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J. KIMS Technol > Volume 27(3); 2024 > Article
한국형 전투기(KF-X) AESA 레이다 개발 검증을 위한 점진적인 시험평가 전략

Abstract

This paper describes a progressive test and evaluation strategy for verification of Korean Fighter eXperimental (KF-X) AESA(Active Electronically Scanned Array) radar development. Three progressive stages of development test and evaluation were officially performed from simulated test conditions to actual operating conditions according to standards: radar function/performance and avionics integration. KF-X AESA radar development is repeatedly verified by progressive stages consisting of five tests: Roof-lab ground test, System Integration Laboratory(SIL) ground test, Flying Test Bed(FTB) test, KF-X ground test, and KF-X flight test. As a result, the risk factor decreases as stages and tests progress. Therefore, development test and evaluation of KF-X AESA radar are successfully performed at low development risk.

서 론

2014년 최초 국내 개발 전투기인 한국형 전투기의 개발이 결정되면서, 전투기의 성능을 좌우하는 핵심 임무 장비인 AESA 레이다[1-6]는 국내연구 개발의 한계로 관련 기술을 미국으로부터 이전받을 계획이었다. 하지만 미국이 이를 거부하자 AESA 레이다의 국내 독자개발을 추진하였고 그 당시 주어진 기간에 해외기술의 이전 없이 개발이 어려울 것이라는 비관론이 팽배하였었다. AESA 레이다가 플랫폼인 KF-X 시제기와 함께 개발하기 때문에 AESA 레이다를 KF-X 탑재 전에 검증/평가할 적합한 비행시험 수단이 없었고, 공대공/지/해 등 다양한 모드와 기능을 지닌 다기능 레이다의 특성상 제한된 기간 내에 많은 기능과 모드를 개발하고 국내에서 평가하기가 어려울 것이라는 우려가 컸다. 그러나 위와 같은 우려를 불식시키고 최근 AESA 레이다는 잠정 전투용 적합 판정을 획득하여 양산을 눈앞에 두고 있다. 이와 같은 결과는 단계적인 시험평가를 통한 점진적인 검증이 아니었다면 불가능하였을 것이다. 그러므로 본 논문에서는 국내최초 AESA 레이다 개발이며 초기 전투기 부재 상황을 극복하고 성공적으로 개발과 검증을 할 수 있었던 레이다 기능/성능과 항전 연동에 따른 점진적인 3 단계 시험평가 전략에 대하여 다루며, 다음 장에서는 단계별 특징에 관하여 설명된다.

AESA 레이다 개발 검증을 위한 3단계 시험평가

KF-X AESA 레이다는 레이다 단독 장비가 아니라 전투기에 탑재되는 장비이기 때문에 AESA 레이다에 대한 전반적인 기능 및 성능과 KF-X 체계 연동을 나누어서 Fig. 1과 같이 시험평가를 수행하였다. 레이다의 전반적인 기능 및 성능은 RF 방사를 통하여 표적 탐지/추적 성능을 확인하는 것을 목표로 하며, 주요 시험 항목으로 다표적 동시추적, 추적정확도, 최대 탐지 및 추적거리 등이 있다. 항전 연동은 이더넷과 이산신호들을 통해 다양한 항전 장비들과 신호를 주고받는 기능을 확인하는 것을 목표로 하며, 주요 시험항목으로 임무컴퓨터 연동, 항공기 착륙장치 연동, 항공기 환경제어장치 연동 등이 있다. 전술한 바와 같이 AESA 레이다와 KF-X 플랫폼 제작이 병행되는 관계로 AESA 레이다의 전반적인 기능 및 성능 검증을 위한 연동장비는 모의장비로 구성되었다. KF-X 비행시험 전에 AESA 레이다의 실장비 항전 연동 시험은 실장비가 연동되는 별도의 지상시험 시설에서 모의장비가 아닌 실장비를 이용하여 수행하였다.
Fig. 1.
Classification of test and evaluation: 1. radar function/performance 2. avionics integration with KF-X fighter
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AESA 레이다의 시험평가는 Fig. 2와 같이 단계별 시험평가로 점진적으로 진행하여 최종적으로는 실운용환경에서 검증하였다. 시험평가 1단계에서는 지상시험인 Roof-lab 지상시험과 SIL(System Integration Laboratory) 지상시험으로 이루어지며, 시험평가 2단계에서는 복합(비행+지상)시험으로 FTB 비행시험과 KF-X 지상시험으로 이루어진다. 그리고 마지막 3단계는 AESA 레이다 실운용환경인 KF-X에 탑재되어 비행하며 시험하게 된다. 주요 항목들은 단계마다 정확한 검증을 위해 다양한 시험환경에서 반복하여 시험하기 때문에 같은 시험항목들은 단계를 거듭하면서 시험평가에 대한 위험도가 완화되도록 구성하였다. 예를 들면 주요시험 평가 항목인 최대 탐지/추적 거리와 다표적추적 같은 항목들은 시험평가 단계마다 다른 조건(지상과 비행, 표적모의와 실표적)에서 수행하면서 단계적으로 실환경과 유사한 시험이 되도록 하였다. 시험평가 2단계까지 대부분의 AESA 레이다 기능과 성능이 검증되었기 때문에 결과적으로 시험평가 3단계인 KF-X 비행시험에서는 낮은 위험도에서 최종 확인의 성격을 띠게 된다.
Fig. 2.
Three-stage test and evaluation of AESA radar
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2.1 시험평가 1단계(실방사 + 표적모의 + 항전연동)

