'초음속'에 해당되는 글 5건

  1. 2011.04.07 YF-23 블랙 위도우 II
  2. 2011.04.07 Yak-38과 Yak-141
  3. 2011.04.07 VJ 101과 VAK 191
  4. 2011.04.07 XF-109와 미라지IIIV
  5. 2011.04.07 YF-17 코브라


 우수한 스텔스 성능에 
       마하 1.8 순항비행


1970년대에 F-15·F-16이라는 걸출한 전투기를 탄생시킨 바 있는 미 공군은 1980년대에 들어 러시아가 램(Ram)-K, 램(Ram)-L이라는 고성능 전투기를 개발하고 있다는 첩보를 입수했다. 훗날 Su-27과 MiG-29로 밝혀진 이 신형 전투기에 대항해 향후에도 압도적인 공중전을 펼치기 위해 미 공군은 각종 첨단기술을 대거 적용한 ATF(Advanced Tactical Fighter) 개념을 연구했다.

ATF 연구에서 제시된 미래형 전투기 개념은 스텔스, 초음속 순항, 고(高)기동성으로 요약된다. 미 공군은 각종 첨단기술이 적용된 ATF 개념을 실증할 수 있도록 각 항공기 제작사에 제안요청서를 1981년에 제시하고 ATF 사업을 본격적으로 추진했다.1개 제작사가 감당하기 힘들 정도로 요구도가 높았던 ATF 사업 참여를 위해 미국의 항공기 제작사는 2개 팀을 형성해 경쟁에 참여했다.

ATF 개발의 핵심 기술인 스텔스는 1970년대부터 이미 록히드와 노스롭이 경험을 축적한 바 있었다. 따라서 팀도 자연스럽게 록히드와 노스롭을 주축으로 구성됐다. 록히드는 보잉, 제너럴 다이나믹스와 팀을 구성했고, 노스롭은 맥도널 더글러스와 한 팀을 이뤄 경쟁했다. 록히드 팀은 다소 보수적인 설계로 YF-22를 제작했고, 노스롭팀은 선진적인 설계를 대거 적용해 YF-23 블랙위도우II를 제작했다.

21세기 제공권 획득을 두고 미국 최고 항공 기술력의 자존심을 건 항공산업계의 불꽃 튀는 경쟁이 시작된 것이다.YF-23은 YF-22보다 스텔스 성능에 중점을 두고 설계된 것이 특징이다. 미익을 ‘V’자 형태로 설계해 수평미익과 수직미익으로 인해 반사되는 전파를 억제했고, 후부동체를 B-2 스텔스 폭격기와 유사하게 톱니모양으로 설계했다.

그리고 레이더반사단면적(RCS)과 항력을 낮추기 위해 전체적으로 미려한 곡선을 적용해 YF-23은 마치 스타워즈 영화에 나올 법한 형상이 됐다.공기흡입구는 주날개 밑에 있지만 특이하게도 엔진은 동체 위에 위치했다. 노즐 아랫면도 길게 연장돼 미익과 함께 노즐에서 방사되는 적외선을 억제할 수 있었다. 전반적으로 B-2 폭격기의 스텔스 개념을 적용한 YF-23은 경쟁기종인 YF-22에 비해 우수한 스텔스 성능을 보유할 수 있었다.

YF-23은 스텔스뿐만 아니라 초음속 순항 측면에서도 YF-22를 능가했다. YF-22가 후기연소기를 사용하지 않고 마하 1.58로 순항비행이 가능했던 반면 YF-23은 마하 1.8의 순항비행이 가능했다. 동일한 F119 엔진을 사용하더라도 항력이 적게 설계된 YF-23이 YF-22보다 우수한 항속 성능과 속도를 보였던 것이다. 1991년 4월 23일, 최고의 전투기를 위한 경쟁에서 YF-22가 최종적인 승자가 됐다.

저속 기동성을 제외하면 모든 성능에서 YF-22보다 우수했던 YF-23이 결국 탈락된 것이다.미 공군은 우수한 성능보다 합리적인 프로그램을 원했다. 비록 성능이 다소 떨어지더라도 보수적인 설계에 보잉이라는 안정적인 파트너까지 확보한 록히드팀에게 미 공군은 후한 점수를 주었던 것이다.

