현대 항공전에서 사용되는 다양한 형태의 미사일 중 열 추적 미사일은 항공기에서 발생하는 적외선(Infra Red: IR) 신호를 탐지하여 요격한다. 따라서 이러한 열 추적 미사일의 위협을 피하고 항공기의 생존성 및 스텔스 성능 향상을 위해서는 항공기에서 발생하는 적외선 신호를 저감시킬 필요가 있다. 특히 항공기 추진계통은 항공기 다른 부분에 비해 온도가 높아 여기서 발생하는 적외선 신호는 강도가 매우 강한 편으로 열 추적 미사일의 주요 탐지 대상이 된다. 항공기 추진계통에서 발생하는 적외선 신호는 엔진 및 동체 후방에서 발생하는 Surface radiation 과 고온의 배기가스로 인해 발생하는 Gas radiation 으로 나눌 수 있다. 그 중 Gas radiation 은 배기가스의 배출 범위가 넓어 신호 포착이 용이하다는 특징이 있고 Gas radiation 의 특성 상 특정 파장에서만 신호가 불연속적으로 나타나므로 타 열원과 항공기를 구분 짓기 용이하여 항공기 포착에 주요하게 사용되고 있다. 배기가스에 의해 발생하는 Gas radiation 은 배기 온도 및 조성, 비행 환경 등 다양한 요인에 따라 신호 특성이 변화하는데, 선진국에서는 항공기의 적외선 스텔스 성능을 높이고자 이러한 Gas radiation 저감 관련 연구를 다수 수행하였다. 그 중 가장 잘 알려진 방법은 터보팬 엔진의 바이패스 비를 증가시켜 외부 공기와 엔진 배기가스를 혼합하는 방식이다. 이를 통해 엔진 배기가스의 온도를 감소시킬 수 있으며, 궁극적으로 배기가스에서 발생하는 적외선 신호를 저감시킬 수 있다. 그러나 관련 연구는 각국의 기밀사항으로 신호 저감 관련하여 정량적인 데이터가 제시된 사례가 전무한 실정이며, 파장대역별 저감 특성도 확인 불가능하다. 따라서 터보팬 엔진의 바이패스 비 및 측정 각도별 적외선 신호를 측정하여 다양한 조건에서 파장별 특성을 정량적으로 파악한다면 항공기 적외선 스텔스 성능 향상을 위한 중요한 자료가 될 것이다.
본 연구에서는 실험실 수준에서 터보팬 엔진의 바이패스 비 및 측정 각도에 따른 배기가스 적외선 신호 변화를 연구하였다. 터보팬 엔진 배기가스를 모사하기 위해 마이크로 터보제트 엔진에 압축공기를 분사하는 방식으로 엔진 시스템을 구성하였고, 구성된 엔진 시스템의 적외선 신호 특성을 파악하기 위해 적외선 분광계를 사용하여 중-장 적외선 영역에서 파수별 적외선 신호를 측정하였다. 측정된 원 데이터는 흑체를 이용하여 보정하였고 배경 적외선 신호를 측정하고 후처리하여 실제 엔진 배기가스 신호만을 획득하였다. 엔진 배기가스를 적외선 분광계를 통해 측정한 결과 일반적으로 알려진 항공기 엔진 배기가스의 신호와 유사한 특성의 결과를 얻을 수 있었다. 특히 1300cm-1 ~ 2000cm-1, 2150cm-1 ~ 2400cm-1, 3500cm-1 ~ 4000cm-1 에서 불연속적으로 높은 강도의 신호가 측정되었는데 이는 항공기 엔진 후류에서 나타나는 전형적인 신호 발생 대역이며, CO2, H2O 분자의 가열로 인한 들뜸 상태에서의 Gas radiation 으로 볼 수 있다. 배기가스 신호의 강도는 노즐에 가까워질수록 더 높았는데, 이는 항공기 배기가스가 노즐에서 분사된 이후 외부 공기와의 혼합으로 인해 점차 온도가 낮아지기 때문이다. 따라서 항공기 적외선 스텔스 성능을 향상시키기 위해서는 노즐 근처 배기가스의 냉각 또는 신호 차단 방안을 고려해야할 필요가 있다. 배기가스의 적외선 신호 강도는 측정 각도가 감소할수록 증가하였는데, 이는 엔진축과 분광복사기의 LOS(Line-of-Sight)가 이루는 각도가 낮을수록 LOS 중 배기가스를 통과하는 길이가 상대적으로 길어지고 더 높은 신호가 발생하게 되며 이러한 이유로 항공기 적외선 신호 추적이 더욱 용이함을 알 수 있었다. 엔진의 바이패스 비 조절에 따른 적외선 신호를 측정하였을 때, 바이패스 유량 공급 증가에 따라 신호가 저감되었으나 바이패스 비가 0.5에서 1로 증가할수록 신호 저감 효과는 점차 감소하였다. 결과를 통해 일정 수준 이상의 엔진 바이패스 비는 적외선 신호 저감에 큰 효과를 나타내지 못하는 것을 확인하였으며, 바이패스 비를 적게 가져가면서도 신호 저감 효과를 극대화 할 수 있는 엔진별 최적의 바이패스 비가 살펴봐야 한다는 결론을 내릴 수 있었다.
