진정한-전투기 의 의미-F35 와-F-22렙터 기 위용,

[유랑아제]

 F-35 Lightning ll 는  JSF(Joint Strike Fighter) 프로그램에 의해  여러 군 또는 여러 국가가 요구하는 사항을 하나의 통합된 형상의 기종을 만들어서 개발 및  연구 비용을 절감하고, 향후 군수 비용을 절감한다는 구상에서 탄생한 비행기 이다. 

         

그러니까 해군은 전쟁 초기에 중요한 공격 임무를 수행하며 전쟁 중에는 F-18을 보조하여 임무를 수행하여야 하여야 하며,  공군은  기본적으로는 공대지 임무를 수행하고, 공대공 임무를 겸할 수 있고,  F-16과 A-10 의 임무를 대체하고  F-22의 임무를 지원 할수 있는 기종이어야 하며,  해병대는 F/A-18과 AV-8 해리어기를 대체하고 해병대의 주 공격임무를 수행하기 위해  특히 STOVL 기능( Short Take Off Vertical Landing) 이 있어야 하고,  우방국가는 F-16이나  F/A18을 대체할 후속 기종 이어야 했다.

F-35는 F-22나 F-15 처럼 본격적인 방공과 공중전 우세라는 단일목적을 가진 Hi-End 급의 전투기가 아니라 F-16이나 F/A-18 같이 보조적인 임무나 제한적 공중우세 임무를 수행하는 Low-End급의 전투기이다.

1996년 11월 보잉사가 제안한 X-32와  록히드 마틴사의 X-35가  채택되어 시험제작 단계인 CDP(Concept Demonstrator Phase)에 들어 간다.

최종 적으로 X-35기 채택 되었다. X-32의 스텔스 기능이나 레이다의 성능 무기 장착 능력 등은 F-35와 비슷하고 가격은 X-32가 더 싸지만 공중급유 때의 불안정함과 수직 이, 착륙시 뜨거운 배기 연소가스가 입구로 유입되어 엔진 출력이 떨어진다는 점이 탈락의 가장 큰 이유였다.

       

                

X-35A CTOL(통상 수평이착륙기)의 시험비행은 2000년 10월24일에 수행되었다. 
초도비행은 탑재된 각 시스템들의 작동시범, 작동 기동 특성, 지상 통제소와의 자료 전송 등을 시험하였다. 
X-35는 10,000 feet를 급격하게 상승하여 속도 250 knots를 지속적으로 유지한채로 모든 설계상의 예상된 시험성능을 확인하였다.   

X-35A CTOL program은 2000년 11월 22일에 모든 시험을 성공리 마치고 종료되었다.      

F-35의 우선 꼽는 특징은 스텔스성이다.

전면 레이다 반사면적(RCS-Radar Cross Section)이 F-22 랩터와 비슷한 약 0.01제곱미터에 불과하다.

그래서 미 공군이 자랑하는 대로 F-22, F-35 스텔스 비행대를 구성할 수 있게 되었다.

현재 일선에 배치된 전투기의 평균 RCS를 약 5 제곱 미터로 본다는 점을 고려하면 약 1/500 로 줄인 셈입니다. 전면 RCS는 무장을 내부 탑재하느냐 외부탑재 하느냐에 따라 상당한 편차가 있지요. 이런 측면에서 내부장착 능력을 지는 F-22, F-35는 다른 기종보다 훨씬 유리합니다.

F-35의 엔진은 F-22 에 사용되는 강력한 P&W F119 엔진의 단발형(나중에 F135 엔진으로 제식기호를 받음) 엔진이 사용 된다.

F119 엔진의 강력한 파워를 그대로 유지한 채, 추력편향 장치가 없어 단가는 더 싸고, 단발형 엔진에 맞추어 신뢰성과 안정성을 향상시킨 모델이다. 아울러 개발이 진행되면서 추력증강의 요구가 커져서 90년대 중반 애초 계획했을 때 보다 밀리터리 추력 및 에프터 버너 추력이 10,000 파운드 가량 더 강화되었다.
밀리터리 추력(Dry 추력이라고도 함)이 34,000 파운드(15,402 Kg), 에프터 버너 추력이 50,000 파운드(22,650 Kg)에 달하는, 전투기용 엔진으로는 초대형 엔진에 속한다. 
                            

