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지난시간에는 팬텀이 어떤 이유로 개발되었는지를 살펴보았다. 이번 시간에는 그렇게 개발된 팬텀이 어떻게 생겼는지를 자세히 살펴보자. |
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팬텀의 크기는 F-4E형을 기준으로 전체 길이 19.2m, 높이 5m이며, 날개의 폭은 11.7m이다. 무게는 F-4E형을 기준으로 연료와 무장을 탑재하지 않은 자체무게가 13.8톤 가량이며 연료와 무장을 최대로 탑재했을 때는 28톤 가량이 된다. |
팬텀의 날개는 전형적인 ‘잘려나간 삼각날개(Cropped Delta Wing)’다. 후퇴각은 51.4°로, 비슷한 시기의 다른 전투기들에 비해서 큰 편인데 이 역시 마하 2.0 이상의 고속 비행을 염두에 둔 설계 때문이다.
날개의 가로세로비는 같은 시기의 전투기들에 비하면 큰 편인 2.8정도인데 이는 도리어 저속비행, 특히 순항 비행 시에 유리한 설계다. 이런 설계는 장시간 함대 근처를 순찰비행하는 함대 방공 임무에 적합하도록 연료 소모율을 줄이는데 도움을 준다. |
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공중급유기에서 바라본 F-4 팬텀. 날개의 모습이 잘 보인다. 동체에 가까운 평평한 쪽이 안쪽날개, 그리고 위로 살짝 꺾인 부분이 바깥쪽 날개다. |
위에서 보았을 때 팬텀의 날개는 안쪽과 바깥쪽으로 나뉘는데, 안쪽 날개는 더 두꺼운 날개 단면 모양을 사용해서(두께비 6.4%) 느린 속도에서의 효율을 높였다. 물론 이런 날개 모양은 날개 구조를 더 튼튼하게 하며, 더 많은 연료의 탑재를 가능케 하는 부수적 효과를 만든다. 반면 바깥 날개 쪽은 더 얇은 날개 꼴을 사용해서(두께비 3%) 초음속에서의 항력을 줄였다.
팬텀의 날개에서 볼 수 있는 또 하나의 특징은 안팎의 날개를 구분짓는 톱날모양 부분이다. 항공기는 급기동 중이나 이착륙 중과 같은 상황에서 날개 위쪽의 공기흐름이 흐트러지거나 끊어져서 흘러서 원하는 만큼의 양력을 얻을 수 없는 경우가 있다. 이러한 상황에서 팬텀의 날개에 있는 톱날의 날카로운 앞쪽 끝 부분은 소용돌이 흐름 만들게 되는데, 이 소용돌이 흐름이 공기흐름이 원활하게 흐르는데 도움을 주어서 결과적으로 급기동, 이착륙 성능을 높이는 역할을 한다. |
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팬텀 주 날개의 톱날부분 때문에 위의 그림과 같은 소용돌이 흐름이 생긴다. 이 톱날부분은 이름 그대로 톱니(Sawtooth)라고 부르지만 개이빨(Dogtooth)라고 부르기도 한다. |
팬텀의 날개를 정면에서 보았을 때는 바깥쪽 부분만 위로 12°가량 들려있다. 이 독특한 형상은 뒤에 설명할 수평꼬리날개의 형상 때문에 나온 결과물이며 기체를 좌우로 기울이는 방향에 대한 안정성(Roll 안정성)과 관계가 있다.
이 바깥쪽 날개는 비행중이 아니라면 90°로 접을 수 있다. 육상 기지에 비해서 좁은 항공모함에서는 날개를 접어야 차지하는 공간이 줄기 때문이다. 또 비행기가 이착륙하는 비행갑판과 그 아래층의 격납고를 연결하는 엘리베이터 사이즈가 정해져 있기 때문에 팬텀뿐만 아니라 다른 항공모함에서 운용하는 전투기들도 대부분 날개를 접을 수 있다. |
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야외에 전시중인 F-4 팬텀의 정면 모습. 바깥쪽 날개를 90도 접고 있다. |
한편 정면에서 보았을 때 팬텀의 날개는 동체 아래쪽에 달려 있는데, 그렇게 설계된 가장 큰 이유는 착륙장치(랜딩기어)의 길이를 줄이기 위해서였다. 항공기의 착륙장치는 날개의 구조물에 다는 편이 유리한데 이 부분이 전체 항공기 구조물 중에 가장 튼튼한 부분이기 때문이다.
