KR20090131571A - 전자기 채널화를 사용한 레이더 단면적의 기민한 감소 방법 - Google Patents

전자기 채널화를 사용한 레이더 단면적의 기민한 감소 방법 Download PDF

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KR20090131571A
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Abstract

도전성 부분들을 구비하며 레이더에 의해 스캔될 것으로 예상되는 대상의 레이더 단면적을 감소시키는 방법으로서, 대상의 크기 혹은 형상이 레이더 스캐닝에 의해 정확하게 탐지될 수 없도록, 레이더 파들을 내부에서 감소 혹은 포획하거나 방산시키는 복수 층 레이더 단면적 감소 구조물을 대상에 제공하는 것을 포함한다. 또한, 발명은 레이더 단면적 감소 구조물 단독, 혹은 사람들 혹은 장비를 내장하거나 수송할 수 있는 항공기, 선박 혹은 수송기와 같은 대상에 연관된 레이더 단면적 감소 구조물에 관한 것이다. 구조물은 스텔스 능력이 전에 갖추어지지 않은 대상에 제공될 수 있거나, 이미 스텔스 능력을 갖춘 대상에 징후 혹은 이외 레이더 시스템들에 의한 탐지를 방지하기 위해 능력을 증가시키거나 혹은 기민성을 제공할 목적으로 적용될 수 있다. 입사되는 레이더 파들은 포획되어 안테나처럼, 적합한 출구쪽으로 채널화된다.
스텔스, 레이더, 탐지

Description

전자기 채널화를 사용한 레이더 단면적의 기민한 감소 방법{METHOD OF AGILE REDUCTION OF RADAR CROSS SECTION USING ELECTROMAGNETIC CHANNELIZATION}
이 발명은 레이더들의 징후(threat) 탐지 혹은 다른 유형들의 레이더들에 의해 스캔되는 항공기, 선박들, 구조물 및 수송기들(vehicle)의 레이더 단면적(RCS)을 감소시키는 능동적 방법을 제공하는 기술에 관한 것이다.
"라디오 탐지 및 레인징"의 두문자어인 레이더 시스템들은 원래는 수년 전에 개발되었으나 제2차 세계대전까지는 유용한 기술로 전환되지 못했다.
기본적인 레이더 시스템의 한 성분은 통상적으로, 짧은 기간동안 고주파 전자기 에너지 펄스를 보내는 송신기 하위-시스템이다. 주파수들은 통상적으로, 기가헤르츠(GHz) 범위인 초당 수 십억 사이클이다. 이러한 펄스가 도전 재료(이를테면 금속)로 만들어지는 수송기에 접하게 되었을 때, 입사 펄스로부터 에너지의 일부는 역반사된다. 이 반사된 에너지가 충분한 크기이면, 레이더의 수신기 하위-시스템에 의해 탐지될 수 있다. 레이더 시스템을 제어하는 컴퓨터 하위-시스템은 펄스가 언제 송신되었으며 반사된 펄스가 언제 수신되는가를 안다. 이 컴퓨터는 이 전자기 에너지의 송신된 펄스와 수신된 펄스간에 왕복 시간 t를 계산할 수 있다. 이들 펄 스들은 근사적으로 186,000 miles/sec(299,999 km/sec)인 개략적으로 광속도 c로 이동한다. 탐지된 타겟까지의 이 거리 D는 다음과 같다.
D = ct/2
현 레이더들 및 이들의 연관된 동작 주파수 대역들 및 사용들의 예들은 다음과 같다.
대역 하측 주파수(GHz) 상측 주파수(GHz) 명목 파장
W 75 110 3mm
V 40 75 6mm
Ka 34 38 8cm
Ku 12 18 2cm
X 8 12 3cm
C 4 8 5cm
S 2 4 10cm
L 1 2 20
항공기 레이더 기능 주파수 대역
조기 경보 UHF 및S-대역
고도계 C-대역
기상 C 및 X-대역
전투기 X 및 Ku-대역
공격 X 및 Ku-대역
정찰 X 및 Ku-\대역
극소형의 단 레인지 Ka, V 및 W 대역들
레이더 파장 λ과 레이더 주파수 v 간의 관계는 다음과 같다.
λ = c/v
반사된 신호의 세기 혹은 파워는 송신 안테나의 방사 파워, 안테나의 크기 및 이득과 타겟까지의 거리와 레이더의 동작 주파수에서 레이더에의 타겟의 가현 크기를 관계시키는 레이더 식에 의해 매우 적절하게 기술된다. 이 식은 다음과 같다.
Pr = (PtG2λ2σ)/((4π)3R4)
여기서,
ㆍPr은 평균 수신 파워,
ㆍPt은 송신 파워,
ㆍG는 레이더의 이득,
ㆍλ는 레이더의 파장,
ㆍσ는 타겟의 가현 크기
ㆍR은 레이더에서 타겟까지의 레인지이다.
