전투기 전자전 시스템 분석 – F-15QA (1)

이번에 알아볼 전자전 시스템은 F-15의 카타르 수출형인 F-15QA이다.

 

F-15QA는 F-15의 다양한 수출 파생형 중 가장 최근의 수출형이며 최신의 전자전 시스템을 탑재하고 있다.

또한, 미국에서 F-35의 배치 지연으로 인한 공백을 메우기 위해 F-15 수명 연장을 진행 중인데 이때에 업그레이드되는 F-15EX는 F-15QA와 거의 유사하다고 한다.

 

F-15 Eagle 전투기는 1970년대 첫 비행과 배치가 이루어졌으며 이후 스텔스 항공기가 개발되기 전까지 제공권 확보에 있어서 단연 최고의 전투기였다.

미국은 1970년대 배치된 전투기를 2040년도까지도 운용한다는 것만 봐서도 F-15는 정말 잘 만들어진 전투기라 할 수 있다.

 

F-15를 운용하는 주요 국가는 일본(F-15J), 이스라엘(F-15I), 한국(F-15K), 싱가폴(F-15SG), 사우디아라비아(F-15SA), 카타르(F-15QA)등이 있다.

아래의 표는 각 F-15 수출형에서 장착하고 있는 전자전 시스템과 레이다를 나타낸 것이다.

F-15  수출형 전자전 및 레이다

 

위의 표에서 보면, 일본과 이스라엘의 경우는 자국의 전자전 시스템을 적용하고 있는 것을 알 수 있다.

이스라엘은 원래 전자전 시스템 개발의 강국이고 전자전의 중요성을 일찍부터 알고 있었으므로 미국의 플랫폼을 구매하여 자국의 전자전 시스템으로 개량함으로써 전자전 데이터 확보와 활용 등에 있어 미국으로부터 종속되지 않을 수 있었다.

의아한 것은 일본도 일찌감치 자국의 전자전 시스템을 적용했다는 점이다.

 

APG-63(V)3부터 AESA 레이다 이다. 이스라엘의 경우는APG-82(V)1 AESA 레이다로 업그레이드하는 것을 결정하였고 일본도 레이다 업그레이드 예정이라고 한다.

 

F-15SA부터 CMWS라는 미사일 경보시스템이 통합되었다.

그러나 F-15I나 F-15SG의 SPS-2110도 미사일경보시스템이 포함되어 있을 수도 있다.

SPS-2110은 Elibit(구 Elisra)에서 개발한 시스템으로 기존 이스라엘 전투기는 F-16I를 포함해서 모두 미사일 경보시스템을 갖추고 있기 때문에 F-15I나 F-15SG도 PAWS(Passive Airborn missile approach Warning System)와 같은 시스템이 포함되었을 가능성이 크다고 본다.

다만 동체에서는 센서의 모습이 보이지 않는 것으로 보면 Pylon에 통합된 형태일 가능성도 있다.

 

 

이제 F-15QA의 전자전 시스템에 대해 좀 더 자세히 알아보겠다.

이전 전투기 전자전 시스템을 알아볼 때에는 cutaway를 기준으로 했었는데 인터넷 상에 F-15QA cutaway를 구할 수 없었다.

 

아래의 그림은 F-15QA 전자전 시스템의 센서 위치를 나타내었다.

F-15QA  전자전 시스템 센서 배치

 

F-15K부터 F-15QA 또는 F-15EX까지 전자전 안테나의 위치나 형상에는 큰 차이가 없어 보이며, 달라지는 것은 아날로그 기술 기반에서 디지털 기반 기술로 바뀌면서 과거 여러 LRU로 구성되던 시스템이 소형화 경량화가 되었다.

 

앞에서도 얘기했듯이, F-15QA에는 BAE System의 ALQ-239 DEWS(Digital Electronic Warfare System)이 장착된다.

이전 세대 시스템이자 F-15K에 장착되어 있는 TEWS(Tactical Electronic Warfare System)는 ALR-56C RWR과 ALQ-135 내장형 RF Jammer 그리고 ALE-47 CMDS로 구성된다.

여기서 ALQ-239는 ALR-56C RWR과 ALQ-135 RF Jammer를 대체한다고 볼 수 있다.

 

아래는 ALQ-239를 나타낸 그림이며 2개의 LRU로 구성된다.

ALQ-239 DEWS

 

기존 ALR-56C와 고출력 송신기를 제외한 ALQ-135 시스템의 LRU 총 수는 약 10개에 가까운데 이를 2개의 LRU로 줄었다.

 

앞의 그림에서 (1)에 해당하는 것은 RWR의 C~D 대역 신호를 수신하는 안테나이며 single blade 안테나이다.

RWR CD대역 안테나

 

Single balde 안테나 하나로는 신호의 방향을 알아낼 수 없다. 즉, 수신기가 디지털 방식으로 바뀌어도 안테나 형상이 바뀌지 않은 이상 과거 F-15 에서와 유사한 수준의 기능/성능을 보유한다고 볼 수 있다.

 

또한, (2)와 (3)은 EJ 대역 수신 안테나로써 동체에 의한 안테나 빔 패턴 영향성을 최소한으로 할 수 있는 양쪽 주익 끝과 수직 미익 끝에 장착된다.

RWR EJ대역 안테나

 

그러나 이 역시도 수신 신호의 세기를 기준으로 방향을 탐지하는 로직에 변경이 없는 것으로 보이며 맞다면 방향탐지 정확도 자체는 예전이나 최신의 F-15나 유사한 수준일 것으로 생각된다.