팬텀은 항공모함에서 이착륙 할 때 착륙장치에 많은 부담이 가해지므로 이 부분이 굵고 짧은 편이 좋다. 이 짧은 착륙장치를 날개 뿌리 부분에 달려고 하면 자연스레 날개가 동체 아래쪽에 올 수 밖에 없다. 날개가 동체 위쪽에 있는데 착륙장치가 짧다면 동체 바닥이 땅에 끌릴 위험이 높아지기 때문이다. 또 날개가 아래쪽에 있으면 날개 밑에 다양한 무장이나 연료탱크를 달거나 내릴 때 더 수월하다. 다만 이곳에 들어가는 정비사들의 작업공간이 좁아지는 문제점도 있다. |
항공모함에 착함중인 F-4 팬텀. 주날개 끝이 위로 12도 가량 들어 올려져있다. 한편동체보다 아래쪽에 있는 주날개는 착륙장치(랜딩기어)를 짧게 하기 위한 설계다. |
팬텀의 수평꼬리날개는 주날개만큼이나 독특해서 아래로 23° 가량이나 처져 있다. 저번 시간에 보았던, 팬텀의 조상뻘 되는 F3H-G만 해도 수평꼬리날개는 이름 그대로 ‘수평’이었다. 그런데 이착륙 중이나 급기동 중에는 주 날개에서 생긴 후류, 즉 흐트러진 공기흐름이 수평꼬리날개에 영향을 줬다. 수평꼬리날개가 엔진 분사구 근처의 뜨거운 열기를 피하기 위해 주날개보다 높이 설치된 것이 문제였던 것이다. |
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F-4 팬텀의 뒷 모습. 팬텀의 ‘수평꼬리날개’는 ‘수평’이 아니다. |
맥도널의 설계자들은 다양한 연구 끝에 수평꼬리날개를 아래로 23° 가량 처지게 만들어서 이 문제를 해결했다. 또한 아래로 처진 수평꼬리날개는 수직꼬리날개 역할도 일부 겸하게 하였는데, 덕분에 초음속 비행을 할 때 수직꼬리날개만으로 방향안정성을 원하는 만큼 확보할 수 없었던 문제도 동시에 해결할 수 있었다.
하지만 아래로 처진 수평꼬리날개는 자세를 기울이는 롤 안정성에 좋지 않은 영향을 주었다. 다시 원하는 만큼의 안정성을 얻으려면 주날개를 전체적으로 3° 가량 위로 들어올려야 했다. 그러나 날개를 전체적으로 들어 올리려면 주날개의 뿌리부분부터 전체적으로 전부 재설계 해야 하므로 여간 복잡한 일이 아니었다. 그래서 날개 바깥쪽 부분만 12° 들어 올려서 문제를 해결한 것이다. 하지만 베트남전을 겪으면서 급기동을 할 일은 여전히 많았고 그 와중에 적지 않은 숫자의 팬텀이 비행불능 상황 때문에 추락했다. 그 결과 미군은 이 문제를 심각하게 받아들이기 시작했으나 이미 설계한 수직꼬리날개를 바꾸기란 쉽지 않은 일이었다. 그래서 수직꼬리날개를 바꾸는 대신 날개의 고양력장치를 바꾸어 이 문제를 해결했다. |
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저번화에서 보았던 사진들이다. 1번 사진은 F3H-G 데몬의 1:1 모형으로 주날개와 수평꼬리날개 모두 수평이다. 2번 사진은 F4H-1의 1:1 모형으로 수평꼬리날개가 아래로 처진 형태로 변경된 것을 알 수 있다. 그러나 주날개는 여전히 수평이다. 마지막 3번 사진은 F4H-1의 공기역학 실험용 모형이다. 안정성 개선을 위해 주날개 끝을 들어올린 설계를 적용한 것을 알 수 있다. 더불어 수직꼬리날개도 종전에 비해 더 커졌다. |
팬텀은 마하 2 이상의 고속비행이 가능한 한편, 함재기라는 특성을 충족시키기 위해 매우 느린 속도로 항공모함에 접근해서 내려앉을 수 있어야 했다. 이 때문에 설계자들은 느린 속도에서도 양력을 만들어내는 고양력장치에 특히 신경을 많이 썼다.