주어진 레이더 파장(혹은 주파수)에서 타겟의 이 가현 크기 σ는 "레이더 단면적" 또는 RCS라고 한다. 이외 모든 것들은 동일하다고 할 때, 레이더 송신기로부터 명시된 거리에 타겟으로부터 반사된 전자기 펄스의 세기를 알려주는 것은 RCS이다. 실제의 관점에서, RCS는 타겟이 탐지되는지 여부를 알려주는 타겟의 단 하나의 특징이다.
스텔스(Stealth) 기술들의 현 세대는 타겟의 RCS의 크기를 최소화하기 위해 조합하여 사용되는 5가지 요소들에 의존한다.
ㆍ 레이더 흡수 재료(RAM)
ㆍ 내부 레이더-흡수 구조(IRAC)
ㆍ 외부 저 관찰가능 기하구조(ELOG)
ㆍ 적외선(IR) 방출 제어
ㆍ 특별 임무 프로파일
스텔스에 RAM 방법은 기본적으로 입사 레이더 파의 전기 성분을 자계로 변환 하는 철 페라이트를 함유하는 코팅들의 사용을 포함한다. 결국, 입사 레이더 파의 에너지가 방산되게 한다. 이것은 RAM 방법의 바람직하지 못한 결과이다.
IRAC 방법은 스텔스 항공기의 기체를 덮는 외장 내에 "오목 삼각형(re-entrant triangle)"으로서 알려진 특별한 구조물을 만든다. 이들 구조물들은 특정 레이더 주파수의 파장의 크기에 근사한 공간들 내에 입사 레이더 파로부터 에너지를 캡처한다. 이 방법에서 문제는 삼각형들이 특정 레이더 주파수에 대해서만 보호할 수 있어 서로 다른 주파수들에 의한 탐지를 피하기 위해서 항공기에 복수의 삼각형들이 요구된다는 것이다.
ELOG 방법은 문외한의 관찰자도 명백하게 보아 알 수 있는 특징적인 각도의 기하구조를 스텔스 항공기에 부여하는 것이다. 이러한 평탄한, 각이 있는 형상은 레이더 파들이 모든 방향들로 외부 기하구조에서 반사 혹은 이탈하게 한다. 이러한 기하학적 설계는 항공기에 대한 설계 가능성들을 제한한다.
IR 방출 제어 기술들은 수송기의 엔진 출력의 열(IR) 시그너쳐를 처리하나 이것은 각각의 서로 다른 엔진 시그너쳐에 대해 상이한 제어 기술을 요구한다.
위에 4가지 기술들의 조합은 자신의 능력으로 스텔스 항공기의 RCS를 감소시키는데 있어 매우 효과적이다. 또한, 각 스텔스 임무는 임무에 앞서 확인되어 위치가 파악된 징후 탐지 레이더들에 최소화된 RCS만을 드러내기 위해서 주의 깊게 준비된다. 이에 따라, 고도, 대기속도, 영각(angle-of attack) 및 이외 비행 파라미터들을 포함하는 매우 특정하고 잘 편성된 비행 프로파일이 각각의 매 임무에서 스텔스 항공기에 의해 비행된다. 이것은 임무의 복잡화를 야기하며 따라서 개선이 바 람직하다.
또한, 이를테면 구조에 독극물들의 사용, 날씨와 모래와 같은 연마성 물질들의 영향에의 취약성, 및 지속적인 고 수준의 유지보수와 같은 현존 스텔스 기술들에 단점들이 있다.
그러나 가장 중요하게는, 현 스텔스 기술에 2가지 주된 결함들이 있다. 먼저, 위에 개괄된 기술들은 기체의 영구적으로 고정되며 스텔스 혹은 스텔스 항공기의 공기역학적 특징들에 악영향을 미치지 않고서는 변경 혹은 제거될 수 없다. 이러하므로, 비-스텔스 항공기 및 이외의 수송기들은 일단 이들이 구성되고, 의뢰되어 배치되면 스텔스 특징들을 취하게 할 수 없다.
두 번째로, 현재 사용되는 스텔스 기술들은 적에 의해 채용되는 새롭거나, 상이하거나 가변되는 레이더 주파수들에 응하여 특정의 스텔스 설계의 RCS를 변경, 조정, 적응 혹은 조절할 수 없다. 이러하므로, 현 스텔스 기술들은 일단 채택되면 정적이며, 동적이지 않다.
요약하여, 이 발명은 기민한 레이더 선택성, 동적 기체 호환성, 유독한 및/또는 부서지기 쉬운 외부 코팅들의 제거, 향상된 신뢰성 및 유지보수성, 비용 감축 및 새로운 기술적 징후에 응한 업그레이드 가능성을 제공함으로써 현존 스텔스 기술을 개선하려는 것이다.
