Chaff의 특성과 이를 이용한 전자전에서의 운용에 대한 내용으로 1부에서는 Chaff가 갖는 다양한 특성과 Chaff의 효과도를 결정하는 인자에 대해 설명한다.
일반
Chaff는 영국 공군이 세계 2차 대전에서 처음 사용하였으며 “WINDOW”라는 작전명으로 1943년 7월 야간 폭격 시에 금속제 호일(foil)을 공중에 뿌렸다.
이 호일 꾸러미는 표적에 접근할 때 각 폭격기에서 뿌려졌다.
이러한 방해로 독일의 AAA 화력제어 레이다와 GCI(Ground Control Intercept) 레이다를 거의 무용지물로 만들었다.
이러한 성공적인 작전으로 인해 남은 전쟁 기간 폭격기에서 Chaff를 적용하는 것은 표준화 전략이 되었다.
Chaff는 가장 널리 사용되고 있으며 효과적인 투발형 전자 공격(EA) 방법이다.
다중의 금속성 레이다 반사체로 구성되어 레이다 동작을 방해할 수 있는 큰 볼륨의 레이다 클러터를 형성한다.
레이다 획득과 거짓 표적의 생성, 그리고 레이다 추적 방해를 위해 대기중으로 발사된다.
이러한 Chaff는 제한된 시간 동안 항공기에서 투발 되도록 설계된다.
비록 레이다 시스템이 개발되고 발전되어도 Chaff는 여전히 매우 효과적인 EA 방법이다.
베트남 전쟁과 1973년 YOM Kippur 전쟁, DESERT STORM 작전등에서 Chaff는 레이다 위협에 대해 여전히 효과적인 요소임을 입증하였다.
특히, Chaff는 자체 보호 재밍과 항공기의 기동이 더해질 때 효과가 높다.
[Chaff의 두 가지 기본적인 전술]
Chaff 스크리닝(screenig)과 자체 보호는 두 가지의 기본적인 Chaff 적용 전술이다.
지역 포화와 Chaff 회랑(corridor)을 포함한 Chaff의 스크리닝 전술은 지대공 미사일을 지원하는 조기 경보 레이다나 GCI, 획득 레이다에 표적 획득을 하지 못하도록 설계된다.
자체 보호 전술은 획득과 표적 추적 레이다(TTR, Target Tracking Radar)에 대항하기 위한 전술이다.
이 전술은 재밍과 항공기의 기동과 함께 사용되어 SAM이 발사되었을 때 TTR이 추적을 놓치거나 생존을 위한 오차 거리(miss distance)를 만든다.
[Chaff의 특성]
Chaff가 어떻게 레이다 시스템에 영향을 주는지를 알기 위해서는 먼저 Chaff의 특성을 이해하는 것이 중요하다.
가장 중요한 Chaff의 특성은 레이다 반사 면적(RCS, Radar Cross Section)과 주파수 범위, 퍼지는 속도(bloom rate), 도플러 정보, 편파, 그리고 지속성이다.
Chaff의 특성 - RCS
RCS는 표적으로부터 레이다 방향으로의 순수한 재복사 에너지의 측정값이다.
항공기 RCS는 크기, 모양, 표면의 재질, 형상, 그리고 레이다 방향으로의 각도에 따라 변화한다.
다음의 그림은 항공기 RCS 각도에 따른 영향을 보여준다.
RCS가 가장 클 때는 항공기의 각도가 90° 일 때 또는 레이다에 대해 abeam이 될 때이다.
RCS가 가장 작을 때는 항공기의 각도가 30~70°일 때와 110~150°를 이룰 때이다.
또한, RCS는 주파수에 따라 변화하기 때문에 상대 레이다의 주파수도 중요 요소가 된다.
Chaff가 효과를 발휘하려면 항공기 RCS보다 더 큰 RCS를 생성하기 충분한 많은 양이 발사되어야 한다.
[RCS 측면에서의 주파수]
Chaff의 RCS는 상대 레이다의 주파수와 항공기의 상대적인 위치 또는 각도에 따라 달라진다.
다음의 그림은 단일 RR-170 Chaff의 주파수에 따른 RCS 특성을 나타낸다.
그림에 따르면 가장 큰 RCS는 3 GHz에서 발생한다.
그러나 대부분의 SAM TTR은 2~18 GHz 대역에 포함되어 있으며 RR-170 Chaff의 RCS는 50m2을 넘는다.
일반적인 전투기의 RCS는 1에서 10m2 정도이기 때문에 주파수와 각도 측면에서 RR-170 Chaff는 항공기 RCS를 커버하기에 충분할 수 있다.
