제5부 전자전·레이더·시그니처

5.7 고출력 전자기(HPM·EMP)의 영향과 내성 설계

5.7.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

재밍(5.2)은 수신기가 듣는 대역에서 신호와 다툰다. 고출력 전자기 환경은 다르다. 안테나뿐 아니라 틈새·배선·외피 같은 모든 도체로 에너지가 들어와 회로 자체를 교란하거나 망가뜨린다. 이 장은 그 영향이 어떤 경로로 들어오고 어디까지 가는지, 그리고 얼마나 막아야 하고 어떻게 입증하는지를 방호 설계의 언어로 정리한다.

배우는 것:

• 환경의 범주 — HIRF·낙뢰·HEMP·협대역과 광대역 HPM이 주파수와 시간에서 어떻게 다르고, 공개된 기준 값은 어디까지인가.
• 결합 경로 — 안테나로 들어오는 정문 결합과 개구·이음매·배선으로 들어오는 후문 결합. 안테나 단자와 공진 도선에 실리는 전력을 계산한다.
• 교란과 손상의 범주 — 간섭·오동작·래치업·영구 손상의 차이와 문헌의 경험 범위, 펄스 폭이 손상 문턱을 바꾸는 원리.
• 차폐 — 필요 차폐 효과를 외부 전계와 회로 내성으로 정하고, 벽이 아니라 개구가 누설을 정한다는 것을 슬롯 모형과 상자 공진 모형으로 보인다.
• 나머지 방호와 복구 — 케이블 차폐 종단·접지·본딩·필터·서지 보호, 감시와 재시작의 시간 예산.
• 시험과 규격 — MIL-STD-461·464, DO-160, IEC 61000 계열, HIRF 인증이 각각 무엇을 입증하는가.

선수 지식: 데시벨(3.1.6), 전력 밀도와 원거리장(3.2.3.1·3.2.3.3), 안테나의 유효 면적(3.6.3.2), 접지·본딩·낙뢰·HIRF의 기초(1.19.10), 공통 원인 고장과 고장 주입(2.5.4.3·2.5.10), 상용 부품의 한계(2.9.10.2), 워치독과 안전 모니터(2.10.8.2).

특히 중요한 독자: 엔지니어는 5.7.5·5.7.7·5.7.10의 계산을 자기 기체로 다시 돌린다. 인증 담당자는 5.7.11과 5.7.17을 먼저 본다. 사업 담당자는 5.7.12와 5.7.14에서 내성의 값과 비용을 본다. 정책·법무 담당자는 5.7.13이 대드론 HPM의 법과 부수 효과를 어디로 넘기는지 확인한다.

기준 시점과 경계. 이 장은 2026년 10월 기준이며 지식은 2026년 중반까지다. 계산은 일반적 모형이며 교육용 가정이고 파이썬(math·cmath)으로 돌렸다(fig-src/5.7-calc.py·5.7-slot.py). 외부 전계 세기는 매개변수로 둔다. 고출력 원천의 출력이나 거리는 가정하지 않는다(거리 계산의 예는 이 책의 기준 C2 송신기뿐이다). 그림과 표에 기준으로 놓은 값은 공개 규정·표준이 정한 환경과 시험 수준뿐이다. 부품이 견디는 전계는 문헌의 (경험 범위)이고 출처의 성격(1차·2차 요약)을 밝혔다. 제품 제원은 다루지 않으며 인용할 때는 (공개 주장치)로 표시한다. 이 장은 영향과 방호만 작성한다. HPM·EMP 발생 장치의 설계·출력 구성·효과를 높이는 방법, 특정 기체·제품·체계를 무력화하는 파라미터는 작성하지 않는다. 대드론 수단으로서의 HPM은 11.3·11.4가 맡는다.

5.7.2 개념·직관 — 신호가 아니라 에너지가 들어온다

재밍과 고출력 전자기의 차이는 세 가지다.

1. 들어오는 길이 다르다. 재밍은 수신기의 대역 안에서 안테나로 들어온다. 고출력 전자기는 기체 안의 모든 도체를 안테나로 사용한다. 0.3 m 배선은 500 MHz 부근에서 반파장 다이폴처럼 공진한다(5.7.5.3).
2. 흔적이 남는다. 재밍은 간섭원이 멈추면 끝난다. 고출력 전자기는 회로 상태를 뒤집고(오동작), 전원을 끊어야 풀리는 래치업을 일으키고, 소자를 태운다(5.7.6). 노출이 끝난 뒤에도 기능이 돌아오지 않을 수 있다.
3. 모든 채널을 한꺼번에 친다. 같은 상자·같은 배선에 놓인 다중화 채널은 같은 전계를 함께 받는다. 고출력 전자기는 전형적인 공통 원인이다(2.5.4.3). 다중화만으로는 막지 못한다.

그래서 설계 질문은 다섯이다. 환경이 얼마나 센가(5.7.3·5.7.4), 어디로 들어오는가(5.7.5), 회로가 얼마까지 견디는가(5.7.6), 얼마나 막아야 하고 어디로 새는가(5.7.7·5.7.8), 막지 못한 것은 어떻게 처리하는가(5.7.9).

세 축은 이 질문을 다르게 받는다.

5.7.3 고출력 전자기 환경의 범주

결론부터: 원천은 달라도 결합의 물리는 같다. 차이는 주파수 분포와 시간 길이이고, 이것이 어느 경로가 지배하고 어떤 방호가 듣는지를 정한다.