시험평가 1단계인 Roof-lab 지상시험은 Fig. 3과 같이 공중 환경에서의 지상클러터가 적은 환경을 모의하기 위해 지형적으로 높은 건물의 상단에 Roof-lab 시설을 구축하였다. 항전장비 간 통신을 모의하기 위해 항전모의기를 설치하였고, 항공기와 같은 자세를 지상에서 모의하기 위해 플랫폼 모사기를 사용하였다. 표적/재머모의기는 AESA 레이다가 방사한 RF 를 수신하여 표적을 모의한다. Roof-lab[6] 지상시험은 AESA 레이다에서 실방사를 하면서 모의표적을 이용하여 레이다의 기능 및 성능을 평가한다. 또 다른 시험평가 1단계인 SIL 지상시험은 AESA 레이다를 방사하지 않고 표적을 모의해 주지만 Roof-lab 지상시험에서 항전모의를 하였던 부분을 SIL 지상시험에서는 실장비인 MC(Mission Computer)로 직접 연동하여 항전 연동 평가를 한다(Fig. 4)[7]. 종합적으로 시험평가 1단계에서는 지상에서 모의표적을 이용하여 방사시험을 하고 별도의 실장비로 항전연동을 수행하였다.
Fig. 3.
Roof-lab ground test conditions in first stage test and evaluation
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Fig. 4.
SIL ground test conditions in first stage test and evaluation
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1단계 시험평가의 가장 큰 특징은 표적을 모의하는 것이다. 표적/재머모의기를 통하여 현실에서 항공기 기동이 불가능한 조건도 시험가능하며, 다중표적이나 군집표적도 손쉽게 시험 할 수 있다. 예를 들면 AESA 레이다의 최고 표적속도의 요구범위가 실표적으로 가능한 속도를 넘어가기 때문에 실제 비행에서는 구현 불가능하지만 표적/재머모의기를 활용하면 시험 결과를 확인할 수 있다. 이 때, 표적/재머모의기의 신뢰성 확보를 위해 ‘검증, 확인 및 인정(VV&A)’ 절차를 적용하였으며, 그 결과로 비행시험에서 구현이 불가능한 시험 항목을 표적/재머모의기를 통해 충분히 확인할 수 있었다. 또한 다른 시험평가 단계와 달리 여러 항목을 손쉽게 사전에 시험할 수 있기 때문에 복잡한 시험절차로 인해 발생할 수 있는 인적오류를 최소화 할 수 있다.
하지만 Fig. 5와 같이 모의된 표적은 직선으로 기동하는 한계성을 가진다. 고정된 마스트에서 표적을 모의하기 때문에 다양한 방위각/고각에서의 자유로운 기동을 하는 표적 모의에 제한이 있다. 또한 지상에서 고정되어 있기 때문에 표적과 레이다간 각도 변화와 자세 변화의 영향성이 배제되고, 건물(기둥, 안전바) 및 지형을 포함한 지상 클러터의 영향을 받는다. 이렇게 실운용환경과 상이한 점은 시험평가 2단계에서 보완하여 시험평가를 수행하였다.
Fig. 5.
Limitation of target simulator
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2.2 시험평가 2단계(실방사 + 실표적 + 항전연동)