선진적인 개념과 기술이 대거 적용된 YF-23은 높은 성능만큼 프로그램 코스트를 증가시킬 요인이 많았다. 비록 ATF 경쟁에서는 패배했지만 시대를 앞서갔던 YF-23의 설계 사상은 YF-22와 더불어 미래 전투기 개발개념을 훌륭하게 보여줬던 설계안으로 기억되고 있다.

<임상민 국방기술품질원 공중전력팀>

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공중요격·근접공중전 등
   다목적 초음속 전투기


초음속 수직 이·착륙기 역사에서 러시아는 미국, 유럽과 더불어 많은 노력을 기울인 국가 중 하나였다. 1967년 7월 도모데드보 에어쇼에서 이미 러시아는 고정익기로 수직 상승 및 공중 정지, 수평으로의 전환 비행을 관중 앞에서 선보인 바 있다. 당시 에어쇼에 사용됐던 Yak-36 ‘프리핸드’ 기종은 실제 작전에 투입할 수 없는 기술시범기 수준의 항공기였으나 안정적인 수직 이·착륙이 가능해 러시아의 기술력을 입증했다.

Yak-36 ‘프리핸드’에서 실증된 수직 이·착륙 기술은 실제 임무수행이 가능한 Yak-38 ‘포저’로 이어졌다. 1975년부터 양산 단계에 들어간 Yak-38은 1976년부터 소련 해군의 키에프·민스크 등 항공모함의 함재기로 운용을 시작했으며, 함대 방공 문제가 절실한 소련 해군에 함대 방공 전투기, 대함 공격기, 정찰기 등 다양한 목적으로 활용됐다.

Yak-38은 다양한 임무수행이 가능했지만 전투기로서의 기동 성능이나 탑재 능력, 항속 능력 등 전반적인 성능이 부족했다. 러시아는 수직 이·착륙기보다 미국의 함재기와 같이 통상 이·착륙(CTOL) 방식의 고정익 전투기를 함재형으로 개발하는 방안을 결정했고, Su-33과 MiG-29K 등이 개발되자 Yak-38을 곧 퇴역시켰다.

Yak-38의 성공 이후 러시아가 준비했던 기종은 Yak-141이었다. 세계 최초의 실용 초음속 수직 이·착륙 전투기를 목표로 개발됐던 Yak-141은 1991년 파리 에어쇼에서 공개돼 세계적인 주목을 받기도 했다. 야코블레프 설계국의 홍보자료는 Yak-141에 대해 공중요격, 근접공중전 및 대지공격임무를 수행할 수 있는 다목적 초음속 전투기로 설명하고 있었다.

Yak-38과 마찬가지로 Yak-141이 사용한 수직 이·착륙 방식은 추력 편향이 가능한 주 엔진과 수직전용 보조 엔진을 결합한 것이었다. 주 엔진은 배기구가 후방에서 아래로 95도까지 꺾이도록 설계됐다. 수직 아래인 90도보다 5도가 더 꺾이도록 설계한 것은 추진 방향을 약간이나마 전방으로 향하게 해 착륙할 때 감속 효과를 얻기 위해서였다.

Yak-141은 초음속 성능이 요구됐기 때문에 엔진에 후기 연소기가 장착돼 있다. 후기 연소기는 Yak-141의 가속 및 기동 성능에 큰 기여를 했지만 착륙 시 항공모함 갑판 또는 활주로 표면을 가열시켜 손상을 입힐 우려가 있었다.

1989년 3월에 초도비행을 실시한 Yak-141은 기존 Yak-38에 비해 개선된 성능을 입증했다. 특히 최대속도는 마하 1.7을 기록해 최초의 실용 초음속 수직 이·착륙기가 탄생되는 듯했다. 하지만 냉전 종식으로 인한 러시아의 국방예산 감축으로 Yak-141을 비롯한 많은 개발 프로그램이 취소되고 말았다.

