1. 서 론
현대전에서 공중전의 우위를 확립하는 것을 모든 군사 작전의 핵심으로 여긴다. 그 중 스텔스 기술은 공중 우위를 확립하기 위한 핵심 요소 중 하나이다[1]. 적외선 유도 미사일은 항공기에서 방출되는 적외선 신호를 내장된 Seeker를 통해 탐지하고 표적으로 추적한다. 주로 항공기의 추진계통과 배기 플룸에서 매우 큰 수치의 적외선 신호가 방출되며, 공력가열과 대기 반사 등에 의하여 표면에서 방출되는 적외선 신호가 있다[2,3]. 따라서 이러한 적외선 피탐지성을 감소시키는 스텔스 기술은 항공기의 생존성 향상과 성공적인 임무 수행을 위해 필수적이다. 주로 배기노즐 형상을 변화시켜 추진계통의 열원을 차폐하거나 주변 공기와의 혼합을 유도하여 배기 플룸 온도를 감소시키는 수동적 저감기술이 존재한다. 또한 배기 플룸 주위로 물 또는 입자를 분사하여 적외선 신호를 감소시키는 능동적 저감기술도 존재한다.
그동안 국내·외에서 배기 플룸 주위로 입자를 분사하여 적외선 신호 저감을 위한 실험 및 해석연구가 수행되었으며, 배기 플룸 온도 감소와 방사되는 적외선 신호 저감을 확인하였다. Thompson 등[4]은 물 공급의 제약이 없는 함정의 동체 표면으로 물을 분사하여 온도 감소와 적외선 신호 저감을 확인하였다. Guarnieri 등[5]은 배기 플룸 주위에 물 또는 액체질소를 분사하는 실험연구를 통한 배기가스의 적외선 신호 및 온도를 측정하였으며, 고온부 차폐 및 온도 감소를 확인하였다. Jacobson 등[6]과 Weisrose 등[7]은 제트엔진 모사체의 배기가스 주위로 탄소 입자를 분사하여 다양한 각도에서 적외선 신호를 측정하였으며, 분사된 탄소 구름에 의한 차폐효과로 90° 각도에서 최대 87%의 적외선 신호가 감소하였음을 확인하였다. Harris 등[8]은 평균 입자 직경 0.32 μm, 6 m 의 카본 입자와 2 μm 의 TiO2 입자를 분사하였으며, 적외선 영역에서 강한 흡수를 확인하였다. Wang 등[9]은 실험연구를 통해 물, 탄소 입자 에어로졸을 배기플룸 주위로 분사하여 플룸 온도감소와 고온부 차폐를 확인하였다. Sun 등[10]은 직사각형 배기 노즐을 스케일 모델로 설정하고 SiO2 입자 분산을 시뮬레이션하여 해석연구를 진행하였다. 입자 분사에 따른 배기 플룸 중심부 온도 감소를 확인하였지만, 비행 속도가 증가함에 따라 입자 구름층의 두께가 얇아지며 차폐효과가 감소하는 것을 확인하였다. 국내에서는 유건원 등[11]이 제트엔진 배기노즐 주위로 물을 분사하는 실험연구를 통해 배기 플룸 온도와 적외선 신호가 감소 됨을 확인하였다. 또한 신창민 등[12]과 류석희 등[13]은 20,000 ft 고도에서 순항하는 항공기 배기 플룸 주위로 물 또는 탄소 입자를 분사하는 전산 해석을 진행하였다. 입자 분사에 의한 추력 손실은 0.01% 이하로 확인하였으며, 분사하는 입자 유량을 증가시킬수록 배기 플룸의 냉각 및 흡수의 차폐 효과성을 확인하였다. 많은 선행연구를 통해 입자 분사를 통한 배기 플룸의 적외선 저감을 확인하였지만, 대부분의 연구는 전산 해석과 같은 수치해석 연구에 중점을 두었으며, 비행하는 항공기에서 물과 같은 액체를 저장하고 분사하기 어렵다는 한계점이 존재한다.
