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필승전략, 스텔스 기술

스텔스 기술이란

세계 2차 대전 초, 전투기의 폭격에 위협을 느낀 영국 군은 레이더 관측소를 건설한다. 영국군의 레이더 관측소인 Chain Home Radar Station은 서쪽과 동쪽 해안에서 접근해오는 적의 전투기들을 미리 탐지하는 역할을 톡톡히 해냈다.

2차 세계대전 당시 영국군의 레이더 관측소 Chain Home Radar Station

초기의 관측소에서는 파장이 긴 전자기파를 방출하고 적기에 반사되어 되돌아오는 전자기파를 관측하여 적기에 대한 정보를 얻었다. 기술의 발전으로 점차 더 강한 세기와 짧은 파장을 가진 전자기파를 이용할 수 있게 되었고, 적의 항공기에 대한 더 자세한 정보를 수집할 수 있게 되었다.


파장의 길이에 따른 전자기파의 종류

적기의 고도, 속도, 이동 방향까지 알아낼 수 있을 정도의 기술력을 가진 이후에는 적기의 이동 경로를 보여주는 트랙킹(tracking)이 가능해졌다. 현대전에서는 더 다양한 방법으로 적기를 탐지하고 있다. 대표적인 예로 적기의 엔진열을 이용하여 위치를 추적하는 적외선 탐지 기능이 있다. 적외선 탐지 기술은 주로 유도 미사일 등에 이용된다. 전투기들은 유도 미사일을 교란 시키기 위해 엄청난 열을 내는 플레어를 이용하기도 한다.

플레어를 내뿜는 폭격기의 모습

스텔스 기술은 이러한 적의 레이더 감시망을 피하기 위한 기술이다. 스텔스 기술을 향한 첫 번째 관찰은 항공기의 내부 구조와 외부 구조로 인해 레이더에 탐지되는 정도가 달라진다는 점이었다. 이렇게 레이더에 탐지되는 면적을 우리는 RCS(Radar Cross Section)이라고 부른다. 이 RCS를 최소화 하여 적의 탐지에서 벗어나는 것이 스텔스 기술의 최종 목표이다. 미 공군의 대표적인 스텔스기 B-2 폭격기의 RCS는 0.0015 sqm이다. 새의 RCS인 0.01sqm과 비교해 보면 스텔스 기술이 얼마나 효과적인지 짐작해 볼 수 있을 것이다.


항공기의 RCS 다이어그램

스텔스 기술은 전투기 뿐만 아니라 전함, 트럭 등에도 이용된다. 어떤 곳에서 이용되든 스텔스 기술의 핵심 목표는 동일하다.


대표적인 스텔스 전함인 줌왈트급 전함

전자기파를 흡수하는 페인트

스텔스 기술은 크게 전자기파를 흡수하는 기술과 여러 방향으로 반사시키는 기술로 구분할 수 있다. 전자기파를 흡수하는 기술은 특수 페인트를 제작하는데 이용되고 있다. 스텔스기에 이용되는 특수 페인트 속에는 아주 작은 철 알갱이들이 있는데, 이 철 알갱이들은 자기장을 형성하도록 배열되어 있다. 이 특수 페인트는 전자기파를 반사시키는 대신 흡수하여 열의 형태로 소실시킨다. 이 기술은 미 공군의 F-117 나이트 호크에 사용되었다고 알려져 있다.


미 공군의 대표적인 스텔스기인 F-117 나이트 호크

다음으로는 피라미드 구조이다. 피라미드형 구조로 인해 전자기파는 연속적으로 반사되면서 서서히 에너지를 잃는다. 이 피라미드 구조는 기체의 표면 밑에 있을 수 있고, 철 알갱이와 함께 페인트 속 재료로 활용될 수 있다. 피라미드 구조와 철 알갱이들이 함께 이용되면 피라미드 구조가 전자기파를 철 알갱이 쪽으로 유도하여 더 효과적인 스텔스 기술을 구현할 수 있다. (이러한 피라미드형 구조는 노래방 방음벽 등에서도 찾아볼 수 있다. 위에서 설명한 것과 동일한 원리로 소리의 세기를 감소시키는 역할을 한다.)

