무기의 탄생; 헬기용 전방관측 적외선 장비 AAQ-333

개발 2년10개월 만에이스라엘 뛰어넘었다

<8>헬기용 전방관측 적외선 장비 AAQ-333(상)

2015. 03. 03   18:16 입력 | 2015. 03. 03   18:30 수정

기사사진과 설명

국내 독자 개발된 헬기용 전방관측적외선 장비(FLIR) AAQ-333. 국방과학연구소 제공

 

 

기사사진과 설명

ADD가 개발한 국산 헬기용 FLIR AAQ-333을 장착한 육군의 UH-60 헬기. ADD 제공

 

 

국산 FLIR의 탄생

 

육·해·공군 UH-60, 링스, HH-47 헬기에 장착

 

 

 

　국산 헬기용 전방관측 적외선 장비(FLIR: Forward Looking Infrared) AAQ-333은 악시정 및 야간에 항행 지원과 표적 획득을 위한 적외선 열 영상 카메라다.

　항공기 전방에 장착된 센서로 적외선 열 영상을 획득, 항공기의 항행 정보와 함께 모니터에 시현함으로써 항행 보조장비로 활용된다.

　아울러 독자적으로 또는 레이더와 연동, 지정된 표적에 카메라의 시선을 지향하고 주야간 고배율·고선명의 표적 열 영상을 획득해 작전에 활용한다.

　헬기에 탑재되는 FLIR는 영상을 획득하는 센서 구동기, 헬기와의 연동, 센서 제어 및 표적 처리 등을 담당하는 시스템 처리기, 운용자가 센서 구동기의 상태와 기능을 제어할 수 있는 다기능 조종간, 헬기의 항법 정보와 함께 센서 구동기로부터 획득된 영상을 시현하는 다기능 시현기로 구성된다.

　육·해·공군의 UH-60, 링스(Lynx), HH-47 헬기에 장착됐고 수리온에도 성능이 개량돼 장착됐다.

　이 장비를 개발하는 사업은 선행된 연구개발사업 없이 단 한 차례의 체계개발사업으로 2000년 8월에 착수, 2003년 6월에 종료됐다.

　우선 진행된 적외선 열상 카메라 개발과 해군 링스 헬기에 대한 개조 장착은 2001년 9월에 완료됐고, 2002년 11월까지 시험평가가 완료됐다. 이어 2002년 9월부터 2003년 4월 사이에는 육군의 UH-60에 대한 시험평가가 완료됐다. 또 공군의 HH-47에 대한 시험평가는 2003년 1월부터 2003년 6월까지 수행됐다. 이후 규격화와 함께 그해 후반기에는 육군과의 양산계약이 체결됐다. 2008년까지 계속된 양산단계에서는 해군과 공군이 운용하는 UH-60과 HH-60 헬기에도 전력화됐다.

 

 

탄생 배경

 

해군 1994년 링스헬기에 FLIR 탑재 준비 시발점

 

　해군은 1994년부터 링스 헬기에 FLIR를 탑재하기 위해 국외업체 선정 등 관련 절차를 진행했다. 하지만 선정된 장비가 요구 성능을 충족하는지에 대한 판정 의견이 불일치했고 국외업체의 민원으로 국외업체 장비를 재선정해야 하는 난관에 봉착해 있었다.

　이와 함께 1990년대 중반 이후 육군과 공군에서도 유사한 기능을 갖춘 장비를 UH-60, HH-47 헬기에 장착하기 위해 국외 도입하려는 소요가 있는 것을 확인한 합참은 1998년 8월 육·해·공군 유사 성능 장비의 총 수명주기 동안의 비용 등을 감안해 헬기용 FLIR에 대한 통합 작전운용성능(ROC: Required Operational Capability)을 확정했다.

　이에 따라 국방부는 국방과학연구소(ADD)에 전방관측 적외선 장비의 개발 가능성을 문의했고 ADD가 ‘개발 가능’ 의견을 제시하자 사업 타당성을 검토해 1998년 12월 이 장비를 연구개발 대상 사업으로 분류하고 정부 주도 연구개발 사업으로 결정했으며 2000년 8월 사업이 시작됐다.