시험평가 2단계인 FTB 비행시험은 전투기에 비하여 기동에 제약이 있지만 실제 KF-X 레이돔 내 장착 후 비행을 할 수 있고 레이다 방사시험을 통해 실표적에 대한 탐지 및 추적 시험을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. FTB 비행시험은 KF-X 비행시험 전 레이다의 기능 및 성능을 비행 환경에서 검증할 수 있는 최적의 방법이라고 할 수 있다. 다만 Roof-lab과 마찬가지로 FTB에 탑재된 AESA 레이다는 모의 장비와 연동되므로, 시험평가 2단계에서도 지상에서 추가로 실장비로 항전 연동 검증을 수행한다. 이때의 실장비 지상 연동 시험은 1단계의 SIL 환경이 아닌 실제 KF-X 에 탑재된 상태에서 수행하게 된다. KF-X 탑재상태에서 실제 케이블, 라우팅, 장착위치 조건에서 연동 시험평가가 이루어진다는 점에서 장비 간 직접적인 연동과 영향성 평가뿐만 아니라 간접적인 영향성 평가도 이루어진다. 결과적으로 시험평가 2단계는 FTB 플랫폼을 이용한 실방사/실표적 비행시험과 KF-X 플랫폼을 이용한 항전연동 시험을 수행하게 된다. 이는 시험평가 3단계인 최종 KF-X 비행시험을 위한 효과적인 사전 검증이라고 볼 수 있다.
FTB[8,9]Fig. 6과 같이 AESA 레이다를 시험평가하는 목적으로 민항기를 개조하여 만들었기 때문에 FTB 개조 시 레이돔 베이에 센서들을 부착하여 비행상황에 따른 다양한 위치의 온도, 진동, 전압, 전류, 유압, 항법상태 등을 확인 할 수 있다. 이러한 다양한 센서를 통해 센서화면과 항법화면(Fig. 7) 예와 같이 KF-X 비행시험보다 더 많은 곳을 모니터링할 수 있으며, AESA 레이다 동작에 따른 다양한 파라미터를 파악할 수 있다. 그리고 FTB 내에 실시간으로 비행시험 시험 인원이 FTB와 표적기 비행 상태, 시험 진행, 시나리오 진행 경과, 하드웨어 및 소프트웨어 상태 등을 각각 모니터링하고 통신할 수 있다. 그런 점에서 FTB 탑재 시험은 가장 상세한 시험비행 데이터를 기반으로 AESA 레이다를 평가할 수 있는 시험이기도 하다.
Fig. 6.
Modified FTB configuration in second stage test and evaluation
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Fig. 7.
Navigation display of FTB
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FTB 비행시험은 지상시험들과 달리 시험절차가 복잡하고 많은 비용과 시험인원이 필요하기 때문에 철저한 준비가 필요하다. FTB 비행시험을 위한 준비사항은 (1) 기종선택, (2) FTB 개조, (3) 감항인증, (4) FTB 조종사, (5) 정비사, (6) 격납고, (7) 시험용 주파수 승인, (8) 공역 허가, (9) 항행 허가, (10) 공항 보안 협조, (11) 표적기 지원, (12) 시나리오 협의, (13) 날씨 확인, (14) 시험항목 선정, (15) 시험시간 예측, (16) 시험데이터 관리 (17) GPS 추적장비 등이 있다. 이와 같은 일련의 과정들을 철저하게 준비해야 하며, 이러한 세부적인 준비사항은 입증시제 검증을 위한 다수의 비행시험에서 사전에 식별하였고, 식별된 사항을 체계시제 FTB 비행 초기부터 반영하여 전담하는 조직을 구성하였다. 특히 FTB 비행시험은 FTB 조종사, 비행시험 시험인원, 표적기 조종사 간에 충분한 시나리오 검토가 이루어져야하기 때문에 많은 협의가 필요하였다. FTB와 표적기 모두 비행을 하면서 시험평가가 진행되기 때문에 FTB의 불규칙한 인천공항 이륙시간, 시험 공역으로 이동하는 시간, 제한된 연료 문제, 좁은 시험 공역, 고고도의 바람세기와 방향 등 많은 변수를 고려해야 한다. 이러한 변수들을 잘 관리해야 한정된 자원에서 레이다의 요구조건을 비행시험으로 확인하는 평가가 가능하다.
안전 측면에서도 FTB 비행시험은 충분한 협의가 필요하다. 예를 들면 레이다가 탐지하는 실표적의 최고 속도를 위해서는 FTB가 초음속 전투기와 교차하며 소닉붐을 맞는 비행이 필요하며, Fig. 8의 예와 같이 GUN 기능 추적정확도를 위해서는 근접교전 상황의 설정이 필요하다. 그리고 Fig. 9와 같이 FTB도 고도 변화와 뱅크턴이 많이 포함된 시나리오도 요구된다[10]. 이러한 시나리오를 포함한 체계시제 FTB 비행시험에서는 사전에 수행한 비행시험의 경험을 살려 위험요소를 배제할 수 있었고, 효율적인 소티로 레이다의 요구조건을 검증할 수 있었다(Fig. 10). 결과적으로 AESA 레이다의 FTB 탑재 비행시험을 통해 실표적을 대상으로 레이다의 기능 및 성능을 검증하였고, 비행환경에서 항전 모의를 통하여 항전 연동 기능을 확인하는 결과를 얻었다. FTB 비행시험에서 모의장비로 확인한 항전연동 기능은 Fig. 11과 같이 KF-X 지상시험에서 실항전장비로 확인하였으며[11], 이는 KF-X 탑재 AESA 레이다의 운용성에 대한 확신으로 이어졌다.
Fig. 8.
Scenario with highly maneuvering target at short range
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Fig. 9.
Scenario with banked turns of FTB
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Fig. 10.
Optimized flight test trajectory after many experience by RADAR24
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Fig. 11.
KF-X ground test conditions in second stage test and evaluation
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2.3 시험평가 3단계(실방사 + 실표적 + 항전연동)

