광대역 저피탐 다기능 AESA 레이다

차세대 전투기 테스트베드 개발

차세대 전투기는 현용 F-16 전투기를 대체하는 소요로 기획되었으며, 센서 정보를 융합하여 전장 상황정보를 조종사가 확인하면서 무인 전력을 통제하고, 표적지역 내에서 체공하며 공대공/공대지 멀티롤(Multi-Role) 임무를 수행할 수 있는 고성능 하이급 전투기를 목표로 한다. 특히, KF-21보다 고도화된 광대역-전방위각(All spectrum-All azimuth) 스텔스 성능 확보를 중점에 두고 있으며, Block-I에서 전투기 플랫폼을 확보하고, Block-II에서 전투기 탑재 레이저 무기체계와 같은 차세대 무장을 장착하는 것으로 계획하고 있다. 이러한 성능을 구현하기 위해, 차세대 전투기 개발에 소요되는 구조, 소재, 센서 기술을 테스트베드(Testbed)에 통합하여 시연하는 스텔스 브릿지 프로그램을 추진 중에 있다.

차세대 전투기 테스트베드는 경계층 분리기가 없는 초음속 DSI(Diverter-less Supersonic Inlet) 흡입구를 적용하고, 내부무장창과 저피탐 3D 추력편향노즐 등을 통합하여 Cavity(흡입구/배기노즐) 제외 전방위각 LO급(-7dBsm) 광대역 저피탐 성능을 확보한 형상을 구현하고자 한다. 또한, 저피탐 기술을 적용하여 Cavity 포함 광대역(L~X-Band 이상), 전방 LO~VLO급, 측후방 LO급 스텔스 성능을 확보한다는 계획이다. 또한, 레이다/전자전 모드를 동시에 운용 가능한 광대역 AESA 레이다와 전자광학추적장치(EOTS) 및 EO-DAS 등의 차세대 전투기용 센서와 저피탐 편대 통신기술을 개발하여 시연할 예정이며, 이를 48개월 이내에 신속하게 통합하여 차세대 전투기 테스트베드에서 공력/RCS/임무효과도를 동시에 검증하는 것을 목표로 한다.

"항공용 다기능 복합소재 및 저피탐 센서 기술(PM2)(48개월)"은 테스트베드 플랫폼 개발의 일환으로, 462억원을 투자하여 차세대 스텔스 비행체 개발에 필요한 복합소재 개발 기술과 저피탐 AESA 레이다 센서를 개발하고, 체계적용을 위한 성능평가/적용성 연구를 진행하는 국과연 주관 PM과제다. 소재 분야에서는 국산 항공용 T1100급 고인성 탄소섬유 복합재와 저유전손실 레이돔의 국산화 개발을 진행하며, 배기노즐에 적용되는 내열 유전체 탄화규소(SiC) 섬유로 제작하는 저피탐(X-Band) 복합소재와 초고내열 메타표면 전파흡수체를 개발하고, 소재 특성 평가(열유동/열구조/고온 전자기)를 진행하여 DB 구축을 진행할 예정이다.

차세대 전투기에 탑재되는 저피탐·다기능·광대역 AESA 레이다는 전방 AESA 다기능 안테나를 사용하는 전자기전 기법을 설계하고, 레이다 및 전자전 동시운용모드를 통합할 계획이다. 체계 적용 후 전방 LO급 광대역 저피탐 성능을 확보할 수 있도록 설계하며, 다기능 안테나를 구성하는 광대역 송수신모듈은 X-Band 주파수 대역인 8~12GHz에서 4Ghz의 대역폭을 사용한다. 이러한 광대역 주파수 운용 능력을 바탕으로, 피탐성을 최소화하는 LPI(Low Probability of Intercept) 기능을 적용할 예정이다. LPI는 모드는 적의 전자전 수신기에 피탐될 확률을 최소화하기 위해 다양한 신호 변조 기법을 적용하고, 광대역 주파수 대역으로 신호를 분산시켜 저출력으로 송신한다. 또한, 광대역 주파수에서 주파수 도약(Frequency Hopping) 기능을 운용하여 레이다 경보 수신기(RWR)에 대한 피탐확률을 최소화할 수 있다. 이러한 기능들은 F-35 전투기의 AN/APG-81 AESA 레이다에 적용되어 있는 것으로 알려져 있다.