         

                 PW사의 F135 엔진으로 발전

         

           롤스로이스에서 만든 수직 이 착륙  노즐

       

             수직 이착륙용 팬

수직 이착륙 엔진노즐 테스트

 

수평으로 전환 엔진노즐 테스트

수직 이착륙이 가능한 STOVL F-35B 형에 탑재되는 Lift fan 은 영국 Rolls Royce 와 미국 Allison사가 함께 만들었는데 먼저 언급한 대로 최고 18,000 파운드(8,154 Kg)의 추력을 낸다.
    

F-22와 마찬가지로 내부 연료탱크를 극대화한 것이 F-35의 큰 특징이다. 부 연료탱크 없이도 넓은 행동반경을 갖게 된다.

공군형 F-35A 형의 경우 대체할 F-16 전투기(C형 블록 40의 경우 3,104Kg)의 내부 연료탑재량의 2.5배 정도인(F-22는 거의 4배) 18,000 pounds(8,154kg 약 8톤)의 내부연료 탑재량을 갖고 있다.

해군용 C형은 이보다 조금 많고 수직이착륙 B형은 A형의 절반 조금 넘는 연료를 탑재한다.
이외 스텔스 성능이 별로 요구되지 않는 작전에서는 600갤런 자리 대형 연료탱크도 2개까지 장착할 수 있어, 전투행동반경은 기존 F-16의 2배 가까워 상당히 만족스럽다고 할 만 하다.

F-16블록 60의 항속거리와 비교하면 최소한 동등하거나 약간 앞서는 수준으로 볼 수 있겠다.

F-35A(예정대수 1763대) - 600 nautical miles (NM) 이상.
F-35B(예정대수 609대) - 450 NM 이상(기존 해리어 계열기의 약 2배 정도)
F-35C(예정대수 - 480대) - 700 NM 이상.
* 1 nautical mile(1해리)은 1,852 미터 

F-35는 기체가 보다 작은 관계로 F-22처럼 측면 무장 탑재공간을 만들 수가 없어서 기체 하부에만 2 개의 무장 탑재공간(Weapon Bay)을 평행하게 만들었는데 각각 두 개씩 도어가 좌우로 열리는 구조를 하고 있다.
내부엔 미사일과 폭탄을 각기 장착할 수 있는 2개의 하드포인트가 설치되어 있는데, 다양한 무장을 탑재하도록 세심히 배려되었다.
내부 탑재 능력은 각 베리언트에 따라 다른데, F-35A 형과 F-35C 형은 2,000 파운드(900Kg) 급 무기를 2발 탑재할 수 있고, F-35B 그 절반인 1,000 파운드(450 kg) 급 무기를 2발 탑재할 수 있다. (각 Bay 당 한 발씩)
탑재가능한 무기는, Paveway 2 레이저 유토폭탄, JDAM (Joint Direct Attack Munition), JSOW(Joint StandOff Weapon), CBU-105 WCMD(Wind-Corrected Munitions Dispenser) 등 다양한 지상공격 유도무기를 탑재할 수 있고(영국 등 유럽판매기체는 유럽제 Storm Shadow 순항미사일도 장착가능), 공대공 작전시엔 AIM-120C AMRAAM 미사일이나 사이드와인더 X형을 탑재할 수 있다.

물론 이들 공대공 미사일은 지금의 F-16처럼 각각 윙팁에도 장착 가능하다.

이외 통상 전투기처럼 날개에 4개의 파일런(pylon)을 갖추고 있는데, 날개 내측 파일런은 최대 5,000 파운드 (2,265 Kg) 까지, 외측 파일런은 최대 2,500 파운드(1,133 Kg) 까지 탑재한다.