따라서 본 연구에서는 실제 항공기에 활용할 수 있도록 탄소와 같은 고체 입자를 선정하여 분사한다. 또한 Lab-scale 실험연구를 고려하여 항공기 배기 플룸 모사체를 이용한 입자 분사 시스템을 구축하고, 여러 종류의 입자를 배기 플룸 주위로 분사하여 배기 플룸에서 방사되는 적외선 신호를 측정하고 입자 분사에 따른 적외선 신호 저감 효과를 연구하고자 한다.
2. 본 론
2.1 실험장치
본 연구에서 안전 문제 등을 고려하여 열선 코일(동우전열 사)과 가스 토치(KOVEA 사)를 사용하여 항공기 엔진 고온 배기부와 배기 플룸을 모사하였다. Fig. 1에 배기 플룸 모사체를 제시하였으며, 고온 배기부를 모사한 열선 코일은 직경 10 mm 의 SUS 보호관이 열선을 감싸는 구조를 가진다. 전체 길이는 450 mm 이며, 열선의 위치를 조절하여 끝단부터 200 mm 의 발열부와 250 mm 의 비 발열부로 구성된다.
열선 코일과연결된 컨트롤 박스를 통하여 최대 650°C까지 온도를 조절할 수 있다. 또한 고온의 배기 플룸을 모사하기 위하여 부탄(Butane)을 연료로 사용하는 가스 토치를 사용하였다.
배기 플룸 주위에 분사하기 위한 고체 입자는 국내·외의 선행연구에서 사용된 카본블랙(Carbon black) 입자와 SiO2, TiO2 입자를 선정하였다. 카본블랙 입자는 토너에 사용되는 카본파우더(Carbon powder)와 Lamp black을 사용 하였다. Myers 등[14]은 NaNO3 입자 직경에 따른 스펙트럼 분석을 수행하였으며, 45 μm 크기 이하의 입자에서 가장 높은 반사도를 확인하였다. 또한 입자의 직경이 증가할수록 반사도의 크기가 작아짐을 확인하였다. 적외선 신호 저감 측면에서 입자의 크기에 의한 영향을 파악하기 위하여 각 입자의 직경을 측정하였다. 전북대학교 공동실험실습관의 SMART ZOOM5 실체현미경(Stereo microscope)을 사용하여 마이크로미터 단위의 입자를 측정하였으며, 구면수차보정 투과전자현미경(Cs_corrected-FE-TEM, STEM)을 활용하여 나노미터 단위의 입자를 측정하였다. 측정된 평균 입자 직경이 Table 1에 제시되어 있다. 또한 Fig. 2에 각 입자의 2.5에서 25 μm 의 파장대에 대한 흡수 계수(Absorption coefficient)가 제시되어 있다. 흡수계수의 측정은 적외선 분광 광도계(Fourier transform infrared spectrometer)를 사용하였으며, 측정 기법으로 KBr과 같은 이온성 물질의 판 위에 시료를 올려놓고 적외선을 조사시켜 해당 영역에서 분자가 흡수하는 주파수를 측정하였다. KBr은 해당 범위에서 적외선을 흡수하지 않는 특성으로 시료만의 흡수 피크를 측정할 수 있는 장점이 있다. 측정 과정에서 습도 등 외부 변수들을 완벽히 제어하기 어려운 부분이 존재하여 최대 1 이상의 값이 측정되었다. 따라서 각 입자의 최대 측정값을 기준으로 표준화하여 나타내었다. 또한 다양한 색상의 카본파우더의 흡수 계수를 측정한 결과 적외선 측정 파장 범위 7.5 ~ 14 μm 에서 색에 따라 유사한 경향을 보이고 있어, 본 연구에서는 검은색 입자를 실험에 이용하였다.