Yak-141은 연구개발에 성공했음에도 불구하고 예산 문제로 양산에 이르지 못한 항공기였다. 비록 양산에 이르지 못했지만 Yak-141에 적용됐던 회전 노즐(swivelling nozzle) 기술은 미국의 F-35B 차세대 초음속 수직 이·착륙기에 그대로 적용됐기 때문에 Yak-141은 최초 초음속 수직 이·착륙기의 탄생에 결정적인 역할을 한 항공기로 역사에 남게 됐다.

<임상민 국방기술품질원 공중전력팀>

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세계 첫 수직으로 이륙해
       초음속 비행


독일은 초음속 수직이착륙기 개발에 상당한 열의와 투자를 집중했던 국가다. 1955년에 나토에 가입하면서 새로이 개편된 서독 공군은 전술기의 핵심을 모두 수직이착륙기로 구성한다는 원대한 구상을 꿈꾸었다. 긴 활주로는 적의 공격에 취약하기 때문에 활주로 없이 야전에서 분산 운용이 가능한 수직이착륙기는 장점이 충분히 있어 보였다.

이를 구체화하기 위해 독일은 전투기·공격기·수송기 등 세 가지의 핵심 군용기를 수직이착륙기로 개발한다는 계획을 1960년대에 추진했다. 독일이 가장 먼저 개발한 기종은 EWR VJ 101이었다. EWR VJ 101에서 EWR은 제작사 컨소시엄 이름을, VJ는 수직이착륙 전투기(Vertikal Jager)를 의미했다.VJ 101의 요구도는 1956년에 완성됐고, 본격적인 개발은 1959년부터 시작됐다.

VJ 101은 처음부터 독일 공군의 최신예기 F-104G를 대체하고자 개발됐기 때문에 요구도 수준이 상당히 높았다. VJ 101에 요구된 작전반경은 54~270nm, 최대상승한도 7만2200ft, 최대속도 마하 2.5였다. 당시 F-104G가 고도 5만ft까지 도달하는 데 약 140초가 소요된 반면 VJ 101은 6만5600ft까지 90초 이내에 도달할 것이 요구됐다. 마하 2.5 속도에 이 정도 상승 성능이라면 1960년대 기술 수준으로 최상급에 속하는 것이었다.

수직이착륙에 도전하기 위해 독일은 새로운 실험 장비를 개발해 연구를 거듭했고, 비행제어 계통과 조종사의 숙달훈련이 마무리되자 실제 VJ 101C가 날아올랐다. VJ 101C X1의 첫 공중정지비행은 1963년 4월 10일에 이뤄졌다. 그리고 수직이륙 후 수평으로의 전환비행도 동년 9월 30일에 이뤄졌다.놀라운 것은 X1 시제기가 1964년에 수평비행에서 후기연소기 없이 마하 1.08로 음속을 돌파한 것이었다.

수직으로 이륙해 초음속 비행에 최초로 성공한 역사적인 순간이었다. 후기연소기가 부착된 X2 시제기는 원활한 초음속 비행이 가능해 마하 1.14를 기록했지만 양산에 이르지는 못했다. VJ 101이 전투기 대체가 목적이었다면 VAK 191은 피아트 G.91 공격기 대체가 목적이었다. VAK 191에는 저고도로 침투해 핵폭탄 1발을 적지에 투하하고 귀환한다는 핵공격 단일 임무수행이 요구됐다.

VAK 191은 영국 해리어와 유사한 방식의 추력편향식 엔진을 사용했다. 하지만 독일은 소형 엔진을 사용해 고속 성능을 추구했다. 부족한 수직 추력은 기체 전후방에 탑재된 수직전용 엔진 2개가 보완했다. 제작된 VAK 191 시제기는 1971년 9월, 초도비행에 성공했다.

이미 VJ 101을 통해 수직이착륙과 초음속 비행의 결합을 이끌어 냈던 독일은 당시로서 최첨단이었던 전자식비행제어(FBW) 기술까지 VAK 191에 적용해 비행에 성공시켰던 것이다. 비록 양산에 이르지는 못했지만 VJ 101과 VAK 191을 통해 독일은 수직이착륙 초음속 비행에 대한 중대한 성과를 거둘 수 있었다.