기본적으로 날개 뒤쪽 뿌리부분에 일반적인 형태의 플랩이 달려있으며, 이착륙시에는 바로 옆에 있는 에일러론도 같이 내려와 플랩의 역할을 돕는다. |
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고양력 장치 사용시 날개 앞쪽에서는 앞쪽 플랩이 내려오는 동시에 공기가 뿜어져 나왔는데 이를 BLC(Boundary Layer Controller : 경계층 제어기)라고 한다. 경계층이란 마찰 등에 의해 주변 흐름보다 속도가 느려져 에너지를 잃은 공기층을 말하며, 경계층 제어기는 이런 공기에 추가적인 에너지를 주어서 공기의 흐름을 원활하게 하는 역할을 한다. 이 BLC를 위한 공기는 엔진의 압축기에서 나오는 압축공기를 일부 뽑아서 사용했다. |
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F-4D. 날개 앞쪽이 아래로 꺾여있다. 이 부분이 BLC로 앞전 플랩(Leading Edge Flap)의 역할을 하는 것과 동시에 꺾어지면서 생기는 작은 틈새로 공기를 날개 위쪽으로 내뿜는다. |
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팬텀 후기형중 하나인 F-4E형. 날개 앞쪽의 슬랫이 작동해서 틈이 생겼다. |
팬텀의 후기형은 BLC 대신에 슬랫(Slat)이란 장치를 사용했다. 슬랫은 작동하면 날개 앞전이 플랩처럼 아래쪽으로 꺾이는 동시에 틈이 생기는 장치로, 이 틈을 통해 날개 아래로 흐르던 공기가 위로 흘러 들어와서 경계층에 에너지를 공급해준다. 슬랫은 BLC보다 더 간단하면서도 효과적이었다. 특히 BLC에 비해 급기동시 비행불능 상태에 빠지는 문제를 해결하는데 더 도움이 되었다. |
팬텀은 장시간동안 순찰비행을 해야 하므로 많은 연료를 탑재해야 했다. 그래서 동체의 공간 중 대부분을 연료탱크가 점유하며, 그 외에는 엔진과 공기흡입구가 많은 부분을 차지한다.
외부에서 보았을 때 동체는 앞뒤로 길쭉한 형태며 특히 날개와 만나는 동체중간 부분은 허리가 살짝 좁아진다. 이는 면적법칙이라는 것을 지키기 위한 설계로, 초음속 비행시 항력을 줄이는데 도움을 준다. 팬텀의 동체 위쪽은 다른 전투기에 비하면 워낙 높은데다가 단면이 둥근 형태기 때문에 정비사들이 지나다니기에 위험하다. 그래서 미끄러짐을 방지하기 위해 정비사가 다니는 길 부분은 일부러 표면을 거칠게 해 놓았다. |
팬텀은 제너럴 일렉트릭사의 J79-GE 터보제트 엔진을 사용했다. 이 엔진은 당시 매우 강력한 엔진이었는데, 매우 크고 무거워 팬텀 같은 대형 전투기가 아니라면 쌍발로 탑재하기 어려웠다.