협대역과 광대역의 구분. IEC 61000-2-13:2005는 에너지의 90 %가 들어가는 최고·최저 주파수의 비(대역비)로 파형을 나눈다. 1.01 미만이 hypoband(협대역), 1.01~3이 mesoband, 3~10이 sub-hyperband, 10 초과가 hyperband다(Giri·Tesche의 분류, 2차 요약으로 확인). 같은 표준은 첨두 전계가 대략 100 V/m를 넘는 방사장을 고출력 전자기(HPEM) 환경이라 부른다. 문헌 요약은 협대역이 결합 공진과 맞으면 손상까지 가기 쉽고, 광대역은 주파수당 에너지가 작아 손상보다 교란이 주가 된다고 정리한다(Radasky·Savage 2010, 2차 요약). 방호 쪽의 함의는 둘 다 시험해야 한다는 것이다. 협대역 시험은 주파수를 촘촘히 훑어야 공진을 놓치지 않고, 광대역 시험은 반복 펄스 동안의 교란과 복구를 본다.

HEMP E1의 에너지는 어디에 있나. IEC 61000-2-9(1996년 판)의 E1 표준 파형은 이중 지수 $E(t)=kE_0(e^{-\beta t}-e^{-\alpha t})$이고 $E_0=50$ kV/m, $k=1.3$, $\alpha=6\times10^{8}\ \mathrm{s^{-1}}$, $\beta=4\times10^{7}\ \mathrm{s^{-1}}$이다(Sensor and Simulation Note 562로 확인, 2025년 2판의 값 변경 여부는 (확인 필요)). 이 식의 에너지 스펙트럼을 적분하면 에너지의 68 %가 10 MHz 아래, 99.1 %가 100 MHz 아래다(파이썬). 그래서 E1은 수 m 이상의 긴 도체 — 지상 통제소의 전원선·통신선, 대형 기체의 배선 — 에 가장 크게 결합한다. 1 m 이하 배선만 가진 소형 기체는 공진 대역(150 MHz 이상)에 E1 에너지가 1 % 미만이지만, 첨두 전계 자체가 크므로 안전하다는 결론으로 이어지지 않는다(정량은 시험으로 확인한다).

5.7.4 전계 세기와 거리 — 원거리장의 일반식

결론부터: 원거리장에서 전계는 거리에 반비례하고 전력 밀도는 거리 제곱에 반비례한다. 거리가 두 배면 전계는 6 dB 준다. 이 장은 원천을 가정하지 않고 기체 위치의 전계 $E$를 출발점으로 삼는다.

평면파의 전력 밀도와 전계, 그리고 등방성 기준 실효 방사 전력(EIRP) $p$의 원천에서 거리 $d$의 전계는 다음이다(3.2.3.1, ITU-R P.525).

$$S=\frac{E^{2}}{\eta_0},\qquad \eta_0=120\pi\approx376.7\ \Omega,\qquad E=\frac{\sqrt{30\,p}}{d}$$

크기를 감각으로 잡기 위해 기준 C2 링크가 5 km에서 받는 전계(0.39 mV/m, 3.2.3.1)와 비교한다(파이썬).

두 가지를 다룬다. 첫째, 위 식은 원거리장에서만 맞는다. 원천이나 반사체가 가까우면 근거리장이라 $E$와 $S$의 평면파 관계가 깨지고 거리 의존도 달라진다(3.2.3.3). 둘째, 기체 자신의 송신기도 강한 장을 만든다. 기준 C2 링크의 EIRP 21 dBm(3.1.8)은 1 m에서 1.9 V/m, 0.3 m에서 6.5 V/m를 만든다(같은 식, 0.3 m는 2.4 GHz에서 약 2.4파장이라 근사). 상용 기기의 내성 시험 수준과 같은 자릿수라서 송신 안테나 곁에 둔 상용 보드는 이미 시험 한계에서 산다. 안테나 사이의 결합은 3.6.7.4가 다룬다.

5.7.5 결합 경로 — 정문과 후문

5.7.5.1 진입점과 두 갈래

IEC의 고출력 전자기 용어(IEC 61000-2-13 등, 2차 요약으로 확인)는 에너지가 전자기 장벽을 넘는 자리를 진입점(PoE, point of entry)이라 하고 개구형과 도전형으로 나눈다. 방호 문헌은 같은 구분을 정문(front door — 안테나처럼 전파를 받으라고 만든 길)과 후문(back door — 틈새·이음매·배선처럼 의도하지 않은 길)이라 부른다. 둘은 대책이 근본적으로 다르다.

5.7.5.2 정문 — 안테나가 모은 전력

결론부터: 안테나는 자기 대역의 전계를 효율적으로 모으라고 만든 장치다. 대역 안이라면 차폐로 막을 수 없고, 수신기가 견디거나 운용으로 피해야 한다.

안테나 단자에 정합 부하로 들어오는 전력은 전력 밀도와 유효 면적의 곱이다(3.6.3.2).

$$P_{in}=S\,A_e=\frac{E^{2}}{\eta_0}\cdot\frac{G\lambda^{2}}{4\pi}$$

기준 기체 안테나(2 dBi)로 계산한다(파이썬, 단위 dBm).