<임상민 국방기술품질원 공중전력팀>

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초음속 성능 결합한
      수직이착륙 전투기


영화 ‘트루 라이즈’에서 비밀요원 아놀드 슈왈츠제네거가 타고 등장한 ‘해리어’ 전투기는 수직이착륙기의 대명사다. 하지만 제트기인데도 불구하고 해리어의 최대속도는 소리의 속도보다 낮다.제트기의 최대속도가 음속을 넘어가자 항공 선진국들은 수직이착륙 성능과 초음속 성능을 결합하고자 경쟁적으로 개발을 시작했다. 가장 먼저 개발을 시도한 국가는 미국이었다.

미국은 이미 1953년부터 자체적으로 수직이착륙 실험기를 개발한 경험이 있는 벨 사를 주목하고 1955년부터 자금을 투자했다.미 공군과 해군이 함께 자금을 투자한 이 전투기의 명칭은 XF-109였다. 미 해군은 XF3L로 명명했던 이 전투기는 수직으로 이착륙이 가능하면서도 수평비행에서 마하 2.3의 초음속 속도를 낼 수 있도록 요구했다.

XF-109는 이 성능을 달성하기 위해 무려 8개의 엔진을 탑재하도록 설계됐다. 수평비행 전용 엔진 2개 외에 수직 전용 엔진 2개를 조종석 뒤에 넣고, 날개 끝에 경사각을 변화시킬 수 있는 수평·수직 겸용 엔진을 4개 탑재했다. 엔진 8개의 XF-109 전투기는 결국 1961년에 개발이 취소됐다.

기술적으로 무리한 면도 있었지만 F-5 전투기에도 탑재된 J85 엔진의 개발 지연이 반복되자 미 해군은 결국 1960년에 자금 투자를 취소한 것이다. 이어 미 공군도 1961년에 계획을 취소하면서 초음속 수직이착륙기 XF-109 개발은 중단되고 말았다. 1960년대에는 미국뿐만 아니라 유럽의 나토도 초음속 수직이착륙기를 필요로 했다.

델터익 전투기 미라지 시리즈로 유명한 프랑스 닷소 사는 나토에 제안하기 위해 미라지 IIIV 기종의 개발을 시작했다.미라지 IIIV의 엔진 수는 미국의 XF-109보다 1개 더 많은 9개다. 수직 전용의 소형 엔진 8개를 중앙에 배열하고, 수평 비행용 엔진을 1개 탑재한 것이다. 1966년, 8개의 수직 엔진 덕분에 미라지 IIIV는 수직으로 떠올라 수평 비행으로 전환에 성공할 수 있었다. 그리고 수평비행에서 마하 2.04의 최대속도를 기록했다.

하지만 초음속 비행은 활주로에서 이륙해 나온 결과이고, 한 번의 비행에서 수직이착륙과 초음속 비행을 동시에 수행한 적은 없었다.나토(NATO)는 초음속 수직이착륙기에 대한 요구도를 1962년에 발표했지만 발표 이후 구체적인 자금을 투자하지 않았다. 닷소 사는 자체 자금을 투자해 개발을 지속했지만 비행시험 중 사고로 조종사가 사망하자 1966년에 개발 계획을 전면 취소했다.

미라지 IIIV 취소 이후 약 40년 동안 다시는 마하 2급의 초음속 수직이착륙 전투기가 등장하지 못했다. 수직이착륙과 마하 2급의 초음속 비행은 그만큼 쉽게 어울리지 못하는 성능이었던 것이다.2010년대에 전력화될 F-35B 합동공격전투기(JSF)는 이 둘을 결합한 최초의 실용 전투기가 될 예정이다. 1950년대부터 시도됐던 초음속 수직이착륙에 대한 인류의 도전이 60년이 지나 비로소 빛을 보게 되는 것이다.

