단순 면상 도전체 및 본 발명의 주름진 표면을 적용한 스텔스 구조체에 전파가 입사하는 형태를 나타내는 개념적 사시도,
도12 및 도 13은 도11과 같은 단순 면상 도전체 및 본 발명의 주름진 표면에서 라인형 돌기의 입사 전파 파장 대비 높이의 비율을 달리하는 구조체들에서의 vv 전파 성분 및 hh 전파 성분에 대한 RCS값 혹은 전파 흡수 정도를 비교하여 나타내는 그래프들,
도14 내지 도16은 도6에서와 같이 준비된 구조체들에서 외부 전자파가 입사될 때의 위치별 전계 분포, 표면전류 분포, 파필드 비스태틱 스캐터링 값을 각각 나타내는 분포도들,
도17은 본 발명의 제1 실시예의 스텔스 구조체의 구성을 나타내는 사시도, 스텔스 구조체를 이루는 주름진 구조의 사시도, 정면도 및 측면도를 함께 나타내는 도면,
도18 및 도19는 VV 전파 성분 및 HH 전파 성분 각각에 대해, 제1 실시예에서 파이값을 변화시키면서 얻은 RCS 값을 단순 평면 구조체, 단순 전파흡수체 적용 구조체에서의 RCS값과 함께 비교하여 나타낸 비교 그래프들,
도20은 본 발명의 제2 실시예의 스텔스 구조체의 구성을 나타내는 사시도, 스텔스 구조체를 이루는 주름진 구조의 사시도, 정면도 및 측면도를 함께 나타내는 도면,
도21 및 도22는 VV 전파 성분 및 HH 전파 성분 각각에 대해, 제2 실시예에서 파이값을 변화시키면서 얻은 RCS 값을 단순 평면 구조체, 단순 전파흡수체 적용 구조체에서의 RCS값과 함께 비교하여 나타낸 비교 그래프들,
도23은 본 발명의 제3 실시예의 스텔스 구조체의 구성을 나타내는 사시도, 스텔스 구조체를 이루는 주름진 구조의 사시도, 정면도 및 측면도를 함께 나타내는 도면,
도24 및 도25는 VV 전파 성분 및 HH 전파 성분 각각에 대해, 제3 실시예에서 파이값을 변화시키면서 얻은 RCS 값을 단순 평면 구조체, 단순 전파흡수체 적용 구조체에서의 RCS값과 함께 비교하여 나타낸 비교 그래프들,
도26은 본 발명의 제4 실시예의 스텔스 구조체의 구성을 나타내는 사시도, 스텔스 구조체를 이루는 주름진 구조의 사시도, 정면도 및 측면도를 함께 나타내는 도면,
도27 및 도28은 VV 전파 성분 및 HH 전파 성분 각각에 대해, 제4 실시예에서 파이값을 변화시키면서 얻은 RCS 값을 단순 평면 구조체, 단순 전파흡수체 적용 구조체에서의 RCS값과 함께 비교하여 나타낸 비교 그래프들이다.

이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도4 및 도5를 참조하여 설명하면, 본 발명의 저피탐(low observable) 구조체는 평면형태의 면상 도전체와 그 표면에 설치되어 주기적인 배열 형태를 가진 복수 개의 라인상 돌기들을 구비하여 이루어진다. 결과적으로 면상 도전체는 주름진 표면(Corrugated surface)을 구비하게 된다.

라인상 돌기들 위로 얇은 도체판 혹은 도체막이 구비되고, 다시 그 위로 전파 흡수체(Absorber)가 구비된다. 전파흡수체는 층상으로 설치되어 전파흡수체층 혹은 전파흡수층으로 지칭될 수도 있다. 전파흡수체는 특수복합소재 가령 여기서는 카본 소재를 기반으로 구성되며, 그 외에도 저피탐 성능을 구현할 수 있는 다양한 재료로 대체될 수 있다.