기준 C2 링크가 5 km에서 받는 신호는 −86 dBm이다(3.1.9). 대역 안 10 V/m만으로 간섭이 신호보다 83 dB 세다. 저잡음 증폭기의 입력 1 dB 압축점은 대략 −20~0 dBm, 절대 최대 입력은 +10~+20 dBm 자릿수다((경험 범위), 부품 데이터시트의 흔한 값 — 부품마다 확인). 그래서 2.4 GHz에서는 1~10 V/m 사이에서 수신기가 포화하고, 수십~100 V/m 부근부터 전단 소자의 손상을 걱정해야 한다. 같은 전계에서 낮은 주파수 안테나가 더 많이 모은다($\lambda^{2}$). 0.9 GHz는 2.4 GHz보다 8.5 dB 많다.

정문의 대책은 셋이다. ① 대역 밖은 전치 필터가 깎는다. ② 대역 안은 리미터가 전단 소자를 보호하지만 그동안 링크는 끊긴다. ③ 끊김은 운용과 절차로 받는다 — 링크 상실 절차(2.6.6)와 관성으로 유지하는 시간(4.3)이 정문 방호의 마지막 층이다.

5.7.5.3 후문 — 배선이 안테나가 될 때

결론부터: 배선은 의도하지 않은 안테나다. 길이가 반파장에 가까워지는 주파수에서 가장 많이 받고, 그 길이가 공진 주파수를 정한다.

반파장 공진 도선의 개방 전압은 전계에 유효 길이 $h_e=\lambda/\pi$를 곱한 값이고, 정합 부하로 넘길 수 있는 전력은 이득 1.64(2.15 dBi)의 안테나와 같다. 실제 배선은 부하가 정합되지 않고 접지면 위에 놓여 이보다 작게 받는다. 아래 표는 상한의 자릿수다(파이썬).

3.3 V 논리 입력은 대개 전원 전압보다 몇백 mV 높은 전압에서 절대 최대를 넘는다(흔한 데이터시트 값). 100 V/m에서 0.3 m 모터 신호선의 개방 전압 19 V는 그 몇 배다. 길이가 길수록 공진이 낮은 주파수로 내려가고 받는 전압이 커지므로, 수 m 배선을 가진 AAM과 대형 기체는 낮은 주파수 쪽이, 소형 기체는 수백 MHz~수 GHz 쪽이 더 위험하다. 문헌 요약도 사람이 만드는 물건의 치수가 공진하는 약 200 MHz~5 GHz를 중요한 대역으로 든다(Radasky·Savage 2010, 2차 요약). 개구로 들어오는 경로는 5.7.7에서 계산한다.

5.7.6 교란과 손상 — 범주와 경험 범위

5.7.6.1 네 단계의 영향

영향은 세기가 오를수록 네 단계로 깊어진다. 앞의 둘은 회로가 멀쩡하고 뒤의 둘은 회로가 다친다.

IEC 61000 계열의 일반 표준은 시험 중과 시험 뒤의 성능을 기준 A(정상 유지)·B(일시 저하 뒤 스스로 회복)·C(일시 상실, 사람의 개입·재시작으로 회복)로 나눈다(일반 분류, 세부는 제품 표준). 항공 인증의 "적시 복구" 요구(5.7.17)는 C를 비행 중에 B처럼 만들라는 요구로 읽을 수 있다.

5.7.6.2 문헌의 경험 범위

공개 문헌의 시험 요약은 다음 자릿수를 보고한다. 모두 지상 장비·차량의 시험이고 무인기에 대한 공개 체계적 자료는 드물다 (확인 필요). 편파·입사각·외함 품질에 따라 수 배씩 달라지고, 요약은 최적 결합 조건에서는 더 낮은 값에서 영향이 난다고 덧붙인다.

비교 기준도 같은 요약에 있다. 상용 EMC 내성 시험은 80 MHz 위 방사 10 V/m를 넘는 경우가 드물고, 전도 과도는 2 kV까지가 보통이다. 상용 시험을 통과한 기기도 HIRF 환경 첨두(3,000 V/m)보다 300배 약한 전계까지만 확인받은 셈이다.

5.7.6.3 손상의 물리 — 펄스 폭과 에너지

반도체 접합의 손상은 대개 열이다. 짧은 펄스는 열이 퍼지기 전에 작은 부피를 데우므로 짧을수록 높은 전력을 견디지만 견디는 에너지는 줄어든다. Wunsch와 Bell(1968)은 대략 마이크로초 영역에서 손상 전력이 펄스 폭의 제곱근에 반비례한다는 경험식을 냈다(경계는 소자마다 다르다).

$$P_f=A\,t^{-1/2}\qquad(\text{폭이 4배 짧아지면 손상 전력은 2배, 손상 에너지 }P_ft\text{는 절반})$$

$A$는 소자와 접합 면적이 정하는 상수다. 방호에서 이 식의 용도은 보호 소자를 고르는 기준이다. 과도 전압 억제 다이오드(TVS)와 리미터는 보호해야 할 소자보다 먼저, 그 펄스 폭에서 그 소자가 견디는 에너지 아래로 묶어야 한다. 래치업은 손상 이전의 단계지만 전원이 계속 공급되면 손상으로 넘어간다. 대기 중성자가 일으키는 단일사건 래치업(2.9.9)과 같은 방어 — 전류 감시와 빠른 전원 재투입 — 가 여기에도 사용된다.