 

 

개발 당시 기술수준 및 개발 과정

 

짧은 시간·미흡한 경험 열악한 환경 딛고 성공

 

　미국의 레이시언사와 FSI사에서 다양한 헬기에 적용할 수 있는 전방관측 적외선 장비를 개발해 판매하고 있었고, 프랑스·영국·이스라엘 등에서도 유사한 성능의 헬기용 전방관측 적외선 장비가 막 개발돼 자국에 배치되면서 호시탐탐 국내 진출을 엿보고 있는 실정이었다.

　국외 장비의 공통적인 특징은 초점면 배열 적외선검출기를 적용해 1세대 열상장비에 비해 훨씬 안정적인 2세대 또는 3세대 열상장비로 개선돼 가고 있다는 것이었다. 또 소형 경량 안정화 및 항공기 항법정보 연동 기술이 적용돼 장거리 표적 획득은 물론 항법보조장비로도 활용하기 시작한 상태였다.

　ADD는 1990년 중반부터 주간 카메라 및 적외선 열상 카메라가 내장돼 자동영상추적이 가능한 전자광학 추적 장비에 대해 응용연구를 수행했고 2000년 초 군단급 무인항공기에 탑재 가능한 영상감지기(DAQ-01K)를 개발 완료한 상태였다.

　이에 따라 안정화 및 표적 추적 기술 자체는 큰 어려움이 없었지만 소형 경량의 터릿을 설계·제작하는 기술과 국내 최초로 독자적인 FLIR의 헬기 탑재를 위한 기체개조·탑재체 형상 설계 기술이 추가적으로 필요했고, 감항성 인증도 수행돼야 했다.

　특히 가장 큰 어려움은 적외선 열상 카메라 개발이었다.

　각군의 소요 제기가 한창이던 1996년은 ADD가 국내 최초로 전방감시용 열상장비(TOD: Thermal Observation Device) TAS-970K를 독자 개발해 전력화한 시점이었지만 TOD 장비는 1세대 주사방식의 열상장비로 헬기에 탑재하기에는 복잡하고 전력소모도 많으며 무거운 실정이었다.

　또 ADD는 1996년부터 1999년까지 2세대 및 3세대 열상 카메라 기술 확보를 위한 초점면 배열 열상기술 응용연구 과제를 수행했는데 합참에서 헬기용 전방관측 적외선 장비에 대한 통합 작전운용성능을 확정하고 국방부가 ADD에 개발 가능성을 문의하던 1998년은 응용연구가 한창 진행되던 시점이었다.

　물론 적외선 열상 카메라만 국외 도입해 전방관측 적외선 장비를 개발하는 방법도 가능했으나 핵심 센서를 도입해 전체 체계를 구성하는 것은 국내 연구개발이라는 명분에 맞지 않았다.

　이에 ADD 연구진은 전방관측 적외선 장비에 탑재될 수 있는 3세대 열상 카메라 모듈에 야전 환경성을 부여해 시험개발급으로 설계, 제작하기로 뜻을 모았다. 아울러 당시 개발 중이던 군단급 무인항공기 영상감지기에 체계 적용이 가능하도록 설계했다.

　짧은 기간, 미흡한 경험과 열악한 환경에서 밤을 지새우며 연구해 개발한 열상 카메라 모듈은, 이스라엘에서 도입해 군단급 무인항공기에 시험 중이던 적외선 열상 카메라 모듈보다 오히려 성능이 우수한 것으로 판정됐다. 그리하여 2000년 5월 응용연구 결과 ‘군 사용가’ 판정을 받은 국내 개발 열상 모듈(SU-1K)이 군단급 무인항공기 영상감지기에 대체 조달됐고 이 열상 모듈 기술은 바로 헬기용 전방관측 적외선 장비에 적용됐다.