[RCS 측면에서의 각도]
항공기와 Chaff 번들(bundle) 간에 각도는 상대 레이다에 보이는 Chaff RCS에 영향을 준다.
Chaff 번들과 항공기가 상대 레이다에 직각 방향이 될 때 즉, abeam일 때 가장 큰 RCS를 갖는다.
RCS가 최소가 될 때는 레이다가 항공기 정면에 있을 때 또는 항공기 후방에 있을 때이다.
상대 각도는 자체 보호 기동과 Chaff 발사 전술에 있어서 매우 중요한 요소이다.
[RCS측면에서의 Chaff 다중 발사]
다중의 Chaff 번들을 동시에 발사하는 것은 Chaff의 RCS를 키우는 측면에서는 반드시 필요한 사항이 아니다.
다중의 번들은 Chaff의 밀도를 증가시킬 수 있지만 항공기의 자체 보호 기능에 직접적인 향상을 가져오지는 않는다.
Chaff의 다중 발사는 위협에 대항하기 위한 Chaff 디스펜서의 투발 속도를 개발하는 데 있어서 중요한 고려사항이 된다.
편파 - Polarization
Chaff의 각 가느다란 조각은 레이다로부터 받은 전자기 에너지를 재방사하는 다이폴(쌍극자) 반사체이다.
이 가느다란 조각의 가장 최적의 크기는 상대 레이다 RF 파장의 절반이 되는 크기이다.
그러나 단일 크기로 잘린 조각은 커버하는 주파수 범위가 좁아 효과가 제한되기 때문에 일반적으로 서로 다른 길이의 조각들이 패키징되어 넓은 범위의 주파수 범위위를 커버할 수 있도록 만든다.
(크기)
많은 연구과 개발을 통해 Chaff의 사이즈는 줄어들고 자체 보호의 효과는 증가하였다.
Chaff에는 다양한 크기와 모양, 그리고 재료가 있다.
전투기에 탑재되는 대부분의 Chaff는 작은 알루미늄 조각에 나일론이나 섬유유리로 코팅되어 만들어진다.
이러한 작은 조각들은 다양한 크기로 잘라지고 번들 속에 압축되어 들어가 있어 전투기가 탑재할 수 있게 작게 만들어진다.
이러한 조각들은 Chaff 카트리지에 패키징되고 전투기의 디스펜서 내부에 끼어진다.
폭발성 squib 조립체는 디스펜서로부터 카트리지를 밀어내는 역할을 하고 Chaff는 공중에 흩뿌려지게 된다.
가능한 많은 다이폴 반사체를 뿌려 최대의 RCS를 만들어내기 위해서 각 Chaff 번들은 많은 조각들을 포함한다.
각 Chaff 카트리지는 1인치 X 8인치 크기의 카트리지에 거의 3백만 개의 다이폴을 포함하고 있다.
다이폴이 커버하는 주파수는 대부분의 SAM TTR과 공대공 레이다가 포함되어 있는 2~18 GHz 대역이다.
확산 속도 - Bloom Rate
Chaff가 퍼지는 속도인 확산 속도 또한 자체 보호를 위한 Chaff의 중요한 특성 중 하나이다.
자체 보호 Chaff의 효과도는 확산 속도와 Chaff의 RCS, 항공기의 RCS, 그리고 위협 레이다 시스템의 해상도 셀(resolution cell)을 바탕으로 한다.
위협 추적 레이다를 무력화시키는 Chaff의 능력은 Chaff의 발사 속도와 직접적인 관계가 있으며 이는 항공기의 RCS보다 더 큰 Chaff RCS를 결정한다.
Chaff 번들은 반드시 상대 레이다의 해상도 셀 이내에서 확산되어야 한다.
[Chaff 확산 요소 - 공력특성성요소]
Chaff의 확산 속도는 Chaff의 타입과 항공기상의 디스펜서 위치, 그리고 항공기의 난기류(wake turbulence)와 연관된 공력특성 요소에 의존한다.
무겁거나 밀도가 높은 Chaff는 가볍고 밀도가 낮은 Chaff에 비해 상대적으로 빨리 하강하고 확산 속도가 늦는다.
항공기상에서 Chaff 디스펜서의 위치는 Chaff가 발사되는 공기 흐름에 영향을 준다.
그렇기 때문에 가장 이상적인 디스펜서의 위치는 항공기에서 가장 큰 난기류가 일어나는 위치이며 항공기 뒤쪽으로 발생하는 난기류는 Chaff 확산 속도에 영향을 주는 가장 큰 인자일 것이다.
즉, 더 난기류는 더 빠른 확산 속도를 만든다.