5.7.7 차폐 — 얼마나 막아야 하고 어디로 새는가

5.7.7.1 필요 차폐 효과

차폐 효과(SE)는 차폐가 없을 때의 전계와 있을 때의 전계의 비를 dB로 나타낸 것이다. 외부 전계 $E_{ext}$에서 회로가 견디는 전계 $E_{tol}$까지 낮추고 여유 $M$을 두면 필요 차폐 효과는 다음이다.

$$\mathrm{SE}=20\log_{10}\frac{E_{\text{없음}}}{E_{\text{있음}}},\qquad \mathrm{SE}_{req}=20\log_{10}\frac{E_{ext}}{E_{tol}}+M$$

여유는 MIL-STD-464의 안전·임무 필수 기능 여유 6 dB를 사용했다(2차 요약으로 확인). 외부 전계가 10배가 될 때마다 필요한 차폐가 20 dB 는다.

짝을 맞춰 읽는다. 협대역 환경(HIRF·협대역 HPM)에는 협대역 내성(30·300 V/m 열)을, 펄스 환경(HEMP E1·광대역)에는 광대역 내성(2 kV/m 열)을 사용한다. 차폐 없는 상용 보드가 HIRF 환경 첨두를 견디려면 30~50 dB가 필요하다.

5.7.7.2 벽은 거의 새지 않는다

평면파에 대한 금속판의 차폐는 반사 손실 $R$과 흡수 손실 $A$의 합으로 근사한다(셸쿠노프 근사, 다중 반사 보정은 $A>10$ dB에서 생략).

$$R\approx168-10\log_{10}\frac{\mu_r f}{\sigma_r}\ \mathrm{dB},\qquad A=8.686\,\frac{t}{\delta},\qquad \delta=\frac{1}{\sqrt{\pi f\mu\sigma}}$$

$\sigma_r$은 구리 기준 상대 전도도, $t$는 두께, $\delta$는 표피 깊이다. 알루미늄 1 mm는 1 MHz에서 $R=106$, $A=102$ dB로 이미 200 dB를 넘고, 0.3 mm도 136 dB다. 전도도 $10^{6}$ S/m로 가정한 25 µm 도전 도료도 100 MHz~1 GHz에서 약 75 dB다(파이썬). 측정 장비의 한계가 대개 100 dB 안팎이므로 벽은 누설 예산에서 사실상 빠진다. 예외는 둘이다. 수 kHz 아래의 저주파 자기장(낙뢰·전원 계통, 1.19.10)은 얇은 비자성 벽을 지난다. 그리고 복합재 외피는 균질 판 이론으로는 수십 dB 이상이 나와도 실제 구조는 섬유 방향·수지층·체결부·이음매가 지배하며 공개된 측정값이 드물다(3.6의 연구 질문, 1.27).

5.7.7.3 개구 — 가장 긴 치수가 누설을 정한다

결론부터: 틈새의 면적이 아니라 가장 긴 치수가 누설을 정한다. 틈새의 긴 치수 $L$이 반파장에 이르면 차폐는 0 dB가 된다.

얇은 판의 가는 슬롯에 흔히 사용하는 최악 근사와, 같은 크기 구멍 $n$개를 가까이 모았을 때의 경험식은 다음이다(Ott 2009 등의 교과서 근사, 다중 개구의 계수는 문헌마다 다르다).

$$\mathrm{SE}\approx20\log_{10}\frac{\lambda}{2L}\ (L<\lambda/2),\qquad \mathrm{SE}_n\approx\mathrm{SE}-10\log_{10}n$$

목표 차폐에 필요한 최대 슬롯 길이는 이렇다(파이썬).

설계로 옮기면 세 가지다. ① 나사 간격이 곧 슬롯 길이다. 덮개를 50 mm마다 조이면 이음매는 50 mm 슬롯의 줄이다. 도전 개스킷은 이음매를 연속 접촉으로 바꾼다. ② 환기구는 도파관 차단 구조로 만든다. 구멍 지름 $d$보다 깊이 $t$가 길면 차단 주파수 아래의 전파는 지수로 감쇠한다. 원형 구멍은 약 $32\,t/d$ dB, 사각 구멍은 약 $27.3\,t/a$ dB이고($a$는 긴 변), 깊이가 지름의 3배면 약 96 dB다(차단 주파수보다 충분히 낮을 때). ③ 창과 표시부(카메라 창·커넥터 판)는 도전 메시·투명 도전막이나 별도 칸막이로 처리한다.

5.7.7.4 상자 공진 — 금속 상자가 오히려 키울 때

금속 상자는 그 자체가 공진기다. 가장 낮은 공진(TE101)은 너비 $a$와 깊이 $d$로 정해진다.

$$f_{101}=\frac{c}{2}\sqrt{\frac{1}{a^{2}}+\frac{1}{d^{2}}}$$

150×60×150 mm 상자에서 1.41 GHz다. Robinson 외(1998)의 등가 회로 모형은 슬롯을 양끝이 단락된 공면 선로로, 상자를 끝이 단락된 도파관으로 보고 상자 가운데의 전계 차폐를 계산한다. 아래 그림은 그 모형으로 계산했다(빈 상자, 손실 없음, 단일 모드라 2.0 GHz 아래만).