Table 1은 AESA 레이다의 단계별 시험평가 장소와 시험조건을 보여준다. KF-X AESA 레이다 비행시험 수행 전 시험평가 1단계와 2단계를 거치며 모의 표적을 이용한 기능 및 성능 시험평가는 Roof-Lab에서 수행하였고, 비행 환경에서 실표적을 이용한 RF 방사시험 및 성능은 FTB 비행시험으로 수행하였다. 항전 연동 시험평가는 모의장비를 이용한 시험(Roof-Lab 지상시험, FTB 비행시험)과 실장비를 연동한 시험(SIL 지상시험, KF-X 지상시험)으로 수행하였다. 그 결과 최종 KF-X 탑재 시험평가 3단계에서는 낮은 위험도에서 항전 연동을 포함한 AESA 레이다 기능 및 성능 평가를 성공적으로 완료하였으며, 이와 같은 성공적인 시험평가 결과는 이전의 지상시험 및 FTB 탑재 시험평가의 경험에 바탕을 둔 것이다. Fig. 12는 AESA 레이다 시험평가를 수행한 KF-X 시제기 사진이다.
Fig. 12.
KF-X fighter prototype using AESA radar test and evaluation
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Table 1.
Place and test condition according to stage of AESA radar test and evaluation
시험평가 단계 장소 레이다 기능/성능평가 항전 연동 평가
방사조건 표적 항전연동
시험평가 1단계 Roof-lab 지상시험 지상 실방사 표적모의 항전모의
SIL 지상시험 지상 미방사 표적모의 항전연동
시험평가 2단계 FTB 비행시험 비행 실방사 실표적 항전모의
KF-X 지상시험 지상 미방사 표적모의 항전연동
시험평가 3단계 KF-X 비행시험 비행 실방사 실표적 항전연동

결 론

본 논문에서는 KF-X AESA 레이다의 잠정 전투용 적합 판정 획득에 이르는 일련의 점진적 시험평가 방안에 대해 기술하였다. 레이다 기능과 성능을 검증하는 Roof-lab 지상시험, 실제 항전장비간 연동을 확인하는 SIL 지상시험, 시험항공기를 이용한 FTB 탑재 비행시험, 최종 플랫폼인 KF-X 탑재 비행시험에 이르기까지 다양한 환경에서 레이다를 효과적이고 점진적으로 검증할 수 있었다. 나아가 AESA 레이다는 KF-X 비행시험 이전에 수행한 일련의 시험 단계를 공식적인 시험평가 절차에 포함하여 수행함으로써 시험평가의 객관성을 확보하였고, 최종 플랫폼인 KF-X 탑재 시험평가에서는 시행착오를 최소화하여 최적화된 전투기 탑재 비행시험평가를 수행할 수 있었다.
시험평가 1단계에서는 기본 시험항목을 시험하면서 실표적으로 평가할 수 없는 시험평가 항목은 모의 표적을 이용하여 시험평가를 수행하였다. 시험평가 2단계에서는 실표적과 비행환경 조건을 만들어 실운용환경에 가깝게 시험을 구성하여 시험평가를 수행하였으며, 항전연동 기능은 KF-X 지상시험에서 실제 항전장비로 확인하였다. 그 결과 시험평가 3단계 KF-X 비행시험에서 항전 연동을 포함한 레이다의 기능 및 성능 평가를 완료하였으며, 계획대비 소티수를 단축하여 조기에 시험평가를 완료하는 성과를 얻을 수 있었다. 이러한 시험평가 전략으로 인해 국내 개발 KF-X의 AESA 레이다 최초 시험평가를 성공적으로 완료하고 잠정 전투용 적합 판정을 획득할 수 있었다. 본 AESA 레이다에서 수행한 점진적인 시험평가 프로세스는 향후 유사 과제에서도 발전적인 모델로 다양하게 적용할 수 있을 것이다.

후 기

이 논문은 2024년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방과학연구소에서 수행한 연구결과임(274190001).

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[10] George W. Masters, "Airborne Systems Course Textbook. Radar System Test and Evaluation," Defense Technical Information Center(DTIC), Feb, 1981.

[11] Jane's Defense Weekly. Pushing the envelope: KF-21 achieves additional milestones, April, 2023.



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