Study of Integrated-Flight M&S Application for the Anti-Tank Missile Configuration Design

(1)

1. 서론

단거리 보병용 유도무기부터 탄도탄 요격용 유도무기 까지 유도탄의 정밀도가 요구됨에 따라 영상탐색기의 적 용이 일반화되고 있다. 특히, 장갑 차량 등의 지상기동장 비를 주표적으로 하는 대전차 유도무기는 탄두의 효과도 확보를 위해 정밀 타격 능력이 필수적이다. 1, 2세대 대 전차 유도무기는 사수가 유도탄 및 표적을 관측하여 표

대전차 유도무기의 형상 설계에서의 통합비행 M&S 적용 연구

정동길^†･ 김상만 ･ 이건하 ･ 황철규

Study of Integrated-Flight M&S Application for the Anti-Tank Missile Configuration Design

Dong Gil Jeong

^†･

Sangman Kim ･ Gunha Lee ･ Cheol Gyu Hwang

ABSTRACT

6-DOF flight simulation program is most generally used M&S tool in domestic missile development procedure.

The 6-DOF M&S method, however, cannot validate the performance of a imaging seeker-adopted missile in various conditions. A M&S tool for the analysis of the integrated-flight simulation is required since the tracking performance of the imaging seeker is highly dependent on the missile maneuvering, which introduces the displacement and rotation of the target in the seeker imagery. Through the development of the 3^rd generation anti-tank missile, Raybolt, the integrated-flight M&S tool was developed and applied to the missile configuration design. It integrates synthetic image generation S/W, imaging tracker, and flight simulation program and computes the main system performance criteria, hit probability by Monte-Carlo Simulation. In this paper, the issues in the 3^rd generation anti-tank missile configuration and the integrated-flight M&S method and results are described.

Key words : Integrated-Flight Simulation, Anti-Tank Missile, Configuration Design

요 약

국내 유도무기 개발과정에서 가장 일반적으로 적용되는 M&S 도구는 유도탄의 각 구성품 및 공력특성 모델을 반영한 6자유도 비행모의 프로그램이다. 하지만 3세대 대전차 유도무기와 같이 영상탐색기가 적용되는 경우 6자유도 비행모의만으 로 다양한 조건 하에서의 체계 성능을 확인할 수 없다. 영상탐색기의 추적 성능은 표적의 대조비나 온도차뿐만 아니라 유도탄 거동에 따른 표적 위치 이격, 회전 등에 민감하게 반응하기 때문에 유도무기 개발 과정에서 영상 추적 성능과 유도탄 비행 성능을 통합하여 분석할 수 있는 M&S 도구가 요구된다. 3세대 대전차 유도무기인 현궁 개발 과정에서는 형상 설계 단계부 터 ‘합성영상 생성 S/W’-‘영상추적기’-‘비행모의 프로그램’을 연동한 통합비행 M&S 도구를 개발, 적용하였다. 통합비행 M&S 도구 기반으로 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한 후 체계 주요 성능 지수, 즉 명중률 비교를 통해 적합한 형상을 선정하 였다. 본 논문에서는 3세대 대전차유도무기 형상설계를 위한 고려요소와 함께 통합비행 M&S 방법론 및 분석 결과를 기술하 였다.

주요어 : 통합비행 시뮬레이션, 대전차 유도무기, 형상 설계

* 본 논문은 제9회 육군 M&S 학술대회와 연계하여 육군 본부 분석평가단으로부터 심사료 및 게재료 지원을 받 았음.

Received: 14 December 2016, Revised: 17 February 2017, Accepted: 17 February 2017

†Corresponding Author: Dong Gil Jeong E-mail: [email protected]

Agency for Defense Development

(2)

적을 지향하는 시선으로 유도탄을 유도하는 방식이었으 나, 전차의 취약부를 타격하기 위한 상부 공격능력과 사 수의 생존성 향상 및 정확도 향상을 위해 영상탐색기가 적용된 3세대 대전차 유도무기(ATGM; Anti-Tank Guided Missile)가 출현하게 되었다.

