1. 서 론
2. 배기가스 모델링 및 적외선 신호 해석 방법
2.1 엔진 배기 노즐 및 배기가스 모델링
2.2 격자 의존도 및 배기가스 모델링 검증
2.3 항공기 배기가스 적외선 신호 해석
3. 해석 결과 및 분석
3.1 배기가스 열 유동장 모델링
3.2 배기가스 적외선 신호 특성 분석
3.3 측정 각도/위치별 배기 노즐에 따른 적외선 신호
3.4 배기 노즐별 총/중파장 적외선 복사 강도 비교
4. 결 론
1. 서 론
항공기 스텔스 기술은 레이더 및 적외선 신호등의 탐지 요소를 저감하여 피탐지성을 향상시키는 기술로서, 현대 공중 작전에 있어 항공기 생존성 및 작전 성공률 향상을 위한 필수적인 요소이다. 대표적인 스텔스 기술 적용 사례인 F-117 Nighthawk는 기존 항공기의 유선형 외형과 달리 다면체 형태로 외형을 구성하여 레이더 반사 면적(Radar Cross Section, RCS)을 최소화시키는 스텔스 기술이 적용되었다. 이로 인하여 걸프전 당시 단 한 건의 격추 사례 없이 이라크의 주요 시설을 타격하여 스텔스 기술의 필요성을 입증하였다. 이에 따라 과거부터 항공기 스텔스 기술 개발의 중요성이 대두되었고, 최근 4.5세대 이상의 군용 항공기에는 다양한 스텔스 기술이 탑재되면서 높은 피탐지성을 확보하였다[1].
하지만 이러한 스텔스 기술 개발에도 불구하고 현재까지 항공기 피탐지성을 저하시키는 다양한 요소들이 존재한다. 대표적인 예로는 항공기에서 발생하는 적외선 신호가 있다. 항공기 적외선 신호는 크게 동체 공력 가열에 의한 표면 복사(Surface Radiation)와 고온의 배기가스로 인하여 발생하는 기체 복사(Gas Radiation)로 구분된다[2]. 표면 복사는 8∼14 μm의 장파장 영역에서 주로 발생하며 플랑크 법칙에 따라 연속적인 적외선 신호 분포를 보인다. 반면, 기체 복사는 3∼8 μm의 중파장 영역에서 주로 나타나며 높은 에너지 준위를 갖는 고온의 배기 입자들이 안정화되는 과정에서 방사되는 신호로 인하여 불연속적인 스펙트럼 분포를 보인다. 이러한 기체 복사의 불연속적인 신호 특성은 플레어 및 디코이 등과 같은 기존의 미사일 기만책들과 항공기를 쉽게 구별하는 요소로 작용하며, 최신 열추적 미사일의 주요 탐지원으로 활용된다. 따라서 기체 적외선 신호를 저감하기 위한 기술개발은 스텔스 성능 향상에 매우 중요한 사항이다.
항공기 배기가스의 적외선 신호 저감을 위하여 다방면의 연구가 수행되었으며, 특히 엔진의 바이패스 비를 활용하거나 2D, Serpentine 등 변형 배기 노즐을 통하여 배기 자체의 온도를 감소시켜 적외선 신호를 저감시키는 방법들이 연구되었다. Sun 등[3]은 일반적인 동축 엔진 대비 타원 형태의 비대칭 2D 배기 노즐의 정량적인 배기가스 적외선 신호 저감 효과를 실험을 통하여 분석하였다. 최대 추력 기준 2∼6 μm 파장 영역의 2D 배기 노즐 적외선 신호가 동축 배기 노즐 대비 약 30% 감소됨을 확인하였다. Bo Zhang 등[4]은 사각 배기 노즐의 횡 제트 유동 인가에 따른 배기가스의 적외선 신호 양상을 수치 해석적으로 분석하였다. 횡 제트 유동 인가 시 배기 노즐 출구에서부터 강한 와류가 형성되어 외기와의 혼합이 강화됨을 확인하였고, 결론적으로 와류로 인하여 강화된 외기 혼합은 배기가스 온도를 감소시켜 약 23%의 적외선 신호 저감 효과를 확인하였다.
