전투기 전자전 시스템 분석 - Su-57 PAK-FA (1)

이번에 알아볼 전투기 전자전 시스템은 러시아의 Su-57 전투기이다.

(Su-57 PAK-FA)

러시아의 5세대 전투기 개발 프로그램인 PAK-FA를 통해 개발된 이 항공기는 처음에 수호이(Sukhoi) 사의 T-50으로 불리었으며 이후 공식 명칭이 Su-57이 되었다.

Su-57 전투기의 자세한 개발 배경 및 제원은 다른 사이트나 블로그에 많이 나와 있으므로 참조하면 되겠다.

 

우리가 쉽게 접할 수 있는 미국이나 서방 국가의 전투기가 아닌 러시아 전투기여서인지 Su-57의 전자전 시스템에 대한 정보는 인터넷 상에 많지 않았다.

찾아본 정보들은 대부분 유사한 수준의 비슷한 내용을 담고 있었다. 하나의 센서를 두고 서로 다른 내용을 말하고 있는 부분도 적지 않았는데 그만큼 Su-57에 대한 정보는 많이 알려져 있지 않았다.

그래도 여러 정보들을 나름 모아서 정리하였으니 관심 있는 분들은 재미 삼아 참고하면 좋겠다.

 

Su-57의 주요 임무 센서 시스템은 크게 Sh121 MIRES(Multifunctional Integrated Radio Electronic System)라 부르는 무선 주파수 시스템 체계와 101KS Atoll이라 부르는 전자광학(Electo-Optical) 시스템 체계로 나눌 수 있다.

Sh121은 또 2개의 시스템으로 구분할 수 있으며, 하나는 표적 탐지 및 추적을 수행하는 N036 Byelka 레이다 시스템이고 다른 하나는 L-402 Himalayas ECM(Electronic Countermeasure) 시스템이다.

 

과거 전투기에서 레이다 임무와 전자전 시스템 임무는 서로 다른 장비를 통해 수행되어 왔다. 그러나 F-22와 F-35 전투기는 레이다의 어레이 안테나를 이용하여 전자전 임무를 수행할 수 있도록 개발되었고 레이다의 지향성 높은 어레이 안테나를 통한 신호의 수신과 송신을 전자전에 활용하는 것은 최신 전자전 시스템의 개발 추세이기도 한다.

Su-57 역시 이러한 추세에 맞춘 시스템이 적용되어 있는 것으로 보인다.

그러므로 Su-57은 레이다 시스템을 알아보는 것이 곧 전자전 시스템을 알아보는 것이라 할 수 있겠다.

 

먼저 아래의 cutaway를 보면서 RF시스템에 대해서 하나씩 알아보겠다.

(Su-57 Cutaway)

 

먼저 위의 cutaway상에서 2번 “Radar AESA NIIP Sch 121”에 대해 알아보겠다.

이 레이다는 N036-1-01 X band AESA 레이다이며 아래의 그림과 같다.

(N036-1-01 X-band AESA Radar)

이 레이다는 러시아의 Tikhomirov NIIP Institute에서 개발되었고 1,552개의 T/R(Transmit/Receive) 모듈로 구성되어 있다고 한다.

RCS 1㎡ 크기의 표적을 400km 거리에서 탐지할 수 있고 62개의 표적을 추적하고 동시에 16개의 표적에 대해서는 무장 운용이 가능하다고 알려져 있다.

레이다는 항공기 boresight 기준으로 약간의 각도를 주고 상방으로 장착되는 것으로 보이며 이는 항공기 정면에서의 RCS를 줄이기 위함이라 할 수 있다.

 

러시아는 Su-57 전투기의 기존 레이다를 Photonic 레이다로 교체한다고 한다. (이미 개발이 끝나 적용되어 있는지도 모르겠다.)