유도무기 체계의 성능 분석을 위한 M&S 도구로 유도 탄 동역학 모델에 기반한 6자유도 프로그램이 주로 사용 된다. 그러나 3세대 ATGM과 같이 영상탐색기가 적용된 유도무기의 경우에 6자유도 프로그램만으로 다양한 조건 하에서의 체계 성능을 확인하는 것은 매우 제한된다. 영 상탐색기의 추적 성능은 표적과 배경의 대조비 및 온도 차뿐만 아니라 유도탄 거동에 의한 영상 내 표적 위치 변 화 및 회전 등에 크게 영향을 받기 때문이다. 이러한 이 유로 국외의 유사 대전차 유도무기인 Javelin(美) 개발 사 례에서는 유도탄 비행성능과 탐색기 영상추적성능의 통 합 모의 분석이 가능한 통합비행 M&S 도구를 개발, 적 용하였으며 후속 사업에서도 활용하였다^[1].

한국형 3세대 ATGM인 현궁의 개발 과정에서는 통합 비행 M&S 도구를 형상설계 단계에서부터 적용하였다.

본 논문에서는 3세대 대전차 유도무기의 형상설계에 있 어서의 고려 요소와 함께 이를 분석하기 위한 통합비행 M&S 도구 및 이를 적용한 분석결과를 기술하였다.

2. 3세대 대전차 유도무기의 형상 설계

대전차유도무기의 형상 설계에 있어 주요한 고려요소 는 바로 성형작약탄두의 성능 극대화로, 그 관통력은 통 상 탄두의 직경에 비례한다^[2](Figure 1). 하지만 탄두 관 통력 확보를 위해 직경을 증가시킬 경우, 유도탄의 직경 증가, 곧 유도탄의 중량 증가로 직결되기 때문에 이는 제 한될 수밖에 없다. 성형작약탄두의 또 다른 특성은 탄두 가 표적장갑으로부터 탄두 직경의 약 6 배에 해당하는 거 리만큼 이격시킬 경우 그 관통 성능은 최대가 된다^[3].

대표적인 3세대 대전차 유도무기체계로 미국의 Javelin 과 이스라엘의 스파이크가 있는데, 주탄두의 이격거리 확 보와 함께 동체 삽입형 날개를 적용한 설계로 탄 내부에 빈공간이 발생하는 등, 형상설계가 최적화되지 못한 특성 을 보인다(Figure 2, 3).

현궁은 보병이 휴대하여 운용하는 체계로서 경량화, 소형화를 설계 중점으로 두고 개발되었다. 앞서 언급된 유사체계에서의 형상설계 제약을 극복하기 위하여 기존 3세대 대전차 유도무기에 적용된 사례가 없는 랩어라운 드 및 접이식 동체 부착형 날개를 개발, 적용하였다. 탐색

Fig. 1. Penetration according to stand-off distance

Fig. 2. Javelin missile configuration

Fig. 3. SPIKE missile configuration

개발 단계에서의 현궁 형상은 SPIKE와 유사하게 탄두 전방에 추진기관을 배치한 측방 추력 형태이나 날개를 랩어라운드(wrap-around) 형태의 동체 부착형으로 설계 함으로써 날개가 삽입될 탄 내부 공간이 필요하지 않게 된다. 즉, 유도탄의 길이 감소 및 여유 있는 날개 길이 확

(3)

보로 체계 경량화 및 비행 성능 증대가 가능하였다. 랩어라운드 날개는 발사관 내부에서 발사관에 의해 고 정되며, 사출모터에 의해 유도탄이 발사관을 벗어나면서 랩어라운드 날개의 탄성에 의해 전개된다. 탄성 랩어라운 드 날개는 0.1 초 내의 짧은 시간에 전개되며, 전개되는 과정에서 순간적으로 200~ 400 deg/s 이상의 큰 롤 각속 도가 발생하나, 날개 전개가 완료되면서 롤 각속도는 크 게 줄어들고 유도탄의 제어가 시작되면서 더 줄어들게 되어 전체적인 유도탄의 비행 성능에 큰 영향을 미치지 않게 된다. 현궁 체계개발 시에 보완 설계가 이루어지고 탄성 랩어라운드 날개 대신에 일반적인 강체 형태의 날 개를 적용하였다. 이러한 날개는 동체 외곽에 접혀 있다 가 120°각도로 전개되는 형태로 랩어라운드 날개에 비해 좀 더 복잡한 구조이나, 공력 하중에 대한 구조적인 안정 성이 확보되고 초기 롤 각속도 발생 등이 없는 이점이 있 다^[4]. 다만 이러한 형상의 날개는 세로 방향으로 동체를 감싸는 형태로 접혀 있기 때문에 폭(chord)의 제한이 있 을 수밖에 없다. 날개는 장입 시 발사관의 내경 안에 수 용되면서 인접한 날개와의 간섭이 없어야 하고(Figure 5), 전개 시 궤적상에서 인접한 날개의 전개를 방해하지 않아야 한다. Figure. 4는 탐색개발과 체계개발 시에 적 용한 날개가 발사와 함께 전개되는 고속카메라 영상이다.