발명은 도전성 부분 및 비도전성 부분을 구비하며 레이더에 의해 스캔될 것으로 예상되는 대상의 레이더 단면적을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 대상의 크기 혹은 형상이 레이더 스캐닝에 의해 정확하게 탐지될 수 없도록, 즉 RCS를 감소시키도록 먼저 레이더 파들을 포획하고 이어서 내부에서 방산시키는 복수 층 레이더 단면적 감소 구조물을 대상에 제공하는 것을 포함한다. 구조물은, 사람들 혹은 장비를 수송하는 수송기와 같은, 사전에 스텔스 능력이 없는 대상에 제공될 수 있거나, 이미 스텔스 능력을 갖춘 대상에 레이더 스캐닝에 의한 정확한 탐지를 방지하는 능력을 증가시키기 위해 적용될 수 있다.
층들은 통상적으로, 광대역 방사 채널화를 제공하는 하나 이상의 고정된 유전층들; 선택적 광대역 방사 흡수를 제공하기 위한 하나 이상의 가변 유전층들; 혹은 전자기 방사의 어떤 파장들을 편향시키기 위한 간섭 발생 패턴("IGP")을 각 층이 포함하는 것인 하나 이상의 층들을 포함한다. 바람직하게, 구조물은 광대역 방사 채널화를 제공하는 적어도 2개의 고정된 유전층들; 선택적 광대역 방사 흡수를 제공하기 위한 적어도 2개의 가변 유전층들; 혹은 전자기 방사의 어떤 파장들을 편향시키기 위한 IGP를 각 층이 포함하는 것인 적어도 2개의 층들; 전자기 방사의 어떤 파장들을 반사시키기 위한 반사기를 포함하는 적어도 한 층; 혹은 앞에서 언급된 층들 중 2개, 혹은 3개의 층 혹은 전부의 조합을 포함한다.
방법은 레이더의 서로 다른 파장들을 차폐시키기 위해서 하나 이상의 유전층들의 전자기 특성들을 변경하는 것을 더 포함할 수 있다. 이것은 이러한 레이더 스캐닝에 사용되는 전자기파들의 파장들을 변경하는 것에 대한 보호를 제공한다. 이 대신 이 기능은 레이더의 서로 다른 파장들을 차폐하기 위해 하나 이상의 추가의 유전층들을 제공하여 스캐닝 레이더 주파수들에 대한 선택가능한 동조를 제공함으로써 달성될 수 있다.
일반적으로, 대상의 도전성 부분들은 금속 혹은 금속재료들로 만들어지며 유전 혹은 간섭 발생 패턴 층들은 비도전성 유전재료로 만들어진다. 요망된다면, 구조물은 전자기 방사의 어떤 파장들을 반사시키기 위한 반사기를 포함하는 층을 포함할 수 있다. 또한, 방법은 층들의 조합에 결합되는 출력 안테나 시스템에 의해 전자기 방사의 어떤 파장들을 집점, 방산 및 재지향(redirect)시키는 것을 포함할 수 있다.
또한, 발명은 레이더 파들을 감소 혹은 포획하여 내부에서 방산시키는 여기 기술된 유형들의 레이더 단면적(RCS) 감소 구조물에 관한 것이다. 구조물은 레이더의 서로 다른 파장들을 차폐시키기 위해 하나 이상의 유전층들의 특성들을 변경하는 수단을 포함할 수 있다.
또한, 발명은 도전성 부분들을 구비하는 대상과 여기 개시된 레이더 단면적 감소 구조물들 중 하나와의 조합에 관한 것이다. 바람직하게, 대상은 항공기 혹은 이외 수송기이며, 구조물은 항공기, 선박, 구조물 혹은 이외 수송기의 외부 부분에 도포되는 코팅이다.
발명의 바람직한 실시예들이 다음 도면들에 개시된다
상기된 바와 같이, 본 발명에 따라 실시함으로써 기민한 레이더 선택성, 동적 기체 호환성, 유독한 및/또는 부서지기 쉬운 외부 코팅들의 제거, 향상된 신뢰성 및 유지보수성, 비용 감축 및 새로운 기술적 징후에 응한 업그레이드 가능성을 제공할 수 있다.
전자기 채널화를 사용한 레이더 단면적의 기민한 감소 방법(MARRCS)으로서 알려진 이 발명은 징후 탐지 레이더들에 의해 스캔되는 항공기, 선박들, 구조물들 및 수송기들의 레이더 단면적(RCS)을 감소시키는 능동적 방법을 제공하는 기술에 관한 것이다. 이 기술은 현존 "스텔스" 기술이 갖추어지지 않은 다양한 항공기, 선박들, 구조물들 및 수송기들에 맞게 이식가능할 뿐만 아니라 확장가능할 것이다. 또한, 현재 현존의 정적 스텔스 기술만이 사용되게 한 항공기에 동적이고 기민한 스텔스 능력들을 제공할 수도 있다. 적절한 경우, 나노기술을 사용하고, 무게를 줄이고, 지원을 제공하고, 기체 준수를 보증하게 할 작정이다. 이 기술은 항공기, 선박들, 구조물들 및 수송기들의 동작 특징들에 악영향을 미치지 않을 것이다.