 

그러나 ALQ-239는 무장 조준을 지원할 수 있는 수준의 위협 위치정보(Emitter Geolocation) 획득이 가능하다고 한다.

위협 신호의 방향탐지 정확도와 무관하게 위협의 geolocation 정보는 위협까지의 거리정보를 획득해야 하는데 수동 센서인 RWR은 수신되는 신호의 세기를 통해 거리를 계산할 수는 있지만 신뢰할 수 있는 수준의 정보가 아니므로 다른 방식으로 위협까지의 거리정보를 획득해야 한다.

이 블로그의 EW Technology에 있는 “위협원 위치 탐지” 글에 이러한 방법에 대해 소개하였으니 참고하면 되겠다.

 

최신의 RWR이 디지털 수신기를 적용하는 이유는 소형화, 경량화 그리고 모듈화등이 가능한 이유가 있겠지만 AESA 레이다와 운용 호환성을 갖고 또한 AESA 위협을 탐지하려는 목적도 있다.

즉, 같은 플랫폼에 장착된 AESA 레이다의 빠른 주파수 변환 신호로부터 RWR이 간섭 없이 운용되고 또한 광대역에서 빠르게 파라미터를 바꾸는 AESA 위협 신호를 탐지하기 위해서도 디지털 수신기와 디지털 신호처리가 필요하다.

 

 

다음은 F-15QA의 내장형 RF Jammer에 대해 알아보겠다.

앞의 그림에서 (4)은 양쪽 주익 root 부위이며 여기에 전방 재머 안테나와 레이돔, 고출력 송신기가 위치한다.

이는 F-15K와 유사한 형상으로 보이며 아래의 그림과 같다.

고출력 송신기

 

위의 그림과 같이 F-15K나 F-15SA, F-15QA 등은 모두 유사하게 양쪽 주익 Root 부분에 날개 형상과 동일한 레이돔이 있고 안쪽으로 안테나가 장착되어 있는 것으로 예상된다.

안테나는 그림과 같이 낮은 대역(예, 2~6 GHz)과 높은 대역(예, 6~18 GHz)을 각각 담당하는 형상이거나 하나의 안테나로 모두 담당하는 형상일 수 있으나 이는 확실하지 않다.

 

전방 RF Jammer 안테나의 위치는 F-15 전투기 형상에서 내장형으로 장착할 수 있는 최상의 위치인 것으로 생각된다.

항공기 동체에 장착되면 동체 반사에 의한 안테나 패턴 영향성을 줄이기 위해 외부로 돌출되는 형상이 될 수밖에 없고 이러한 경우 항공기 항력 및 RCS 증가에 영향을 준다.

F-15는 날개 안쪽에 배치함으로써 이러한 영향성을 줄였다고 볼 수 있다.

동체 영향성을 더 줄이기 위해서 날개의 끝 쪽으로 이동시킬 수 있으나 이 경우에는 날개 끝에 있는 RWR 수신 안테나와 가까워져 상호 간섭 영향성이 커진다. 또한, 고출력 송신기와 같이 장착 가능한 공간이 없었을 것이다.

 

F-15는 안테나 바로 옆에 고출력 송신기를 배치하여 RF 케이블에 의한 전력 손실을 최소화하였다.

일반적으로 2~18 GHz의 넓은 대역은 두 개의 증폭기를 통해서 구현한다. 그러나 그림에는 1개의 LRU만 보이며 아마도 LRU 내부에는 2~6 GHz와 6~18 GHz를 각각 담당하는 이중 대역 구조로 되어 있을 것으로 생각된다.

 

F-15는 DEWS로 전자전 시스템을 업그레이드하면서 SSPA(Solid-State Power Amplifier)기반의 APA(Active Phase Array) 안테나 구조로 업그레이드하지 않았다.

이것은 앞에서의 RWR과 마찬가지로 디지털 수신기와 신호 처리기가 적용되었지만 큰 틀에서의 기본적인 기능/성능은 과거 F-15와 유사한 수준으로 생각할 수 있다.

 

F-15 뿐만 아니라 대부분의 RF Jammer를 운용하는 항공기에서 내 재밍 신호가 내 레이다에 영향을 주지 않도록 하는 RF 호환성 설계는 매우 중요하다.

대부분의 전투기 레이다는 X대역에서 운용되며 이는 즉, 내가 재밍을 해야 하는 공중 위협 역시 X대역이라는 얘기가 된다.

RF Jammer가 X대역을 방사하지 않더라도 하모닉 성분이나 불요파(spurious) 신호, 잡음레벨의 증가 등으로 인해 레이다가 운용하는 X대역에 간섭을 줄 수 있다.

이와 같은 원치 않는 신호를 줄이는 것은 자칫 외부로 방사되는 재밍 신호의 유효 방사 출력도 낮아지게 될 수 있으며 이는 재밍 효과도에 영향을 줄 수 있게 된다.

그러므로 RF 호환성 설계는 방사 시 필터를 통해 간섭을 주는 신호를 제거하거나 레이다와 RF Jammer 간 우선 순위에 의해 운용 주파수를 선점하여 사용토록 하는 등의 설계가 필요하고 할 수 있다.

 

만약, SSPA 기반의 APA를 적용한 RF Jammer 라면 샤프한 빔 형성을 통해 비교적 낮은 증폭부의 출력에도 높은 유효 방사 출력을 구현할 수 있고 이러한 샤프한 빔의 빠른 조향을 통해 레이다의 빔 방향을 고려한 유연한 운용이 가능하여 RF 호환성에 있어 많은 장점이 있을 것으로 생각된다.

 

 

 

2부에서는 F-15QA의 후방 RF Jammer와 미사일 경보 시스템에 대해 알아보겠다.