세계에서 가장 큰 규모의 공군을 운용하고 있는 미국, 러시아, 중국이 보유하고 있는 주력 전투기 및 폭격기의 스텔스 성능이 어느 정도인지 짐작할 수 있게 해 주는 척도인 레이더 단면적(Radar Cross Section: RCS)를 비교, 분석해 본 글인데요. 단편적으로 알고 있었던 내용들을 하나로 모아 놓고 있어 전체적으로 비교해 보기 편하도록 만들어져 있습니다.
미국인의 입장에서 쓰여져 있는 글이다 보니 어느 정도 미국 중심적인 사고가 엿보이는 글이기도 하지만 현재 스텔스 전투기의 종주국이라 불리고 있는 미국이다 보니 러시아나 중국 입장에선 입이 삐쭉 나와도 어쩔 수 없는 내용들이 많습니다.
본문 내용 중에 큰 흐름에 어울리지 않는 글이나 너무 어려운 공식 등은 배제하고 번역했다는 점을 미리 말씀 드리고 『스텔스 전투기』에 대해서 많은 지식을 가지고 계셨던 시청자 여러분들께는 좀 아쉬운 영상이 될 수도 있겠지만 상식 수준의 지식을 가지고 계셨던 시청자 여러분들에게 있어서는 평소의 궁금증을 풀어줄 수 있는 영상이 되지 않을까 생각해 봅니다.
원문 기사 내용을 번역한 이후 대한민국이 개발하고 있는 KF-21 전투기의 스텔스 성능에 대한 이야기를 해 보도록 하겠습니다.
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전투기, 미사일 혹은 전투함의 스텔스 또는 낮은 레이더 피탐지율(Low Observability: LO)라고 불리는 성능의 일차적인 측정 척도는 바로 목표물의 레이더 횡단면(RCS)의 크기이다. 레이더 송신기로부터 발사된 레이더파는 목표물에 부딪쳐 튕겨져 돌아오고 레이더 수신기는 데시벨(db) 단위로 돌아온 레이더파의 에너지를 측정한다.
하지만 평범한 일반인들에게 있어 데시벨(db) 단위로 대상의 크기를 이해하기는 매우 어려운 일이다. 그래서 우리는 에너지의 크기인 데시벨(db)을 면적을 나타내는 제곱미터(㎡)로 전환하는 방법을 고안해 내었고 이를 통해 좀 더 쉽게 전투기의 스텔스 성능을 이해할 수 있게 되었다.
본격적으로 스텔스 측정 방법을 다루기에 앞서 꼭 언급되어야 할 중요한 문제점들이 있다. 그것은 바로 레이더파의 발신원에 대해 항공기가 향하고 있는 방향에 따라 항공기의 레이더 단면적(RCS)이 크게 달라진다는 사실이다. 대부분의 항공기들은 레이더 발신원을 향해 전면으로 향하고 있을 때 제일 작은 레이더 단면적(RCS)를 가지며 측면이나 후면을 노출시켰을 때 레이더 단면적은 더 크게 나타난다.
각 전투기들의 레이더 단면적 측정 값을 보면, 가장 낮은 수치를 보이는 정면 레이더 단면적 값에 근거한 것으로 보인다. 또한 일부 제트 전투기들은 후방에서 측정한 레이더 단면적이 가장 높은데 이는 후방에 배기 노즐이 위치하고 있기 때문이다.
그리고 레이더 단면적은 레이더 신호의 파장 즉 주파수가 어느 영역 대에 속해 있는 지와 목표물이 레이더 신호 발신원으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 따라서도 달라질 수 있다.
하지만 오늘 이야기에서는 일단 이 성가신 세부 사항들은 모두 무시하고 각 전투기들이 보여주는 최상의 레이더 단면적 수치를 기준으로 스텔스 성능을 평가할 예정이다. 시청자들의 이해를 돕기 위해 예를 들어 보자면, 평균적인 인간 남성의 레이더 단면적은 약 1㎡로 측정된다.
1. 러시아 전투기들의 RCS 비교
얼마 전 필자는 블로그를 통해 러시아의 구형 4세대 전투기 MIG 시리즈와 4.5세대 전투기 SU-34/35, 5세대 전투기PAK-FA에 대한 이야기를 했었다. 4세대 MIG 전투기 플랫폼 중에서도 오래 전에 만들어진 것들은 RCS가 15㎡에 달했지만 MIG-21에 와서는 3㎡로 줄어들었다.