이 엔진의 분사구는 동체의 제일 뒤쪽 꼬리부분 보다는 약간 앞쪽에 있기 때문에 동체 일부와 수평꼬리날개 일부분이 엔진의 배기열에 노출된다. 이 때문에 엔진 배기구 근처에는 티타늄 등으로 된 방열판이 추가로 둘러져 있다. 공기흡입구는 가변형이며 비행속도 등에 따라서 흡입구 벽면이 움직여 공기흡입량을 조절하는 한편 초음속 비행시에 흡입구 주변에 생기는 충격파의 각도를 조절한다. 이를 위해 공기흡입구 안쪽에는 별도로 공기상태를 측정하는 센서가 부착되어 있다. |
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공기흡입구를 크게 본 모습. 안쪽 벽에 붙어있는 것이 공기흐름의 상황을 감지하는 센서다. 이 센서의 정보를 바탕으로 센서 맞은편 벽쪽 (동체와 가까운 부분)이 움직인다. |
또한 동체 아래쪽에는 보조 공기흡입구가 있는데, 이는 본래의 공기흡입구만으로는 충분한 양의 공기를 흡입하지 못할 때 사용한다(이를테면 지상에서 이동중일 때). 물론 필요없을 때는 닫히는 형태다. |
전방 착륙장치(랜딩기어)는 두 개의 타이어를 사용한다. 함재기가 항공모함에 내려앉으며 구속줄에 걸리는 순간 전방착륙장치도 강한 충격을 받는데, 이 때에 힘을 분산시켜야 하기 때문이다.
주 착륙장치는 폭이 넓은 타이어를 각각 하나씩 사용한다. 한편 주 착륙장치에 있는 브레이크는 미끄럼방지 (Anti Skid) 기능이 있으며, 만약 타이어가 돌지 않고 멈춘 상태로 미끄러진다면 즉시 브레이크가 자동으로 풀린다(자동차에 있는 ABS기능과 같은 것이다). 착륙장치는 위에서 설명한 바와 같이 비교적 짧고 굵은 편이며, 특히 주 착륙장치는 전체 항공기 구조물 중 가장 튼튼한 날개 뿌리 부분에 장착되어서 항공모함에 착함시 충격을 흡수한다. 엔진 분사구 뒤쪽으로는 매우 튼튼한 구속용 갈고리(Arresting Hook)가 있다. 항공모함에 내려앉을 때 유압으로 내리는 방식이며 만약 유압이 작동하지 않는 비상시라면 미리 충전해 놓은 압축공기를 이용해 내릴 수도 있다. |
항공모함에 착함중인 F-4 팬텀. 동체 뒤쪽에 아래로 늘어트린 막대기 같은 것이 구속용 갈고리다. 끝 부분은 갈고리 모양으로 되어 있으며 항공모함 갑판 위에 있는 구속용 줄에 걸도록 되어 있다. |
미 공군 등이 육상 기지에서 운용하기 위해 개조한 팬텀 역시 이 구속용 갈고리는 없애지 않고 가지고 있으며, 비상착륙 같은 상황에서 사용한다.
한편 육상 기지용 팬텀은 착륙 시 활주거리를 줄이기 위해 감속용 낙하산을 사용한다. |
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상기지에 착륙중인 F-4 팬텀. 감속용 낙하산을 펼치고 있다. |
팬텀은 장시간 비행에 따른 업무 부담을 줄이고, 복잡한 레이더 조작을 효율적으로 하기 위해 항상 2명의 승무원이 탑승한다(만약 전방석에 1명만 탈 경우 기본적인 비행은 가능하지만 레이더 조작이나 무장, 항법 장비 운용 등이 힘들어지기 때문에 전투를 할 수 없게 된다).
전방석에는 조종사가 타며, 조종석 중앙에 조종간이 있고 좌측에는 엔진출력을 조절하는 쓰로틀이 있다. 조종사 정면에는 광학조준경이 있는데, 여기에는 현재 레이더로 포착한 목표물의 방향, 거리 및 목표물이 미사일의 사거리 내로 들어왔는지 등의 여부가 간단한 도형으로 표시된다. 그 아래 계기판에 붙어 있는 스코프에는 레이더 화면 등이 표시된다. |
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F-4E 팬텀의 조종석. 아무래도 옛날 항공기이다 보니 전자계기판은 거의 없으며 눈금과 바늘로 표시되는 아날로그 계기판이 대부분이다. 중앙의 검은색으로 보이는 원형 유리 부분이 레이더 등의 정보가 표시되는 스코프다. |
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F-4의 광학조준경에는 이런 모양의 도형이 뜬다. 눈금들은 현재 목표물의 방향, 거리, 미사일 유효사거리 등을 의미한다. |
조종석은 시야가 그렇게 좋은 편은 아닌데(물론 후방석보다는 시야가 좋다), 이는 초음속 비행시 항력을 줄이기 위해 조종석이 동체에 파묻힌 형태로 설계되었기 때문이다. 물론 여기에는 레이더와 미사일만으로 적기를 격추시킬 수 있으므로 굳이 조종사의 시야가 좋을 필요는 없다는 미군의 생각이 반영된 면도 있다.
