여기서는 항공기를 보호하는 다양한 플레어 타입과 이와 관련된 안전 이슈들, 그리고 최신의 적외선 미사일 시켜인 영상 추적기에 대해 공부한다.
플레어 운용 시 안전 이슈
IR 플레어는 상당한 양의 에너지와 열을 매우 빠르게 만들어낸다.
이러한 이유 때문에 IR 플레어는 활용에 있어서 몇 가지 심각하게 고려해야 할 안전사항들이 있다.
미 해군은 둥근 형태의 플레어를 사용하며 모두 직경 36 mm와 길이 148 mm의 동일 규격을 가져야 한다.
미 공군과 육군의 플레어는 1x1 인치 또는 1x2 인치와 8 인치의 길이 규격을 갖으며 공군의 경우는 2x2x8 인치의 플레어를 사용하기도 한다.
이러한 것들은 모두 NATO 규격 크기이다.
큰 플레어는 대형 항공기 엔진에서의 IR 프로파일을 극복하기 위해 더 큰 에너지를 만들어낸다.
다양한 국가들과 항공기에서 추가적인 크기와 모양의 수 많은 플레어들을 사용한다.
모든 타입의 플레어들은 항공기에서 발사되어 열추적 미사일로부터 항공기를 보호하기 위해 사용되며 Pyrotechnic 또는 Pyrophoric이다.
[ Pyrotechnic Flares ]
Pyrotechnic 플레어는 전기적 점화를 이용하여 항공기로부터 발사된다.
다음의 그림은 pyrotechnic 플레어의 모습을 나타낸다.
플레어 페이로드는 pyrotechnic 팔레트로 반드시 점화되어야 하며 플레어를 발사하는 에너지 또는 발사 에너지에 의한 2차적인 에너지로 점화된다.
초기 플레어의 팔레트는 magnesium-Teflon(MT)과 다양한 재료의 혼합으로 만들어졌다.
이러한 MT 플레어들은 매우 높은 온도에서 타며 미사일 시커를 교란하기 위한 에너지 차이를 만들어낸다.
이러한 타입의 플레어는 여전히 많이 사용되고 있으나 이전에 공부한 것과 같이 마그네슘이 타는 스펙트럼 영역에서 반응하지 않도록 설계된 이중 칼라 센서에 대응한 플레어들이 있다.
이러한 플레어를 스펙트럼 일치 플레어라 부른다.
이러한 스펙트럼 일치 플레어들은 저대역과 중간 대역의 IR에서 정확한 에너지 비를 생산하도록 하는 pyrotechnic 재료가 연소되며 실제 연소 온도는 훨씬 더 높다.
일반적으로 안전 문제들은 이러한 최근에 개발된 플레어 타입에 있다.
[ Pyrophoric Decoy Devices ]
Pyrophoric 디코이 장치들은 때때로 cool 플레어라고 불리지만 실제로는 플레어로 불리는 것이 적절하지 않은데 그 이유는 이들은 실제 타지 않기 때문이다.
이들은 실제로 매우 빠르게 산화하면서 눈에는 보이지 않는 IR을 발산한다.
아래의 그림은 pyrophoric 디코이 장치를 보여준다.
초기에는 pyrophoric 디코이 장치는 액체를 사용했었다.
그러나 이것은 매우 위험하고 다루기가 힘들다고 판단되어 이제는 pyrophoric 포일 페이로드를 사용한다.
기본적으로 공기 중에 노출되었을 때에 빠르게 산화될 수 있도록 많은 다공 표면을 갖는 얇은 메탈 포일을 제조한다.
이러한 것은 타지 않으며 연기를 내뿜고 흐릿한 붉은빛을 낸다.
그렇기 때문에 페이로드를 발사할 때의 에너지에 의한 섬광을 제외하고는 밤이나 낮에 눈으로 볼 수 없다.
1~2 밀리미터 두께의 포일은 둥근 또는 사각형의 디코이 몸체에 맞도록 잘려지고 큰 단면적을 형성한다.
만약 디코이가 정확한 온도에 있다면 파장 대 에너지 프로파일은 흑체 방사 특성과 일치할 것이다.
그래서 때때로 흑체 플레어라고 불리기도 한다.
하지만 완벽하게 흑체의 발산 특징과는 일치하지 않기 때문에 더 정확히는 회색 바디 디코이라 부르는 것이 맞다.
Pyrophoric 디코이는 0.5초 보다 빠르게 온도에 도달한다.
[ 안전 이슈 ]
발사를 위한 저항값에 더하여, 전자기 방사 전력 저항을 위한 기준이 존재한다.