"확장 가능한 모듈형 레이다 설계 기술('21.07~'23.06)" 과제에서 개발한 RMA 기반 레이다 시스템 아키텍처

한편, 최신 레이다 기술 중 하나로 언급되는 풀 디지털(Full-Digital) 레이다는 소자 단위에서 ADC/DAC 소자를 배열하고, 위상변위기 없이 개별 소자의 위상에 디지털 가중치를 부여하면서 레이다 빔을 운용한다. 안테나 이득이나 부엽 레벨 등의 성능열화 없이 디지털 다중빔, 적응빔 형성이 가능하며, 레이다 빔의 파형 생성에 대한 자유도가 매우 높다. 이를 활용하여 레이다의 도플러 해상도와 클러터 억제능력을 향상시킬 수 있고, 위협 표적의 탐지 및 정밀 추적능력을 높일 수 있다. 그러나, X-Band 이상의 고주파 대역에서는 구조적으로 T/R 복사소자의 배열 간격이 ADC/DAC 소자의 크기에 비해 상대적으로 좁기 때문에, SWaP(Size, Weight, and Power) 조건이 중시되는 레이다 시스템에서는 풀 디지털 구조를 적용하는 것이 제한된다.

따라서, X-Band 이상의 고주파수 대역에서는 아날로그 결합과 디지털 신호처리를 병행하는 부배열 안테나 구조를 적용하되, RFSoC로 수신단을 소형·경량화하고 더욱 세분화된 디지털 부배열 형성이 가능하도록 개발하고 있다. RFSoC를 레이다에 적용할 경우, 기존 아날로그/디지털 수신 및 파형발생기능 구성품들을 대체하면서 소비전력을 감소시키고, 설계를 간소화하여 레이다 보드를 50~75%까지 소형/집적화할 수 있다. 국내에서는 "확장 가능한 모듈형 레이다 설계 기술('21.07~'23.06)" 과제에서 개발한 RMA(Radar Modular Assembly)에 RFSoC 기반 디지털 송수신 처리기와 부배열 디지털 신호처리 구조가 적용되었다. "편대 무인기용 AESA 레이다 기술개발('24.06~'26.11)" 과제로 개발 중인 공랭식 AESA 레이다와, GCAP 전투기에 탑재되는 MRFS(Multi-Function Radio Frequency System)에도 부배열 디지털 레이다 설계를 적용하는 것으로 확인된 바 있으며, 차세대 전투기용 AESA 레이다에도 이와 유사한 방식으로 수신 처리 구조가 적용될 것으로 보인다.

APY-016K 레이다의 Roof-lab 시험

이번 저피탐·다기능·광대역 AESA 레이다 개발 과제에서는 FTB(Flying Test Bed) 항공기에 통합하고 시험하지는 않지만, Roof-lab 지상시험까지 진행할 예정이다. Roof-lab 지상시험은 고도가 높은 지형의 건물에서 플랫폼 모사기에 레이다를 설치하고, 표적/재머모의기를 사용하여 비행시험 전에 레이다의 주요 기능과 성능을 평가하는 시험이다. 이 단계에서는 표적의 기동이 직선으로 제한되며 다양한 비행 자세에서의 영향성을 고려하지 못한다는 한계가 있지만, 복잡한 절차를 거쳐야 하는 비행시험과 달리 신속하게 다양한 표적 조건을 모사하여 시험이 가능하다는 장점이 있다. 국내에서는 KF-21 전투기에 탑재되는 APY-016K AESA 레이다를 개발하면서 Roof-lab 시험시설을 구축하여 운용하고 있으므로, 이를 활용하여 차세대 전투기용 AESA 레이다를 개발할 것으로 예상된다.

출처

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