Table 1
Particle diameter size.
| Particle | Average diameter size |
| Carbon powder | 13 μm |
| Lamp black | 39 nm |
| SiO2 | 17 nm |
| TiO2 | 134 nm |
2.2 입자 분사 시스템
배기 플룸 주위를 감싸며 고체 입자를 분사하기 위하여 입자 분사장치와 메인 챔버, 집진기를 연결하여 입자 분사 시스템을 구축하였다. Fig. 3과 Fig. 4에 각각 입자 분사 시스템과 개략도가 제시되어 있다. 열선 코일을 150°C 온도로 설정하여 배기부를 모사하였다. 가스 토치의 경우 직접적인 화염을 가리기 위해 추가적인 덕트를 설치하여 고온의 플룸 공기만 분사될 수 있도록 하였으며, 덕트 끝단에 추가적인 열전대를 설치하여 분사되는 플룸의 온도가 400°C 이하가 되도록 확인하며 조절하였다. 압축기를 통해 압축 된 상온의 공기를 입자 분사 장치에 공급하여 입자와 혼합되고 메인 챔버와 연결된 이송관으로 공급된다. 입자 분사장치(K5, 토탈스프레이 사)의 컨트롤 패널로 분사 압력을 조절하여 약 10초간 입자를 정량적으로 분사하며 실험을 수행하였다. 전자저울(EK-6100i, AND 사)을 사용하여 분체통의 무게를 측정하고 분사된 입자의 감소량을 측정하였다. 입자가 담긴 분체통에 밸브를 통하여 추가적인 압축 공기를 공급하면 바닥의 판이 진동하여 입자가 부유하게 되고 이송관을 통해 메인 챔버로 전달된다. 입자 분사장치 및 분체통의 개략도가 Fig. 5에 제시되어 있다. 메인 챔버는 400A SUS PIPE를 사용하여 1,000 mm 길이로 제작하였다. 배기부의 5 mm 틈으로부터 압축 공기와 고체 입자 혼합물이 분사되어 배기 플룸 주위를 감싸며 수평으로 분사되도록 제작했다.
Fig. 6과 같이 메인 챔버 측면에 관측부를 설치하여 캠코더와 적외선 카메라로 입자 분사 전·후를 측정한다. 또한, 배기부로부터 5개의 K-type 열전대를 50 mm 간격으로 설치하여 플룸 중심의 온도를 측정하였다. 열전대는 1.59 mm 의 프로브 직경을 가지며, 최대 1,038°C 까지 측정 가능하다. Fig. 7에 개략도와 배기부로부터의 열전대 위치가 제시되어 있다. NI-cRio 9075 장치와 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 온도 데이터를 실시간으로 수집하고 기록한다. 메인 챔버의 끝단에 집진기(CC-300, 아이엠쓰리디 사)를 연결하여 분사된 고체 입자를 필터를 통해 여과한 후 따로 입자를 수집하고 공기만 배출될 수 있도록 구성하여 분사된 입자의 인체 흡입을 방지했다. Fig. 8과 Table 2에 각각 집진기의 제원과 형상이 제시되어 있다. 집진기는 40 m3/min 의 풍량으로 일정하게 공기를 흡입하며, 9개의 카트리지 필터를 통해 흡입된 입자를 걸러내고 공기를 배출한다.
Table 2
Dust collector specification.
| Specification | Value |
| Size(L*W*H) | 840*840*1738 mm |
| Weight | 224 kg |
| Airflow volume | 40 m3/min |
| Static pressure | 230 mmAq |
| Filter area | 16.6 m2 |
| Filter quantity | 9 BAG |
2.3 적외선 신호 측정
배기 플룸에서 방사되는 적외선 신호를 측정하기 위하여 적외선 열화상 카메라(A655sc, FLIR 사)를 사용했다. 메인 챔버의 관측부를 통해 중심으로부터 90° 각도로 1 m 떨어진 위치에서 측정했다. 적외선 측정 파장 범위는 7.5 ~ 14 μm 이며, 온도 범위 100 ~ 650°C 에서 측정을 수행했다. 적외선 카메라의 측정온도에 대한 오차는 흑체를 이용한 측정에서 최대 0.96% 로 나타났다. 적외선 열화상 카메라는 컴퓨터와 LAN 케이블로 연결되어 전용 소프트웨어(Research IR)를 사용하여 카메라 제어와 실시간 적외선 신호 데이터 수집 및 분석을 수행했다[15,16]. 소프트웨어를 이용하여 특정 위치에서의 시간에 따른 최저, 평균, 최고 적외선 데이터 수집이 가능하다. 열전대 설치 위치에서 각각 입자 분사 전·후의 적외선 신호를 측정했다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 적외선 신호
입자 종류와 배기 플룸 모사체에 따른 적외선 이미지를 적외선 열화상 카메라를 사용하여 측정하였다. Fig. 9와 Fig. 10에 각각 열선 코일과 가스 토치를 사용하였을 때 입자 종류에 따른 적외선 이미지 결과가 분사 전과 분사 시의 이미지로 제시되어 있다. Carbon powder 입자를 분사한 Fig. 9(b)의 경우 전체적으로 입자 분사구와 가까울수록 분사된 입자층에 의해 열선 코일의 적외선 신호가 차폐되어 입자 분사를 하지 않은 Fig. 9(a)보다 낮게 측정됨을 보인다. 또한 색상에 따른 적외선 신호 결과가 비슷하게 측정되어 검정 카본파우더로 실험을 수행하였다.