이처럼 기존 연구는 변형 배기 노즐의 배기가스 적외선 신호 저감효과를 확인하였으나, 2D 배기 노즐의 배기가스에 대한 측정 위치 및 각도, 등의 다양한 조건을 복합적이고 정량적으로 고려한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 원형 및 2D 배기 노즐의 배기가스에서 발생하는 적외선 신호를 다양한 관측각도에서 정량적으로 측정하고자 한다. 상용 프로그램인 STAR-CCM+를 통하여 2D 배기 노즐과 비교군인 원형 배기 노즐의 배기가스 열 유동장 해석을 수행하고, 이를 토대로 복사 열전달 해석을 수행하였다.
2. 배기가스 모델링 및 적외선 신호 해석 방법
다양한 선행 연구에서는 제작의 용이성 등으로 인하여 2D 배기 노즐 기초 형상으로 사각 배기 노즐이 일반적으로 고려되었다[5]. 따라서 본 연구에서도 Fig. 1과 같이 직사각형 배기 노즐을 활용하였고, 비교군으로 원형 배기 노즐이 사용되었다. Fig. 1에서 보듯이 원형 배기 노즐의 출구 직경은 65.6 mm, 직사각형 배기 노즐 출구의 가로/세로 길이는 각각 130 mm, 26 mm로 종횡비 5의 값이 사용되었다. 또한 각 배기 노즐의 총 길이는 166 mm이고 입구와 출구 면적은 각각 5,410.6 mm2, 3,380 mm2로 동일하게 설정하였다.
2.1 엔진 배기 노즐 및 배기가스 모델링
항공기 엔진 배기가스의 적외선 신호를 수치 해석적으로 산출하기 위해서는 배기가스 특정 위치에서의 물질 분율 및 온도장 데이터 산출이 우선적으로 수행되어야 한다[5]. 따라서 본 연구에서는 상용 프로그램 STAR-CCM+를 통하여 원형 배기 노즐 및 2D 배기 노즐의 배기가스 모델링을 수행하였고, 이를 통해 적외선 신호 해석에 필요한 열 유동장 데이터를 획득하였다. 각 배기 노즐은 대칭적인 특성으로 인하여 절반 형상만을 모델링하여 단순화하였으며, 해석 영역은 원형 배기 노즐 출구 직경(De)에 대비 22De × 35De × 130De로 동일하게 설정하였다. 난류 모델로는 SST k-ω 모델을 사용하였다[6].
배기 노즐 입구로는 C11H22의 완전 연소로 인하여 발생한 배기가스가 압력 105.875 kpa, EGT 410 ℃의 상태로 유입되도록 가정하였고, 배기 조성비는 CO2 13%, H2O 13%, N2 74%로 설정하였다. 이외 자유로 및 외부 경계면에 대한 경계 조건은 Table 1과 같이 설정하였다.
Table 1.
Boundary conditions of free stream inlet & outlet.
| Free stream Inlet | Pressure (kpa) | 101.325 |
| Temperature (K) | 288.3 | |
| Mach number | 0.004 | |
| Outlet | Pressure (kpa) | 101.325 |
| Temperature (K) | 288.3 |
2.2 격자 의존도 및 배기가스 모델링 검증
본 연구에서는 다면체 격자가 사용되었으며, 배기가스 주요 유동 영역에 대하여 조밀한 격자를 생성하였다. 또한 격자 의존도 시험을 통하여 약 2.6 × 106개 이상의 격자 수부터 온도와 압력 데이터의 오차가 약 1% 이내로 수렴됨을 확인하였고, 계산 속도를 고려하여 2.6 × 106개의 격자를 사용하여 배기가스 모델링을 수행하였다.
이후, 배기가스 열유동장 해석에 사용된 모델을 검증하기 위하여 본 연구와 동일한 배기 노즐이 장착된 마이크로 터빈 엔진을 활용하여 추력 및 유량 등의 검증용 실험 데이터 획득하였으며, 실험의 세부 방법과 조건은 기존 연구를 참고하였다[7]. 실제 실험과 해석 값에 있어 추력의 경우 약 3.5%, 평균 유량은 약 8%의 차이를 보였다.
2.3 항공기 배기가스 적외선 신호 해석
본 연구에서는 항공기 배기가스 적외선 신호 산출을 위해 앞선 배기가스 열 유동 해석 데이터를 기반으로 복사 열전달 방정식(Radiative heat transfer, RTE)의 연산을 수행하였다.