인터넷을 통해 입수한 자료에 따르면 4.5세대 SU-34의 RCS는 1㎡이며 SU-35는 1~3㎡ 크기이다. 5세대 전투기 PAK-FA(T-50)의 레이더 단면적(RCS)는 0.5㎡로 토마호크 순항미사일과 거의 비슷한 정도이기 때문에 이 러시아 전투기들 중 진정한 의미의 스텔스기는 없다고 봐도 무방하다. 서방의 진보된 레이더에게 있어서 그들 대부분은 덩치 크고 손 쉬운 먹이 감이 될 가능성이 높다.
2. 중국 전투기들의 RCS 비교
현재 중국 전투기들 중 가장 많은 수를 차지하고 있는 플랫폼은 러시아제 MIG-21 기체에서부터 파생된 구식 4세대 전투기 J-7이다. 따라서 J-7은 잘해봐야 MIG-21과 비슷한 수준인 3㎡ 정도의 RCS를 보여줄 것으로 예상된다.
그들이 주력으로 내세우고 있는 단발 엔진 전투기 J-10은 0.5~1.5㎡ 정도의 RCS를 가지고 있다. 하지만 중국인들이 개발한 하이급 5세대 전투기 J-20은 설계상 일부 결함이 있어 기존 4세대 전투기와 비슷한 수준인 약 1~3㎡의 RCS를 보여주고 있다.
로우급 5세대 전투기로 개발 중인 J-31(FC-31) 전투기에 대해 비록 많은 데이터가 알려지지는 않고 있지만, 중국인들은 엔진에 물결형 배기 노즐을 만들어 후면 레이더 반사면적을 줄였다고 한다.
추측하건대, 중국 J-31은 외견상 미국의 F-35나 러시아 PAK-FA의 아류로 보이기 때문에 RCS는 넉넉잡아 0.5~0.1㎡ 정도가 될 것으로 보인다. 그리고 중국의 스텔스 전투기 설계가 제대로 진행되고 있었다면 그럴 이유가 없음에도 불구하고 중국은 2016년 12월에 러시아 SU-35 4대를 납품 받았다. 중국의 신형 전투기 J-31의 전방 레이더 단면적은 이미 SU-35보다 우수하다는 사실이 입증되었기 때문에 필자의 추측이 정확하다면 중국은 러시아 전투기에 장착된 레이더 시스템과 내부 탑재 시스템에 접근하기를 원했던 것으로 보인다.
(실제로 에드워드 스노우든 전 미국 국가안보국(NSA) 직원이 슈피겔에 건넨 NSA 기밀 문건에 따르면 중국이 컴퓨터 네트워크 등을 통해 F-35 설계와 관련된 막대한 정보를 빼돌린 정황이 포착되었다고 합니다. 그 기술의 일부가 J-20에 적용되었고 J-31의 경우에는 아예 F-35와 거의 흡사한 외양을 가지고 있죠. 그래서 전방 스텔스 성능은 가장 뛰어날 것으로 예측되고 있지만 문제는 J-31의 레이더와 내부 탑재 시스템이 따라가질 못한다는 것입니다. 그래서 러시아의 신형 전투기 SU-35를 중국이 구매했을 것이라고 필자는 추정하고 있는 것입니다. 뜯어보고 싶어서요. 이미 무단으로 지적 재산권을 중국에게 많이 침해 당했던 러시아의 입장으로 봤을 때 전투기를 4대만 판매하지는 않았을 만도 한데 상당히 특이한 사례로 보여집니다. 역주)
3. 미국 전투기들의 RCS 비교
미국 4세대 전투기들 중 하이급인 F-15 이글의 레이더 단면적(RCS)은 25㎡로서 그다지 인상적이지 않으며 러시아 MIG 시리즈의 구형 전투기들보다 오히려 더 큰 RCS를 보여주고 있다.
같은 4세대 전투기로 로우급 포지션을 차지하고 있는 F-16 파이팅 팰컨의 RCS는 5㎡로, F-15보다는 우수하지만, 여전히 훌륭하다고 말하기는 어렵다. 미 해군이 사용하는 4.5세대 전투기 F/A-18E/F 슈퍼호넷 전투기가 1㎡의 RCS를 보유하고 있어 러시아 SU-34/35 그리고 중국 J-20과 거의 비슷한 스텔스 성능을 보여준다.
