전투기 전자전 시스템 분석 – F-35 (1)

이번에는 F-35 전투기의 전자전 시스템에 대해 알아보겠다.

 

 

(F-35)

 

 

F-35는 1993년 JSF(Joint Strike Fighter) 프로그램으로 개발이 시작되었다.

Lockheed Martin사와 Boeing사는 미 정부의 요구사항을 만족시킬 수 있음을 보여주기 위해 기술실증기를 만들어 서로 경쟁하었으며 2001년 이 경쟁에서 최종적으로 Lockheed Martin사의 X-35가 이김으로써 본격적으로 F-35는 개발에 착수하게 된다.

 

많이 알려져있다시피, F-35는 공군과 육군, 해군에서 공통으로 사용할 수 있는 전체적인 기체 형상을 가지고 있지만 각 군의 상이한 요구사항과 운용환경적 차이로 인해 기체는 약간씩 다르다.

그러나, F-35에 적용되는 임무시스템의 하드웨어와 소프트웨어는 동일하다고 한다.

 

F-35 전투기는 전자전 센서 시스템을 포함하여 다음의 5가지 센서 시스템으로 구성되며 각 센서가 포착한 전장의 RF와 IR 스펙트럼 범위 내의 표적은 데이터 퓨전이 되어 조종사에게 정확하고 신속하게 정보를 전달하게 된다.

• AN/APG-82 AESA Radar
• AN/ASQ-239 Electronic Warfare & Countermeasure System
• AN/AAQ-40 Electro-Optical Targeting System (EOTS)
• AN/AAQ-37 Electro-Optical (EO) Distributed Aperture System (DAS)
• AN/ASQ-242 Communication, Navigation, and Identification (CNI)

본격적으로 F-35 전투기의 전자전 시스템에 대해 알아보겠다.

F-35 전투기의 전자전 시스템은 BAE Systems사의 AN/ASQ-239 Barracuda 이며, 공대공 위협과 지대공 위협에 대한 탐지 및 식별과 이러한 위협에 대한 자체 보호 능력이 통합된 전자전 시스템이다.

그 기능을 좀더 구체적으로 나열하면 다음과 같다.

1)    레이다 경보 (radar warning)

2)    위협원 위치 식별 (emitter geolocation)

3)    F-35간 협조 위협원 위치 식별 (multi-ship emitter location)

4)    고이득 ESM (HG ESM)

5)    고이득 전자전 대응 (HG electronic Countermeasure)

6)    다기능 레이다를 이용한 고이득 전자전 공격 (HG electronic attack via radar MFA)

 

위에서 알 수 있듯이 F-35의 전자전 시스템은 단독으로 위협의 geolocation을 획득할 수 있고 F-35간 서로 데이터를 주고 받으면서도 위협의 위치를 식별할 수 있다.

또한, 전방의 AESA 레이다를 이용하여 정확도가 높은 위협 정보 획득 및 고출력 재밍이 가능한 것을 알 수 있다.

 

다음의 그림을 보면 F-35 전투기 전자전 시스템을 한눈에 볼 수 있다.

 

(F-35 전자전 시스템 구성)

 

 

두 개의 LRU에 28개의 전자전 관련 모듈이 포함되어 있다고 하며, 하나는 디지털 수신기를 포함한 위협의 수신과 처리를 담당하고 다른 하나는 DRFM(Digital RF Memory)를 포함하여 위협의 대응과 관련된 처리 및 대응 기법 생성을 할 것으로 예상된다.

 

두 Rack 간에는 fiber channel로 연동된다고 한다.

F-35에서는 fiber channel이 전체적으로 적용되었으므로 두 Rack 간 뿐만 아니라 Countermeasure Controller와 다른 임무 시스템, 레이다간에도 이 fiber channel로 연결되어 실시간의 대용량 고속 통신이 가능할 것으로 생각된다.

 

다음의 그림과 같이 Rack 2A와 Rack 2B가 있는데, 아무래도 많은 수 의 어레이 안테나로부터 입력을 받기 위해 RF 포트의 수가 많은 Rack 2B가 디지털 수신부가 있는 LRU가 아닐까 예측된다.

 

(AN/ASQ-239 Racks)

 

Amplitude Comparison 방식의 RWR의 경우는 수신 안테나 수가 4개 정도이므로 LRU의 RF 포트 수도 4개 정도이며 다음의 그림처럼 생긴 것이 일반적이다.

 

(읿반적인  RWR 의  RF  포트  – Elisra 사의  SPS-45)

 

 

그런데 ESM 수신기와 같이 Phase 탐지를 통해 정밀한 신호 탐지가 가능한 시스템은 어레이 안테나를 사용하고 자연적으로 RF 포트가 많아지게 된다.

이러한 경우에 위와 같은 RF 포트를 사용하면 공간적으로 많은 부분을 차지하게 되어(RF 케이블을 체결하거나 풀 수 있도록 포트 간 특정 간격을 두어 설치해야 하기 때문에) 결과적으로 Rack 자체의 사이즈가 커지게 된다.

F-35도 많은 수신 어레이 안테나를 적용하고 있으며 이와 같은 문제를 해결하기 위해 RF포트가 bundle 처럼 모여있는 형태를 적용했음을 알 수 있다.

이러한 포트는 Times Microwave Systems 사의 “M8 Multi-Port Interconnection System”을 적용한 것으로 생각된다.

