KFX 에이사 레이더 논란, KFX 엔진 강력 후보 GE F414, EJ-200 엔진과 AESA 레이더

[정신회]

KFX 에이사 레이더 논란,

 KFX 엔진 강력 후보 GE F414,

EJ-200 엔진과 AESA 레이더 KFX 에이사 레이더 

동상이몽의 KFX AESA 레이더

이미 지난 1년동안 여러 차례  ADD에서 개발 중인 KFX의 AESA 레이더의 기본적인 특성에 대해서 소개, 분석을 한 바 있다.

또한 KFX의 AESA 레이더 기반 체계로 제시되고 있는 셀렉스(Selex) ES의 Vixen 1000E 레이더와 노스롭 그루먼(Northrop Grumman)의 AN/APG-83 SABR 레이더 등에 대해서도 몇 차례 소개 한 바 있다. 따라서 본고에서는 KFX에 탑재될 AESA 레이더 개발과 관련된 제반 현황을 8월중순 현재 기준으로 살펴본다.

AESA 레이더의 개발은 단순히 레이더 개발에만 국한된 것이 아니라 KFX의 핵심 임무 장비, 그것도 RF를 이용하는 임무장비(AESA, 데이터 링크, RWR, ECM, TFR 등)뿐만 아니라 IR 신호를 커버하는 센서(IRST, FLIR, MAWS 등)까지 포괄하는 전반적인 임무 장비의 개발과 통합 또한 주도할 수 있는 것이기 때문에 가장 핵심적인 현안이 아닐 수 없다.

현재 결정이 지연되고 있는 요인 중 하나는, 이 문제와 관련하여 KFX 개발 주체들간에 서로 컨센서스를 도출하지 못하고 있는 점이다. 현재 KFX 개발 프로그램의 AESA 레이더 개발 내막을 살펴보면, 마치 90년대 초반에 유로파이터 전투기에 탑재할 레이더를 선정할 당시의 모습이 연상될 정도이다.

당시 영국, 이탈리아, 스페인 3개국은 블루빅센(Blue Vixen) 레이더를 기반으로 하는 ECR.90 CAPTOR 레이더(현재 2012년에 배포된 T2Q 소프트웨어가 통합된 Captor-M 레이더 운용 중)와 독일이 APG-65 레이더를 기반으로 개발하려 한 MSD2000 에메랄드(EMERALD) 레이더가 경합하였다.

여기에 에메랄드 레이더 개발의 원천기술 보유 업체인 미국 휴즈(Hughes)사가 개입하면서 복잡한 양상으로 선정 경쟁이 진행된 바 있다.

당시 독일에서 제시한 체계는 독일 업체가 AN/APG-65 레이더의 소스코드를 상당 부분 공유하고 있었지만(F-4F ICE 프로그램을 통해 확보) 미국 휴즈사가 원천기술 보유 당사자이기 때문에 자칫 유로파이터 프로그램에 미국의 영향력이 강력하게 개입할 여지가 있다는 점이 문제였다.

현재의 KFX 프로그램 또한 핵심 체계인 AESA 레이더 개발과 관련된 주체들이 저마다 서로 극명하게 대비되는 입장을 견지하고 있다.

 2016년부터 총선 체제에 돌입하면서 사실상 대규모 프로젝트를 결정, 진행하기 어려워지기 때문에 2015년 안에 결정이 이루어져야 하며, 이를 위해 어떠한 방향으로 컨센서스를 도출할 것인지 귀추가 주목되고 있다.

KFX의 체계 개발을 주도하고 있는 KAI의 경우에는 촉박한 개발 / 전력화 스케쥴에 맞는 신속한 개발과 리스크 최소화를 위해 BATCH-1에는 직구매한 임무 장비를 통합하고, 새로운 임무 장비를 개발하여 통합하는 방안은 BATCH-2용으로 장기 개발 계획으로 돌리려 하고 있다.

체계개발 업체의 마스터 플랜에 부합할 수 있는 업체는 완제품을 가진 업체들이다.

여기에 부합할 수 있는 메이커는 AN/APG-83 SABR 레이더를 제안할 수 있는 미국 노스롭 그루먼(Northrop Grumman)과 CAPTOR-E 레이더의 파생형이라고 할 수 있는 Vixen 1000E 레이더를 제안하는 영국 셀렉스(SELEX)이다. 특히 셀렉스의 경우에는 자사의 레이더를 기반으로 고객이 원하는 체계를 공동 개발, 기술 지원을 제공하는 프로그램을 다수 진행한 바 있다는 점에서 매력적이라고 할 수 있다.