현재 최강의 스텔스 성능을 보여주고 있는 전투기들 중 하나인 5세대 F-35는 겨우 골프 공 크기만한 0.005㎡의 레이더 단면적을 가지고 있을 뿐이다. 하지만 이런 F-35조차도 후방에서 레이더 단면적을 측정해보면 그 값이 훨씬 더 커진다는 사실을 알 수 있는데 이는 러시아 5세대 전투기 PAK-FA와 마찬가지로 후면 배기노즐에서부터 기인한 문제이다. 세계 최고의 5세대 전투기 F-22의 레이더 단면적과 비교해 본다면 F-22의 RCS는 겨우 0.0001㎡로 호박벌(Bumble Bee)만한 크기에 불과하다.
정찰기 쪽으로는 U2와 SR-71을 들 수 있는데 이 정찰기들의 레이더 단면적은 0.01㎡로 작은 새 정도의 크기이다. 미국의 첫 스텔스 전투기 겸 폭격기는 1980년대에 등장한 F-117 나이트호크였는데 벌새만한 크기인 0.003㎡ 의 레이더 단면적을 지닌 이 전투기 겸 폭격기는 1991년 걸프전 당시 이라크 방공 시스템에 아무런 방해도 받지 않은 채로 1,600개 이상의 목표물을 타격할 수 있었다.
지금까지 장거리 폭격기의 레이더 단면적에 대해 논의해 본 적은 없었지만, 시청자들의 보는 즐거움을 위해 시도해 볼 만한 가치가 있다고 생각한다. 60년 가까운 세월을 날아다니고 있는 초 장수 폭격기 B-52의 RCS는 약 100㎡라고 한다. 초음속으로 비행할 수 있는 전략 폭격기 B-1의 경우 10㎡의 RCS를, 핵 투사 능력이 있는 스텔스 전폭기 '검은 가오리' B-2의 경우 RCS는 0.0001㎡로 F-22의 레이더 단면적과 동일하며 이는 상술한 바와 같이 호박벌 정도의 크기에 불과하다.
현재 Northrop Grumman에 의해 개발되고 있는 차세대 스텔스 폭격기 B-21은 UHF(극초단파)와 VHF(초단파) 대역을 사용하는 레이더에는 거의 모기만한 크기로 나타나며 이는 사실상 탐지가 불가능하다는 뜻이다.
B-21의 경우 제곱미터 단위당 레이더 반사면적에 대한 자료는 인터넷을 아무리 뒤져봐도 찾을 수가 없었다. 따라서 필자는 한 공식을 사용하여 RCS를 계산 할 수밖에 없었는데 레이더파가 B-21에 반사되어 나오는 에너지량이 -70db이라는 데이터로 계산해 보면 10의 마이너스 7승 또는 약 0.000001㎡라는 결과가 도출된다. 만약 이 크기가 실제 어느 정도로 작은 것인지 궁금증이 생긴다면, 모기가 레이더에 잡혔을 때 나타나는 크기라고 생각하면 될 것이다.
미국의 군사적 주요 경쟁국들은 지독하게 낡고 오래되었을 뿐만 아니라 스텔스 기능이 전혀 없는 폭격기들을 운용하고 있다. 러시아인들은 TU-95 Bear같은 프로펠러 추진 폭격기를 여전히 사용하고 있다. 다시 한번 비교를 위해 예를 들자면 2차 대전 당시 미군이 사용했던 B-25 미첼 프로펠러 추진 중(中)폭격기의 레이더 단면적은 3,100㎡나 되었다.
지금까지의 사례들에서 알 수 있듯이, 우수한 스텔스 설계는 미사일과 폭탄을 포함한 모든 무기를 내부에 수납할 수 있는 내부 무장창(IWB)을 요구한다. 뿐만 아니라 주로 날개 아래에 장착되는 외부 보조 연료 탱크는 전투기의 레이더 단면적을 극적으로 증가시키기 때문에 레이더 스크린에 대문짝만하게 드러난다.
그리고 은밀성을 최대한 유지하기 위해서는 엔진의 배기 노즐설계에 주의를 기울여야 한다. 지금까지 살펴본 바와 같이 러시아와 중국 중 그 어떤 나라도 스텔스 설계와 레이더 흡수 물질 코팅 개발 분야에서 미국을 따라올 수 없었다. 그리고 스텔스 폭격기 설계에 있어서도 두 나라 모두 미국에 한참 뒤처져 있는 상황이다.