Chaff를 투발하면서 항공기의 기동을 주는 것 또한 Chaff의 확산 속도를 증가시킬 수 있는 요소이다.
상대 레이다를 Chaff 방향으로 자동으로 유인하기 위해서 Chaff는 반드시 레이다의 해상도 셀 내에서 확산되어야 한다.
이 레이다 해상도 셀은 레이다 펄스폭과 수평 빔 폭, 수직 빔 폭 그리고 표적까지의 거리를 기반으로 한 3차원 영역으로 표현할 수 있다.
특정 레이다의 해상도 셀과 Chaff의 확산 속도를 고려할 때에 몇 가지 규칙이 적용될 수 있다.
레이다의 펄스폭이 짧을수록 더 빠른 Chaff의 확산 속도가 효과가 있다.
또한 좁은 수평 빔 폭과 수직 빔 폭의 레이다에 역시 Chaff의 확산 속도는 빠를수록 효과가 있다.
Chaff의 도플러 정보
도플러 레이다에 대해 자체 보호를 위한 Chaff는 상대 레이다와 수직을 이룰 때 투발 되는 것이 가장 효과가 높다.
Chaff가 대기 중에 발사되었을 때 각 다이폴의 항력이 주변의 질량에 비해 매우 크기 때문에 즉시 주변 질량의 속도와 동일하게 속도가 느려진다.
레이다에 대한 상대적인 Chaff의 속도가 0이 되기 때문에 레이다 시스템은 도플러 처리와 추적 처리에서 Chaff를 시현하지 않게 된다.
만약 항공기 역시 상대적인 속도가 0이 되지 않는 한 도플러 처리 레이다는 항공기를 계속 추적하게 된다.
그렇기 때문에 항공기의 상대적인 속도가 0이 되도록 레이다에 대한 수직 기동, abeam을 하게 된다.
또한, Chaff 회랑(corridor)과 지역 포화 전술은 이러한 도플러 추적 레이다에 대해서는 효과가 제한된다.
지속성 - Persistence, 편파
Chaff의 지속성은 침투 항공기를 스크리닝 하기 위해 지역 포화 또는 Chaff 회랑 작전 동안 특정 고도에서 Chaff 효과를 유지하는 시간을 의미한다.
지속 시간은 Chaff의 낙하 속도에 의존하며 다이폴의 밀도에 따라 변화한다.
바람이나 온도와 같은 대기의 조건도 Chaff의 지속 특성에 영향을 준다.
일반적으로 저대역의 레이다에 사용되는 더 긴 길이의 조각은 고대역 레이다를 위한 짧은 길이의 조각에 비해 낙하속도가 빠르다.
Chaff 회랑이나 지역 포화의 시작과 스크리닝 할 항공기의 도착 간의 시간은 이러한 지속 시간을 결정하고 Chaff의 낙하 속도는 이러한 작전을 구상하는데 중요한 고려 사항이 된다.
만약 Chaff가 너무 빨리 투발 되면 정확한 고도에 있을 수 없거나 침투 항공기를 스크리닝 하는데 효과적이지 않는 위치에 퍼져있을 수 있게 된다.
[편파]
각 Chaff 조각은 양 끝에 양극과 음극을 갖는 극성 다이폴이며 이 조각의 방향에 따라 극성이 결정된다.
양극과 음극을 갖는 Chaff 조각이 수직으로 서있으면 수직 편파가 되며 수평으로 서면 수평 편파가 된다.
Chaff 조각은 초기에 난기류에 의해 영향을 받기 때문에 다이폴의 방황과 편파는 빠르고 무작위로 바뀌게 된다.
그리고 최종적으로 두 개의 그룹으로 나뉜다.
하나는 수평으로 떨어지는 것이고 다른 하나는 수직으로 떨어지는 것이다.
보통 수직 방향으로 선 조각이 수평으로 선 조각보다 더 빠르게 떨어지기 때문에 더 낮게 형성된 Chaff 구름은 수직 편파를 갖게 되며 반면에 위쪽에 형성된 Chaff 구름은 수평 편파를 나타낸다.
수직 편파를 갖는 레이다는 위쪽의 Chaff 구름에 의해서는 영향을 덜 받게 된다.
만약 이 스크리닝을 해야 하는 항공기가 영역을 통과하면 레이다에 의해 탐지되게 될 것이다.
그렇기 때문에 이 부분 또한 영역 포화나 Chaff 회랑 작전 계획 시에 고려해야 하는 요소가 된다.
여기까지 Chaff 효과를 위한 특성에 대해 알아봤다.
다음 2부에서는 이러한 특성을 이용한 Chaff 운용적 특징에 대해 알아보겠다.
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