다만 KFX 개발 프로그램이 TAC인 록히드 마틴(Lockheed Martin)의 영향력이 KFX 개발 프로그램 전반에 걸쳐서 강력할 것이라는 점 때문에 노스롭 그루먼이 어느 정도 유리한 위치를 점유하고 있는 것으로 보인다. F-16 전투기의 APG-66/68 계열 레이더와 APG-80 레이더, 록히드 마틴의 F-16V 개량 프로그램에 핵심 장비로 포함되는 APG-83 SABR 레이더, F-22A의 APG-77 레이더, 그리고 F-35의 APG-81 레이더와 AAQ-37 EODAS 등, 록히드 마틴과 노스롭 그루먼은 오랫동안 서로 뗄래야 뗄수 없는 파트너로 함께 해왔기 때문이다.

KF-16 전투기 면허생산, T-50과 그 파생형 개발 등으로 국내 체계 통합 업체 또한 록히드 마틴과 상당한 기간 동안 협력 관계를 구축했다는 사실(록히드 마틴의 기술 지원에 오랫동안 의존하면서) 역시 록히드 마틴의 KAI에 대한 영향력이 강력할 수 밖에 없는 이유인 것으로 보인다. 요약하자면 체계 통합을 담당하는 업체에서는 AESA 레이더를 포함한 주요 임무 장비 선정 작업 또한 주도하려 하고 있으며, 여기에 록히드 마틴이 막후에서 강력한 입김을 행사할 수 있다는 뜻이다.

ADD와 LIG 넥스원의 국내 독자개발

AESA 레이더 개발을 담당하는 ADD와 LIG 또한 저마다 서로 다른 입장을 견지하고 있다. 본지에서 확인한 바에 따르면, ADD는 KFX 개발 관련 예산 중에서 AESA 레이더 개발과 통합에 관련된 예산을 ADD의 R & D 예산으로 분리시키려 하고 있다고 한다. 이는 AESA 레이더와 각종 임무 장비 개발에 있어서 KAI와 방위사업청 등의 간섭을 배제하기 위한 것으로

이미 여러 차례 언급 한 바와 같이 ADD의 AESA 레이더 개발은 적지 않은 기술적 난제들을 마주하고 있다. T/R 모듈의 경우에는 RBE.2, CAPTOR-E, Vixen 1000E, ES-05 Raven 등 유럽제 AESA 레이더의 안테나에 배열되어 있는 것과 비슷한 수준의 높은 내열성을 보유한 컴팩트한 부품으로 설계, 제작할 것을 목표로 하고 있다.

T/R 모듈의 내열성은 시스템의 기계적인 신뢰성뿐만 아니라 AESA 레이더의 성능(주로 탐지거리) 또한 좌우하는 중요한 요소라고 할 수 있다. 이 외에도 AESA를 구성하는 일부 LRU를 항공기 내장 규격과 정비 규격에 맞추어 체적을 시제품의 그것보다 축소시키는 것 또한 쉽지 않은 일이다.

KFX에 통합되는 AESA 레이더가 현재의 시제품보다 더욱 높은 송출 출력을 보유한 시스템이 될 것이다. 이 때문에 T/R 모듈의 내열성 향상과 함께 ECS(Environment Control System)의 성능 향상은 필연적이다. ECS의 AESA 레이더 온도 제어 성능을 향상시키면서 동시에 시스템의 체적은 오히려 더욱 축소시켜야 하는 점을 양립시키려면 ECS의 하드웨어적인 효율성 향상과 함께 통합프로세서 모듈(ECS와 하드웨어적으로 별개의 LRU)에 통합되어 있는 ECS 제어 프로그램을 보다 효율적인 연산에 적합하도록 개선해야 할 것이다.

통합 프로세서 모듈의 연산 능력이 강화되고 AESA 구성 체계의 온도 감지 센서의 성능 향상 등이 병행되어야함은 더 말할 필요도 없을 것이다.

