다음은 미국의 6세대 전투기 개발 프로그램인 NGAD에서 기체에 배열되는 어레이와 센서 융합을 통해 센서와 전자전, 통신 기능을 구현하고자 하는 내용에 대한 기사입니다.
개 요
미 공군과 미 해군의 6세대 전투기 개발과 이와 함께 하는 무인 전투기의 개발 경쟁은 이제 두 군의 최우선 순위 과제가 되었다.
이 항공기는 최신의 기술과 특징으로 포장될 것이다.
꼬리가 없는 형상과 극강의 스텔스 성능, 그리고 매우 효율성이 높은 기체를 통한 장거리 비행과 큰 페이로드 탑재 능력들은 이 비밀스러운 항공기를 예측할 때에 주로 얘기되는 것들이지만 어떻게 항공기가 탐지하고 통신하며 재밍할 수 있는가에 대해서는 매우 중요하지만 그리 많은 관심을 끌지 못했다.
이것은 NGAD(Next Generation Air Dominance)의 매우 크고 복잡한 주제이며 특히 모든 기능을 하나의 증가된 전력을 갖는 확장 가능한 어레이로 집약해서 만든다는 것은 큰 의미가 있다.
re
기존의 레이다 어레이가 아니다!!
능동형 전자 주사 배열 (AESA)은 많은 장점을 가지고 있다.
다른 방향을 기계적으로 빠르게 스캔할 필요 없이, 특히 무거운 g 조건이나 난기류 속에서 기계적 스캔이 필요 없으며 움직이는 부분이 없어 신뢰성이 더욱 높으며 심지어 더 작고 가볍다.
AESA는 넓은 공간을 매우 빠르게 스캔할 수 있다.
많은 표적들을 동시에 높은 신뢰성을 갖고 추적할 수 있다는 것 역시 핵심 특징 중 하나이다.
게다가 더욱 넓은 탐지 거리와 높은 해상도를 제공하고 저피탐 표적에 대한 탐지 성능이 향상되며 전자전 공격이나 대응에 영향이 적다.
해군의 전투함에 있는 전자전 시스템과 같은 많은 새로운 AESA 기반 시스템들은 다양한 기능을 제공한다.
이러한 어레이들은 작고 가벼우며 더욱 강력해지고 때로는 더욱 저렴해진다는 사실은 이를 이용한 다기능의 에미터로 활용하는 것을 더욱 매혹적으로 만든다.
이는 해상과 지상, 그리고 우주에서 사용되는 경우에 해당되지만 특히 이를 떠오르는 차세대 공중 전투 시스템에 활용할 수 있다.
센서 융합 (Sensro Fusion)
F-14나 F-15, F-16 그리고 F/A-18과 같은 4세대 전투기들은 강력하고 자동화된 센서들을 가지고 있다는 것이 특징이다.
또한, 정제된 인간-기계 인터페이스 설계를 통해 조종사로 하여금 이러한 센서들로부터 구별된 형태의 정보를 활용할 수 있게 설계되었다.
특정 상황에서는 데이터링크의 정보도 통합된 형태로 시현된다.
이러한 요소들은 4세대 전투기 조종사들에게 ‘전술적 화면’을 제공한다.
다기능 시현기를 중심으로 한 조종석 설계의 출현은 이러한 것들을 더욱 가속화시켰다.
그러나 각각의 구분된 시스템에서의 모든 정보의 실제적인 융합은 여전히 조종사의 머릿속에서만 가능했다.
F-22와 F-35 같은 5세대 전투기들의 특징은 높은 수준의 센서 융합을 특징으로 하며 이는 항공기가 수집하는 모든 정보가 통합되고 서로 충돌 없이 연동되며 하나의 전술적 화면으로 보여진다는 것을 의미한다.
여기에는 레이다와 수동형 적외선 센서, ESM, 데이터 링크, 무장 교전 상황, 전자전 데이터, IFF, 그리고 항법등을 모두 포함한다.
센서 융합은 조종사에게 전장 상황에 대한 ‘신의 눈(god’s eye)’을 제공한다.
이것은 상황 감시 능력을 향상시켜 항공기의 생존성을 증가시킨다.
또한 특정 경우에서는 다른 자산들과 합동하여 훨씬 먼 거리에 대한 전술을 가능하게 한다.
융합은 실행 가능한 정보를 조종사에게 제공하는 것을 넘어 추가적인 장점이 있다.
그것은 항공기 센서들의 자동 활용을 극대화하여 확장된 전술적 옵션을 제공하며 오프 보드 센서 정보를 더욱 쉽게 활용할 수 있는 능력을 강화한다.
아마도 가장 큰 장점 중 하나는 다양한 표적들에 대해 다중의 센서를 통해 모은 신뢰성 높은 정보라 할 수 있다.