Lamp black과 SiO2, TiO2를 분사한 Fig. 9(d), (f), (h)의 경우 열선 코일 부분의 적외선 신호는 분사 전과 거의 유사하거나 약간 낮은 값을 보인다. Fig. 10은 가스 토치를 사용하여 배기 플룸 주위로 고체 입자를 분사한 경우의 결과가 제시되어 있다. 배기 플룸 주위로 입자가 분사된 경우 고온의 플룸에 의해 입자가 가열되어 전체적으로 신호가 증가함을 보인다. Fig. 10(b)와 (d)의 경우, 입자가 고온 플룸에 가열되어 국부적으로 적외선 신호가 강하게 나타나는 영역을 볼 수 있다. Fig. 10(f)와 (h)의 경우 고온 플룸 배기부 근처에서 적외선 신호가 약간 커지는 영역이 나타남을 볼 수 있다.
적외선 신호의 정량적인 값을 알기 위해 Fig. 11에서 Fig. 14에 플룸 배기부에서 거리에 따른 적외선 신호의 크기가 제시되어 있다. Fig. 11에 Carbon powder를 열선 코일 주위에 분사하였을 경우와 가스 토치 플룸 주위로 분사하였을 경우의 적외선 신호가 제시되어 있다. 열선 코일 주위로 입자를 분사할 경우 TC1 과 TC2 위치에서 적외선 신호가 감소함이 확인된다. 특히 분사구와 가까운 TC1 위치에서 0.014 W/sr-m2에서 0.003 W/sr-m2 으로 적외선 신호의 크기가 가장 크게 감소되며, 가스 토치의 경우 입자를 분사함에 따라 TC2 위치에서 0.003 W/sr-m2에서 0.006 W/sr-m2까지 적외선 신호가 증가함을 보인다. Fig. 12와 Fig. 13은 Lamp black과 SiO2를 분사한 경우의 적외선 신호가 제시되어 있다. Carbon powder의 경우와 비슷하게 열선 코일 주위로 입자 분사 시 적외선 신호가 감소하였으며, 가스 토치 주위로 분사 시 적외선 신호가 증가함을 확인하였다. 다만, Fig. 12의 경우 입자 분사 시 TC3과 TC4 위치에서 적외선 신호가 증가함을 보인다. 이러한 현상은 열선 코일의 특성상 설정 온도인 150°C 에 도달하기 위하여 가열되는 부분이 측정되었으며, 분사된 입자가 열선 코일 후방을 충분히 차폐하지 못하여 발생하였다. Fig. 14는 TiO2를 분사한 경우로, 다른 입자에 비해 분사되는 입자량이 현저히 적은 것을 확인하였다. 따라서 열선 코일에서 입자 분사 시 낮은 수치의 적외선 신호 변화를 보이며, 가스 토치의 경우 큰 영향이 없는 것으로 확인된다.
3.2 적외선 신호 감소율
입자 분사 전과 후의 적외선 신호 감소율(Radiance reduction, %)을 확인하기 위하여 5개의 열전대 위치에서 분사 전·후의 적외선 신호 차이에 대해 분사 전의 적외선 신호로 나눈 값으로 수치화하였으며, Eq. 1에 제시되어 있다. 적외선 신호 감소율은 Eq. 1과 같이 각 실험 전·후의 적외선 신호 측정값의 차이를 실험 전 적외선 수치와의 비로 나타내었다.