또한, 기술은 서로 다른 혹은 가변하는 주파수들에서 동작하는 레이더들로부터 선택가능한, 최적화된 보호를 제공할 것이라는 점에서 능동적일 것이다. 최종 결과는 레이더 신호들의 전송된 에너지를 선택적으로 흡수하고, 그럼으로써 RCS를 감소시킬 기민한 레이더 "스폰지"가 될 것이다. 이와 같이 함으로써, 복귀되는 레이더 신호는 정확하지 않을 것이므로 스캐너는 다른 혹은 보다 작은 대상을 보고 있는 것처럼 보인다. 대상이 전혀 보여지지 않도록 가능한 한 레이더 파들 대부분을 흡수하는 것이 바람직하다. 또한, 발명에 따라서 흡수된 에너지를 재지향시키고, 이를, 아마도 디코이(decoy) 목적으로, 항공기, 선박, 구조물 혹은 수송기에서 떨어진 방향으로 재전파시키는 것이 가능하다.
이 발명은 징후 탐지 레이더들에 의해 스캔되는 항공기, 선박들, 구조물들 혹은 수송기들의 RCS를 감소시키는 능동적 방법을 제공하는 기술에 관한 것이다.
현존 스텔스 방법들과는 반대로, 이 혁신적 기술은 입사 레이더를 반사시키는 것이 아니라 가능한 한 많이 입사 전자기 에너지를 캡처하게 설계된다. 이에 따라, 이 에너지에 대해서, 채널화되어 항공기로부터 멀리 지향될 레이더 "스폰지"를 형성한다. 근본적으로, 레이더 에너지 도파로처럼 행동한다.
기술은 위에 차트에서처럼 L 내지 W 대역들에 걸친 모든 레이더 대역들에서 동작하게 설계된다. 이것은 2 GHz 내지 110 GHz의 주파수들을 포함한다. 그러나, 징후 탐지 레이더들은 X, Ku 및 Ka 대역들에서 동작하기 때문에, 이들 주파수들은 다른 것들보다도 더 상세히 논의될 것이다. 기술은 보다 높은 주파수 Q, V 및 W 대역들에도 적응될 수 있다. 사용되는 재료들은 400만큼 큰 K 값들을 가질 수도 있을 것이다. 이들 재료들은 20만큼 큰 n의 대응하는 값들을 가질 것이다.
위에 레이더 주파수들 내 입사 전자기파들의 채널화는 여기에서 층 케이크(Cake)라고 하는 수직 및 수평의 복수층 구조물을 사용하여 달성된다. 이 구조물에서 이용되는 재료들은 일반적으로 능동적 및 수동적 유전체들이다. 수동적 유전체들은 관계된 모든 주파수에 대해 고정된 유전상수 K를 유지하는 것들이다. 능동적 유전체들은 관계된 주파수 범위들에 걸쳐 전기적, 기계적 혹은 전자적 방법들에 의해 유전상수 K가 변경될 수 있는 것들이다.
유전상수 K의 크기는 다음과 같이 굴절률 n의 크기에 관계된다.
K = n2
다음 하위의 유전층 내로 굴절되고 그 위의 층 내로 반사되는 에너지량을 결정하는 것은 각 층의 n 값이다.
전형적인 스텔스 층 케이크가 도 1에 도시되었다. 이러한 층 케이크에서 각 층은 특정한 기능을 갖는다. 이들 기능들은 도 2에 개괄되어 있다. 맨 위의 층(층 1이라고도 함)은 여기에서는 에어로스킨이라고 하는 유전재료층으로 구성된다. 이 층의 굴절률은 n=1인 대기의 공기의 굴절률에 가까워야 하므로 바람직한 에어로스킨 굴절률은 근사적으로 n=1.1이 될 것이다. 공기의 굴절률보다 큰 이 굴절률의 선택은 레이더 파의 대부분을 에어로스킨 내로 "굴곡" 또는 굴절하게 할 것이다. 이때 소량의 에너지가 에어로스킨에서 반사될 것이다. 에어로스킨으로 적합한 재료들은 저 드래그(low drag) 유전 플라스틱 혹은 고무 재료들을 포함하며 테플론과 같 은 불소화 중합체들로 만들어진 것들이 바람직하다.
다음 층들(도 1은 2개의 이러한 층들을 도시하고 있다)은 값들이 연속적으로 증가하는, 고정된 유전상수 K, 따라서 굴절률 n인 재료들로 구성된다. 첨부된 도 3-a 내지 도 3-j는 층들간 계면을 통해 투과되거나 이 계면에서 반사되는 에너지의 퍼센티지뿐만 아니라 n의 전형적인 값들을 보여준다.