후방석에는 무기 관제사가 탄다. 미 해군용 팬텀의 무기 관제사 자리에는 조종간과 쓰로틀이 없는 반면 미 공군용 팬텀에는 이것이 있다. 무기 관제사 자리도 좌우로도 창이 좁은데다 특히 조종사의 좌석에 가려서 앞이 거의 보이지 않기 때문에 시야가 좋은 편은 아니다. |
팬텀은 초기형의 AN/APQ-50부터 시작하여 72, 100, 109, 120, AN/APG-59등 버전 별로 다양한 레이더를 사용했다. 이들 레이더는 하나같이 개발 당시 기준으로 탐색거리가 넓은 것들로서 팬텀의 운용사상, 즉 ‘멀리서 먼저 적기를 발견하여 미사일로 공격한다’는 목적에 충실한 것들이었다.
다만 고성능인 만큼 크기도 크다보니 팬텀의 기수 부분이 약간 뭉툭하게 보이도록 하는 면도 있었다. 그나마 공군용 팬텀 최후기형인 F-4E는 기술의 발전 덕에 레이더 크기가 줄어들어서 날렵한 기수를 만들 수 있었다. 무장은 기본적으로 미사일만을 운용했다. 단거리에서는 AIM-9 사이드 와인더 미사일을 사용하며 이 미사일은 날개 아래쪽 파일런에 달린 발사대에 달아서 사용했다. 중거리 미사일인 AIM-7 스패로우는 동체 아래쪽에 반쯤 파묻힌 상태로 탑재하였다가, 발사시엔 투하하는 방식을 사용했다. 투하된 미사일은 곧 로켓으로 가속되면서 적기를 찾아 날아갔다. 날개에는 안쪽과 바깥쪽, 두 개의 파일런이 달려 있는데 보조연료탱크는 바깥쪽 파일런에만 달 수 있었기 때문에 지상공격용 무장을 탑재할 때는 그것을 주로 안쪽 파일런에 달았다. 물론 날개의 보조연료탱크를 사용하지 않을 때에는 바깥쪽 파일런에도 무장을 탑재할 수 있었다. 지상공격용 무기로는 기본적인 비유도 폭탄이나 무유도 로켓을 탑재할 수 있었으며 특히 팬텀 후기형은 레이저 유도 폭탄이나 AGM-65 매버릭 TV 유도 미사일과 같은 정밀 타격 무기도 운용할 수 있었다. |
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F-4G 팬텀. 동체 중앙에 회색의 큰 장착물이 보조 연료탱크며, 그 바로 옆에 동체에 파묻힌 것처럼 달려있는 회색 미사일이 AIM-7 중거리 공대공 미사일이다. 다시 날개 안쪽에 흰색의 짧고 뭉툭한 미사일이 보이는데 이것이 지상공격용 TV 유도 미사일인 AGM-65 매버릭이다. 더 바깥쪽에 있는 긴 미사일은 AGM-88 함(HARM)이다. 적의 레이더 전파를 역으로 추적해서 레이더기지를 공격하는 대 레이더 미사일이다. (HARM이란 이름 자체가 High velocity Anti Radar Missile, 즉 고속 대 레이더 미사일이란 뜻이다.) |
필자 이승진 어려서 부터 항공기에 관심을 갖다가 96년 서울 에어쇼를 보고 전투기에 푹 빠졌다. 그 뒤로 항공우주공학과로 대학에 들어갔으며 군 복무를 위해 공군 기체정비병으로 근무하였다. 전역 후 남은 학부과정 및 석사 과정을 거치고 현재는 방위산업 관련 업체에서 근무 중이다. 스타워즈를 배경으로 한 게임 , X-WING을 즐겨서 xwing이라는 아이디로 블로그 활동 중이다. |
http://blog.naver.com/p47d
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