적외선 신호 감소율은 Fig. 15와 Fig. 16에 제시되어 있으며, 입자 분사구와 가까운 TC1과 TC2 위치의 적외선 신호를 중점으로 확인하였다. Fig. 15는 열선 코일을 사용한 경우의 적외선 신호 감소율이 제시되어 있다. TC1 위치에서 가장 큰 감소율로 Carbon powder를 분사할 때 최대 77%의 적외선 신호가 감소함을 보이며, Lamp black은 67%, SiO2는 54%의 감소율을 보인다. 가장 작은 감소율은 TiO2를 분사했을 때 최대 23% 감소함을 보인다. 하지만 Lamp black의 경우 TC3과 TC4 위치에서 적외선 신호가 음수로 나타난다. 분사된 입자가 열선 코일 후방을 충분히 차폐하지 못하여 오히려 적외선 신호가 증가하였다.
이러한 입자에 대한 적외선 감소 현상은 Fig. 2의 파장대에 따른 각 입자의 흡수 계수 특성과 관련이 있는 것으로 판단된다. 일반적으로 배기 플룸에서 방사되는 적외선 신호는 3 ~ 5 μm 의 중파장 적외선(Midwave IR, MWIR)영역이 주로 발생하지만, 실험에 사용된 적외선 열화상 카메라의 제원은 7.5 ~ 14 μm 의 파장 범위를 측정한다. Carbon powder와 Lamp black의 흡수 계수가 측정 파장대에서 최댓값을 가지며, SiO2와 TiO2는 해당 파장대에서 낮은 값을 가짐을 확인할 수 있다. 따라서 열선 코일 주위로 더 높은 흡수 계수를 가지는 입자를 분사할 경우 적외선 방사 신호가 일정 부분 흡수되어 결과적으로 해당 입자를 분사했을 때 측정되는 적외선 신호가 감소하게 되는 것으로 판단된다. 모든 입자에 대하여 동일하게 약 10초 분사를 수행하였지만, 각 입자의 직경, 비중 등의 차이로 인하여 서로 분사되는 양에서 차이가 발생된 것으로 판단된다. 입자 분사 과정에서 분체통의 작동 특성상 용기 내에 부유 입자의 잔존으로 인하여 정확한 분무입자량을 측정할 수 없어 실험 후 입자의 무게 측정을 통해 평균 분사량을 산출하였다. 각 입자의 분사량은 Table 3에 제시되어 있으며 Carbon powder의 경우 0.44 g/s, TiO2 의 경우 0.145 g/s의 입자분사율을 나타내었다. 일반적인 TiO2의 비중은 약 4 정도로 1.9의 카본블랙과 2.1의 SiO2에 비해 높은 값을 가진다. TiO2 입자의 상대적인 분사량 감소로 적외선 신호 변화량이 가장 작은 것으로 판단된다. 또한, 입자 직경 측면에서 나노미터 단위의 Lamp black, SiO2, TiO2 입자보다 평균 직경 13 μm의 카본 파우더를 분사한 경우 더 높은 적외선 신호 감소율을 확인하였다. 따라서, 이러한 요인들이 복합적으로 작용하여 적외선 신호 감소율 결과에 영향을 끼친 것으로 판단된다.
Table 3
Particle mass flow rate.
| Particle | Mass flow rate |
| Carbon powder | 4.3 g/s |
| Lamp black | 0.157 g/s |
| SiO2 | 0.215 g/s |
| TiO2 | 0.145 g/s |
Fig. 16에 가스 토치를 사용한 경우의 적외선 신호 감소율이 제시되어 있다. 가스 토치의 고온 플룸 주위로 입자를 분사한 경우 적외선 신호 감소율이 음수로 나타나며, 적외선 신호가 증가했음을 확인할 수 있다. 분사구로부터 위치에 따른 적외선 신호는 TC2 위치에서 최대로 증가하는 경향을 보이며 이후로 수치가 감소한다. Carbon powder를 분사할 때 TC2 위치에서 최대 46% 증가하였으며, TiO2를 분사했을 때는 적외선 신호가 TC2에서 최대 9% 증가함으로 TiO2를 분사하는 것은 적외선 신호 저감 측면에서 영향이 적은 것을 확인할 수 있다.