우려하는 사항은 플레어를 발사하는 squib이 레이다 신호에 의해 점화될 수 있다는 것이다.
RF 전력으로부터 실제 점화가 되는 것은 위험이 아니다.
하지만 전력이 squib 연결 전선에 결합되는 것이 더 위험하다.
이는 공군에서는 큰 이슈가 되지 않지만 해군의 항공모함과 같이 출발 대기를 하고 있는 항공기들의 강력한 레이다들이 가까이 밀접해 있는 경우에는 심각할 수 있다.
이렇게 항공모함에서 레이다 에너지에 의해서 플레어가 발사된 사고 보고가 있었다.
이러한 위험의 카테고리는 HERO(Hazard of Electromagnetic Radiation to Ordnance)로 알려져 있다.
공중에서 이러한 레이다에 의해서 플레어가 점화되는 사례는 보고된 적이 없다.
최소의 안전 요구조건으로서 대부분의 squib들은 기능적인 것 없이 1 amp의 전류를 견딜 수 있도록 요구된다.
이들은 1 옴의 저항을 갖고 있기 때문에 1W는 1 amp를 만들어낸다.
미발사 기준은 일반적으로 1 amp이고 모든 발사 규격은 보통 4~5 amps이다.
레이다와 같은 RF 소스로부터의 에너지를 줄이기 위해 lowpass 필터를 갖도록 하는 HERO-safe squib들도 있으나 많이 사용하지는 않는다.
[ 제한 기능 테스트 ]
의도하지 않은 플레어 점화와 ejection 실패등에 대한 우려는 제한 기능 테스트에 대한 요구를 하게 되었다.
이 테스트에서는 튜브를 막고 플레어를 발사하여 완전히 연소되도록 만든다.
이 테스트에 대한 통과 기준은 여러 기관마다 다르지만 일반적으로는 플레어 디스펜서를 포함해서 피해가 없어야만 한다는 것이다.
[ Bore Safety ]
Pyrotechnic 플레어들은 bore safety 장치인 슬라이더를 가질 수 있다.
이러한 장치는 플레어가 매거진을 모두 빠져나올 때까지 점화되는 것을 방지한다.
그러나 이러한 것은 범용적으로는 사용되지 않는데 그 이유는 종종 플레어가 매거진 내에서 점화되기 때문이다.
연소 가스는 즉시 플레어를 사출 시키며 플레어 디스펜서나 항공기에는 피해를 주지 않는다.
[ Flare Cocktails ]
플레어는 미사일 공격에 효과적으로 대응하기 위해서 일반적으로 두 개 또는 세 개의 조합으로 발사된다.
플레어의 조합과 순서는 위협에 대한 최적의 대응에 맞게 선택된다.
영상 추적기 (Imaging Trackers)
미사일의 영상 적외선 추적기는 초점면 배열(Focal Plane Array)의 상업적 개발로부터 큰 도움을 받았으며 매우 중요한 운용적 요소가 되었다.
영상 추적기는 비행기로 보이는 표적에 초점을 맞추기 때문에 IR 디코이로부터 표적을 구분해 낼 수 있다.
초기의 영상 추적기는 FOV 내에서 한 장면을 캡처하기 위해 스캔하는 선형 배열을 사용하였다.
이러한 추적기들은 크고 무겁다(약 40 파운드 수준).
무기화된 FPA(Focal Plane Array)의 발전은 이제 추적기의 256x256 픽셀을 갖는 배열을 무게 8 파운드 수준으로 구현할 수 있으며 여기에는 장시간 연속적인 운영을 위한 재사용 냉각기도 포함된다.
다음의 그림은 거리 측면에서 표적 항공기를 커버하는 픽셀의 수를 나타낸다.
일반적인 획득 거리인 10 km에서 표적은 1 또는 2 픽셀이다.
5 km의 거리에서는 4x4 픽셀로 표적을 커버할 수 있으며 1 km에서는 20x20 픽셀, 500m에서는 40x40 픽셀, 그리고 250m에서는 80x80 픽셀로 표적을 커버한다.
영상 추적기는 3 microns의 대기 윈도 영역에서 동작하며 여기서의 화염 시그니쳐가 최고가 된다.
이러한 FPA는 indium antimonide 센서를 사용하며 77k까지 냉각된다.
[ 영상 추적기의 교전 ]
다음의 그림과 같이 영상 추적기는 acquisition, mid-course, 그리고 end game의 세 단계로 이뤄지며 각 단계는 각각의 도전적인 과제들이 있다.