기존의 레이다는 순수 전자 기술로 구현되었고 이는 제한된 운용 주파수 대역폭, 해상도의 저하 그리고 현대의 복잡한 전자기 환경 속에서 저고도의 작은 표적을 탐지하는 데에 문제가 있다고 볼 수 있다. 반면에 Photonic 기반의 기술을 레이다에 적용한 Photonic 레이다는 주파수 대역폭을 확장시킬 수 있고 빠른 응답 시간과 우수한 coherent pulse source와 높은 전자기 간섭 내성을 통해 10배 이상의 높은 레이다 해상도 획득이 가능하다고 한다.

Photonic 레이다의 기본 원리와 특징에 대해서는 다음에 전자전 기술 카테고리에서 알아볼 계획이다.

 

N036 Byelka 레이다 시스템은 위에서 알아본 N036-1-01 X band 레이다와 항공기 양 사이드를 탐지하는 레이다, 그리고 L band에서 동작하는 레이다로 구성된다.

 

먼저 양 사이드를 탐지하는 레이다에 대해 알아보겠다.

이 레이다는 앞의 cutaway 상에서 13번 “AESA-Radar”로 표현되어 있으며 아래의 그림과 같은 형상이고 전방 레이돔 바로 뒤쪽으로 항공기 좌/우에 각각 장착되어 있다.

(N036B-1-01 X-band AESA Radar)

이 레이다 구성은 미국을 포함한 서방 국가에서 만드는 전투기에서 볼 수 없는 독특한 설계이다. (사실 러시아 전투기는 많은 독특한 설계들이 포함되어 있다.)

 

이 레이다의 이름은 N036B-1-01 X band 레이다이며 전방을 주시하는 레이다가 커버할 수 없는 항공기 양 사이드를 탐지하며 358개의 T/R 모듈로 구성되어 있다고 한다.

 

이 레이다로 인한 장점은 다음의 두 가지가 있을 것으로 생각된다.

첫 번째는 상대 전투기의 레이다로부터 내 항공기는 추적되지 않으면서 상대 전투기를 탐지할 수 있다는 것이다.

상대 전투기 레이다로부터 내 전투기가 추적되면 내 전투기는 레이다로부터 벗어나기 위해 레이다 방향에서 90°가 되도록 기동을 하며 이를 beam 기동을 한다. 레이다 표적이 레이다 탐지 방향의 90°가 되면 표적으로부터 반사되는 신호의 Doppler 성분이 0이 되므로 레이다는 표적 추적을 놓치게 된다. 그러기 때문에 이러한 기동을 Doppler Notch 기동이라고도 부른다. (물론, 레이다는 표적 추적을 놓쳐도 기본적으로 일정 시간 동안 이전 표적 추적 데이터를 통해 memory tracking을 수행한다.)

이 기동 중 내 전투기 역시 상대 전투기를 탐지하지 못하는 것이 일반적이지만 이 사이드에 장착된 레이다를 통해 내 전투기는 계속 상대를 탐지할 수 있게 된다.

상대를 탐지하는 데서 끝나지 않고 내 전투기가 레이다 가이드 미사일을 발사했다면 상대 전투기에 추적당하지 않으면서 이 미사일을 가이드할 수 있을 것이다.

이러한 특징은 예전에 알아본 JAS-39 Gripen 전투기가 탑재하고 있는 Raven ES-05 레이다의 특징과 유사하다. 이 레이다는 Swashplat를 적용하여 탐지범위를 ±90° 이상으로 확장시킨다. (이 블로그의 “전투기 전자전 시스템 분석 - JAS-39 Gripen (2)” 참고)

그러나 Su-57 전투기의 N036B 레이다는 당연히 이보다 더욱 탐지범위가 확장된다.

 

두 번째 장점은 side-looking SAR 맵을 생성 하면서 동시에 임무에 제한이 없는 전방 감시나 추적  임무를 수행할 수 있다는 것이다.

일반적으로 AESA 레이다는 빠른 빔 민첩성 특징으로 공대공/공대지 동시 모드가 가능하지만 레이다가 물리적으로 분리되어 있는 Su-57의 경우는 더욱 높은 해상도의 지형 데이터를 만들면서 공중 표적 추적에 대한 성능 제한이 없을 것으로 예상된다.