초에 30화면 '고선명' ··· 어떤 적도 놓치지 않는다

헬기용 전방관측 적외선 장비 AAQ-333(하)

2015. 03. 17   17:06 입력 | 2015. 03. 17   18:05 수정

기사사진과 설명

수리온에 장착된 전방관측 적외선 장비. AAQ-333의 초도 양산에서 추가 식별된 많은 개선점이 반영돼 군의 요구사항을 모두 해소했다. 이를 통해 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있고 좌표 지향 등 보다 정밀하게 다양한 기능을 구현할 수 있게 됐다. ADD 제공

 

 

 

   성능 및 특징
   육·해·공군 첨단 무기체계 단 한 번에 전력화

    헬기용 전방관측 적외선 장비(FLIR) AAQ-333는 표적과 배경의 적외선 에너지를 적외선 광학계로 집속해 적외선 검출기에서 전기적 신호로 변환한 후 이 신호를 적절히 저잡음으로 고속 처리해 적외선 열 영상을 1초에 30화면, 화면당 30만 화소의 고선명 동영상으로 획득하는 장비다.

　헬기와 같은 항공기에 탑재 가능하도록 적외선 열상 카메라와 자이로 등을 안정화 김벌(Gimbal) 내부에 배치하고 원형의 외부 터릿(Turret)으로 보호함으로써 외부 요동이나 진동으로부터 안정된 영상을 얻도록 구성돼 있다.

　운용자는 별도로 장착되는 조종간 혹은 모니터의 패널 부위에 배치된 스위치를 이용해 영상의 대조비, 밝기, 초점조정 등의 각종 기능을 제어할 수 있다.

　모니터는 헬기 조종사의 야간투시경과 운용호환성이 유지된다. 운용자는 조종간을 이용해 방위각 연속 회전과 고저각 20 ~ -120도 범위에서 원하는 방향으로 시선의 구동이 가능하다. 최대 구동속도는 초당 60도다.

　전용 스위치를 이용해 화면 내의 표적을 지정하면 헬기의 요동에 관계없이 자동으로 표적을 추적, 화면 중앙에 유지시켜 준다. 또 레이더에서 전송된 표적의 좌표를 수신해 시선을 표적 방향으로 자동 지향할 수 있다.

　자세, 속도, 목적지까지 소요 시간 등 헬기의 각종 항행 정보를 그래픽과 숫자로 영상에 중첩하거나 단독으로 시현할 수 있다.

　적외선 열상 카메라의 시계는 30중(V)×40중(H)(1배)~1.5중× 2중(20배) 범위에서 연속적으로 조정할 수 있다.

　이런 연속 줌 기능은 레이더 연동 기능과 함께 사용자의 편의를 극대화하고 적외선 광학계의 성능 측면에서도 새로운 기술로 평가된다.

　후속 사업인 한국형 헬기, 수리온의 전방관측 적외선 장비 개발에는 AAQ-333의 초도 양산에서 추가 식별된 많은 개선점이 반영돼 군의 요구사항을 모두 해소했다.

　그 결과 한국형 헬기의 전방관측 적외선 장비는 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있고 좌표 지향 등 보다 정밀하게 다양한 기능을 구현할 수 있도록 발전됐다.

　아울러 이러한 3세대 중적외선 열상 카메라 기술은 40배의 고배율 주간 및 열상 카메라와 레이저 거리측정 기능이 부가된 함정용 전자광학 추적장비(EOTS: Electro Optical Tracking System), K1A1 전차 전차장 조준경, K21 보병전투장갑차의 사수 및 차장 조준경, 전방관측(FO: Forward Observer)용 주야관측장비, 차기 TOD 장비 개발 등에 다양하게 파급됐다.

　헬기용 전방관측 적외선 장비는 적외선 열상 카메라만 내장하고 있어 소형 경량화의 이점은 있으나 향후의 헬기에는 다수의 다양한 기능을 갖는 카메라를 장착해 보다 효율적으로 항행과 표적탐지, 표적식별 능력을 향상시킬 수 있다.

　특히 표적까지의 거리 측정을 위해 소형 레이저 거리측정기를 내장하거나 주간용 카메라를 복합함으로써 주간에도 더 멀리 효과적으로 관측하기 위한 기능이 필요하다는 요구가 있고 이는 모두 국내 개발 가능한 수준이다.

　또 미래 신개념의 영상센서로 국내 연구개발이 수행되고 있는 은폐표적 탐지를 위한 초분광 영상감지기나 고압 송전선 등 위험물 회피를 위한 3차원 영상 레이저 레이더 장비의 탑재도 고려할 필요성이 제기되고 있다.