한편, 피탐과 관련된 레이더 전파는 어느 방향에서 입사할 수도 있고, 횡파로서의 전파의 진동 방향은 수직이나 수평을 포함 어떤 것이 될 수도 있지만, 여기서는 설명을 편리하게 하고 이해를 도울 수 있도록 표면과 수직하게 법선 방향으로 입사하는 것으로 하고, 레이더 전파는 VV(vertical to vertical) 편파 성분과 HH(horizontal to horizontal) 편파 성분에 한정하여 주로 설명하는 것으로 한다.

본 실시예에서, 라인상 돌기들은 평면 형태의 면상 도전체 표면에 부착이나 다양한 방식의 성형이 가능한 형태이며, 각 라인상 돌기는 면상 도전체 표면에서 좁은 영역에서 미시적으로 대략 볼 때 직선에 가깝게 일정 방향(라인 방향)으로 형성되고, 그와 수직한 방향(폭방향)으로 서로 일정 간격으로 이격 형성되는 것이다.

일반적으로 볼 때, 라인상 돌기의 라인과 수직한 단면 형상은 삼각형, 반원, 혹은 다른 다각도형 혹은 폐곡선을 이룰 수도 있으나, 저피탐 효과 계산과 예측 가능성을 높이기 위해 여기서는 직사각형을 이루는 것으로 한다.

이하에서는 이렇게 형성되는 구조체에서 이루어지는 저피탐과 관련된 작용을 살펴보기로 한다.

먼저 본 발명의 스텔스 구조체에 입사하는 레이더 전파는 전파흡수체를 통과하게 된다. 그 과정에서 전파는 상당 부분 전파흡수체에 흡수되어 다른 형태의 에너지 가령 열 에너지로 전환되고, 전파흡수체를 통과한 일부 전파(투과 전파)는 다시 주름진 표면 구조를 가진 면상 도전체로 입사하게 된다.

돌기를 포함하는 전체 면상 도전체 표면에서 투과 전파는 도전체 표면에 자체의 전자장에 의한, 즉 수직 횡파 성분 혹은 수평 횡파 성분 전자장에 의한 표면 전류를 야기시킨다. 이러한 표면 전류는 도전체 표면의 얇은 깊이에 한정하여 발생하고, 이 표면 전류는 한편으로 주울열을 발생시켜 일부 에너지를 소모하며, 한편으로 전류가 다시 전자장을 일으켜 외부로 방출되는 반사파를 이루도록 한다.

반사파는 외부로 전파되는 과정에서 다시 전파흡수체를 통과해야 하므로 더욱 약화된 세기로 외부로 방출되고 전파된다.

특히 라인상 돌기들을 구비하는 본 발명의 구성에 따르면, 전파흡수층에 의한 반사파 세기 저감과 함께, 전파흡수층 아래에서 주기적으로 형성된 라인상 돌기들에 의해 이 돌기들을 구비한 면상 도전체의 실질적 표면적이 증가되면서 레이더 전파를 받을 때 그 표면의 각 영역에서의 전류 밀도가 줄어들고 그 전류로 인해 유기되는 반사파의 세기가 줄어 결국 저피탐 성능을 개선할 수 있다.

한편으로, 본 발명 구성에 따르면 복수의 돌기들에 의해 주름을 가지게 된 면상 도전체 표면에서 형성되는 반사파들이 주름진 표면 각 부분에서 서로 다른 방향성을 가지도록 형성되고 서로 간섭되어 전체적으로 스텔스 구조체 표면에서 발생하여 외부로 방출되는 실효적 반사파 세기를 줄일 수 있게 된다.

도전체 표면에 라인상 돌기들을 형성할 때의 반사파와 관련된 표면 전류에 있어서의 효과는 기존의 안테나 이론을 통해서도 확인할 수 있다.

가령, 도6과 같이 자유공간에서 입사하는 전파에 대해 단순한 평면에서의 A점과 표면에 라인상 돌기들을 형성하였을 때의 돌기들 중간의 위치인 B점을 설정하고, 몇 가지 요소를 바꾸어가면서 시뮬레이션을 통해 이들 위치에서의 표면 전류밀도 사이의 비율을 데시벨(dB)로 나타내면 도7 내지 도9와 같은 그래프를 얻을 수 있다.