세 가지가 보인다. 첫째, 1 GHz에서 3·6·12 cm 슬롯의 차폐는 39.5·26.6·9.4 dB로 슬롯 길이가 두 배가 될 때마다 13~17 dB 줄어든다. 단순 최악 근사로는 14.0·8.0·1.9 dB다. 단순식은 슬롯 너비와 관측 위치를 무시해 더 비관적이다. 둘째, 12 cm 슬롯은 반파장 공진(1.25 GHz) 부근에서 0 dB 아래로 내려간다. 셋째, 상자 공진 근처에서는 짧은 슬롯도 차폐가 붕괴하고 상자 안 전계가 밖보다 세질 수 있다. 손실 없는 모형의 골 깊이(수십 dB)는 과장이고 실제로는 기판·부품·흡수재가 공진을 누그러뜨린다. 대책은 공진을 위협 대역 밖으로 옮기는 치수 선택, 흡수재, 민감 회로를 전계 최대점(가운데)에서 비켜 두는 배치, 그리고 주파수를 촘촘히 훑는 시험이다. 모형은 위치 하나·편파 하나·단일 모드의 근사이며 설계 확인은 측정으로 한다(5.7.11).

5.7.8 케이블·접지·본딩·필터·서지 보호

차폐 상자는 배선이 벽을 뚫는 순간 구멍이 난다. 배선의 원칙은 경계에서 처리한다는 한 문장이다.

• 케이블 차폐는 360°로 끝낸다. 차폐 편조에 흐른 전류가 상자 벽으로 곧장 돌아가야 안쪽 도체에 전압이 덜 생긴다. 편조를 꼬아 한 가닥으로 묶는 피그테일 종단은 인덕턴스가 커서 수십 MHz 위에서 차폐를 크게 깎는다(EMC 교과서의 일반 서술). 커넥터 백셸이 차폐를 둘레 전체로 물게 한다. 차폐의 질은 전달 임피던스(차폐 전류당 안쪽에 유도되는 단위 길이 전압)로 비교한다.
• 필터는 벽에 둔다. 상자 안쪽 기판에 둔 필터는 벽을 지난 배선이 이미 안쪽으로 다시 방사한 뒤라 소용이 적다. 관통형 필터나 필터 커넥터로 벽을 지나는 순간 거른다.
• 서지 보호는 에너지와 속도로 고른다. TVS는 5.7.6.3의 펄스 폭에서 보호 대상보다 먼저 동작하고, 클램프 전압이 대상의 절대 최대보다 낮아야 한다. 고속 신호선은 보호 소자의 정전 용량이 신호를 해치지 않는지 확인한다. RF 전단의 리미터도 같은 원리다.
• 접지와 본딩은 1.19.10을 따른다. 낮은 주파수에서는 한 점 접지가 귀환 루프를 줄이고, 배선이 파장에 비해 길어지는 높은 주파수에서는 여러 점 접지가 낫다. 본딩 저항이 높은 곳은 전류가 흐를 때 전위차가 생겨 교란의 출발점이 된다.
• 도체를 줄인다. 짧은 배선은 공진을 높은 주파수로 이동시킨다(5.7.5.3). 긴 신호선은 광섬유로 바꾸면 도전형 진입점이 사라진다(3.17). 송수신기는 남지만 결합 길이가 없어진다.
• 구역을 층으로 나눈다. 바깥 외피 → 장비실 → 장비 상자 → 기판 차폐의 층마다 진입점을 처리하면 각 층의 SE가 대략 더해진다(층 사이 결합이 없을 때). 전자기 위상(topology) 설계라 부른다. 층 하나를 관통하는 배선 하나가 모든 층을 무력하게 만들 수 있으므로 층마다 진입점 목록을 관리한다.

5.7.9 감시와 재시작 — 막지 못한 교란을 처리한다

차폐와 필터를 다 해도 교란은 남는다. 정문은 막을 수 없고(5.7.5.2), 시험하지 못한 주파수와 공진이 있다. 마지막 층은 알아채고 되돌리는 것이다. 이 층은 FDIR(2.5)과 안전 모니터(2.10.8.2)의 도구를 그대로 쓰되 고출력 전자기의 특성 세 가지를 반영한다.

1. 알아채기. 진행 점검이 있는 워치독(2.10.8.2), 전원 저전압 감지, 래치업 전류 감시, 메모리 오류 검출(2.9.9). 교란은 센서 값의 동시 이상으로 보이기도 하므로 센서를 격리하기 전에 전원·클록 건전성을 먼저 본다(2.5.8과 같은 순서).
2. 빨리 돌아오기. 마지막 정상 상태를 비휘발 기억에 두고 수십 ms 안에 제어를 되찾는 구조가 필요하다. 아래는 복귀 시간 동안 일어나는 일이다(파이썬, 쿼드콥터는 ESC가 지령 상실 때 멈춘다고 가정한 자유 낙하).

결론: 비행 제어 경로는 수십 ms 안에 돌아와야 하고, 운영체제를 다시 띄우는 임무 컴퓨터를 비행 제어 경로에 두면 안 된다(2.9.3.3의 이원 구조). ESC가 지령을 잃었을 때 멈출지 마지막 지령을 유지할지는 낙하와 폭주 사이의 설계 선택이며 FHA(8.4)에서 정한다.

1. 공통 원인을 깬다. 같은 상자·같은 배선 다발에 놓인 채널은 함께 교란된다. 독립 채널은 다른 위치·다른 차폐·다른 배선 경로에 두고, 가능하면 설계도 다르게 한다(2.5.4.3). 마지막 방어선인 비행 종료 장치(2.6.8)는 주 계통과 같은 교란에 함께 넘어지지 않도록 별도로 강화하거나, 교란되면 안전한 쪽으로 동작하게 만든다.