이와 같은 하드웨어적인 난제들뿐만 아니라 높은 Gain을 확보하기 위해 각 채널에 T/R 모듈 배열을 최적화하는 문제(이 문제는 국내 기술로도 상당한 성과를 보이고 있다)와 Cued search, Cued tracking, 멀티 VCTR, SWT(메일 채널을 탐색과 추적으로 이원화하는 모드. TWS와 다른 모드이다), 위상배열 RWR 등 AESA에서만 구현 가능한 모드들과 LPI 관련 핵심 기법들을 실제로 활용 가능한 알고리즘으로 설계, 코딩하는 문제 등 AESA 레이더의 소프트웨어 관련 문제 또한 해외 업체의 기술 협력을 필요로 하는 문제이다.

무엇보다 이미 몇 차례 언급한 바와 같이, AESA 레이더를 임무 컴퓨터를 통해 RWR, 데이터 링크, ECM, IFF 등 RF 관련 임무장비는 물론이거니와 HMD, IRST, MAWS 등 전자광학 / IR 센서와도 통합하는 문제는 ADD에서 AESA 개발을 담당하는 엔지니어들이 해외 업체의 도움을 필요로 하는 분야라고 증언을 할 정도로 기술적인 난이도가 높다.

그리고 이 문제 때문에 AESA 레이더뿐만 아니라 IRST와 통합 자체방어체계 등을 개발, 실용화하여 이들을 실용 전투기에 통합을 성공시킨 업체의 기술적인 지원이 절실한 실정이다.

이 점에서 검증된 업체는 유로파이터(Eurofighter)와 JAS-39 그리펜(Gripen)에 AESA 레이더(CAPTOR-E, Raven)와 IRST(PIRATE, Skyward-G), 통합자체방어체계 등을 성공적으로 통합시킨 바 있는 셀렉스, 그리고 F-35의 AESA 레이더와 EODAS를 개발하여 이를 BAE와 록히드 마틴 등에서 개발한 임무 장비에 통합한 노스롭 그루먼이라고 할 수 있다.

이 중, 셀렉스의 경우에는 자사에서 개발하여 실용화한 임무 장비의 폭이 노스롭 그루먼의 그것보다 폭 넓다는 점, 그리고 주요 모드 개발에 역점을 두고 기술 지원을 하려 한다는 점 등을 감안하면 KFX AESA 레이더 개발현황에 좀 더 부합하는 업체가 될 수 있을 것이다.

그러나 ADD와 LIG의 경우, 해당 주체들이 개발하고 있는 AESA 레이더를 포기하고 해외 메이커의 완제품을 기반으로 하는 레이더 개발 작업에 참여할 의향이 없다고 한다. 이는 현재 해당 주체들의 개발 주도권을 포기할 수 없기 때문이다.

LIG 등의 입장에서 해외 레이더의 하드웨어를 유지하면서 소스코드의 개선과 추가적인 코딩 작업을 진행하는 것은 사실상 면허생산과 본질적으로 크게 다를 바 없으며, 기술 제공 업체에 주도권을 양보해야 하는 것이기 때문에 셀렉스 ES, 또는 노스롭 그루먼 중 하나를 선택하기 어려운 것으로 보인다.

쉽게 말해서, ADD와 LIG가 원하는 것은 자신들이 AESA 레이더를 개발하면서 이에 필요한 하드웨어적, 소프트웨어적인 난제를 해결하기 위한 노하우와 기술을 지도할 수 있는 업체를 필요로 하는 것이다. 이 때문에 완제품인 Vixen 1000E 레이더와 APG-83 SABR 레이더를 선택할 수 없다.

이 때문에 현재 촉박한 개발 / 전력화 일정과 AESA 레이더와 주요 임무 장비의 통합 문제, 주요 모드 개발 문제 등에 있어서 셀렉스 ES 등이 보다 합리적인 선택지가 될 수 있음에도 불구하고 굳이 AESA를 개발한 경험은 있으나 완제품은 없는 업체를 선택하여 기술 지도를 받는 방안을 선호하고 있다.

여기에 부합할 수 있는 업체는 우선적으로 SAAB의 계열사인 SAAB MS(Microwave Systems) 등이 될 수 있을 것이다.

특히 SAAB MS의 경우, AESA 레이더를 개발한 경험과 관련 기술 자료를 보유하고 있기 때문에 ADD등에서 특히 각광을 받는 것으로 알려져 있다. 해당 업체는 Ericsson의 계열사일 때 그리펜 전투기의 기계주사식 레이더인 PS-05/A 레이더를 개발, 납품한 바 있다.