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지금까지 미국의 군사전문 사이트 Military embedded.com에 게재된 기사 내용을 번역해 보았습니다.
기사 내용을 3줄로 요약을 해보면 다음과 같습니다.
첫째. 스텔스 성능의 척도가 되는 레이더 단면적(RCS)는 어느 방향으로 보느냐에 따라 그 값이 달라진다. 보통 전면부가 가장 낮은 레이더 단면적을 보이는 반면 배기구가 있는 후방 레이더 단면적이 가장 크며 일반적으로 언급되는 값은 전면부 RCS이다.
둘째. 전투기의 스텔스 성능은 기체의 레이더 흡수구조 설계(Radar Absorbing Structure: RAS)와 기체에 도포되는 레이더 흡수물질(Radar Absorbing Material: RAM)에 달려있다. 하지만 둘 중 더 중요한 것은 레이더 흡수구조 설계(RAS)로써 대부분의 4세대 전투기들은 이 부분이 결여되어 있다.
셋째. 레이더 흡수구조 설계(RAS)를 가장 크게 방해하는 요소들이 바로 주 날개 아래에 장착되는 각종 외부 장착 무장들과 동체 아래에 부착되는 보조 연료탱크 그리고 엔진 배기구이다. 이 요소들을 어떻게 해결하느냐에 따라 전투기 혹은 폭격기의 스텔스 성능이 결정된다고 할 수 있다.
시청자 여러분들께서 가장 궁금해 하실 부분은 아마도 우리 대한민국이 개발하고 있는 KF-21 보라매의 스텔스 성능일 텐데요. 아까 정리해 드렸던 요소들을 적용해서 하나씩 생각해 보겠습니다.
먼저 레이더 흡수구조 설계(RAS)에 대한 고찰입니다. KF-21의 가장 큰 특징 중의 하나가 바로 처음부터 RAS를 고려한 설계가 이루어졌다는 점입니다.
일반적으로 전투기 설계에서 레이더 전파를 가장 많이 반사시키는 부분은 공기흡입구(duct)와 연결되어 있는 엔진 전면의 팬입니다. 그래서 대부분의 스텔스 전투기들은 공기흡입구 안으로 들어온 전파가 다시 바깥으로 빠져나갈 수 없도록 S자 형태로 구부러지게 설계하는데요. 이렇게 휘어지도록 만든 흡입구라도 공기는 원활하게 들어와야 하기 때문에 고도의 설계기술을 요구하게 됩니다. KF-21에는 바로 이런 휘어진 공기흡입구(S-Duct)기술이 적용되었습니다.
그리고 스텔스 설계에서 또 한가지 놓치면 안 되는 중요한 요소가 바로 기체 전체의 형상을 특정 각도에 맞춰서 정렬하는 반사각 정렬입니다. 레이더 전파는 주로 날카로운 면이나 수직으로 위치한 면에 반사되기 때문에 스텔스 전투기들은 보통 거대한 반사판 역할을 하는 수직꼬리날개를 일부러 30도 전후로 기울이는 형태로 설계해야 합니다. KF-21가 F-22와 비슷한 형태를 취하고 있는 것도 바로 이런 반사각 정렬 설계 때문입니다.
KF-21 전투기에 양력을 발생시키는 플랩(Flap)에도 레이더 흡수구조 설계(RAS)가 적용되었습니다. 기사 원문에는 언급되어 있지는 않지만 전투기에서 레이더파를 가장 많이 반사시키는 부분 중 하나가 바로 조종석(Cockpit)입니다. KF-21 조종석에는 주파수 선택적 투과(Frequency selective surface) 기술이 적용되어 있습니다. F-16 영상을 보면 가끔씩 조종석 캐노피(Canopy)가 마치 선글라스처럼 금색으로 반짝이는 현상을 볼 수 있는데요. 이것도 조종석에서 반사되는 레이더파를 줄이기 위해 캐노피에 금속처리를 했기 때문에 나타나는 현상입니다.
여기까지가 KF-21에 적용된 레이더 흡수구조 설계(RAS)의 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 그럼 기체에 도포되는 레이더 흡수물질(Radar Absorbing Material: RAM)은 KF-21에 어떻게 적용되었을까요? 캐노피와 주 날개 그리고 꼬리 날개에 레이더 흡수물질이 적용되었다고 합니다.