도 1은 제1 고정된 층(층 2는 트랩 1이라 함)에 대해 n=2임을 도시하고 있다. 다음 고정된 층(층 3은 트랩 2라 함)의 유전체는 따라서 굴절률이 n=4이다. 이들 증가하는 n의 값들은 입사 파가 구조물 내로 더 깊이 굴곡 혹은 굴절할 수 있게 계속될 것이다. 대부분의 에너지는 층상(layered) 재료의 각각의 다음 표면에서 반사되는 얼마간의 레이더 에너지가 있을지라도, 다시 층들을 투과한다. 그러나, 이 반사된 에너지는 이 에너지를 구조물 내로 다시 굴곡시키는 하위에 상측 유전층에 접하기 때문에 구조물에서 나가지 못하게 될 것이다. 레이더 파가 구조물 내로 더욱 굴절되기 때문에 채널화는 계속하여 증강될 것이다. 층 케이크의 구조물은 2보다 더 많은 고정된 유전층들을 포함할 수도 있다.
구조물 내 다음 층들(도 1은 2개의 이러한 층들을 도시하고 있다)은 가변 유전재료로 된 능동 층들로 구성된다. 도 1에서, 이들 층들(층(4) 및 층(5)로 표시되었음)은 레이더 대역 1 및 레이더 대역 2이다. 이들 층들에 이용되는 재료들은 전기적 및 전자적 수단을 통해 유전상수 값들을 변경할 수 있는 유전체들로 구성된다. 결국, 이들 층들은 층 케이크 내로 더 깊이 특정 주파수들의 레이더 파들을 선택적으로 굴절시키는 필터들로서 작용한다. 도 1이 단지 2개만을 도시하고 있을지 라도, 2보다 더 많은 능동 유전층들이 있을 수 있다. 이들 층들은 각각 근사적으로 4.5 및 6의 굴절률들을 가져오는 연이은 보다 큰 유전상수들을 가진다. 채널화는 전자기파들이 층 케이크 내로 더 깊이 굴절되므로 계속하여 증강된다.
다음 층들(도 1은 6 및 7의 참조번호의 2개의 이러한 층들을 도시하고 있다)은 특정의 간섭 발생 패턴(IGP) 형상의 탄소 나노튜브들(CNT)로 구성된다. 이러한 IGP들 및 이들의 설계와 기능은 각각의 전체 내용을 참조문헌으로 여기 포함시키는 미국특허 6,785,512 Bl 및 2004년 5월 14일에 출원된 미국특허 출원 10/846,975에 개시되어 있다. 이들 CNT들은 유전재료들에 "도핑"되고 이에 따라 도핑된 CNT 혹은 DCNT를 생성한다.
IGP는 일반적으로 비도전성일 수 있는 것이며 무기재료로 된 격자, 원뿔형, 구형, 다각형 혹은 이외 다른 형상 및/또는 패턴과 같은 패턴이거나 이를 포함한다. 바람직하게, IGP는 적합한 패턴으로 구성된 지지부재로서 제공되며, 그 위에 고 유전상수를 갖는 비도전성 재료로 된 코팅을 포함한다. 유전재료들은 2 내지 400 이상의 값들의 고 유전상수 K의 재료들의 패밀리들을 포함하며, 실리콘 및 탄소의 화합물들, 내화 재료들, 희토류 재료들, 혹은 반도체 재료들을 포함한다. 코팅은 지지부재로서 구성된 패턴 상에 일반적으로 균일한 두께로 도포된다.
여기에 기술된 IGP는 2 내지 110 GHz의 적합한 레이더 범위의 라디오 주파수 방사를 감쇄시키게 잇점이 있게 구성된다. 잇점이 있게, 간섭 발생 패턴은 적어도 20dB만큼 라디오 주파수 신호를 감소시킨다. IGP층의 수는 관계된 레이더 주파수 대역들의 수에 따를 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 단지 2개의 이러한 층들이 있으나, 추가의 레이더 주파수들을 위한 포함된 채널화에 더 많은 IGP 층들이 더해질 수도 있다.