복사 열전달 방정식은 많은 선행 연구자들에 의해 Line by Line 기법, Narrow band 및 Wide band 등으로 모델화 되었으며, 각 기법들은 스펙트럼 해상도에 따라 구분된다. 이 중 Line by Line 기법은 매우 정확한 결과를 산출하지만 방대한 양의 데이터와 연산 시간이 요구된다. 반면 Wide band 모델은 연산 시간은 빠르나 모델의 특성상 최소 30% 이상의 해석 오차를 보이는 것으로 알려져 있으며, 각 파장의 신호 양상을 파악하기 위한 기체 복사 해석 모델로는 적절하지 않다[8]. 본 연구에서는 적당한 수준의 스펙트럼 해상도를 가지면서 연산 시간이 빠른 Narrow band 기반 적외선 신호 해석 프로그램인 RADCAL을 통하여 항공기 배기가스의 적외선 신호 산출을 수행하였다.
RADCAL은 Grosshandler[9]가 Narrow band 모델을 기반으로 화염 가스의 복사 열전달을 예측하기 위하여 개발된 오픈 소스 프로그램이며, Line of sight(LOS) 상의 가스와 대기의 신호 방출 및 흡수 효과를 일차원적으로 고려한다. 본 연구팀의 선행 연구를 통해 RADCAL은 높은 정확도와 신속성으로 항공기 배기가스 적외선 신호를 분석할 수 있음을 실험적으로 검증하였다[10].
본 연구에서는 RADCAL을 통해 배기의 적외선 신호를 산출하기 위하여 Fig. 2와 같이 배기 LOS를 설정하였다. 이때, 배기 LOS는 배기 노즐 형상 및 측정 각도(30°, 60°, 90°), 측정 위치(1.0De, 1.5De, 2.0De)에 따라 구성하였다. 이어서, 각 배기 LOS는 국부적인 열역학적 평형 상태를 가정한 균일한 여러 구간으로 분할하였다. 각 구간의 온도장 및 화학 조성비는 배기 LOS 내에서 균일한 간격으로 추출된 배기가스 열유동장 해석 결과를 기반으로 설정되었다.
이후, 프로그램 내에서 각 구간에 해당하는 열 유동장 데이터가 추출되고, 이를 활용하여 Narrow Band 모델을 통해 복사 열전달 방정식 연산이 수행되었다. 이때, RADCAL에서 사용된 복사 열전달 지배 방정식은 Eq. 1과 같다.
는 임의 위치에서의 복사 강도, 는 흑체 복사 강도, 는 흑체 온도, 는 협대역 평균 투과율, 협대혁 중심 파수를 의미한다. 해석 파수 영역은 항공기 기체 복사의 주요 영역인 1000∼5000 cm-1로 한정하였으며, 2000∼2500 cm-1 영역을 확대하여 피크 신호 및 신호 흡수 양상 파악하였다. 또한 본 연구에서는 탄화수소 연료 C11H22의 완전연소로 인하여 발생한 배기가스를 가정하여 해석을 수행하였기 때문에 CO2와 H2O에 의한 적외선 신호만을 고려하였다.
3. 해석 결과 및 분석
3.1 배기가스 열 유동장 모델링
Fig. 3에서 확인 가능하듯, 2D 배기 노즐은 종횡비 조건으로 인하여 세로 방향보다 가로 방향으로 배기 유동이 확산되는 경향을 보였다. 또한, 배기 노즐 출구 면에서 2D 배기 노즐의 고온 유동은 원형 배기 노즐에 비해 가로 방향으로 크게 증가하였으나, 확장된 배기 면에 의해 외기 혼합량이 증가하여 축을 따라 고온 영역이 큰 폭으로 감소하였다. 이러한 유동 특성으로 인하여 2D 배기 노즐의 저온 유동 영역이 원형 배기 노즐에 비해 크게 증가함을 확인하였다.
3.2 배기가스 적외선 신호 특성 분석
일반적으로 배기가스 적외선 신호는 배기 LOS 상의 온도 분포에 많은 영향을 받는다[11]. 따라서 본 연구에서는 열유동장 해석 결과를 바탕으로 원형 배기 노즐 및 2D 배기 노즐의 가로/세로 방향에 대한 배기가스 적외선 신호를 RADCAL을 통해 산출하여 분석하였다.
Fig. 4(a)는 측정 각도 90°, 측정 위치 1.0De 지점에서의 각 배기 노즐별 적외선 신호 분포를 나타낸다. Fig. 4에서 보듯이 본 연구에서 계산된 CO2와 H2O에 의하여 발생되는 적외선 신호는 H2O의 경우 1000∼2000 cm-1 대역, CO2는 2200∼2400 cm-1 대역, 3500∼4000 cm-1 파수 대역에서는 CO2, H2O 두 입자에 의하여 발생하였다. 각 배기 노즐의 최대 신호는 주로 CO2에 의하여 2200∼2400 cm-1 대역에서 발생하였으며 Red Spike와 Blue Spike로 최대 신호가 구분된 것을 볼 수 있다. 이러한 엔진 배기의 신호 특성은 많은 선행 연구에 의하여 검증되었다[12].