물론 이렇게 외부에 탑재할 경우 스텔스 성은 희생된다.

F-35 무장 중 특이한 것 하는 기관이다. 그 동안 미국 전투기의 상징처럼 장착되던 20 밀리 발칸포 대신, 단포신이지만 27밀리로 파괴력도 좋고 콤팩트하며 특히 안정된 탄도성으로 정평이 난 독일제 마우저(Mauser) 기관포가 라이센스 생산되어 탑재되었다.  이 기관포는 원래 토네이도 용으로 개발된 장비였다.

공군형인 F-35A 형은 왼쪽 날개 동체접합부 근처에 1발이 고정으로 장착되며, 해군형 C형과 해병대형 B형은 내부 고정 장착이 아닌, 외부 팩 형태로 하부 2개의 무장탑재 공간 중 한 곳을 선택하여 카셋트처럼 팩 전체를 삽입 장착(스텔스성 유지)하도록 되어 있다.

F-35의 레이다는 현존 하드웨어, 소프트웨어 양 부분에 걸쳐 세계 최고의 레이다인 F-22의 AN/APG-77의 축소판이라 할 수 있다.

F-22의 레이다는 레이세온과 노드롭 그루먼의 합작품이지만  F-35의 레이다는 노드롭 그루먼(이전의 웨스팅 하우스) 제품이다.

하드웨어적으로 레이세온의 테크놀로지인 ‘다기능 통합 RF 시스템(MIRFS=Multifunction Integrated Radio-Frequency System)’을 갖춘 능동전자주사(AESA=Active electronically scanned array)레이다이다.

F-35의 레이다 소프트웨어는 F-22와 동급으로 세계최고 수준이다.

마스터 컴퓨터로 F-22와 유사한 Integrated Core Processor (ICP)를 갖추고 있는데, 기체에 내장된 모든 시스템을 총괄한다.

다만 비용절감을 위해 인텔 칩 등 상용 일반 부품들을 대량 사용하고 있고 역시 회로기판을 규격화하여 병렬로 연결하여 사용하는데, 기판을 추가하는 것 만으로 연산속도를 향상시킬 수 있다.

기수 아랫부분에 장비되는 전자광학 목표획득 시스템은 록히드 마틴이 개발한 EOTS(Electro-Optical Targeting System)라고 하는데 장거리, 고해상도의 적외선 영상을 잡아내는 FLIR 그리고 CCD 카메라와 HDD 녹화장비, 그리고 거리측정과 목표물 레이저 조사용으로 사용되는 Laser-Target Designator and Range-finder, 그리고 레이저를 한 곳에 주사하기 위한 추적장비(Laser tracker)를 갖추고 있다

다른 신개발 기체가 그러하듯 F-35 또한 진보된 조종석과 헬멧 조준 시스템(Kaiser Electronics 와 이스라엘 Elbit 사 합작품)을 갖추고 있다.

F-22를 모방하려고 애쓴 흔적이 보인다.

FF-35는 이외에도 신형 IEWS(Intergrated electronic warfare suite), 신형 디지털식 RWR , Bell Aerospace 사제 CNI(Communications, Navigation and Integration) 통합 안테나 suite(one S-band, two UHF, two radar altimeter, three L-band antennas per aircraft), Harris Corporation 의 디지털 매핑을 소프트웨어를 이용한 정밀 항법 시스템, Honeywell 사의 관성항법장치(INS)와 레이더 고도계, Raytheon 사의 24 채널 GPS(Global Positioning System) 장비를 탑재한다.

이 신형 GPS 장비에는 러시아가 개발했다는 GPS 교란시스템을 무력화하는 디지털 방해수단(Digital anti-jam receiver, DAR)을 장착하고 있다고 한다.