노출되는 동안 C2 링크와 GNSS 수신기는 정문으로 포화될 수 있다. 그래서 링크 상실·GNSS 상실 절차(2.6.6)와 관성 항법으로 유지하는 시간이 이 층의 일부다. 교란 사건은 로그로 남겨 사후 분석과 내성 개선에 사용한다.

5.7.10 수치 예시·워크스루 — 6 kg 결합형의 항전 상자

6 kg 결합형(1.11.7)의 비행·임무 컴퓨터를 포함하는 알루미늄 상자를 설계한다. 5.7.7.4의 그림과 같은 150×60×150 mm 상자다.

1단계 — 요구. $\mathrm{SE}_{req}=20\log_{10}(1000/30)+6=36.5$ dB다.

2단계 — 처음 설계의 누설 예산. 금속 상자지만 이음매·환기·커넥터를 따로 처리하지 않았다(5.7.7.3의 최악 근사).

3단계 — 해석. 처음 설계는 금속 상자인데도 1 GHz에서 사실상 차폐가 없다. 상자 안 전계는 709 V/m로 내성의 24배다. 개선하면 57 dB로 요구를 20 dB 넘기고 안쪽 전계는 1.4 V/m다. 셋 가운데 하나만 그대로 두어도 합계는 그 경로의 값(3.5·14.0·17.5 dB)으로 떨어진다. 가장 약한 경로가 전체를 정한다. 2.4 GHz에서는 같은 처음 설계의 슬롯 경로가 모두 7.6 dB씩 나빠져 합계가 0 dB 안팎, 곧 차폐가 없는 것과 같다.

4단계 — 정문과 배선. 차폐는 정문을 보호하지 못한다. 같은 1 kV/m가 2.4 GHz C2 대역 안이라면 안테나 단자에 +37 dBm이 들어온다(5.7.5.2). 리미터로 전단을 보호하고, 노출 동안의 링크 상실은 2.6.6의 절차가 받는다. 같은 세기의 장이 500 MHz에 있다면 상자 밖 0.3 m 모터 신호선의 개방 전압 상한은 191 V다(5.7.5.3 표의 10배). 그래서 필터 커넥터와 TVS를 벽에 둔다.

5단계 — 무게. 이 상자의 벽은 1 mm에서 219 g, 0.3 mm에서 66 g이다. 6 kg 기체의 3.6 %와 1.1 %, 2 kg 쿼드콥터라면 10.9 %와 3.3 %다. 벽이 아니라 이음매가 누설을 정하므로(5.7.7.2) 얇은 벽에 처리를 잘한 이음매가 무게 대비 차폐의 정답에 가깝다. 대가는 개스킷·필터 커넥터의 비용, 도파관 환기구의 압력 손실과 냉각(1.25), 정비 때 개스킷을 다시 맞추는 절차다.

생존성 종합(5.8)이 사용할 값은 이 절의 요구 36.5 dB와 개선 설계 57 dB, 정문 +37 dBm, 복귀 시간 예산(5.7.9)이다. 모두 교육용 가정에서 나왔고 실제 기체는 측정으로 바꿔 넣는다.

5.7.11 시험 — 무엇으로 입증하는가

시험은 장비 수준과 기체·체계 수준으로 나뉜다.

시험 설계에서 놓치기 쉬운 것이 셋이다.

1. 저준위 결과의 비례 환산은 선형일 때만 맞다. 리미터·TVS·방전·소자 손상은 비선형이라 고준위에서 다르게 움직인다. 비선형 소자가 있는 경로는 고준위 시험이나 해석으로 따로 확인한다.
2. 잔향실과 무반향실은 다른 것을 잰다. 잔향실은 적은 전력으로 높은 장을 만들고 모든 입사각·편파를 통계적으로 섞는다. 무반향실은 방향별 취약점을 보인다. MIL-STD-461의 RS103은 잔향실 시험을 대안 절차로 다룬다고 알려져 있다 (도입 판 확인 필요).
3. 내성은 수명 동안 깎인다. 개스킷 부식, 빠진 나사, 정비 뒤 다시 조이지 않은 덮개, 손상된 케이블 편조가 차폐를 붕괴시킨다. MIL-STD-464는 수명 주기 E3 내성을 별도 요구로 둔다(2차 요약). 정비 절차와 주기 점검(8.21)이 내성의 일부다. 교란은 고장 주입 시험(2.5.10)의 고장 목록에도 넣는다 — 재시작·비트 반전·센서 동시 이상을 HITL에서 주입한다.

5.7.12 소형 상용 부품 기체의 취약성과 비용

소형 상용 무인기는 구조적으로 취약하다. 이유는 다섯이다.

1. 외피가 막지 않는다. 플라스틱이나 도전 연속성이 없는 복합재 외피는 차폐가 거의 없다.
2. 기판이 열려 있다. 비행 제어기·ESC·수신기 모듈이 차폐 없이 붙고, 송신 안테나 곁에 놓인다(5.7.4의 0.3 m에서 6.5 V/m).
3. 배선이 길고 거르지 않는다. 모터 신호선·GNSS·지자기 센서 배선이 수십 cm로 차폐·필터 없이 이어진다. 수백 MHz~1 GHz에서 공진한다(5.7.5.3).
4. 시험이 방출 위주다. 무선 기기의 적합성평가(18.16)는 방출을 주로 보고, 내성은 상용 수준(수 V/m)까지다. EU의 무선 기기 EMC 표준(EN 301 489 계열)도 상용 수준의 방사 내성을 본다 (수준 확인 필요).
5. 복구가 보증되지 않는다. 상용 부품의 저전압 재시작 동작, ESC의 지령 상실 동작은 공개 자료가 부족하다(2.9.10.2).