본 연구에서는 마이크로 터보팬 모사 엔진의 배기가스에서 발생하는 적외선 신호를 다양한 조건에서 측정하고 이를 분석하여 최적의 적외선 스텔스 성능을 발휘하기 위한 방안을 고찰하였다. 본 연구결과는 향후 실제 항공기 체계에서 적외선 스텔스 성능을 향상시키기 위한 기초자료로써 활용할 수 있을 것이다.

The heat-tracking missile used in modern aviation warfare detects and intercepts infrared (IR) signals generated from aircraft, and therefore, it is necessary to reduce infrared signals generated from aircraft in order to improve the survivability and stealth performance of aircraft. In particular, the infrared signal from the propulsion system of an aircraft has a very strong signal strength compared to other parts of the aircraft, making it a major detection target for heat-tracking missiles. Infrared signals from the propulsion system of aircraft can be divided into surface radiation generated from the rear of the engine & fuselage and gas radiation generated from high-temperature exhaust gases. Among them, gas radiation is characterized by its wide emission range of exhaust gas so that it is easy to capture signals, and because of the characteristics of gas radiation, signals appear discontinuously only at specific wavelengths, so it is easy to distinguish between other heat sources and aircraft, so it is mainly used for aircraft capture. Gas radiation changes in signal characteristics depending on various factors such as exhaust temperature and composition, and flight environment. In advanced countries, many studies related to gas radiation reduction have been conducted to improve the infrared stealth performance of aircraft. Among them, a well-known method is to increase the bypass ratio of a turbofan engine to mix external air and engine exhaust gas. This can reduce the temperature of the engine exhaust gas, and ultimately reduce the infrared signal generated from the exhaust gas. However, there are no cases in which quantitative data related to signal reduction are presented as related studies are confidential matters of each country, and the reduction characteristics for each wavelength band cannot be confirmed. Therefore, if the infrared signal for each bypass ratio of the turbofan engine is measured and the characteristics of each wavelength are quantitatively identified, it will be important data for improving the infrared stealth performance of an aircraft.
In this study, at the laboratory level, the change of the exhaust gas infrared signal according to the bypass ratio and measurement angle of a turbofan engine was studied. The engine system was constructed by injecting compressed air into a micro turbojet engine to simulate the exhaust gas of a turbofan engine, and an infrared spectrometer was used to determine the infrared signal characteristics of the configured engine system. The measured raw data was corrected using a blackbody, and the background infrared signal was measured and post-processed to obtain only the actual engine exhaust gas signal. As a result of measuring engine exhaust gas through an infrared spectrometer, it was possible to obtain a result similar to the signal of commonly known aircraft engine exhaust gas. In particular, discontinuously signals of high intensity were measured at 1300 ~ 2000cm-1, 2150 ~ 2400cm-1, and 3500 ~ 4000cm-1, which are typical signal generation bands found in the wake of aircraft engines, CO2, H2O. It can be seen as gas radiation in the excited state due to the heating of the molecule. The intensity of the exhaust gas signal was higher as it got closer to the nozzle because the temperature gradually decreased due to mixing with outside air after the aircraft exhaust gas was injected from the nozzle. Therefore, it was confirmed that in order to improve the aircraft infrared stealth performance, it is necessary to consider a method of cooling the exhaust gas near the nozzle or blocking signals. The intensity of the infrared signal of the exhaust gas increased as the measurement angle decreased. This means that the lower the angle between the engine shaft and the LOS(Line-of-Sight) of the spectroradiometer, the longer the length of the LOS passing through the exhaust gas becomes. This is because a high signal is generated. Through this, it was confirmed that tracking the aircraft infrared signal makes it easier to track the aircraft. When the infrared signal according to the control of the bypass ratio of the engine was measured, it was confirmed that the signal decreased as the supply of the bypass flow rate increased, but it was confirmed that the signal reduction effect gradually decreased as the bypass ratio increased from 0.5 to 1. From the results, it was confirmed that the engine bypass ratio above a certain level did not have a significant effect on reducing the infrared signal, and the optimum bypass ratio for each engine that can maximize the signal reduction effect while reducing the bypass ratio should be confirmed.
In this study, the infrared signal generated from the exhaust gas of the micro-turbofan simulation engine was measured under various conditions and analyzed to perform a consideration to demonstrate the optimal infrared stealth performance.
The results of this study can be used as basic data to improve infrared stealth performance in actual aircraft systems in the future.