이들 도면 가운데 도7은 바뀌는 요소를 입사하는 전파 파장에 대한 돌기 높이(d)로 한 것이며, A지점과 B지점의 표면 전류밀도의 비로 표현하여 해당 값은 [Js(B)/Js(A)]로 나타낼 수 있으며 z축 거리에 따라 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 20개의 라인형 돌기(주름)에 관한 사항으로 돌기로부터 멀리로 에너지가 전달되고 있음을 보여준다. d가 파장의 0.5배(d=0.5*

)일 때 감소가 없고 d가 파장의 0.25배일때 가장 감소된 결과를 보여주고 있음을 확인할 수 있다.

도8은 폭방향으로 파장 거리당 돌기가 4개와 8개인 경우 각각에 대해 거리 z에 대한 표면전류 밀도값을 나타낸다. 결과를 보면 전류밀도는 돌기 개수와는 크게 상관이 없이 점차 감소하고 있음을 알 수 있다.

도9는 z축 방향 거리를 증가시키면서 표면 전류밀도의 B점에서의 값에 대한 A점에서의 값의 비율을 얻은 것이며, 두 가지의 d값에 대해, 폭방향 주기거리(너비 t + 간격 w)에 대한 간격 w의 비율을 변화시키면서 얻은 결과 그래프이다. 일정 범위 내에서, 돌기는 폭이 얇고 돌기 사이의 간격이 클수록 표면 전류밀도 비가 줄어들어 저피탐 성능이 개선되는 형태를 보이고 있으나 모든 구간에서 그러한 것은 아니다.

도10은 복수 개의 돌기가 주기적인 배열된 형태의 주름진 표면(Corrugated surface)에 대한 적용 가능성 여부 확인 과정을 흐름도로 나타낸 것이다. 즉, 본 발명에서 실제로 저피탐을 위해 적용 가능한 라인상 돌기의 높이(두께), 폭(너비), 간격(이격거리) 조합을 도출하는 과정을 나타낸 것이다.

이 흐름도에 따르면, 먼저 평면 형태의 도전체와 주기적인 배열 형태의 복수 개의 라인형 돌기를 설정하고, 이들을 가진 주름직 표면에 대해 모노스태틱(Monostatic) RCS 값을 비교 분석한다. 조건으로는 낮은 RCS 성능을 위해 레이더 전자기파의 파장에 대한 주름진 표면의 혹은 돌기의 높이(d), 두께(t), 간격(w)을 제시하고 조건에 맞는 경우 해당 높이 두께 간격을 확정한다. RCS 성능이 개선되면 다음 단계로 넘어간다. 다음 단계로는 주름진 표면에서의 전계(E-field) 비교, 표면 전류 분포 비교, 파필드 비스태틱 스캐터링(Far-field Bistatic Scattering) 비교 분석이라는 각각의 단계를 통해, 해당 주름진 표면 적용 가능성 확인을 완료하게 된다.

이하에서는 각 단계의 수행과 관련하여 더 상세히 설명하기로 한다.

도11은 단순한 면상 도전체와 라인상 돌기의 주기적인 배열 형태를 가진 주름진 표면의 면상 도전체의 형상을 비교할 수 있도록 나타낸 도면이다. 주름진 표면에서의 라인형 돌기의 높이(d), 두께(t), 배열 간격(w)는 탐지 레이더에서 방출되는 전자기파의 파장과 관련하여 결정된다. 먼저 높이(d)는 전자기파 신호의 파장 길이보다 작도록 파장의 0.15 ~ 0.5 배로 결정하는 것이 저피탐 성능 달성에 유리하며, 두께(t), 배열 간격(w)는 주름비율 w/(w+t) = 0.5 ~ 0.9 범위에서 저피탐 성능 달성에 가장 유리한 조건임을 도10과 같은 과정과 시뮬레이션을 통해 도출할 수 있었다.