이 모든 것은 더욱 확실하게 위협을 식별하고 교전하거나 또는 회피할 수 있게 해주는 것으로 바뀐다.
이러한 우수한 상황 인지 능력은 전방 지휘관 또는 ‘쿼터백’ 기능 수행을 가능하게 한다.
흔히 4.5세대라고 불리는 전투기들은 이러한 기능의 일부를 적용하고 있지만, 지상에서부터 최대의 센서 융합 기능이 설계된 전투기들이 여전히 더 많은 장점을 가지고 있다.
센서 융합은 분산되어 있는 센서와 에미터, 그리고 통신 시스템간의 매우 복잡한 어레이를 가지고 있으며 또한, 각각의 컴퓨터, 쿨링, 그리고 기타 전력 소모 하드웨어 백엔드를 요구한다.
이 모든 것들은 무게와 부피가 가장 중요시되는 기체에 포함되어 있다.
즉, 레이다는 통신 시스템과는 별개의 구분된 하드웨어로 되어 있고 전자전 시스템은 넓게 분산 배치되어 있다.
이 모든 분산된 시스템들은 항공기의 컴퓨터와 수백만 줄의 코딩 라인을 가지고 있는 값비싼 소프트웨어를 통해 데이터가 융합되고 통합된다.
저피탐(스텔스) 형상과 재질의 요구도들은 이 모든 구성품들을 고기동의 전투기에 탑재하는데 있어 또 다른 복잡함을 한층 더해준다.
이 모든 시스템들과 안테나, 배선, 블랙박스, 그리고 다른 지원 장비들을 유지하는 것은 항공기를 준비하는 데 있어서 유지와 인적, 그리고 공급망 비용과 복잡성에 어려움을 준다.
게다가, 모든 다른 하드웨어와 소프트웨어 구성품들이 항공기의 중앙 임무 컴퓨터를 통해서 서로 적절하게 통신하도록 만드는 것은 매우 중요한 일이다.
항공기의 수집 기능을 업그레이드 하는 것은 한 시스템의 변경이 다른 시스템에는 물리적으로 또는 소프트웨어적으로 영향을 주며 또한 시스템 데이터의 신뢰성에도 영향을 주기 때문에 매우 큰 이슈가 된다.
한 에미터가 전자기적으로 다른 시스템에 영향을 주지 않게 하는 것 또한 계속되는 이슈이다.
이러한 시스템이나 소프트웨어를 시험하고 평가하는 데 걸리는 시간은 막대한 비용이 들고 새로운 기능이나 하드웨어의 업그레이나 배포의 속도도 느려진다.
단순함을 통한 강화
온보드 융합 기술 진화의 다음 단계로 들어가 보자.
많은 센서들과 전자전(사이버 공격 포함), 그리고 통신 기능들을 하나의 다중 모드 AESA 어레이로 융합한다.
보다 나은 통신을 위해 항공기상에는 능동형 안테나 뿐만 아니라 여전히 추가적인 수동형 안테나들이 필요하지만, 이는 현재보다 획기적인 발전을 의미한다.
항공기상에서 분산 배치되어 있는 각각의 다양한 시스템들 대신에 이제는 하나의 어레이가 이러한 기능의 많은 부분을 수행할 수 있다.
또한, 이러한 임무를 발전된 저피탐(LPI, Low Probability of Intercept) 모드를 사용하여 수행할 수 있다.
매우 빠른 스캐닝과 높은 전력, 정밀한 좁은 빔 능력, 그리고 광대역 기능과 짝을 이룬 이러한 모드는 탐지가 매우 어렵고 탐지가 되더라도 분류가 불가능하게 만든다.
모든 기능들은 거의 동시에 서로 얽혀있는것과 같다.
조종사에게 이는 마치 개별의 어레이들이 항공기에 장착되어 있는 것처럼 보일 것이다.
각 어레이를 위한 스케쥴링은 중앙에서 관리되고 대부분 자동화된다.
이러한 어레이들을 항공기 주변으로 분산 배치함으로써 구형 또는 거의 구형에 가까운 커버 범위를 구현할 수 있다.
AESA 어레이를 이러한 방식으로 사용하면 배선이 덜 복잡하고 내부 공간을 더욱 잘 활용하여 가벼우며 더욱 기능이 우수한 전투기를 만들 수 있다.
또한 하드웨어가 덜 개별화되어 통합되기 때문에 시스템을 더욱 쉽게 업그레이드할 수 있다.
이러한 개념 하에서 덜 개별화된 하드웨어 구성품들을 이용하여 하나의 시스템으로 통합된 시스템을 구매하는 것이기 때문에 크기에 있어서 큰 규모의 경제를 달성할 수 있다.