[ Acquisition 단계 ]
Acqusition 단계에서 표적은 회색 백그라운드 위에 흰색 점과 같이 보인다.
여기서의 큰 도전 과제는 열적 신호 대 잡음 비이다.
추적기 돔의 공력 가열은 열잡음의 주된 원인이며 많은 개발 노력이 이 돔의 최적화에 집중되었다.
돔의 재료는 물리적으로 비에 의한 영향성에서 강해야 하면서 관심 있는 스펙트럴 영역에서의 광학적 특성도 우수해야 한다.
현재의 주 된 재료는 합성 사파이어이며 다음의 그림과 같이 평평하게 잘려서 비행경로에 특정 각을 갖도록 설치된다.
[ Mid-Course 단계 ]
Mid-course 교전 단계 동안에는 UV, IR 그리고 때때로는 레이다 미사일 경고 시스템에 의해 미사일 접근이 탐지되고 초기 대응책이 실행된다.
Mid-course에서의 주 된 도전 과제는 이러한 대응책들을 제거하는 것이다.
대응책은 디코이를 통해 미사일을 항공기로부터 멀리 떨어뜨리는 것이나 또는 재머로 미사일 추적기의 동작을 방해하는 것이 있다.
표적을 계속해서 추적하기 위해 추적기는 반드시 표적과 디코이를 구분하여 이를 제거할 수 있어야 한다.
디코이는 추적기의 파장대에서 큰 에너지를 통해 추적기의 주위를 끄는 것이다.
이중 칼라의 추적기나 각도 또는 상승 시간 디코이 구분 능력의 추적기를 교란하기 위한 디코이가 있다.
그러나 영상 추적기는 물리적인 크기나 모양에 의해 디코이를 구분할 수 있기 때문에 디코이가 교란하기는 매우 어렵다.
영상 추적기가 표적을 추적하고 있고 디코이가 표적으로부터 전개되었을 때, 추적기는 복잡한 소프트웨어를 실행하여 상관 추적을 시작한다.
추적기는 새로운 에너지 소스가 최근에 추적하던 모양과 동일한지를 비교하게 되고 그렇지 않다면 새로운 에너지는 제거되고 기존의 에너지를 계속해서 추적하게 된다.
Mid-course 중, FPA는 항공기 표적의 경우 보통 7x7 또는 9x9 픽셀을 갖는다.
다음의 그림은 7x7 픽세로 보는 표적과 플레어, 그리고 gray-body 디코이를 보여준다.
주목할 것은 표적은 수신한 에너지가 픽셀에 복잡하게 보인다는 것이다.
플레어는 일반적으로 작기 때문에 에너지가 한 픽셀에 모여있다.
Gray-body 디코이는 에너지가 마치 표적과 같이 다중의 픽셀에 퍼져있다.
이러한 타입의 디코이는 빠르게 산화되는 포일 조각들로 구성되어 공중에 넓게 퍼진다.
그러나 에너지 패턴의 모양은 표적과는 다르다.
중요한 것은 저장되어 있는 항공기의 모양과 다르게 생겼다는 것이다.
그래서 추적기는 바로 직전에 보였던 에너지 패턴과 다른 에너지를 제거할 수 있다.
레이저 재머는 이러한 영상 추적기에 심각한 방해를 줄 수 있는데 그 이유는 강한 에너지를 추적기의 FPA에 주입함으로써 포화시키거나 또는 배열을 손상시켜 표적 추적을 방해한다.
많은 IR 추적기의 대응책들을 대응하기 위해 추적기의 성능은 하드웨어와 소프트웨어 측면에서 계속해서 발전해 왔으며 이는 또한 재밍 전술의 향상도 동반하였다.
[ End Game 단계 ]
End game 동안, 미사일 추적기는 많은 양의 에너지를 받으며 표적에 많은 픽셀이 할당된다.
이러한 미사일의 마지막 몇 초에 최대의 피해를 주기 위해 최적의 포인트를 찾는 것은 매우 힘든 일이다.
아래의 그림처럼 높은 치명도의 목표 지점은 조종실과 엔진 또는 항공기의 연료 탱크가 될 수 있다.
만약 FPA의 각 엘리먼트에서 센서 에너지 레벨이 10 비트로 양자화되면 FPA의 동적 범위는 약 30dB가 되고 이는 충분히 조종실과 다른 취약 부위를 구분할 수 있는 수준이 된다.
여기까지 플레어의 운영 및 IR 미사일의 영상 추적기에 대해 알아봤다.
다음은 마지막으로 영상 추적기를 기만할 수 있는 레이저 기반의 재머에 대해 알아보겠다.
출처 : EW 104
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