비용 쪽은 이렇게 정리된다. 차폐 상자의 무게는 기체가 작을수록 비중이 크다(5.7.10의 5단계: 2 kg 기체에 1 mm 상자는 10.9 %). 그러나 무게의 대부분은 벽이고 벽은 얇아도 된다. 진짜 비용은 설계 노력·필터 커넥터·개스킷·시험이다. 소모성 기체(10.8)는 내성을 사는 대신 교란되면 빨리 돌아오거나 안전하게 끝나는 쪽을 택하는 것이 대개 합리적이다(5.7.14).

5.7.13 대드론 수단으로서의 HPM — 이 장의 경계

고출력 RF로 무인기의 전자 장비를 교란·손상시키는 대드론 수단은 공개 보도로 알려져 있다. 이 장은 그 수단을 받는 쪽의 물리만 다뤘다. 나머지는 층을 나눠 넘긴다(BK-08).

방호 쪽에서 남는 함의는 둘이다. 첫째, 같은 공역에서 아군 대드론 HPM과 아군 무인기가 함께 운용되면 아군 기체의 내성이 전자기 양립성 계획의 항목이 된다(MIL-STD-464가 다루는 전자기 환경 효과의 범주). 둘째, 보호 시설 주변을 나는 민간 기체는 의도와 무관하게 노출될 수 있으며 그 책임과 절차는 11.4·18.9의 몫이다.

5.7.14 설계 트레이드오프 — 어디까지 막고 어디서 되돌리나

① 전면 차폐. 모든 전자 장비를 차폐 상자에 넣고 모든 진입점을 처리한다. 가장 확실하고 입증이 쉽다. 무게·비용·냉각·정비 부담이 크다. 고가 군용 기체와 AAM의 비행 필수 계통이 택한다.

② 구역화. 비행 필수 핵심(비행 제어·전원 관리·비행 종료 장치·C2 처리)만 작은 상자로 깊게 막고, 임무 장비는 교란을 허용하되 재시작한다. 차폐의 무게가 작아지고 핵심의 내성을 시험으로 보이기 쉽다. 대신 핵심과 비핵심의 경계(배선·전원)를 엄격히 관리해야 한다.

③ 수용과 복구. 차폐는 최소로 하고 빠른 재시작·안전 상태·운용 회피로 받는다. 가장 싸고 가볍다. 영구 손상과 래치업은 막지 못하며 사람 위나 도심 운용에는 근거가 약하다. 소모성·저가 기체가 택한다.

견해: 소형·중형 무인기에는 ②를 기본으로 하고 ③을 그 위에 중첩하는 구성이 비용 대비 가장 낫다고 본다. 근거는 셋이다. 첫째, 5.7.10의 가정대로라면 작은 상자 하나의 이음매·환기·커넥터를 처리해 1 GHz에서 50 dB 넘게 얻고, 무게는 수십~200 g이다. 둘째, 기체 전체를 막으려면 외피의 도전 연속성과 모든 배선이 문제가 되어 비용이 급격히 는다. 셋째, 정문은 어차피 막을 수 없으므로 링크와 GNSS의 상실을 견디는 복구 설계(5.7.9)는 어느 선택에서나 필요하다. AAM은 인증이 HIRF 환경에서의 무영향과 적시 복구를 요구하므로 비행 필수 계통에 ①에 가까운 처리가 필요하다. 이는 설계 판단이며 FHA(8.4)와 시험이 최종 근거다.

5.7.15 세 축 비교

5.7.16 관련 규격·프로토콜

유료 표준의 본문은 옮기지 않고 구조와 요지만 적었다. 규격 지형은 9.1, 미국 군사 규격은 9.2·9.3, 대응표는 A.7, 단위 변환(V/m·W/m²·dB)은 A.13이 다룬다.

5.7.17 관련 규제·인증 요구와의 연결

• AAM의 HIRF·낙뢰 인증. 14 CFR 23.2520은 실패하면 안전한 비행·착륙을 막는 기능에 대해 HIRF 노출 중과 뒤에 기체 수준 기능이 나빠지지 않고 정상 동작을 적시에 회복하도록 요구한다. 25.1317은 환경 I·II에 대해 같은 구조다. eVTOL은 SC-VTOL의 해당 조항과 인증 기준 합의로 간다(17.7·17.14·20.5).
• 군 감항과 계약. HPM·EMP 요구는 MIL-STD-464에서 계약이 지정할 때만 적용되고 위협 값은 계약이 준다. 감항 기준(MIL-HDBK-516C)과 군별 절차는 12.3·20.20·20.19이다.
• 민간 UAS. 고출력 전자기 내성을 직접 요구하는 규정은 확인하지 못했다. 운용 위험 평가(SORA, 17.17)가 강한 송신기 근처 운용을 위험 요인으로 다룰 수 있고, 무선 기기의 EMC 적합성평가는 18.16다.
• 대드론 HPM의 사용. 사용 권한·전파법·부수 피해 책임은 11.4·18.9, 국제법은 19.10이다. 지향성 에너지 무기는 미국 USML 제XVIII류 등 수출통제 대상이다 (확인 필요)(19.16).
• 안전성 평가. 고출력 전자기는 공통 원인 분석의 항목이다(8.4). 같은 환경에 노출되는 채널들의 독립성 주장은 시험 근거가 필요하다.