Fig. 4. Missile launch; exploratory dev. phase(left) and Full-scale dev. phase(right) config.

앞서 기술한 두 가지 설계안은 모두 동체 삽입형이 아 닌 동체 부착형의 날개를 채택함으로써 탄 내 구성품 배 치의 최적화를 가능하게 한다. 탐색개발 형상인 탄성 랩 어라운드 날개는 초기 큰 롤 각속도 발생 현상을 동반하 나 구조적으로 단순하다는 장점이 있다. 또한 초기의 롤 각속도가 유도탄의 비행성능에 미치는 영향도 크지 않다. 따라서 최종 형상을 채택함에 있어 가장 큰 고려 요소는 영상탐색기의 추적 성능이 될 것이다.

Fig. 5. Folded wing concept (front view of missile-in-canister)

3. 통합비행 M&S에 기반한 형상 선정

기존 유도무기 개발 간에 활용되는 M&S의 가장 큰 비중을 차지하는 부분은 유도탄을 강체로 가정한 6자유 도 비행 시뮬레이션으로, 유도탄의 공력 모델을 중심으로 동역학적 분석을 수행하게 된다. 하지만 영상탐색기의 특 성이 체계 성능을 크게 좌우하게 되면서 이를 통합 분석 하기 위한 M&S 환경의 필요성이 크게 대두되었다. 이 때문에 현궁 체계개발 기간 동안 다양한 환경 조건 하에 서 명중률 산출이 가능한 통합비행 M&S 환경을 구축하 고 이를 활용하여 최적의 형상을 선정한다.

3.1 통합비행 M&S 도구

새로이 구축한 통합비행 M&S 도구는 기존에 유도탄 동역학 분석에 한정된 형태를, 탐색기 영상추적 알고리즘 과 연계하여 폐루프 형태로 통합 분석하는 것을 목적으 로 한다. 이를 위해서는 영상추적 알고리즘의 입력이 되 는 탐색기 영상이 필요한데, 이는 유도탄과 표적의 거동 에 따라 실시간으로 변화해야하기 때문에 모의영상을 적 용할 수밖에 없다. 본 연구에서는 모의영상 생성을 위해 국내외 많은 적용 사례를 통해 검증된 합성영상생성 S/W

(4)

인 미국 Presagis사의 Vega Prime을 적용하였다. 또한 모의영상의 신뢰성을 확인하기 위한 연구를 별도로 진행 하였다^[5].

현궁은 적외선 영상(IIR; Imaging InfraRed)탐색기를 적용하는데, 적외선 영상은 주야간에 영상 획득이 가능하 나 시간대 및 기상 조건에 따라 그 특성이 크게 상이하여 이를 고려한 영상추적 알고리즘 개발이 필요하다. 다양한 조건 하에서의 체계 성능 확인을 위해 다양한 환경 데이 터베이스(지형, 계절, 표적 종류, 기상 조건 등)를 구축하

Fig. 6. Integrated-flight M&S tool concept

Fig. 7. 6-DOF M&S block diagram

Fig. 8. Integrated-flight M&S block diagram

였다. Figure 6은 통합비행 M&S의 개념을 나타내며, Figure 7, 8는 각각 6자유도 M&S와 통합비행 M&S의 블록 다이어그램을 보여주는데, 청색 블록이 통합비행 M&S에서 추가되는 부분이다.