일반적으로 고온의 배기 입자인 CO2는 다른 배기 입자와의 충돌로 인한 line broadening 효과로 적외선 신호 방출 스펙트럼이 확장된다[13]. 이로 인하여 CO2에 의한 신호 방출 스펙트럼이 배기 저온 영역에 의한 신호 흡수 영역보다 상대적으로 넓게 형성되어 국부적인 신호 흡수 발생되고, Fig. 4와 같이 2200∼2400 cm-1 대역에서 Red/Blue spikes 양상을 보이게 된다. 특히 각 배기 노즐에 따른 배기 LOS상의 온도 분포 특성으로 인하여 피크 신호와 신호 흡수 양상이 배기 노즐에 따라 달랐다. Fig. 4(b)에서 확인 가능하듯 2D 배기 노즐 가로 방향의 경우 상대적으로 저온 영역의 배기 분포가 다른 배기 노즐에 비하여 비약적으로 확장되었기 때문에 최대 신호에서 가장 높은 신호 흡수율을 보인다. 반면에 2D 배기 노즐 세로 방향의 경우 타 배기 노즐에 비하여 배기가스의 저온 유동이 축소되어 가장 낮은 신호 흡수율을 보이기 때문에 Spike 양상이 뚜렷하게 발생하지 않음을 볼 수 있다.
3.3 측정 각도/위치별 배기 노즐에 따른 적외선 신호
원형 배기 노즐, 2D 배기 노즐 가로 및 세로 방향별 측정 각도와 위치에 따른 적외선 신호 특성은 각각 Fig. 5, 6, 7에 나타나 있다. 대부분의 해석 케이스에서 측정 위치가 증가함에 따라 전 스펙트럼 영역에서 적외선 신호 강도 감소하였다. 특히, 측정 각도 90°의 경우 측정 위치 1.0De 대비 2.0De의 최대 신호가 원형 노즐은 17%, 2D 배기 노즐 가로/세로 방향은 각각 29%, 23% 감소하였다.이는 측정 위치가 배기 노즐 출구에서 멀어짐에 따라 외기와의 혼합으로 인해 배기가스 온도가 감소하고 이로 인하여 배기 LOS상의 고온의 코어 유동 분포가 감소하기 때문이다.
측정 각도별 2200∼2400 cm-1 대역의 최대 신호 양상을 확인하였을 때, 원형 배기 노즐과 2D 배기 노즐 세로 방향의 경우 측정 각도가 작아질 수록 최대 신호가 증가하였다. 특히, 원형 노즐의 경우 측정 위치 1.0De에서 측정 각도 90° 대비 30°의 최대 신호가 약 12% 증가하였으며, 이는 측정 각도가 감소하면서 배기 LOS내의 고온 유동장이 증가하였기 때문으로 판단된다. 반면, Fig. 6에서 보듯 2D 배기 노즐 가로 방향은 측정 각도가 작아질수록 최대 신호가 감소하였고, 특히 측정 위치 1.0De에서 측정 각도 90° 대비 30°의 최대 신호가 약 26% 감소하였다. 이러한 차이점이 발생하는 이유는 2D 배기 노즐의 경우 앞선 열유동 해석 결과에서 알 수 있듯이 배기면이 크게 증가함에 따라 외기와의 혼합이 더욱 활발히 수행되어 가로 방향으로 저온 유동 영역이 큰 폭으로 확장되기 때문이다. 이에 따라 측정 각도 감소 시 배기 LOS에서의 저온 유동장이 급격히 확대되고, 이들의 신호 흡수 증가로 배기의 최대 신호가 감소하게 된다.
대부분의 해석 데이터에서 측정 각도 90°, 60°의 적외선 신호 강도 차이는 크지 않았는데, 이는 저자들에 의해 진행된 실험적 선행 연구에 의해서도 확인된 내용으로, 두 측정 각도의 배기 LOS 길이 차가 측정 각도 30°에 비하여 상대적으로 크지 않고, 배기 LOS상의 온도 분포 차가 크지 않았기 때문이다[11].