5.7.18 함정과 한계

미해결 문제도 있다.

• 무인기의 내성 자료 — 소형 무인기 부품·기체에 대한 공개된 체계적 내성 측정은 드물다. 이 장의 경험 범위는 지상 장비·차량의 값이다.
• 복합재 기체의 차폐 — 체결부·이음매를 포함한 실제 구조의 차폐 효과와 수명 동안의 변화.
• 복구의 입증 — "적시 복구"를 소형 기체에서 어떤 시간 기준과 시험으로 보일 것인가.

모형의 한계: 차폐 계산은 평면파·원거리장·단일 편파다. 슬롯 단순식은 최악 근사이고 Robinson 모형은 단일 모드·손실 없음·한 관측점이다. 배선 결합은 반파장 다이폴의 상한이며 접지면·부하 부정합을 넣지 않았다. 누설 합산은 독립 경로의 전력 합이며 실제는 위상에 따라 그 사이다.

5.7.19 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. 재밍과 고출력 전자기의 차이 세 가지를 들고, 왜 다중화가 고출력 전자기를 막지 못하는지 설명하라.
2. 전계 100 V/m의 전력 밀도를 구하고, 2 dBi 안테나가 2.4 GHz와 0.9 GHz에서 받는 전력의 차이가 어디서 오는지 설명하라.
3. 0.3 m 배선이 공진하는 주파수와 100 V/m에서의 개방 전압 상한을 구하라. 배선을 0.15 m로 줄이면 무엇이 바뀌는가?
4. 외부 3 kV/m, 내성 30 V/m, 여유 6 dB일 때 필요 차폐 효과를 구하고, 2.4 GHz에서 그 차폐를 내는 최대 슬롯 길이를 구하라.
5. 금속 상자가 0 dB 아래의 차폐를 보이는 두 경우를 5.7.7.4의 그림으로 설명하라.
6. 누설 경로 셋 가운데 하나만 고치지 않으면 합계가 그 경로의 값으로 떨어지는 이유를 식으로 보여라.
7. 복귀 시간 0.2 s와 30 s가 2 kg 쿼드콥터와 6 kg 결합형에 각각 무엇을 뜻하는지 말하라.

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

1. 소형 무인기의 내성 지도 — 상용 비행 제어기·ESC·수신기 모듈의 협대역·광대역 내성을 표준화된 방법(잔향실·BCI)으로 측정해 공개 자료로 만들면 어떤 분포가 나오는가?
2. 복합재 기체의 실효 차폐 — 체결부·이음매·도전 메시를 포함한 복합재 구조의 차폐 효과를 설계 단계에서 예측하는 모형과, 수명 동안 열화의 측정 방법은 무엇인가?
3. 복구 성능의 인증 기준 — "적시 복구"를 기체 동역학(낙하·이탈 거리)과 연결한 정량 기준으로 바꿀 수 있는가? 고장 주입 시험 몇 번이면 충분한가(2.5.10)?
4. 경량 구역화 설계의 최적화 — 질량·냉각·정비성과 차폐 효과를 함께 놓고 무엇을 어느 층에 넣을지 정하는 설계 방법은 무엇인가?

1차 출처(이 장)

• 14 CFR 23.2520, 25.1317, Part 25 부록 L(eCFR 원문, 코넬 LII 사본으로 확인).
• IEC 61000-2-9:1996(E1 파형 값은 Xie, Sensor and Simulation Note 562, 2013으로 확인), IEC 61000-2-13:2005, IEC 61000-4-3:2020, IEC 61000-4-36:2020.
• MIL-STD-461G, MIL-STD-464C(ASSIST 원문 — 요지는 2차 요약으로 확인), RTCA DO-160G.
• Robinson, M. P. 외, "Analytical formulation for the shielding effectiveness of enclosures with apertures," IEEE Trans. EMC, 40(3), 240–248, 1998.
• Bäckström, M. G.; Lövstrand, K. G., "Susceptibility of electronic systems to high-power microwaves: summary of test experience," IEEE Trans. EMC, 46(3), 396–403, 2004.
• Radasky, W. A.; Savage, E., Intentional Electromagnetic Interference (IEMI) and Its Impact on the U.S. Power Grid, Metatech Meta-R-323(오크리지 국립연구소 위탁), 2010 — 경험 범위의 2차 요약.
• Wunsch, D. C.; Bell, R. R., "Determination of threshold failure levels of semiconductor diodes and transistors due to pulse voltages," IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-15(6), 1968.
• Ott, H. W., Electromagnetic Compatibility Engineering, Wiley, 2009 — 개구·케이블 차폐·접지의 교과서 근사.
• ITU-R P.525 — 원거리장 전계 식.

계산은 fig-src/5.7-calc.py·5.7-slot.py·5.7-need.py의 모형으로 했다(교육용 모형이며 시험 값이 아니다).

다음 장: 5.8에서는 제5부를 묶는다. 재밍·기만·탐지·레이더·시그니처·고출력 전자기를 한 기체의 생존성 예산으로 모아 항재밍 설계·자율 복귀·방사 통제를 어떻게 조합하는지 본다.