방법은 전범위의 라디오 주파수 방사를 감쇄시키는 IGP들을 제공하기 위해 복수의 지지부재들을 중첩시키는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 지지부재는 전범위의 라디오 주파수 방사를 실질적으로 감쇄시키기 위해서 서로 다른 IGP들로 구성될 수 있다. 지지부재의 패턴은 격자, 원뿔형, 구형 혹은 다각형 혹은 이외 다른 형상 및/또는 패턴 형태로 제공될 수 있다. 또한, IGP는 관계된 레이더 주파수에 따라 각 패턴에 대해 서로 다른 물리적 크기로 구성된 서로 다른 패턴들로 구성될 수도 있다. 예를 들면, IGP는 서로 다른 복수의 패턴들의 수직의 층상구조, 혹은 서로 다른 복수의 패턴들의 수평의 층상구조로 구성될 수 있다. 또한, IGP는 서로간에 축방향에서 벗어난 서로 다른 복수의 패턴들의 수직 혹은 수평의 층상구조로 구성될 수도 있다. IGP 층은 동조된 안테나가 만들어지게 할 것이므로, 입사되는 파들을 다시 층 케이크 내로 재투과시킬 것이다.
도 1에 층(8)으로 나타낸 마지막 층은 고정된 고 유전재료 혹은 도전성 혹은 금속 백플래인으로 구성된 반사층이다. 이것은 굴절률이 클 것임을 의미한다. 도 1은 n=20 혹은 그 이상인 층 케이크를 도시한 것이다. 따라서, 근본적으로 층 케이크 내 상위의 이전의 층들을 통과한 모든 입사파들은 이전 층들 내로 다시 반사될 것이다. 이들 층들의 굴절률은 작기 때문에, 이들 파들은 구조물 내에 포획될 것이다.
층 케이크 내에 유전재료들의 배열은 입사 레이더 파들이 구조물 내에 포획 될 수 있게 한다. 일단 포획되면, 이들은 벗어날 수 없으며 적합한 출구 쪽으로 채널화될 수 있다. 출구는 광대역 도전성 종단에 의해 구조물에 일 단부가 종단되게 함으로써 만들어진다. 광대역이라는 것은 관계된 모든 레이더 주파수들(예를 들면, X, Ka, Ku, V 및 W)이 구조물을 통해서 그리고 이어서 출구로부터 역으로 똑같이 반사될 것임을 의미한다. 구조물의 다른 일단에는 선택된 레이더 대역들에 매칭되는 종단이 있다. 이 종단은 안테나에 결합된다. 의도는 능동 레이더 대역층들(층들(4, 5)) 및 IGP 층들(층들(6, 7))이, 연이어 있는 층들(층들(1, 2, 3))보다는 더 선택적이기 때문에, 이들 능동 레이더 대역층들 및 IGP 층들 내에 대부분의 레이더 에너지를 내포하려는 것이다. 도 4는 층 케이크의 결과적인 채널화를 도시한 것이다.
안테나는 문제가 되는 전범위의 레이더 주파수들에 걸쳐 양호한 이득 특징들을 갖춘 통상의 마이크로파 안테나일 수 있다. 또한, 메이저(maser)에서처럼, 간섭성(coherent) 마이크로파 출력 방출들을 위한 장치를 포함하는 것이 가능할 것이다. 안테나는 기계적으로 혹은 전기적으로 조정가능할 수도 있으며 안테나의 초점길이를 변경하기 위해 마이크로 기계/전기 시스템들(MEMS) 기술을 사용할 수도 있다. 이것은 레이더 스캐닝에 의해 수송기의 크기 혹은 형상의 정확한 탐지를 방지하기 하기 위해 제어된 방식으로, 흡수된 파들이 수송기로부터 멀리 방산될 수 있게 한다.
목적은 RCS 구조물이 가능한 한 많은 입사 레이더 에너지를 층들에 의해 캡처하고, 이를 층 케이크의 연속된 층들 내로 채널화하는 것이다. 레이더 "스펀지" 를 형성함으로써, 구조물로부터 반사가 최소가 될 것이며, 이에 따라 RCS를 감소시킨다. 레이더 에너지를 출구로부터 그리고 항공기, 선박, 구조물 혹은 수송기로부터 멀리 투사시킴으로써, 열 시그너쳐의 어떠한 증가든 최소가 될 것이다. 또한, 레이더 디코이의 생성도 가능하다. "마이저와 같은" 출력을 생성하기 위해 안테나 하위-시스템의 적합한 이득 제어가 채용될 수도 있을 것이다.
이 발명의 주요 고찰은 항공기, 선박, 구조물 혹은 수송기의 공기역학적, 유체역학적 혹은 이외 기능적 특징들에 악영향을 미치지 않는 것이다. 결국, 층 케이크 구조물은 얇고 가벼워야 하며, 또한 낮은 동적 마찰계수를 가져야 한다. IGP층들(도 1에서 층들(6, 7))의 구조에서 나노튜브 기술의 사용이 언급되었다. 그러나, 능동 혹은 고정된 종류의 유전재료가 도핑된 나노튜브들이 일부 혹은 이외 모든 다른 층들에 이용될 수도 있다.