피라미드 구조

세 번째 기술로는 탄소 기반 물질을 이용하는 방법이 있다. 아래로 갈수록 더 높은 밀도를 가지는 탄소 기반 물질을 만들어 기체의 표면 밑에 넣으면 접근하는 전자기파의 에너지를 서서히 줄일 수 있다. 이 기술은 미 공군의 B-2 스텔스 폭격기에 이용되었다고 알려져 있다.

미 공군의 B2 stealth Bomber

탄소 나노 튜브라는 신소재를 이용하여 전자기파를 원하는 대로 흡수 할 수도 있다. 이 기술은 F-35에 이용되었다는 소문이 있다.

이러한 페인트들은 효과적이지만, 개발하기 어려울 뿐만 아니라 관리하는데 엄청난 비용이 이용된다. 따라서 요즘은 기체의 모양을 조정하여 전자기파를 다른 방향으로 반사시키는 기술을 더 많이 이용한다.

전자기파를 여러 방향으로 분산시키는 구조

앞서 소개된 F-117기체의 모습을 보면 편평한 면이 많이 있다는 것을 알 수 있다. 편평한 면은 전자기파를 하나의 예측 가능한 방향으로 반사시키기 때문에 기술자들이 전자기파를 여러 방향으로 분산시킬 수 있도록 해주었다.

편평한 면은 전자기파를 하나의 방향으로 반사시킨다

그래서인지 스텔스기들은 우리가 익히 아는 상업용 항공기들의 둥근 모양과는 사뭇 다른 모습을 가지고 있다. 그렇지만 이러한 전투기의 특이한 구조는 안정적으로 비행하는데 있어서 큰 방해요소가 되었다. 최근에 만들어진 스텔스기들은 이러한 점을 고려하여 일부 둥근 면을 가지도록 설계되었다. 컴퓨터 기술이 발전하면서 전자기파가 어느 방향으로 반사될지 정확히 알 수 있게 되었기 때문에 일부 둥근 면을 이용하여도 큰 문제가 되지 않았다

F-35 라이트닝의 모습. 앞서 소개된 F-117과는 다르게 부드럽게 이어진 표면으로 이루어졌다는 것을 알 수 있다.

이외에도 기술자들은 엔진을 기체 속으로 집어 넣어 적외선으로도 탐지되지 않도록 하였다. 엔진에서 나오는 열도 냉각하여 내보내도록 설계를 하였다. 또한 미사일이 장착되어 있는 부분도 전자기파를 여러 방향으로 분산시킬 수 있도록 톱니 모양으로 되어있으며, 무기들을 기체 속에 배치하여 외부의 굴곡을 감소시켰다.


KF-21

최근 우리나라에서 자체기술로 개발한 신형 전투기 KF-21이 공개되었다. 공식 문서상으로는 4.5세대 전투기로, 아직 완벽한 스텔스 기술은 보유하고 있지 않는 전투기이다. 앞으로 기술을 더 개발하여 우리나라 자체 기술로 스텔스 전투기를 만들 수 있게 되면 하는 바람이다.

KF-21의 모습
4세대와 5세대 전투기를 구분 짓는 중요한 핵심 기술은 스텔스이다.

 

정준영 | Physics & Earth Scu | 지식더하기


참고자료

[1] 『스텔스 승리의 조건』, 양욱, 플래닛미디어, 2013

[2] Techquickie-How Does Stealth Technology Work? (Youtube)

-https://www.youtube.com/watch?v=MmUTml-X2SM&t=121s


첨부 이미지 출처

[1] https://www.radarmuseum.co.uk/history/world-war-two/

[2] https://homoscience.kr/

[3] 위키백과-레이더 반사 면적

[4] 전투기 세대구분은 어떻게 하나-한겨례, 김성걸 기자

[5] Techquickie-How Does Stealth Technology Work? (Youtube)

[6] 플레어- 구글검색


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