그러나, 그리펜 E/F의 기술 실증기라고 할 수 있는 그리펜 NG(Next Generation)의 AESA 레이더인 ES-05/A 개발 수주 경쟁에서 셀렉스 ES에게 밀려나면서 지금까지 실용화된 AESA 레이더를 개발, 보유하지 못하고 있다.

이 때문에 ADD와 LIG에서 개발 중인 KFX를 대신할 독자적인 체계가 없으며, 그리펜에서 배제된 이후 전투기용 AESA 레이더 시장 진입 가능성도 KFX(한국)와 TFX(터키)를 제외하면 사실상 전무한 상태이다. 이 때문에 ADD에 필요한 기술을 제공하면서 ADD는 AESA 개발을 주도적으로 관리할 수 있기 때문에 SAAB를 선호할 수 밖에 없는 것이다.

SAAB 또한 이에 부응하기 위해 ADD의 AESA 레이더가 직면한 하드웨어적인 문제들을 해결하기 위한 기술적인 자문을 제공함과 동시에, 기존에 동 업체에서 그리펜 NG를 위해 개발하던 AESA 레이더의 운용 프로그램과 관련 노하우를 ADD에 제공함으로써 ADD에서 KFX AESA 레이더의 핵심 모드를 개발, 통합할 수 있도록 지원하는 방안을 제안하고 있다.

SAAB MS는 ADD 입장에서 상생할 수 있는 거의 유일한, 매력적인 대안인 셈이다. 그러나 이는 ADD의 입장에서는 합리적이지만 KFX의 개발, 전력화 일정에 부합하기 어렵다는 치명적인 단점이 있다. 현재의 KFX 개발 여건을 볼 때 사업 진행 측면에서 가장 합리적인 대안은 최소한 BATCH-1에서는 이미 완성된 선진 체계를 기반으로 우리 요구 조건에 맞는 시스템을 창출함으로써 시간을 절약하는 방안이다.

록히드 마틴과 KAI의 지지를 받고 있는 노스롭 그루먼의 제안은 전력화 스케쥴을 맞추는 데 있어서는 적합하다. 그러나 이 경우 AESA는 물론이거니와 임무 컴퓨터, 타게팅 포드, IRST, 통합 전자전 체계 등이 모두 노스롭 그루먼과 록히드 마틴, BAE 등의 시스템으로 채워진다.

독자적인 창급 정비체계 구축, 독자적인 필요에 의한 업그레이드와 이에 필요한 프로그램 구축, 자체적인 항공투하무장의 통합, 해외의 소요에 따른 공급업체의 생산 존폐에 영향을 받지 않고 독자적인 공급 체계 유지 등이 막대한 시간과 예산을 투자하여 국산 전투기를 개발하는 이유이다. 시스템의 핵심 소스코드에 대한 접근이 불가능하고 이에 따라 해외 업체가 원천 기술을 독점하고 있을 경우 독자적인 업그레이드 프로그램 구축 등이 불가능하다는 것은 이미 FA-50 개발을 통해 경험을 한 바 있다.

그 다음으로 영국 셀렉스 ES사측 제안은 ADD와 LIG에서도, 그리고 KAI측에서도 환영받지 못하고 있는 실정이다. 그러나 이와 같은 KFX 개발의 목적과 현실에 가장 잘 부합할 수 있는 것이 셀렉스측 제안이라는 것은 아이러니한 일이 아닐 수 없다.

먼저, 이미 검증된 체계를 바탕으로 우리 요구 성능에 맞는 AESA를 개발하는 것이기 때문에 기술적인 리스크가 적고 개발에 소요되는 시간을 최소화할 수 있는 점이 장점이다. Vixen 1000E 레이더는 Captor-E 레이더의 하드웨어를 기반으로 개발되어

이미 완성된 체계이며, 공군에서도 과거 FA-50의 레이더로 Vixen 500E AESA 레이더를 검토하면서 해당 레이더에 대한 자료를 충분히 검토한 적이 있다.

현재 셀렉스 ES측에서 제안하고 있는 것은 Vixen 1000E 레이더의 소스 코드를 ADD와 LIG에 공개함으로써 Vixen 1000E 레이더의 주요 모드의 특성을 우리 공군의 요구에 맞게 조정, 개선하며, 추가적으로 필요한 모드를 설계, 코딩할 수 있도록 지원을 한다는 제안이다.