이 층 케이크 구조물은 서로 다른 물리적 크기들로 구성되게 의도된다. 이에 따라, 이들 구조물들은 현존하는 비-스텔스 항공기에 장착될 것으로서 설계될 수 있다. 이것은 어떤 수준의 능동적 스텔스 능력을 제공할 것이다. 유사하게, 이들 구조물들은 현존의 스텔스 항공기, 선박들, 구조물들 및 고정된 스텔스 능력들을 이용하는 수송기들이 현재 소유하지 못하는 능동적 스텔스 능력을 이들에 제공하기 위해서 이들에 장착될 수 있다.
또한, 층 케이크 구조물이 기민한 레이더 방위를 제공할 것으로 의도된다. 앞에서 언급된 바와 같이, 층들(4, 5)은 이들이 선택된 레이더 주파수에 따라 가변적 굴절률을 제공할 것이라는 점에서 능동적일 것이다. 도 5는 이것이 어떻게 작동 할 것인가를 도시한 것이다. 현존의 항공전자 시스템들은 어떤 주파수들이 항공기, 선박, 구조물 혹은 수송기를 스캐닝하고 있는지를 판정할 수 있다. 통상적으로 레이더 시스템은 이 데이터를, 조정사 및/또는 REO에 경고를 제공하도록 항공 전자공학 버스(PCI, MII 혹은 이외 다른 버스 유형들)에 싣는다. 현재, 이러한 징후 탐지 경고는 통상적으로, 레이더 파들의 탐지시 조명되는 "경고등(idiot light)" 형태이다. 그러나, 버스 상에 주파수 데이터는 항공기의 항공전자 베이 내 단순 방위산업에 준하는 단일 보드 컴퓨터(SBC)에도 전송될 수도 있을 것이다. 이 SBC는 도 5에서 전자기 대책(ECM) 컴퓨터라 지칭되어 있다. ECM은 층 케이크 내 능동 층들의 유전상수를 변경하는데 필요한 층 여기 전자장치(LEE)를 구동할 것이다. ECM 파워 요구들은 수십 와트 정도가 될 것이다. 자신들의 유전상수를 변경할 수 있는 것으로 알려진 고체 상태 재료들(즉, InGaAs, 등)이 이 목적을 위해 사용될 수 있다.
결국, 이 MARRCS 발명은 레이더-주파수의 기민한 징후 개입 시스템이 될 것이다. 현존의 항공전자는 레이더 스캔들을 탐지하여 이들 스캐닝되는 주파수들을 판별할 것이다. 현존의 항공전자 버스는 이 데이터를 실시간으로 ECM 컴퓨터에 전달할 것이다. 그러면 ECM 컴퓨터는 LEE를 실시간 도착 층 응답으로 구동할 것이다. 이에 따라, 여러 주파수들의 레이더 에너지들이 캡처되고, 채널화되고 제어된 방식으로 안테나에 의해 방산될 것이다.
RCS 구조물은 전체 대상에 혹은 적어도 대상의 유효 부분들에 적용될 수 있다. 항공기에서, 예를 들면, 구조물은 적어도 동체의 하측 반에 그리고 지상 레이더를 차폐하기 위해 날개들 밑에 적용될 것이다. 물론, 항공기 동체 및 날개들의 전체 외측 부분들은 항공기, 선박, 구조물 혹은 수송기에 준하며 이에 부착되는 코팅 혹은 유연한 "스킨"으로서 구조물을 취할 수 있다.
도 1은 능동 및 수동 유전재료들로 구성되는 전형적인 스텔스 "층 케이크"의 개략도이다.
도 2는 층 케이크 구조물 내 각 층의 기능들 및 특성들을 기술한 것이다.
도 3a 내지 도 3j는 층 케이크의 각 층에 있어서 투과 및 굴절되는 파 성분들을 도시한 것이다.
도 4는 결과적인 파 채널화 및 재지향 효과를 도시한 것이다.
도 5는 컴퓨터 인터페이스 및 층 케이크에의 이의 동작적인 연관을 도시한 것이다.

Claims (20)

  1. 도전성 부분들을 구비하며 레이더에 의해 스캐닝될 것으로 예상되는 대상의 레이더 단면적을 감소시키는 방법으로서, 상기 대상의 크기 혹은 형상이 레이더 스캐닝에 의해 정확하게 탐지될 수 없도록 레이더 파들을 내부에 포획하고 방산시키는 복수층 구조물을 상기 대상에 제공하는 단계를 포함하는, 레이더 단면적 감소방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구조물은,
    광대역 방사 채널화를 제공하는 하나 이상의 고정된 유전층들;
    선택적 광대역 방사 흡수를 제공하기 위한 하나 이상의 가변 유전층들; 혹은
    전자기 방사의 어떤 파장들을 편향시키기 위한 간섭 발생 패턴을 각 층이 포함하는 것인 하나 이상의 층들을 포함하는, 레이더 단면적 감소방법.