 

N036 Byelka 레이다 시스템을 구성하는 또 다른 하나는 L band 레이다이다.

앞의 cutaway에서 68번 “Abdeckung des L-Band Radars”이며 명칭은 N036L-1-01 L-Band Transceiver이다.

아래의 그림에서 붉은색 위치인 주익의 LEF(Leading Edge Flap)에 내장되어 있다.

(N036L-1-01 L-Band Transceiver  장착 위치 )

위의 그림에서 파란색 부분은 Canard 날개인데, 여기에도 L-Band 안테나가 장착된다고 알려져 있으나, 주익 LEF와 Carnard 날개에 모두 장착되어 있는지 아니면 항공기 버전에 따라 Canard 날개에 장착되는 버전이 따로 있는지는 확실하지 않다.

 

위의 그림 중 L Band Transceiver 그림을 보면 외부는 레이돔이고 그 안에 안테나 어레이가 있으며 그 뒤쪽으로 송/수신 제어기와 장치 등이 연결되어 있는 것을 볼 수 있다.

다음의 그림은 Su-35 전투기 LEF에 적용된 L-Band 레이다의 어레이 안테나 형상을 확인할 수 있는 그림이며 Su-57에 적용된 L-Band 레이다도 거의 유사할 것으로 생각된다.

(Su-35 L-Band Radar)

이 L-Band(1~2 GHz) 레이다는 AESA 방식이며 전자적인 빔 조향은 Azimuth 방향으로만 가능할 것으로 보인다. 안테나가 장착된 위치가 비행 중 상/하로 움직이는 부위이나 Elevation 방향으로는 넓은 빔폭을 갖고 있기 때문에 움직이는 곳에 안테나를 장착하여도 기능이나 성능상에는 문제가 없다고 판단했을 것으로 생각된다.

 

L-Band 레이다는 적아식별장치(IFF, Identification Friend or Foe)의 transponder 역할을 하고 L-Band 재밍의 전자전 역할도 수행한다고 한다. 또한, X-Band 신호와 L-Band 신호를 통합적으로 처리하여 더욱 정확한 표적 정보획득이 가능하다고 한다.

 

조금도 구체적으로 L-Band 레이다의 유용성을 생각해 보겠다.

먼저, 대부분의 전투기 레이다가 적용하고 있는 주파수 대역은 X-Band이므로 스텔스 전투기들은 이 X-Band 대역에서 RCS가 가장 작도록 최적화 설계된다. 따라서 X-Band 신호에는 표적이 잡히지 않아도 이보다 파장이 긴 L-Band에서는 탐지될 가능성이 있다. 즉, 스텔스 항공기를 탐지할 확률이 높아진다.

그리고 L-Band는 조기경보기 레이다나 지상 레이다, Link-16 데이터링크 등에서 운용되는 주파수 대역이므로 이러한 시스템이 방출하는 신호를 수동적으로 탐지하고 추적하는 데에 사용할 수 있다.

이는 탐지/추적에서 끝나지 않고 이 L-Band를 사용하는 시스템에 대한 교란/재밍이 가능하다. 데이터링크를 통한 미사일 가이드 링크에 대해 재밍을 수행할 수 있으며 위성 항법 데이터링크에 대한 재밍도 가능할 수 있게 한다.

 

그런데 Su-57 전투기의 L-Band 레이다는 IFF Transponder 기능도 수행한다고 하는데, 만약 맞다면 조금 의아한 부분은 이 Transponder신호는 전방만을 향하고 있다는 것이다.

IFF 질문 신호는 어느 방향에서든 수신되고 응답이 송출될 수 있어야 하므로 일반적으로 IFF Transponder 안테나는 omi-directional 안테나를 적용하는데 Su-57은 전방만을 향하고 있어 후방 쪽에서는 송수신이 불가해 보이기 때문이다.