 

 

 

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수리온 FLIR. 한국항공우주산업 제공

 

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수리온 탑재 전방관측 적외선장비의 표적 추적 영상. ADD 제공

   개발자가 말하는 AAQ-333 개발 과정
   헬기 진동 특성 파악, 적절한 방진구 선정

   체계개발 사업에 착수할 당시 국내의 전방관측 적외선 장비 기술력은 군단급 무인항공기에 탑재 가능한 영상감지기(DAQ-01K)를 독자 개발 완료한 직후였고 연구팀은 나름대로 자신감에 차 있었다.

   하지만 중요한 문제를 간과하고 있었는데, 무인항공기와 헬기의 진동 특성이 판이하게 다르다는 점이었다. 무인항공기 비행체의 진동은 높은 주파수 대역의 크기가 낮은, 즉 대처하기에 용이한 특성을 가진 반면, 헬기의 진동은 저주파 대역의 높은 진동 크기를 가지고 있었다.

   헬기의 진동이 카메라 내부까지 전달되지 않도록 하기 위해 적절한 방진구를 선정해야 했다. 진동을 잘 차단해 주는 방진구는 강도가 낮아서 내구성에 문제가 있기 때문에 내구성과 진동, 둘 사이의 타협점을 찾기 위해 시험과 분석을 수차례 되풀이했다.

   특히 공군 HH-47에 장착하는 열상 카메라를 위해서는 특별한 방진구 구조를 고안해 새롭게 장착대를 설계하기도 했다.

　또한 다수의 판정관이 동시에 관측해 관측 성능에 대한 객관적인 시험결과를 내기 위해 헬기에 추가 모니터를 장착하기도 했다. AAQ-333은 모니터가 헬기 조종석에 배치돼 부조종사만 영상을 관측할 수 있다.

     하지만 다수의 인원이 객관적인 평가를 하기 위해 조종석에 설치된 것과 동일한 제품의 모니터를 헬기 뒷좌석에 추가로 장착, 시험한 것이다.

　국방과학연구소(ADD) 주도로 삼성탈레스와 이오시스템, 한국항공우주산업이 참여한 AAQ-333 국내 개발은 별도의 선행연구나 탐색개발 없이, 35개월이라는 짧은 기간에 단 한 번의 체계개발로 육·해·공군에 소요되는 첨단 무기체계를 공통 핵심기반 기술과 공통 부품을 적용해 각각 전력화하고 다양한 유사 무기체계로 파급시켰다는 데 큰 의미가 있다고 말할 수 있다.

 

 

국방과학기술지식대백과사전

- 적외선 탐색·추적 장비(IRST: Infra-Red Search and Track)

 

   적외선 탐색·추적 장비(IRST)는 항공기에 장착, 적외선 대역의 파장을 감지해 표적을 탐색하고 추적할 수 있는 장비다. F-15K에 장착된 TIGER(Targeting Infrared Guidance Enhanced Resolution) Eyes 시스템 같은 표적획득장치(Targetting Pod)는 IRST 센서로 항공기 동체의 장착대(Inboard Pylon)에 항시 부착되는 기본 외부 장착 장비다.

　전자전 상황에서 적외선으로 위협 탐지 및 추적이 가능해 적에게 노출될 확률을 감소시킨다. IRST는 장파의 적외선 센서를 이용해 전자신호 방출 없이 원거리에서 표적을 탐지·추적할 수 있고 레이더와 상호보완적인 기능으로 탐색 및 추적 기능을 강화할 수 있다. 레이더 작동 불능 시에도 공대공 무장 발사가 가능하다.

　IRST를 처음으로 사용한 것은 1960년대 미 공군 F-106과 미 해군 F-4 초기형이었다. 당시 IRST는 기대만큼 우수하지 않았다. 그러나 최근 들어 클러터(Clutter, 레이더 화면에 불필요하게 생기는 반사상)로부터 표적을 신뢰성 있게 식별할 수 있도록 높은 탐지 확률과 낮은 오경보율의 기본적인 요구 조건을 만족시키는 첨단 신호 처리 알고리즘이 개발됨으로써 IRST의 실용화가 가능하게 됐다.