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조종사 조작에 ‘30톤 전투기’가 순식간에 회전

 전투기는 그대로 똑바로 날기만 해서는 의미가 없다. 조종사가 마음먹은 방향으로 움직일 수 있어야 비로소 의미가 있는 것이다. 오늘은 비행기의 조종에 대해 설명하고자 한다.

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 항공기의 자세는 크게 세 가지의 축으로 회전함으로써, 변화를 줄 수 있다. 이것은 보통 쉽게 X, Y, Z축으로 표시한다. X축으로 회전하는 것을 롤링(Rolling), Y축으로 회전하는 것을 피칭(Pitching), Z축으로 회전하는 것을 요잉(Yawing)이라고 한다.

 롤링을 하기 위해서 전투기는 에일러론(Aileron)이라는 장치를 사용한다. 이것은 날개의 좌우 끝에 달린 것으로, 형태는 고양력장치 시간에 설명한 플랩과 유사하다. 다만 플랩과 다른 것은 좌우의 플랩이 서로 엇갈려 작용한다는 것이다.   

 플랩처럼 에일러론이 아랫방향으로 꺾이면, 주 날개 끝부분은 캠버가 커지는 형태가 되고 그로인해 양력이 커지게 된다. 다만 한쪽 날개만 양력이 커지게 되며, 반대편의 에일러론은  윗 방향으로 꺾인다. 이렇게 위로 꺾일 경우 이쪽의 양력은 줄어들거나, 혹은 날개 끝부분은 아랫방향을 향하게 된다.  

 그렇게 되면 항공기는 중심축을 기준으로 좌, 혹은 우로 기울어지게 된다. 특히 전투기처럼 빠른 움직임이 요구되는 항공기들은 급기동을 할 때는 조종사의 조작에 맞춰 순식간에 회전한다. 이것은 비행 방향을 빠르게 바꾸는데에 있어 매우 중요하기 때문이다.

 만약 전투기가 45도 기울어져 있다면 날개에서 발생하던 양력 역시 45도 기울어지게 된다. 이때 양력의 힘을 방향에 따라 나눠보면 일부는 보통 비행 할 때처럼 중력을 거스르며 위로 향하지만, 일부 양력은 옆으로 향하게 된다. 그래서 전투기는 옆으로 이동하기 시작한다.

 더 보기 쉽게 위에서 본다면, 전투기가 전진하려는 힘과 이 옆으로 이동하려는 힘이 합쳐져서 전투기는 둥그렇게 원을 그리며 선회하게 된다. 양력의 힘 중 일부가 구심력이 되어주는 것이다. 선회 할 방향을 빨리 결정하려면, 전투기는 빠르게 롤링을 할 수 있어야 한다. 

 일부 전투기는 아예 플랩과 에일러론을 하나로 합친 것도 있다. 즉 플랩으로 작동 할 때는 양쪽이 동시에 같은 각도로 아래로 꺾이고, 에일러론으로서 작동할 때는 양쪽이 엇갈려 꺾이는 것이다. 물론 둘 다의 역할도 동시에 하기 위해 둘 다 아래로 내려가지만 한쪽은 많이, 한쪽은 적게 꺾이는 수도 있다. 또 별도로 에일러론과 플랩이 나뉘어져 있긴 하지만, 이착륙중 가능한 많은 양력을 만들기 위해 에일러론이 플랩 역할을 겸하는 항공기도 있다. 

 일반적인 여객기는 승객의 안전을 위해 보통 항공기를 많이 기울이지 않는다. 반면 전투기는 적기를 쫓아 빠르게 방향을 바꾸거나, 혹은 적기를 피하기 위해 빠르게 방향을 바꾸거나 할 때 급격히 선회를 해야 하므로 급선회시에는 거의 80도 이상 기체를 기울인다. 많이 기울이면 많이 기울일수록 전체 양력중  수평방향의 힘이 더 커진다. 즉 구심력이 더 커지는 셈이므로 전투기는 더 작은 원을 그리며 선회하여 더 빨리 적기의 추적에서 벗어나거나, 혹은 더 빨리 적기 쪽으로 기수를 틀어서 미사일, 혹은 기관총을 조준할 수 있다.