현대의 대부분의 유도탄의 종말 유도에는 비례항법유 도가 적용되는데, 비례항법유도란 유도탄이 표적을 바라 보는 시선각의 변화율에 비례하는 가속도를 낼 경우에 표적을 타격할 수 있음을 의미한다. 즉 유도탄-표적 시선 변화율을 라 할 때 요구되는 유도탄의 기동 가속도 a는 다음과 같이 주어진다.

 

여기서 N은 비례항법상수로 통상 3~5의 값을 적용한 다. 유도탄 탐색기의 주요한 역할은 시선변화율의 추정치 를 산출하는 것이다.

6자유도 M&S에서는 ‘탐색기의 표적 지향 오차’

(bore-sight error) → ‘시선변화율(LOSR; Line-Of- Sight Rate) 추정치’ 과정이 단순히 2차 모델로 반영된 것에 비 해, 통합비행 M&S에서는 합성영상생성(SIG; Synthetic Image Generation)을 통한 실제 영상추적기 알고리즘 적 용이 가능하여 좀 더 실세계에 가까운 모의가 가능하다.

유도탄과 표적의 위치가 배경 내에서 정해지면, 사전에 제작된 테스트베드 내의 대기모델(Atmosphere Model) 과 재질모델(Material Model)에 기반하여 탐색기 시계 내의 적외선 방출값(radiance)을 계산, 영상으로 변환하 게 된다(Figure 9).

define missile

position define target type/positiondefine back-

ground type season/weather condition

ModelAtm.

ModelMat.

Grass Earth

Metal Tree

Infrared image

Seeker view

Fig. 9. Infrared synthetic image generation

3.2 M&S에 기반한 유도탄 형상 선정

유도탄의 요구성능이 도출되면 이를 만족시키기 위한

(5)

형상 선정을 위해 많은 M&S 작업을 거치게 된다. 최초 에는 개략적인 추력과 항력 특성을 고려한 2자유도 내지 3자유도 M&S를 통해 개략 형상을 도출하게 되고, 반경 험식이나 풍동시험을 통해 확보된 공력 데이터베이스 및 추진기관(propulsion)의 추력 M&S 결과에 기반하여 6자 유도 M&S를 구성한다. 이를 통해 다양한 요구성능 충족 여부를 검증하고, 종국에는 유도오차(d)가 특정값 이내를 만족하는지 확인하게 된다.

앞서 언급한 것과 같이 기존의 단순 6자유도(DOF;

Degree-Of-Freedom) M&S에 기반한 분석은 영상탐색기 의 성능에 크게 의존하는 유도탄의 경우에는 그 요구성 능 검증에 한계가 있다. 따라서 통합비행(IF; Integrated- Flight) M&S를 통해 표적 명중여부를 판단하고 나아가 통합비행 모델 기반의 몬테카를로(MC; Monte-Carlo) M&S를 통해 명중률(PH; Probability of Hit) 충족 여부 를 판단할 필요가 있다(Figure 10).

Configuration Design 6-DOF M&S

d<00 Y N

Requirements

IF M&S

Hit?

Y N

IF MC M&S N

Y Prototype Manufacturing

PH>00

Fig. 10. Configuration design sequence based on M&S

3.3 통합비행 시뮬레이션 결과

탐색기의 출력값인 시선변화율 추정치 신호로부터 기 존 6자유도 M&S와 통합비행 M&S의 차이를 확연히 알 수 있다(Figure 11).

6자유도 M&S에서는 표적을 질점으로 가정하기 때문 에 시선변화율 추정치가 연속적인 곡선 형태로 산출되나, 실제 탐색기의 영상 추적기는 점표적에서부터 표적이 탐 색기 시계에 포화될 때까지 추적을 유지하기 때문에 질 점 가정 시와는 그 편차가 크다. 이 편차는 영상 추적기

의 특성 및 표적의 기하학적 특성에 의존적이어서 모델 링이 매우 까다로우므로, 통합비행 M&S의 적용을 통한 검증이 불가피한 것이다.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2