<임상민 국방기술품질원 공중전력팀>

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첫 후기 연소기 작동않고
‘초음속 순항 성능’ 발휘

 1950년대 미국의 전투기 제작사들은 F-101, F-105, F-106으로 대표되는 “F” 100번대 센추리 시리즈 대형 전투기 개발에 온힘을 쏟고 있었다. 이러한 흐름 속에서 노드롭 사는 소형 전투기의 가능성을 확신하고 N-102 FANG, N-156(F-5), N-300, P-530, P-600(YF-17)으로 이어지는 경전투기를 차례로 등장시켰다.

세계 항공기 시장에서 2600대 이상 판매된 베스트셀러 F-5 전투기 시리즈는 노드롭 사가 주목한 경전투기 시장이 성공적이었음을 의미한다. 노드롭 사는 F-5 시장을 이어갈 후속작으로 P-530 코브라 전투기를 개발했다. 철저하게 수출을 목적으로 한 P-530은 마하 2급의 다목적 고성능 전투기면서 놀랍게도 총획득 비용은 F-5 수준을 목표로 했다.

저렴한 운영유지비를 바탕으로 F-104, F-5 운용국에 대량으로 수출하겠다는 것이 노드롭 사의 구상이었다.1965년부터 본격적으로 개발이 시작된 P-530은 소형 터보제트 엔진을 쌍발로 장착했고, ‘코브라’라는 별명의 계기가 된 날개 앞전 연장익(LERX)을 날개와 동체 사이에 붙여 기동 성능을 향상시켰다. 1971년 1월 마침내 노드롭 사는 P-530을 각국 공군에 공개했지만 불행히도 P-530을 구매하겠다고 나선 국가는 없었다.

노드롭 사에 새로운 시장으로 다가온 것은 오히려 내수시장이었다. 미 공군이 고성능 전투기인 F-15를 보조할 수 있는 경량전투기를 필요로 한 것이었다. 경량전투기 프로그램은 일명 전투기 마피아라고 불리우는 존 보이드, 스프레이 등의 전투기 사상이 반영돼 구체화됐다.노드롭은 이미 개발해 놓은 P-530이 있었기 때문에 이를 공중 전형으로 재설계한 P-600안을 제시했다.

그 결과 제너럴 다이나믹스의 GD-401안과 노드롭의 P-600안이 높은 점수를 얻어 각각 YF-16, YF-17로 명명되고 경쟁이 시작됐다.1974년 초도비행에 성공한 YF-17은 계속된 시험비행에서 미국 항공기 역사상 처음으로 후기 연소기를 작동시키지 않고 초음속을 유지하는 ‘초음속 순항 성능’을 발휘했다. 그뿐만 아니라 68도의 받음각으로 기수를 든 채 안정된 비행상태를 유지할 수 있었다.

게다가 1975년에는 수평비행 중에 순간적으로 기수를 105도 들어 동체를 세우는 ‘행 앤드 후크(hang and hook)’ 기동을 선보여 보는 이들을 놀라게 했다. 이는 1980년대 말 러시아의 Su-27 전투기가 에어쇼에서 선보여 세계를 놀라게 했던 코브라 기동과 유사한 것이다.놀라운 기동성과 뛰어난 성장 잠재력을 지닌 YF-17이었지만 정작 YF-16과의 경쟁에서는 패배했다.

경량전투기 프로그램 자체가 고성능 기종보다는 수명 주기비용이 적은 기종을 목적으로 했기 때문이다. 쌍발 전투기는 단발 전투기에 비해 크기가 커지고, 운영유지비가 많이 들어 쌍발 전투기인 YF-17은 단발 전투기인 YF-16보다 불리했다. 비록 YF-17이 경량전투기 프로그램 경쟁에서 실패했지만 YF-17 자체는 실패한 기종이 아니었다.

미 해군의 주력 전투공격기 F/A-18 호넷이 YF-17을 근간으로 개발됐기 때문이다. F/A-18C/D 호넷은 이미 F/A-18E/F 수퍼호넷으로 진화하면서 21세기 미 해군의 주력 항공기로 운용될 전망이다. YF-16과의 패배로 인해 역사 속으로 묻혀진 YF-17이 실제로는 21세기 하늘을 주름잡는 항공기로 이어지고 있는 것이다.

<임상민 국방기술품질원 공중전력팀>

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