 

(M8 Muti-Port Interconnection System)

 

이 시스템은 20 GHz까지 안정적인 삽입 손실을 갖으며 100dB 수준의 채널간 isolation, 그리고 Phase matched 시스템에 적용 가능하다고 한다.

 

마지막으로 Rack 2B를 보면, 오른쪽에 포트가 두 개 보이는데 이는 액체 냉각 입력 포트와 출력 포트가 아닐까 생각된다.

Rack 내부에 꽤 많은 모듈이 포함되어 있으므로 분명 발열이 많이 있을 것으로 생각되는데 바람이 들어가거나 빠져나가는 구명이 안보이므로 강제 공기를 통한 냉각 방식은 아닐 수 있고 두 개의 포트가 액체 냉각을 위한 포트처럼 보인다.

즉, 이 Rack은 액체 냉각 방식을 적용하고 있을 것으로 추측 된다.

Rack 2A도 DRFM을 포함한 신호 생성 및 증폭부들이 있다면 동일한 액체 냉각 방식을 적용하고 있을 것이며 그림에는 안 보이지만 반대면에 냉각 포트가 있을 것으로 생각된다.

일반적으로 전자전 장비는 RF 증폭 소자들이 많이 있고 이러한 데서 발열이 집중적으로 발생하므로 효율적으로 열을 식히기 위해 액체 냉각을 주로 사용한다.

 

 

다음은 F-35 전투기 전자전 시스템의 수신 안테나에 대해 알아보겠다.

전자전 안테나는 앞에서의 그림에서 보듯이 레이다를 제외하고 6군데에 위치해 있다고 한다.

안테나의 모양은 AN/ASQ-239 브로셔에 의하면 다음의 그림처럼 생겼다.

 

 

(F-35 RWR/ESM 안테나)

 

 

안테나 aperture는 총 6군데에 위치하며 Band 3과 Band 4 대역을 수신한다고 되어 있으며, 정확한 주파수 범위는 알 수 없다. 개인적인 생각으로는 6~18 GHz가 아닐까 생각된다.

확실하지는 않지만 위의 그림에서 두 조각으로 보이는 안테나 aperture는 서로 조합하여 Band 4 주파수 대역과 그보다 좀 낮은 Band 3 주파수 대역을 커버할 것으로 생각된다.

 

안테나 어레이는 그림에서도 Azimuth 뱡향으로 되어 있고 Elevation 방향으로는 어레이가 없는 것으로 보이므로 Elevation 방향으로의 신호 탐지 정확도는 높지 않을 것으로 보인다.

다만, F-35는 위협 정보 수신에 있어 전방의 AESA 안테나 어레이를 활용할 수 있기 때문에 이를 통해 Elevation 방향으로의 신호 탐지 정확도를 높일 수 있을 것으로 생각된다.

 

안테나 aperture는 traveling wave-notch element로 설계되었다고 한다.

특징은 넓은 주파수 범위에서 일정한 빔폭을 유지함으로써 수신 이득이 안정적인 것과 항공기의 RCS 측면에서도 RCS를 키우지 않는다는 장점이 있다.

 

각 안테나 aperture는 aperture electronics라는 모듈에 연결되며 여기서는 안테나로부터 들어오는 RF 신호의 탐지와 증폭을 수행한다고 한다.

 

이후 RF 신호는 switch matrix와 tuner를 거치고 광대역의 디지털 수신기로 들어간다.

위에서도 언급했던 전자전 시스템의 모드 중 고이득(High Gain) 모드시에는 전방의 AESA 안테나를 통해 수신되는 신호도 이 switch matrix로 연결된다.

 

F-35 전자전 시스템 중 위협 RF 신호의 수신은 LBI(Long Baseline Interferometry) 방식을 적용하는 것으로 보이며, 위의 그림에서와 같이 전방은 좌/우로 나뉘어 wing의 root 부분의 어레이와 tip 부분의 어레이를 사용할 것으로 생각되며 후방은 wing의 끝과 끝에 있는 어레이를 이용한 LBI를 구성할 것으로 생각된다.

LBI에 대한 내용은 이 블로그 EW Technology에 있는 “AOA Measurement”에에 설명하였으므로 여기서는 넘어가도록 하겠다.

 

AOA (Angle-Of-Arrival) Measurement - 신호 방향 탐지

 

F-35가 위의 그림과 같이 LBI를 적용할 것이라는 것은 어디까지나 개인적인 생각이며 보이는 안테나 aperture의 모양과 위치를 근거로 높은 방향탐지 정확도를 구현하기 위해서는 이렇게 돼야 하지 않을까라는 개인적인 추측이니 심각하게 받아들이지 않았으면 좋겠다.

 

F-35 전자전 시스템 중 RF 위협 신호의 수신기능을 요약하면 자체적인 안테나 어레이와 LBI를 이용한 신호 수신과 emitter geolocation이 가능하고 전방의 AESA 안테나를 이용하여 높은 수신 이득을 통해 보다 정확한 신호 수신과 emitter location을 수행하는 HG 모드, 그리고 2대 이상의 전투기간 데이터를 통해 emitter의 위치를 확인하는 multi-ship 모드가 있는 것으로 보인다.

Multi-ship 모드에 대한 내용도 이 블로그의 “위협원 위치 탐지”에 설명되어 있으니 참고하면 좋을 것 같다.

 

위협원 위치 탐지 – 수동 거리 측정 기법 (Emitters Locationg – Passive Ranging Techniques)

 

1부는 여기서 마치고 2부에서는 F-35 전자전 시스템 중 Countermeasure에 대한 내용을 알아보겠다.