입자 산란을 고려한 항공기 적외선 신호 해석 기법 개발 및 검증 = Development and Validation of an Infrared Signature Analysis Method for Aircraft with Particle Scattering

국문 초록 (Abstract)

현대전에서 항공기 스텔스 기술은 아군의 생존성 및 작전 수행 능력을 극대화하는 핵심 요소로서, 4.5 세대 이상의 군용 항공기 개발에 있어 필수적인 고려 사항으로 주목받고 있다. 이에 스텔스 기술에 대응 하기 위한 수단도 비약적으로 발전해 왔으며, 특히 적외선 신호를 활 용한 항공기 탐지 기술이 고도화됨에 따라 차세대 항공기 적외선 스텔스 기술 개발 및 평가 기법에 대한 연구가 필수적으로 요구되고 있다.
이에 본 연구에서는 항공기 배기가스 적외선 신호를 정량적으로 예측할 수 있는 LBL(Line-by-Line) 모델 기반의 고정밀 적외선 신호 해석 프로그램을 개발하였다. 특히 배기가스 내 Soot 입자 등의 적외 선 신호 특성을 반영하기 위하여 산란 모델을 추가 도입함으로써, 입자 산란 효과가 고려된 항공기 배기가스 적외선 신호 해석이 가능하도록 프로그램을 구축하였다.
해석 프로그램에 적용된 복사 해석 기법에 대한 신뢰성을 검증하기 위해 기존 참고 문헌에서 제시된 다양한 매질의 복사 물성치 및 적외 선 신호 결과와 비교를 수행하였다. 또한 랩 스케일 규모에서 항공기 배기가스 모사 장치인 플랫 버너(Flat burner)와 입자 분사 장치를 구축하였으며, 이를 통해 획득한 실험 결과와 동일한 조건에서 산출된 해석 결과를 비교하여 프로그램에 대한 효용성을 정량적으로 평가하였다. 마지막으로 다양한 측정 각도에서 마이크로 제트 엔진 배기가스 적외선 신호 실험 및 해석 결과를 비교하여 개발된 프로그램의 항공기 배기가스 적외선 신호 해석 타당성을 최종적으로 검증하였다.
본 연구에서 개발된 해석 프로그램은 대부분의 검증 사례와 유사한 스펙트럼별 신호 특성을 높은 정확도로 재현할 수 있었으며, 특히 이산적 신호 형태를 정밀하게 모사할 수 있음을 확인하였다. 또한 실제 마이크로 제트 엔진 배기가스 적외선 신호 실험 결과와 비교 시 중파장 대역에서 준수한 피크 강도 오차가 확인되었으며, 특히 전방위 측정 각도 변화에 따른 신호 증감 특성을 해석 결과에서 동일하게 예측 할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 토대로 본 연구에서 개발된 통합 신호 해석 프로그램은 높은 신뢰도가 요구되는 항공기 스텔스 기 술 개발 및 성능 평가 단계에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료 된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 관련 연구 동향 4
• 1.3 연구 목표 6
• 1.4 논문 개요 7
• Ⅱ. 적외선 신호 해석 기법 9
• 2.1 복사 물성치 연산 기법 9
• 2.1.1 복사 데이터 베이스 9
• 2.1.2 복사 물성치 산출 기법 11
• 2.1.3 LBL(Line by Line) 모델 기법 12
• 2.1.4 ILS(Instrument line shape) 함수 18
• 2.2 복사 열전달 방정식 연산 기법 19
• 2.2.1 복사 열전달 방정식 19
• 2.2.2 LOS(Line of sight) 기법 21
• 2.3. 입자 적외선 신호 해석 기법 22
• 2.3.1 미 산란(Mie scattering) 모델 24
• 2.3.2 레일리 산란(Rayleigh scattering) 모델 29
• 2.4 적외선 통합 신호 해석 프로그램 구성 31
• Ⅲ. 적외선 통합 신호 해석 기법 검증 결과 33
• 3.1 단일 기체 매질 복사 물성치 검증 33
• 3.2 다성분 기체 매질 복사 물성치 검증 35
• 3.3 다성분 기체 매질 적외선 신호 검증 36
• 3.4 다상 매질 적외선 신호 검증 37
• 3.5 대기 투과율 산출 검증 38
• Ⅳ. 해석 프로그램 효용성 검증 실험 구성 40
• 4.1 적외선 신호 측정 장비 및 절차 40
• 4.1.1 적외선 분광기(IR spectroradiometer) 40
• 4.1.2 흑체(Blackbody) 42
• 4.1.3 적외선 신호 측정 및 보정 절차 44
• 4.2 항공기 배기가스 모사 실험 구성 및 방법 46
• 4.3 입자 분사 실험 구성 및 방법 49
• V. 해석 프로그램 효용성 검증 결과 52
• 5.1 플랫 버너 유동 모델링 및 검증 52
• 5.2 플랫 버너 적외선 신호 해석 결과 55
• 5.3 미스트 입자 투과율 해석 결과 61
• Ⅵ. 항공기 배기가스 적외선 신호 해석 65
• 6.1 마이크로 제트 엔진 실험 구성 및 방법 65
• 6.1.1 마이크로 제트 엔진 시스템 65
• 6.1.2 마이크로 제트 엔진 적외선 신호 측정 68
• 6.2 마이크로 제트 엔진 배기가스 유동 모델링 69
• 6.3 마이크로 제트 엔진 적외선 신호 해석 70
• 6.3.1 마이크로 제트 엔진 적외선 신호 해석 조건 및 방법 70
• 6.3.2 마이크로 제트 엔진 적외선 신호 해석 결과 72
• Ⅶ. 결론 77