도12 및 도13은 도7에서와 같이 탐지 레이더 전자기파 파장에 대한 라인형 돌기 높이(d) 비율을 0.15 ~ 0.5로 변화시켜 가면서 파이(Phi) 각도 값에 따라 변화되는 모노스태틱 RCS 값을 그래프로 나타낸 것이다. 파이가 0인 수직 입사 기준으로 라인형 돌기 높이(d)가 파장의 0.25배에서 가장 낮은 레벨의 RCS 값, 가장 높은 저피탐 성능을 나타냄을 볼 수 있었다. 도12에 따르면 VV편파의 RCS 값이 단순 평면형 전도체에 비해 파이(Phi) 0도 기준으로 약 4.6dBm²(dBSM)낮아져 RCS 성능이 개선되며, 도13에 따르면 HH편파의 RCS 값이 약 1.9dBm² 작아져 RCS 성능이 개선됨을 확인할 수 있다.

본 실시예에서는 RCS 성능 측면에서 가장 유리한 돌기 높이(d)가 파장의 0.25배, w/2의 두께(t), d/2의 배열 간격(w)을 도출하여 설정하고 이 조건으로 RCS값 도출을 진행하였다. 비교 성능분석 결과 주기적인 배열 형태의 주름진 표면을 적용하여 RCS 값을 저감할 수 있는 가능성을 확인하였다.

도 14는 단순한 면상 도전체(PEC)에서와 복수 개의 라인형 돌기가 설치된 주름진 표면을 가지는 면상 도전체에서의 전계(E-field) 분포를 비교 분석한 결과를 나타낸다. 도 12, 도 13에서의 RCS 값 혹은 성능 도출 결과와 동일하게 레이더 전자기파 신호 입사 방향에서 주름진 표면의 전계 분포가 감소함을 확인할 수 있다.

도15는 단순한 면상 도전체(PEC)에서와 복수 개의 라인형 돌기가 설치된 주름진 표면을 가지는 면상 도전체에서의 표면 전류 분포를 비교 분석한 결과를 나타낸다. 도 12, 도 13에서의 RCS 값 혹은 성능 도출 결과와 동일하게 레이더 전자기파 신호를 인가했을 때 주름진 표면의 표면 전류 분포(밀도)가 돌기 사이의 표면 위치에서 감소함을 확인할 수 있다.

도 16은 파필드 비스태틱 스캐터링(Far-field Bistatic Scattering) 비교 분석 결과를 나타낸다. 도12 및 도13에서의 RCS 성능 결과와 동일하게 레이더 전자기파 신호를 인가했을 때 반사된 신호에 대한 확인하면 주름진 표면에서의 파필드 ㅂ비스태택 스캐터링의 분포가 감소됨을 확인할 수 있다.

이상과 같은 분석한 결과를 바탕으로 단순한 면상 도전체에 주름진 표면 혹은 복수개의 라인상 돌기를 적용하여 이 구조체의 표면 전류 밀도를 감소시킬 수 있어 RCS 값을 낮추고 RCS 성능(저피탐 성능)을 향상시킬 가능성을 확인하였고, 최종적으로 주름진 표면을 가진 도전체에 전파흡수체(Absorber)를 결합시켜 RCS 값을 저감시키고 저피탐 성능을 더욱더 개선할 수 있음을 확인하였다.

이상과 같은 탐색 과정 알고리즘을 바탕으로 다음과 같은 몇 가지 본 발명의 실시예를 도출하고 설명한다.

(실시예 1)

실시예 1에서는 도 17과 같은 면상 도전체(PEC)에 주름진 표면(Corrugated surface)과 전파흡수체(Absorber)를 함께 적용한 스텔스 구조체가 개시된다. 여기서 주름진 표면을 이루기 위한 복수 개의 라인형 돌기는 직선 형태로 상호 일정 간격으로 주기적 배열을 이루며 면상 도전체의 표면이 이루는 평면과 수직을 이루고 있다. 즉, 평면에서 법선 방향으로 돌출된다. 또한 해당 평면에서 볼 때 라인은 수직 방향으로 뻗고 있다.