Normalized LOS rate

Normalized Time

6DOF simulation IF simulation

Fig. 11. Pitch LOS rate comparison

구축된 통합비행 M&S 도구를 활용하여 2장에서 언급 한 두 가지 형태의 날개 형상에 대한 유도탄 체계 성능을 분석하기로 한다. 두 형상을 비교하기 위한 테스트베드로 는 겨울철 대기모델(시정 10 km) 및 야지 지형 데이터베 이스, M48 전차 표적을 적용하였다. 사거리는 0.5~3 km 를 0.5 km 간격으로 200 회의 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 명중률을 산출하였다. 몬테카를로 시뮬레이션 시에 는 현궁 시험을 통해 확보된 유도탄의 구성품 별 오차요 소를 정규분포 형태로 인가하였다.

Figure 13, 14는 각각 2.5 km 사거리에 대한 통합비행 시뮬레이션 결과 영상으로 초기 롤이 없는 경우와 있는 경우의 영상 추적 결과를 보여준다. 그림에서와 같이 오 차 환경이 아닌 단일 시뮬레이션 결과에서는 큰 차이점 이 확인되지 않았다.

반면 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 명중률 산출 시에 는 Figure 12에서와 같이 초기 롤 각속도가 존재하는 경 우와 그렇지 않은 경우 큰 명중률 차이를 보였다. 이러한 특성 차는 각 사거리 별로 유사한 경향을 보였다.

4. 결론 및 향후연구과제

본 논문에서는 3세대 대전차 유도무기 형상 설계 과정 에서 구축한 통합비행 M&S 도구 및 적용 사례를 기술하 였다. 보병용 3세대 대전차 유도무기의 소형/경량화 설계 를 위해 제시된 두 가지 동체 부착형 날개 설계 안을 통 합비행 M&S 도구를 사용하여 체계 성능을 분석함으로 써 최적 대안을 도출할 수 있었다. 발사 초기에 순간적으

(6)

로 발생한 롤 각속도의 영향성이 기존 유도탄 동역학 분 석 M&S 도구만을 활용하여 분석하였을 때는 식별되지 않았으나, 영상 추적 성능이 고려된 통합비행 M&S 환경 에서는 이에 대한 영향성을 확인할 수 있었다. 또한 단일 통합비행 시뮬레이션에서는 차별화 되지 않던 영향성이 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 큰 차이(명중률)를 나타 낸다는 것을 확인하였다. 결론적으로 3세대 대전차 유도 무기 체계 성능의 신뢰성 확보를 위해서는 몬테카를로 시뮬레이션을 포함한 통합비행 M&S 환경에서 체계 성 능 검증이 필수적임을 알 수 있다. 아울러, 현궁 유도무기 체계 개발 과정에서 획득된 통합비행 M&S 도구는 영상 탐색기가 적용된 유사 유도무기체계 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 12. Hit probability comparison

References

1. C. Bates, J. Lucas, J. Robinson, “The Javelin Integrated Flight Simulation”, Int. Conference on Computational Science, pp. 507-514, 2001.

2 F. Johnsson, B. Vretblad, A. Sivertun. “SHAPED CHARGE CALCULATION MODELS FOR EXPLOSIVE ORDNANCE DISPOSAL OPERATIONS”, Journal of Military Studies, Vol. 3, No. 1, 2012.

3. W. Walters, “Introduction to Shaped Charges”, U.S.

Army Research Laboratory, March 2007.

4. 이건하 외 4명, “휴대용 유도탄 전방 접힘 날개 구조”, 특허등록 제1356554호, 2014.

5. 김석우, 박상혁, “검증 및 확인(V&V) 절차를 통한 무 기체계 M&S 신뢰도 확보에 관한 연구”, 한국시뮬레 이션학회 논문지, pp. 1-8, Vol. 24, No. 3, 2015.

Fig. 13. Tracking result without initial roll rate

Fig. 14. Tracking result with initial roll rate

(7)

정 동 길 ([email protected])

2003 부산대학교 전자전기통신공학 학사 2005 한국과학기술원 석사

2005~ 현재 국방과학연구소 재직 중

관심분야 : 컴퓨터시뮬레이션, 컴퓨터비젼

김 상 만 ([email protected]) 2006 한양대학교 기계공학부 학사