이러한 어레이들은 보통 크기나 형상에 맞춰 조절이 가능하여 항공기뿐만 아니라 지상이나 해상의 플랫폼에서 활용될 수 있다.
기존의 5G 생산 시설과 구성품들을 활용한다면 비용을 크게 줄일 수 있고 납품의 속도도 증가시킬 수 있다.
NGAD 하에서, 만약 유인 전술 항공기에 장착된 것과 같은 제품군의 어레이들이 무인 CCA(Collaborative Combat Aircraft)에 장착된다면 이는 훨씬 더 원활한 통합뿐만 아니라 대규모 경제가 가능해질 것이다.
대체품의 공통화와 유지해야 하는 시스템 종류가 적다는 것은 중요 유지 임무의 통합과 단순화를 가능하게 한다.
핵심 소프트웨어의 업데이트 또한 더욱 표준화된다.
소프트웨어는 하드웨어의 물리적인 성능 제한을 제외하고 어레이의 기능을 정의하는 핵심이다.
소프트웨어 시너지
플랫폼에서 동일한 기본적인 핵심 센서 소프트웨어를 수행한다는 것은, 특히 NGAD 제품들 중의 한 부분에서 매우 중요한 장점을 가질 것이다.
특히, 전자전과 사이버전 구성요소에 있어서는 더욱 그렇다.
갑자기 나타나는 위협 신호에 대해 AI를 이용하여 몇 주나 며칠이 아닌 거의 동시에 항공기 플랫폼 자체가 또는 데이터 링크를 통해 대응할 수 있는 인지 전자전 (Cognitive Electronic Warfare)이 떠오르고 있으며 미래의 전투에서 매우 큰 장점을 가져올 것이다.
그래서 만약 위협으로는 의심되지만 항공기의 온보드 위협 라이브러리에는 매칭되지 않는 잠재적인 위협의 RF 신호가 있을 때 소프트웨어는 이를 분석하고 최적의 대응 파형을 만드는 코드를 생성하여 항공기의 활용할 수 있는 하드웨어를 이용하여 대응한다.
여기에 광대역의 다중 모드 어레이가 이 전자 공격에 사용된다.
소프트웨어의 공유와 다중 기능의 어레이는 새로운 위협이 탐지되고 효과적인 대응책이 확인되었을 때에 데이터 링크를 통해 주변의 다른 모든 플랫폼에 이러한 EW 솔루션을 제공할 수 있다.
이것은 서로 다른 소프트웨어와 하드웨어 시스템이 서로 다른 플랫폼에서 서로 섞여야 가능하지만 만약 같은 제품군의 하드웨어와 소프트웨어를 탑재하고 있다면 훨씬 더 쉬워진다.
NGAD와 같은 공중 전투 개념에서 이는 매우 매혹적인 방법이다.
NGAD 시스템에서 공통 소프트웨어와 하드웨어 간에 깊은 상호연동은 매우 중요할 것이다.
공통의 코드와 하드웨어를 통해 유인 구성품과 무인 구성품들과의 네트워킹과 연결은 최적의 통신, 레이다, 그리고 전자전/사어버전을 가능하게 한다.
광범위한 영역에서 협동/협력적 EW는 기존에 단일 플랫폼이 수행한 전자전 전술에 비해 더욱 신뢰성 높은 방식으로 적으로부터 숨거나 적을 혼란에 빠뜨릴 수 있는 다른 차원의 기능을 보여줄 수 있다.
훨씬 더 복잡한 효과는 분산되어 있는 EW 플랫폼을 하나로 연결시킴으로써 가능하며 전술적 문제를 협조적으로 그리고 더욱 역동적인 방법으로 풀 수 있게 해 준다.
공통의 다기능 어레이에 의한 통합의 용이성은 기계 학습과 AI에 대한 의존이 증가함에 따라 소프트웨어 개발이 더욱 가속화될 것이다.
다양한 포메이션과 전체적인 임무 목표, 그리고 순간적인 필요성등 모든 것에 걸쳐서 각 플랫폼의 배열 방사 스케쥴링이 가능하고 큰 장점이 있다.
이것은 100마일 밖에 있는 유인 항공기로부터 레이다 정보의 일부를 수신하거나 같은 포메이션에 있지 않은 NGAD 플랫폼을 위해 다른 NGAD 플랫폼의 AESA로 재밍을 하는 것을 포함할 수 있다.
이것은 이론적으로는 각 플랫폼의 주 센서 업무에 영향을 주지 않으면서 최적의 방식으로 수행될 것이다.
이제 이러한 방식의 기능이 전 작전 영역에서 다중의 항공기 포메이션에서 초당 여러 번 수행된다고 상상해 보자.