가스 토치를 사용한 경우 적외선 신호가 증가하는 특성은 다음과 같은 이유로 이해된다. 가스 토치의 플룸 주위로 입자를 분사한 경우 분사된 고체 입자가 고온의 플룸에 의해 가열되고 집진기의 흡입력으로 인한 공기 유동으로 인해 배기 플룸 후방으로 가열된 고온의 입자가 확산한다. 따라서 고온의 입자에서 방사되는 적외선 신호는 넓은 영역에서 더욱 큰 적외선 신호를 방사하게 된다. Fig. 17(a)와 같이 입자를 분사하기 전에는 가스 토치에 의해 가열된 가스의 플룸의 크기가 작게 형성되어 출구와 가까운 TC1 위치에서 높은 적외선 신호가 확인되지만, Fig. 17(b)은 여러 입자 중 Carbon powder를 분사한 경우로 가열된 입자가 하류로 이동함에 따라 TC3, TC4, TC5의 하류부분에서 높은 적외선 신호가 발생하게 된다. Fig. 18에 가스 토치 플룸 주위로 입자를 분사한 경우 각 열전대 위치에서의 온도가 제시되어 있다. 14초 근방에서 입자가 분사되고 플룸과 혼합된 입자의 온도가 상승한다. 플룸 하류 위치로 갈수록 플룸과 혼합된 입자의 온도가 높아지는 경향을 보이며, TC5 위치에서 최대 620°C 정도의 온도가 나타났다. 따라서 고온의 플룸에 입자를 분사시킬 경우 플룸과 혼합된 입자의 온도가 증가함에 따라 적외선 신호의 크기가 증가하는 경향이 확인되었다.
4. 결 론
입자 분사 장치를 구축하여 제트엔진의 배기 플룸을 모사하고 배기 플룸 주위로 Carbon powder, Lamp black, SiO2, TiO2와 같은 4가지 고체 입자를 분사하여 고체 입자 종류에 따른 적외선 신호 저감에 관한 연구를 수행하였다. 메인 챔버 끝단에 집진기를 연결하여 분사된 고체 입자가 대기로 비산하는 것을 방지하였으며, 열선 코일과 가스 토치를 사용하여 배기부와 플룸을 모사하였다. 열선 코일의 온도는 150°C 로 설정하였으며, 가스 토치의 경우 플룸의 온도를 400°C 이하로 조절하였다.
배기 플룸의 적외선 신호 및 온도를 측정한 결과 입자를 분사한 경우 열선 코일의 적외선 신호의 크기가 감소하였지만, 가스 토치의 플룸에서 방사되는 적외선 신호는 증가하였다. 이러한 결과를 통해 배기 플룸의 적외선 신호가 분사된 입자층에 일정량 흡수되는 차폐효과가 있음을 확인했지만, 고온의 플룸에 의해 입자가 가열되면 오히려 적외선 신호는 증가함을 확인했다. 이것은 적외선 신호가 온도에 지배적인 영향을 받기 때문에, 입자가 가열되어 고온의 영역이 넓어질수록 고온의 입자층에서 방사되는 적외선 신호가 증가함을 확인했다. 또한 분사되는 입자 측면에서 입자의 직경, 비중에 의한 분사량 등으로 인하여 적외선 신호 감소율의 차이가 발생하였다. 더욱 신뢰성 있는 결과를 얻기 위하여 이러한 변수들을 통제할 수 있도록 보완할 필요가 있다. 따라서 추후 연구를 통해 분사되는 입자를 제어하고 충분한 입자층이 플룸을 감싸고 가열되지 않도록 할 수 있다면 입자층에 의한 적외선 차폐효과로 적외선 저감 능력이 향상될 것으로 판단된다.