 하지만 양력을 평소처럼 자기 몸무게만큼만 내고 있다면, 전투기가 자세를 기울일 경우 실제로 중력에 거스르는 힘은 자기 체중 만큼도 낼 수 없게 된다. 그러므로 양력을 더 많이 낼 필요가 있는데, 이렇게 하려면 근본적으로는 받음각을 키워야 한다. 이렇게 받음각을 키우기 위해 항공기의 기수를 위로 들거나, 혹은 아래로 숙이는 피칭은 수평꼬리날개에 달린 조종 장치가 담당한다.  

 꼬리날개는 이전 시간에 본 것처럼 평소 비행시에는 주날개에 의해 발생하는 기수를 숙이려는, 혹은 기수가 들리려는 회전력과 균형을 이루어 이를 상쇄시키고 있다. 하지만 수평꼬리날개에서 생기는 힘을 바꿔준다면 이 균형은 깨지고 회전력에 의해 기수가 위, 혹은 아래로 움직이게 된다.  

 수평 꼬리날개 중 고정된 부분은 수평안정판 (Horizontal Stabilizer)라고 부른다. 그리고 움직이는 부분을 승강타(Elevator)라고 부르며, 항공기의 수평꼬리날개에 달린 것으로 마찬가지로 플랩과 비슷하게 생겼다. 역할 역시 위의 에일러론처럼 이 수평꼬리날개 부분의 양력을 키우거나, 혹은 줄이는 역할을 한다.

 제트시대가 되면서 전투기는 더 빠르게 기수를 들거나, 숙이기 위해서 수평꼬리날개에 승강타를 별도로 두지 않고 수평꼬리날개 전체가 움직이도록 했다. 이렇게 하면 수평꼬리날개에서 생기는 힘이 더 커지기 때문이다. 이런 것을 특별히 전가동형 수평꼬리날개라고 부르기도 한다.   

 조종사 입장에서는 조종간을 뒤쪽으로 잡아당기면, 승강타가 위로 꺾이면서 기수가 위로 움직이게 된다. 그러면 받음각이 커지면서 양력이 더 커지고, 항공기는 자신의 몸무게 보다 더 많은 힘을 냄으로써 상승하게 된다.   

 하지만 더 강하게 잡아당기면, 이 힘은 구심력으로 작용하며 비행기는 단순히 고도를 높이는게 아니라 원을 그리듯 상승하게 된다. 그리고 정점에 섰다가 다시 아래로 급강하를 하게 된다. 이렇게 공중제비를 돌듯 공중에서 한 바퀴 도는 것을 루프(Loop: 올가미) 기동이라고 한다.  

 앞서 설명한 롤링을 통해 전투기를 80도 가량 기울인 다음 똑같이 조종간을 잡아당기면, 이번에는 상승하면서 원을 그리는게 아니라 수평면 상에서 원을 그리게 된다. 이것이 전투기가 공중전을 위해 가장 기초적으로 수행하는 방향전환인 급선회다.  

 급선회를 하려면 양력이 커야 하므로 경우에 따라서는 플랩을 사용하기도 한다. 하지만 이착륙중과 달리 고속에서 플랩을 써야 하므로 플랩을 아주 작은 각도로만 내린다. 만약 큰 각도로 플랩을 내리면 양력이 커지는 것도 좋지만, 항력 역시 커져서 속도가 크게 줄어 들기 때문이다.

 이렇게 급기동 중 쓰는 플랩을 기동플랩이라고 하는데, 기본적으로 전혀 다른 장치가 있는 것은 아니고 단지 이착륙 중에도 쓰는 플랩이 급기동 상황인 고속 비행 중에도 쓸 수 있도록 되어 있는 것이다. 

출처: http://www2.airforce.mil.kr:7777/webzine/special/view_article.jsp?bid=2002&aid=1005&page=1

제공= 주간 공군웹진 공감/ 필자 이승진

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