셀렉스 ES는 이미 이와 관련된 프로그램을 여러 차례 성공시킨 바 있다. 일례로 미국 해안경비대에서 운용하는 해상초계기(HC-130H)에 통합되어 있는 셀렉스 ES의 시스프레이(Seaspray) 5000E AESA 레이더의 경우, 미 해안경비대의 요구에
맞추어 해면의 유빙 탐지 / 식별에 필요한 모드를 공동으로 개발한 바 있다.

이와 같은 제안은 개발 난이도가 높은 모드 개발에 필요한 기술의 부족 문제와 개발 시간 문제 등을 극복할 수 있기 때문에 합리적이다. 무엇보다 해당 체계의 소스 코드를 공유하고 필요에 따라서 셀렉스 ES측의 기술 지원을 받아 필요한 모드의 소스 코드를 설계함으로써 추후 KFX의 운용 과정에서 발생하는 업그레이드 소요를 우리 업체와 공군이 주도적으로 반영하고 개발할 수 있다는 점이 큰 장점이 될 것이다.

KFX가 국내 소요에만 국한될 경우 자칫 데스 스파이럴에 빠질 수 있다는 점을 감안하면 해외 시장의 요구를 적극 KFX에 반영할 수 있어야 하는데, 이 때에도 Vixen 1000E를 기반으로 하는 AESA 레이더의 소스코드를 국내 기관과 업체가 보유하는 것이 능동적인 시장 요구 반영에 큰 보탬이 될 것이다.

EJ-200 엔진과 AESA 레이더

KFX와 EJ200 엔진

● 장기적인 발전 가능성

EJ200 엔진 2기를 탑재한 C103은 최대 4만 4천 파운드(Mil Power는 2만 7천 파운드)의 추력을 보유한다.

이 때문에 C103은 각종 임무 장비 운용에 필요한 전력 생성면에서 더욱 큰 여유를 갖는 플랫폼이 된다. 이는 추후 성능 개량 시에 새로운 임무 장비를 수용할 수 있는 여유가 더 크다는 뜻이다.

현재 개발 중인 5세대 전투기들(F-35, PAK FA 등)을 보면 전력 수요가 큰 임무 장비들이 대거 통합되어 있음을 알 수 있다. 예를 들어 PAK FA의 경우 RCS가 작은 항공기를 원거리에서 탐지하기 위해 기수에 통합된 I/J 밴드 AESA 레이더와 별도로 주 날개의 앞전(Leading edge)에 L 밴드 AESA가 통합된다.

표적과 탐지 시점, 위치 관계(Aspect angle, Angle-off)가 동일한 경우, X 밴드를 기준으로 하는 RCS보다 L 밴드를 기준으로 하는 RCS가 더 크다. 또한 탐지거리는 RF 신호 파장과 비례한다. 따라서 이는 RCS가 작은 항공기에 대한 솔루션의 성격이 강하다고 할 수 있다.

AESA는 대량의 T/R 소자에 전력을 공급해야 하며, 발열량이 큰 AESA의 열 부하를 완화하기 위한 ECS(Environment Control System) 등도 지속적인 전력 소요가 발생한다. 요컨데 AESA는 전력 요구도가 큰 장비이며, 이를 추가로 통합하는 것은 장비 운용을 위한 전력 수요가 크게 증가함을 의미한다.

F-22A 또한 기수에 통합된 APG-77 레이더 이외에 기수 측면에 컨포멀 어레이 AESA를 추가로 통합하는 업그레이드가 계획된 적이 있다. F-35는 APG-81 AESA와 6개의 IR 영상 센서를 통합 운용 하는 EO-DAS 시스템, EOTS, ASQ-239, 그리고 위상배열방식의 MADL 등 다종, 다수의 임무 장비 통합 운용으로 인해 전력 요구도가 높다. 이러한 사례들을 보면 5 세대 전투기에서 전력 수요가 높은 것은 필연적이라는 사실을 알 수 있다.

KFX도 이와 같이 장기적인 운용 과정에서 추가적인 임무 장비 통합으로 인한 전력 수요 증가가 발생할 것으로 보인다. EJ200 엔진을 탑재하는 KFX C103은 전력 요구도 수용 여유 자체도 크지만, 장기적으로 전력 요구 마진 증가까지 기대할 수 있다. 이 때문에 장기적인 성능 개선 가능성에 부응할 수 있는 유일한 대안이라 할 수 있다.

우선 EJ200 엔진은 현재 해면고도 Mil Power / 최대추력을 기준으로 각각 30% 가량 추력 향상이 가능하도록 설계되었다.