3.4 배기 노즐별 총/중파장 적외선 복사 강도 비교
측정 각도 및 위치에 따른 각 배기 노즐의 배기가스 적외선 신호를 정량적으로 비교하기 위해 관심 주파수 영역 신호를 합산한 복사 강도를 도출하여 Fig. 8에 나타내고, 이러한 복사 강도 양상의 원인을 파악하기 위하여 Fig. 9과 같이 각 배기 노즐의 온도 분포를 비교하였다.
이때, 총 합산 복사 강도는 본 연구의 관심 파수 대역인 1000∼5000 cm-1 의 신호를 적분하였으며, 중파장 적외선 합산 복사 강도는 IR Seeker 주요 탐지 영역인 2000∼3333 cm-1 대역의 신호를 적분하였다[14]. 또한 배기 LOS내의 저온 유동장을 구분하기 위해 배기 노즐별 Spike 임계 온도(Tc)를 산출하여 나타냈으며, 특히 2D 배기 노즐가로 방향의 배기 LOS에 대한 저온 및 고온 영역을 표시하였다.
총 합산 복사 강도의 경우 Fig. 8(a)에서 확인 가능하듯 대부분의 측정 조건에서 각 방향의 2D 배기 노즐이 원형 배기 노즐에 비하여 낮은 강도 분포를 보였다. 다만, 2D 배기 노즐의 가로 방향은 측정 위치 1.0De, 측정 각도 90°, 60° 조건에서 원형 배기 노즐보다 높은 합산 강도를 보였다. 이는 Fig. 9(a), (b) 결과와 같이 2D 배기 노즐의 경우 가로 방향으로 배기가스가 확산되면서 고온 유동장을 통과하는 배기 LOS 길이가 원형 배기 노즐에 비해 증가하기 때문이다. 그러나 Fig. 9(c)와 같이 다른 측정 조건에서는 2D 배기 노즐의 확장된 저온 유동을 통과하는 배기 LOS 길이가 큰 폭으로 증가하고, 이에 따라 신호 흡수가 증가하여 신호의 총 합산 강도가 낮게 산출된다.
Fig. 8(b)에 나타난 중파장 적외선 합산 강도의 경우 총 적외선 합산 강도와 유사하게 2D 배기 노즐의 신호 강도가 원형 배기 노즐 대비 전반적으로 감소하는 특성을 보여주었다. 특히, 2D 배기 노즐의 가로 방향 강도가 가장 낮게 분포하였는데 이는 2D 배기 노즐의 경우, 배기 축에 따라 고온 유동이 큰 폭으로 감소하여 배기 LOS내의 저온 유동장이 크게 증가하기 때문이다. 이러한 유동 특성으로 인해 중파장 영역에서 높은 신호 흡수율이 나타나 대부분의 해석 결과에서 가장 낮은 중파장 적외선 합산 강도가 산출된다.
다만, 2D 배기 노즐의 가로 방향은 측정 위치 1.0De, 측정 각도 90° 조건에서 2D 배기 노즐 세로 방향의 중파장 적외선 합산 강도보다 높은 것을 볼 수 있다. 이는 2D 배기 노즐 가로 방향의 경우 출구 부근에서 고온 유동장이 확산되어 Fig. 9에서 보듯이 다른 측정 조건에 비해 저온 유동장을 통과하는 배기 LOS의 길이가 상대적으로 감소하였기 때문이다. 따라서 중파장 대역의 신호 흡수 효과가 감소하여 2D 배기 노즐의 세로 방향보다 높은 신호 강도를 보인다.
4. 결 론
본 연구에서는 2D 배기 노즐의 적외선 신호 특성을 분석하기 위하여 열유동장 해석을 수행하였고, 이를 기반으로 각 배기 노즐의 적외선 신호를 산출하였다. 해석 결과를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
1. 각 배기 노즐의 적외선 신호 산출 시 특정 파수 대역에서 배기 입자 CO2와 H2O로 인한 적외선 신호를 확인하였다. 각 배기 노즐의 고유한 배기가스 온도 분포로 인하여 최대 신호 및 흡수 양상은 서로 달랐다.
2. 다양한 측정 조건에서 2D 배기 노즐이 원형 배기 노즐에 비하여 전반적인 신호강도가 낮았다. 다만, 배기 노즐 출구 부근의 특정 각도에서는 높은 신호강도를 보였다.
본 연구 결과를 통해 적외선 저피탐 측면에서 2D 배기 노즐의 효용성을 확인할 수 있었으며, 향후 스텔스 기술 개발 시 항공기 적외선 저피탐성을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다.