그 결과 대한민국이 만든 4.5세대 전투기 KF-21는 미국이 만든 4.5세대 전투기 F/A-18 E/F의 RCS인 1㎡보다 더 작은 0.5㎡라는 레이더 단면적을 달성하게 되었습니다. 아직 시제기가 만들어지지도 않았는데 어떻게 KF-21의 레이더 단면적이 0.5㎡인지 알 수 있느냐? 는 의문이 생길 수 있는데요.
그 비밀은 바로 지난 2019년 서울 ADEX에서 공개된 KF-21의 실물 크기 모형(Mock-up)에 있습니다. 당시 KF-21의 Mock-up은 상당히 디테일 했는데요. 저도 현장에서 직접 봤습니다만 기체 배면과 기체 주요 부위의 정밀한 형상이 표현되어 있었습니다. 이 실물모형들은 그냥 겉모습만 흉내 내는 것이 아니라 실제 전투기에 쓰이는 재질로 만드는 것이 일반적이며 레이더 단면적 실험을 할 때 사용되는데요. 그래서 가끔은 실물모형 제작에 막대한 비용이 들어가기도 합니다. 이번에 공개된 KF-21 실물모형이 바로 RCS를 실제로 측정하는데 사용된 모형이라는 사실, 혹시 시청자 여러분들은 알고 계셨나요?
그렇다면 이렇게 많은 스텔스 기능이 적용되어 있는 KF-21가 왜 미국의 5세대 전투기 F-35 수준의 0.005㎡ RCS를 달성하지 못하고 있을까요? 가장 큰 원인 중의 하나는 기사에서도 언급했던 내부 무장창이 아닌 반매립 형태의 무장창이고 그 다음으로 각종 외부 무장 그리고 노출된 연료탱크 등을 들 수 있으며 그 외에도 기술 부족으로 인한 기체 표면의 톱니(SawTooth)처리 부재와 컨포멀 안테나의 외부 노출 등을 지적할 수 있습니다.
따라서 논리적으로 보자면 KF-21에 장착되는 외부 무장과 외부 보조연료탱크의 RCS를 해결하는 방법을 찾을 수 있다면 KF-21의 스텔스 성능은 비약적으로 높아지게 될 것이라는 사실을 알 수 있습니다.
외부 무장의 RCS를 해결하는 가장 간단한 방법은 바로 외부 무장을 수납할 수 있는 내부 무장창(IWB)을 개발하는 것입니다. 하지만 아시다시피 이게 말처럼 쉬운 일은 아닌데다가 내부 무장창의 결정적인 한계가 바로 무장탑재 능력에 심각한 제한이 가해진다는 사실입니다. 그래서 최근에 외부 무장의 RCS를 최대한 저감시킬 수 있는 껍데기(하드케이스)를 개발하는 연구가 한창 진행 중에 있습니다.
외부 보조연료 탱크의 RCS를 해결하는 방안으로는 연료 탱크를 아예 기체에 장착시켜버리는 컨포멀 연료탱크(CFT)를 장착하는 방법이나 내부 연료탱크를 확장하는 방법 아니면 외부 무장과 마찬가지로 RCS를 최대한 저감시키는 하드 케이스를 개발하는 방안 등이 고려될 수 있겠습니다.
어쨌든 제가 오늘 해석한 미국 군사전문지의 기사에 따르면 현재 4.5세대 전투기로 개발되고 있는 KF-21의 본래 RCS는 0.5㎡ 정도로 러시아의 5세대 전투기 PAK FA와 비슷한 수준이지만 외부 무장과 외부 연료 탱크 때문에 러시아의 SU-35 그리고 미 해군의 F/A-18E/F 슈퍼호넷과 비슷한 정도인 1~2㎡ 정도의 레이더 단면적을 보여주지 않을까라는 추측을 해보게 됩니다. 앞으로 KF-21가 5세대 스텔스 전투기로 변신할 수 있느냐 없느냐는 바로 이 외부 무장과 외부 연료탱크를 어떻게 해결하느냐에 달려 있다고 해도 과언이 아닐 것입니다.
외신링크 https://militaryembedded.com/radar-ew/signal-processing/radar-cross-section-the-measure-of-stealth
Radar cross section: The measure of stealth - Military Embedded Systems
WARFARE EVOLUTION BLOG: The primary measure of stealth, or low observability (LO), is the radar cross section (RCS) of the target, whether it?s aircraft, missiles, or ships. The radar pulse goes out from the transmitter, hits the target, and bounces back.
militaryembedded.com
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