아마도 LEF에 있는 L-Band 레이다는 Transponder가 아니고 Interrogator 이거나 또는 동체 어딘가에 Transponder 역할의 안테나가 별도로 있지 않을까 생각된다.

 

1부의 마지막으로 알아볼 것은 L-402 Himalayas ECM Suite이다.

이 ECM Suite은 기본적으로 앞에서 얘기한 N036 Byelka 레이다 시스템의 Active Radar Array를 공유하여 위협 신호를 탐지하고 재밍 기능을 수행한다고 한다.

그렇다면 전방 및 측면의 X-Band 레이다와 LEF에 있는 L-Band 레이다 어레이를 이용하여 전자전 기능을 수행하는 것이고 후방을 위한 탐지와 재밍을 위한 시스템이 있어야 하는데 이것이 cutaway상에서 118번 “HecksteiB-Radom fur AESA-Radar”이다.

 

실제 항공기상에서의 형상은 아래의 그림에 나타내었다.

(L-402 Himalayas Suite 중 후방 AESA 레이다)

레이돔 안쪽에는 AESA 레이다가 장착되어 있다고 하는데 그 형상 정보나 운용 주파수 대역은 찾을 수 없었다.

전자전 시스템은 광범위한 주파수 대역에서 운용되기 때문에 X-Band나 L-Band로 한정되어 있지 않고 일반적인 전자전 시스템처럼 2~18 GHz 대역을 커버할 수 있는 시스템 구성이 내부에 포함되어 있을 수 있으나, 한편으로는 스텔스 항공기가 일반적인 자체보호 재밍 시스템을 갖추지 않는 것으로 보아 전방 레이다와 같이 X-Band 대역에서 운용하는 시스템일 수도 있다고 생각된다.

 

Su-57의 전자전 시스템을 조사하면서 일반적인 RWR과 같이 2~18GHz 대역에서 항공기를 중심으로 360°를 커버하는 시스템이 있을 것 같은데 어디에서도 찾을 수 없었고 이 점이 좀 의아하였으나, cutaway상에서 이 부분을 확인할 수 있었다.

이것은 139번 ”Hintere Stor/Warnantenne”와 141번 “Vordere Stor/Warnantenne”이며 다음의 그림과 같이 양 주익 끝에 항공기 전방과 후방을 탐지하는 어레이 안테나가 내장되어 있는 것으로 보인다.

이 안테나의 구성과 배치를 보면 항공기를 중심으로 360°를 커버할 수 있을 것으로 생각된다.

(RWR  안테나로 추측되는 양쪽 주익 끝 형상 )

앞에서 X-Band 레이다와 L-Band 레이다, 후방 ECM 시스템 그리고 주익 끝에 있는 안테나를 알아봤다.

그러나 위의 시스템들이 모두 전자전 역할을 수행한다고 했을 때 여전히 한 가지 의문점이 남는다.

그것은 X-Band를 제외하고 2 GHz부터 18 GHz 대역의 재밍을 할 수 있는 시스템 확인이 안 되었다는 것이다. (인터넷 상에서 찾을 수 없었다.)

개인적인 생각이지만, Su-57은 스텔스 항공기로써 기본적으로 상대 레이다에 잘 탐지되지 않기 때문에 그리고 잘 탐지되지 않아야 하므로 4세대를 포함한 이전 세대의 전투기가 일반적으로 적용하는 자체 보호용 내장형 재밍 시스템을 구현하지 않았을 수 있다. 다만, 임무에 필요한 대역에 대한 재밍 기능만을 보유하도록 설계되었을 수 있겠다는 생각이 든다.

실제로 F-35는 AESA 레이다를 이용한 전방 재밍만 가능하고 실제 레이다에 추적당하거나 미사일이 날아올 때를 대비한 견인식 디코이만을 장착하고 있으며 일반적인 자체 보호용 재밍 시스템은 적용하지 않는 것으로 알려져 있다.

 

1부는 여기서 마치고 2부에서는 Su-57 전투기의 전자광학 시스템과 기타 시스템에 대해 알아보겠다.