도18은 본 발명의 실시예로서 단순한 평면 형태의 전도체에 주름진 표면을 적용하고, 추가적으로 전파흡수체를 결합한 스텔스 구조체와 이를 이루는 주름진 표면의 도전체 형상을 나타내는 사시도, 주름진 표면의 도전체 정면도, 측단면도를 함께 나타내고 있다.

본 실시예에서는 RCS 성능 측면에서 가장 유리한 파장의 0.25배의 높이(d), 절반 간격(w/2)의 두께(t), 절반 높이(d/2)의 배열 간격(w)을 채택하여 RCS 값 측정을 진행하였다. 주름비율(w/(w+t))은 0.67로 설정하였다.

도 19는 VV편파의 RCS 성능을 나타내는 그래프로, 이 실시예에서는 주름진 표면이 설치되어 단순하게 평평한 표면의 면상 전도체에 비해 RCS 값이 파이(phi) 0도 기준으로 약 39.4dB(m²) 감소하여 성능이 개선됨을 확인할 수 있으며, 도 20을 통해서는 HH편파의 RCS 값이 단순 면상 전도체와 비교할 때 약 29.4dB(m²) 낮아져 저피탐 성능이 개선됨을 확인할 수 있다.

(실시예 2)

실시예 2에서도 도20과 같은 면상 도전체(PEC)에 주름진 표면(Corrugated surface)과 전파흡수체(Absorber)를 함께 적용한 스텔스 구조체가 개시된다. 여기서 주름진 표면을 이루기 위한 복수 개의 라인형 돌기는 상호 일정 간격으로 주기적 배열을 이루며 면상 도전체의 표면이 이루는 평면과 수직을 이루고 있다. 단, 여기서는 해당 평면에서 라인은 수직 방향이 아닌 45도 사선 방향으로 형성되어 있다.

이 실시예에서도 RCS 성능이 가장 유리한 0.25 파장의 높이(d), w/2의 두께(t), d/2의 배열 간격(w)을 채택하여 측정을 진행하였다. 주름비율(w/(w+t))은 0.67로 정하였다.

도 21에 따르면, VV편파에 대해 본 실시예의 RCS 값이 단순 표면의 전도체의 RCS 값에 비해 파이(phi) 0도 기준으로 약 30.1dB(m²) 작아져 저피탐 성능이 개선되며, 도 22에 따르면, HH편파에 대해 RCS 값이 약 21.9dB(m²) 작아져 저피탐 성능이 개선됨을 확인할 수 있다.

(실시예 3)

도23에 따르면 실시예 3에서도 실시예 1과 같이 면상 도전체(PEC)에 주름진 표면(Corrugated surface)과 전파흡수체(Absorber)를 함께 적용한 스텔스 구조체가 개시된다. 여기서 주름진 표면을 이루기 위한 복수 개의 라인형 돌기는 직선 형태로 상호 일정 간격으로 주기적 배열을 이루며 면상 도전체의 표면이 이루는 평면과 일정 각도, 여기서는 60도 각도를 이루고 있다.

여기서도 RCS 성능 측면에서 가장 유리한 0.25파장의 높이(d), w/2의 두께(t), d/2의 배열 간격(w)을 설정하여 측정을 진행하였다. 주름비율도 w/(w+t)=0.67로 정하였다.

도 24에 따르면, VV편파에 대하여 본 실시예의 RCS 값이 단순 면상 전도체에 비해 파이(phi) 0도 기준으로 약 32.9dB(m²) 낮아져 저피탐 성능이 개선되며, 도25에 따르면, HH편파에 대해서는 RCS 값이 약 24.8dB(m²) 낮아져 저피탐 성능이 개선됨을 확인할 수 있다.

(실시예 4)

도26에 따르면 본 실시예에서는 면상 도전체에 위의 다른 실시예에서의 직선형 라인상 돌기 대신에 복수개의 동심원주상의 돌기가 적용되고, 서로 인접한 동심 원주 사이의 간격은 일정하도록 형성된다.

동심 원주상 돌기는 RCS 성능(저피탐 성능) 측면에서 가장 유리한 0.25파장의 높이(d), w/2의 두께(t), d/2의 배열 간격(w)으로 정하여 측정을 진행하였다. 주름비율은 w/(w+t)=0.67로 정하였다.