  3. 제2항에 있어서, 레이더의 서로 다른 파장들을 차폐시키기 위해서 상기 하나 이상의 유전층들의 특성들을 변경하는 단계를 더 포함하는, 레이더 단면적 감소방법.
  4. 제2항에 있어서, 레이더의 서로 다른 파장들을 차폐시키기 위해서 하나 이상의 추가의 유전층들을 제공하는 단계를 더 포함하는, 레이더 단면적 감소방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 대상의 상기 도전성 부분들은 금속 혹은 금속재료들로 만들어지며 상기 유전 혹은 간섭 발생 패턴 층들은 비-도전성 재료로 만들어지는, 레이더 단면적 감소방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 구조물은 전자기 방사의 어떤 파장들을 반사시키기 위한 반사기를 포함하는 적어도 한 층을 포함하는, 레이더 단면적 감소방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구조물은,
    광대역 방사 채널화를 제공하는 적어도 2개의 고정된 유전층들;
    선택적 광대역 방사 흡수를 제공하기 위한 적어도 2개의 가변 유전층들;
    전자기 방사의 어떤 파장들을 편향시키기 위한 간섭 발생 패턴을 각 층이 포함하는 것인 적어도 2개의 층들;
    전자기 방사의 어떤 파장들을 반사시키기 위한 반사기를 포함하는 적어도 한 층; 혹은
    앞에서 언급된 층들 중 2개, 혹은 3개의 층 혹은 전부의 조합을 포함하는, 레이더 단면적 감소방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 층들의 조합에 결합되는 출력 안테나 시스템에 의해 전자기 방사의 어떤 파장들을 집점, 방산 및 재지향시키는 단계를 더 포함하는, 레 이더 단면적 감소방법.
  9. 제1항에 있어서, 수송기에 스텔스 능력을 제공하기 위해서 상기 구조물을 항공기, 선박, 구조물 혹은 수송기에 적용하는 단계를 더 포함하는, 레이더 단면적 감소방법.
  10. 제1항에 있어서, 이미 스텔스 능력을 구비한 항공기, 선박, 구조물 및 수송기에 이러한 능력을 증대시키기 위해서 상기 구조물을 적용하는 단계를 더 포함하는, 레이더 단면적 감소방법.
  11. 레이더 파들을 내부에서 감소 혹은 포획하여 방산시키는 복수의 층들을 포함하는, 레이더 단면적 감소 구조물.
  12. 제11항에 있어서, 상기 층들은,
    광대역 방사 채널화를 제공하는 하나 이상의 고정된 유전층들;
    선택적 광대역 방사 흡수를 제공하기 위한 하나 이상의 가변 유전층들; 혹은
    전자기 방사의 어떤 파장들을 편향시키기 위한 간섭 발생 패턴을 각 층이 포함하는 것인 하나 이상의 층들을 포함하는, 레이더 단면적 감소 구조물.
  13. 제12항에 있어서, 레이더의 서로 다른 파장들을 차폐시키기 위해서 상기 하 나 이상의 유전층들의 특성들을 변경하는 수단을 더 포함하는, 레이더 단면적 감소 구조물.
  14. 제12항에 있어서, 상기 유전 혹은 간섭 발생 패턴 층들은 비-도전성 재료로 만들어지는, 레이더 단면적 감소 구조물.
  15. 제11항에 있어서, 전자기 방사의 어떤 파장들을 반사시키기 위한 반사기를 포함하는 적어도 한 층을 더 포함하는, 레이더 단면적 감소 구조물.
  16. 제11항에 있어서, 광대역 방사 채널화를 제공하는 적어도 2개의 고정된 유전층들;
    선택적 광대역 방사 흡수를 제공하기 위한 적어도 2개의 가변 유전층들;
    전자기 방사의 어떤 파장들을 편향시키기 위한 간섭 발생 패턴을 각 층이 포함하는 것인 적어도 2개의 층들;
    전자기 방사의 어떤 파장들을 반사시키기 위한 반사기를 포함하는 적어도 한 층; 혹은
    앞에서 언급된 층들 중 2개, 혹은 3개의 층 혹은 전부의 조합으로서의, 레이더 단면적 감소 구조물.
  17. 제11항에 있어서, 전자기 방사의 어떤 파장들을 집점, 방산 및 재지향시키는 안테나 시스템을 더 포함하는, 레이더 단면적 감소 구조물.
  18. 대상의 크기 혹은 형상이 레이더 스캐닝에 의해 정확하게 탐지될 수 없도록 도전성 부분들을 구비하는 대상과 이에 연관된 청구항 11의 구조물과의 조합체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 대상은 항공기, 선박, 구조물 혹은 사람 혹은 장비를 수송하기 위한 수송기인, 조합체.
  20. 제19항에 있어서, 상기 대상은 항공기, 선박들, 구조물들 및 수송기들이며, 상기 구조물은 상기 대상의 외부 부분에 도포되는 코팅인, 조합체.
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