이것은 완전히 새로운 트릭의 장을 열 것이며 적의 방공망을 무력화시키는 것은 오늘날의 방법보다 훨씬 대단할 것이다.
이와 함께 stand-in 재밍과 직접 공격의 기능을 갖는 작은 공중 발사 EW 드론이 짝을 이룬다면 적의 방공망은 당분간은 직면할 수 없을 것 같은 문제들을 직면하게 될 것이다.
기본적으로 이는 군집과 유사한 기능이지만 완전한 군집 개념은 아니다.
단일 플랫폼은 자체 센서나 통신 그리고 전자전 기능으로 제한되어 있지 않으며 동시에 자동화와 방사 프로파일의 수준은 다양한 환경에서 반응할 수 있도록 사전에 정의되거나 특정 시간에 수동적으로 변경할 수 있도록 한다.
한 번 더 얘기하지만, 이러한 것들은 서로 다른 소프트웨어 기반의 분산되어 있는 어레이를 활용하지만 동일한 소프트웨어와 하드웨어를 활용하면 그 장점은 매우 크다.
항공기 기체의 한 부분이 되는 어레이
이제는 어레이와 기체의 한 부분이 통합된 CLAS(Conformal Load-Bearing Antenna Structure)를 만드는 것이 가능하며 단순한 활용뿐만 아니라 매우 복잡한 구조도 가능하다.
이것은 NGAD를 위한 다목적의 센서 기능과 항공기 기동 성능을 위한 앞으로의 점프를 대표한다.
사실, 이것은 쉐도우 프로그램의 핵심 구성품이 될 수 있는 새로운 설계와 센서 성능의 길을 열어줄 것이다.
CLAS 개념은 수십 년 동안 성숙화되었고 지난 10년 이상 전부터 대형 복합제 구조 재질 과학과 제조기술 그리고 레이다 어레이 기술에 큰 발전이 있어왔다.
이러한 개발은 10년 전에 비해 더욱 그럴듯하게 전 기체에 대해 주요 복잡한 CLAS를 사용한다.
CLAS는 이미 제한된 범위로 사용되고 있는 동안(예를 들어, F-35는 몇몇 안테나가 주익 구조에 포함되어 있다) 이 개념은 확실히 비밀스러운 부분에 훨씬 더 많이 적용되었다.
B-21 Raider와 다른 장거리 폭격기의 플랫폼들에는 이 기술이 훨씬 많이 적용되었을 가능성이 충분하다.
CLAS 개념과 함께, 항공기의 주익이나 전 기체의 넓은 부분은 레이다나 EW, 그리고 통신의 다기능 어레이가 통합될 수 있다.
기본적으로, 기체는 자체로 대형 어레이와 통합될 수 있다.
이것은 중량을 극적으로 줄일 수 있고 내부 공간의 활용성을 높일 수 있으며 항공기의 성능 감소 없이 더 크고 더 강력한 어레이를 만들어낼 수 있다.
사실, 기체를 어떻게 설계할 것이며 처음부터 제작 방식을 바꾸어 새로운 성능의 가능성을 열어줄 것이다.
로우 급이나 미들 급의 CCA에는 적용성이 떨어지는 반면에, 유인 NGAD 항공기에는 유례없는 정도로 적용될지 모르겠지만 충분히 그럴 가능성이 있다.
비행 거리와 탑재량, 그리고 저피탐성을 주 설계 목표로 하는 경우 이는 확실히 매우 유혹적인 특징이 된다.
또한, 이런 항공기들이 수억 달러 수준일 것이라는 것을 고려하면 이 대형의 load-bearing 안테나 구조는 이 높은 비용의 중요 요인이 될 것이다.
기존의 어레이 모듈 믹스나 단일 기체의 CLAS 어레이는 유인 NGAD 항공기에서 가능하다.
대형 CLAS 어레이는 전방 반구형태의 커버 범위를 제공할 수 있고 더 작은 다기능 배열은 다른 영역을 커버할 수 있다.
유인 NGAD 구성은 확장성이 덜한 센서와 전자전 기능을 구현하고 대신에 무인 플랫폼에 이러한 기능을 의존하는 것도 가능하다.
만약 유인 NGAD가 모든 CLAS 어레이를 사용한다면 모듈식의 확장 가능한 다기능 AESA와 관련하여 수천 대에 달하는 NGAD의 무인기들은 이 기술로부터 많은 장점을 얻을 수 있다.
결 론
6세대 전투 항공기가 능동형 전자 주사 어레이 기술과 소프트웨어 그리고 컴퓨팅 파워를 사용할 수 있다는 것은 매우 흥미로운 일이다.
그리고 이러한 기능들은 공중 전투가 무인기와 완전한 협동 군집으로 변화하면서 매우 중요한 기술일 될 것이다.
출처 : THE WARZONE
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