도 27에 따르면, VV편파에 대해 본 실시예의 RCS 값이 단순 면상 전도체에 비해 파이(phi) 0도 기준으로 약 26.7dB(m²) 저감되어 저피탐 성능이 개선되며,

도 28에 따르면, HH편파에 대해 본 실시예의 RCS 값이 약 35.2dB(m²) 저감되어 저피탐 성능이 개선됨을 확인할 수 있다.

이상의 실시예들을 통해 면상 전도체에 주기적으로 배열된 복수 개의 라인상 돌기를 적용시켜 주름진 표면의 스텔스 구조체를 형성함으로써 구조체 표면 전류(Surface current) 밀도를 감소시켜 인가된 레이더 전자기파의 에너지를 감소시킬 수 있어 저피탐 성능이 개선됨을 확인할 수 있으며, 이와 함께 전파흡수체를 결합시켜 저피탐 성능을 더욱더 개선할 수 있음을 볼 수 있다.

특히, RCS 성능 개선에 유리하도록 라인상 돌기에 0.25파장(탐지용 레이더 전파 파장 기준)의 높이(d), w/2의 두께(t), d/2의 배열 간격(w)을 설정하고, 주름비율은 w/(w+t)=0.67로 정하여 더 나은 저피탐 성능을 얻을 수 있다.

이런 조건 하에서 라인형 돌기를 45도 사선으로 형성하거나, 면상 도전체 표면이 이루는 평면에 대해 30도 회전시키거나, 복수 라인형 돌기를 동심 원주상으로 형성하는 등의 다양한 변형을 시켜도 저피탐 개선의 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

또한 면상 도전체와 관련된 플랫폼의 적용 형상에 따라 주름진 표면의 형태를 변동, 적용시킬 수 있기 때문에 어느 정도 범위에서 서로 다른 레이더 주파수에 적용 가능함을 이해할 수 있다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.

따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

110 : 스텔스 구조체
120 : 면상 도전체
130 : 라인상 돌기
140 : 전파흡수체(Absorber)

Claims

면상 도전체와
상기 면상 도전체와 전기적으로 통하는 도체로서 상기 면상 도전체의 표면에 서로 나란하게 형성되는 복수 개의 라인상 돌기들과,
상기 라인상 돌기들 위로 형성되는 전파흡수층을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 전파흡수층은 같은 두께로 상기 라인상 돌기들 위로 형성되고 상기 라인상 돌기들 사이의 골공간은 빈 공간을 이루는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
제 2 항에 있어서,
상기 전파흡수층은 상기 라인상 돌기들 위로 상기 라인상 돌기들과 접하도록 형성된 별도의 도전판 혹은 도전막 위로 형성되는 것임을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 면상 도전체의 표면은 평면 혹은 완만한 곡면으로 매끈하게 처리된 것임을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 라인상 돌기들은 도전체로서 일정 두께(높이)로 상기 면상 도전체의 표면에서 법선 방향으로 외측으로 돌출되는 것이고 상기 라인상 돌기들의 폭(너비)와 상기 라인상 돌기들 사이의 간격(거리)는 일정하게 이루어져,
상기 라인상 돌기들의 라인 방향과 수직한 단면은 직사각형을 이루고 상기 라인상 돌기들은 폭 방향으로 일정 주기로 설치되는 것임을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
제 5 항에 있어서,
상기 라인상 돌기는 0.25파장(예상되는 탐지용 레이더 전파 파장 기준)의 높이(d), d/2의 배열 간격(w), w/2의 두께(t)로 형성되고, 주름비율 w/(w+t)=0.67로 형성하는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
제 5 항에 있어서,
상기 라인상 돌기들은 면상 도전체 표면이 이루는 평면에서 볼 때 일 방향으로 직선상으로 서로 평행하게 형성되면서 상기 평면에 대해 수직하게 돌출되거나, 일정 각도를 이루면서 돌출되거나,
혹은 상기 평면에서 볼 때 동심원을 이루는 원주상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.