EJ200 엔진은 연소실의 내열성이 높아서(최대 TeT : 1,525℃) Mil Power 증대가 가능하다. 각 Blade의 유입 기류 받음각을 일일히 맞춰주는 체계가 아니라 처음부터 다양한 비행 조건에서 기류 유입을 해석, 시뮬레이트하여 얻은 최적화된 블레이드 형상과 제어 알고리즘을 갖기 때문에 압축 효율이 높아서 5개의 고압 컴프레서만을 보유하고 있다. 떠한 압축 터빈의 경우에는 저압 터빈과 고압 터빈을 각각 1기씩 보유하고 있다.

이 때문에 EJ200 엔진은 추가적인 추력 증대를 위한 기계적인 여유를 가지고 있다. 그리고 단계별로 추력을 증대시키는 방안이 이미 성능 향상 프로그램의 일환으로 존재하기 때문에 추후에 별도로 개발 비용을 부담하지 않고 이를 KFX에 적용할 수 있다.

● 엔진이 생성한 전력의 효율적인 운용

엔진이 만들어낸 전력을 보다 효율적으로 쓸 수 있다는 점도 EJ200 엔진의 강점이라고 할 수 있다. EJ200 엔진의 IPP(Integrated Power Package. 통합파워패키지)는 개별 임무 장비의 요구 전력 변화를 네트워크로 관리하여 이에 대응할 수 있도록 설계되었다. 이 때문에 보다 유연하고 효율적인 전력 운용이 가능하다.

예를 들어서 비교적 RCS가 낮은 KFX에 대한 적대 레이더의 SNR(Signal to Noise ratio)를 낮출 목적으로 ECM을 사용하는 상황을 생각해보자. 이 때 전력 분배 제한을 일괄 적용하지 않고 적대 레이더의 출력과 주파수 변조 / 도약 특성에 맞춰 각 채널의 전력 할당량을 파악하여 이에 맞추어 엔진에서 생성한 전력을 운용하면 보다 효과적인 ECM 운용이 가능하게 된다. EJ200 엔진의 IPP를 이용한 유연한 전력 운용 관리가 갖는 이점 중 하나라고 할 수 있다.

● 공대공 전투 임무에 최적화된 엔진

전투기라는 것은 공중에서 적기를 격퇴하여 제공권을 장악하고 아군의 작전 세력과 자산을 방어하기 위한 무기 체계이다. 물론 전투기의 운용 목적이 공대공 전투에만 한정되는 경우는 오늘날에 와서는 드물게 되었지만, 전투기라는 무기체계가 존재하는 가장 대표적인 목적이 공대공 전투라는 것은 여전히 변함이 없다.

KFX C103은 면적법칙에 따라 항력은 큰 형상이지만 큰 추력으로 인해 5천 피트(ft) ~ 6천 피트(ft) 고도에서 BVR 교전에 필요한 천음속 영역에서의 가속 성능과 근접전 시에 신속한 에너지 회복을 위해 필요한 저속에서의 가속 성능 면에서 우세할 것으로 보인다.

특히 이런 차이는 실전적인 조건에서 더욱 커질 것으로 보인다. 알려진 바와 같이 C103은 IWB(Internal Weapon Bay)를 보유하기 때문에 공대공 미사일 탑재로 인한 항력 증가가 전무하다.

EJ200 엔진은 압축비는 조금 낮아도(약 26 : 1), 바이패스가 낮다. 따라서 대기압이 낮은 고도에서 에너지 축적 성능과 측적된 에너지를 유지하며 무장 발사 위치를 선점하는데 필요한 기동성(천음속에서의 지속 선회성능) 면에서 EJ200 2기를 탑재한 C103은 여유가 클 것으로 보인다.

EJ200 엔진이 Single Crystal Blade의 IGV(Inlet Guided Vane)과 DECMU(Digital Engine Control & Monitoring Unit)의 디지털 제어 알고리즘으로 인하여 각 stage의 압축 효율이 높은 것도 이러한 격차를 만드는 요인이 된다. 상대적으로 더 적은 단계로 비슷한 수준의 압축율이 나오면서 바이패스는 더욱 작기 때문에 결과적으로 유입 기류와 방출 기류의 유동량 비율과 동압 비율 등을 보면 EJ200 엔진이 효율적이라는 사실을 알 수 있다.

공대공 전투 임무 계획을 수립할 때 교전 시간에서 애프터 버너 사용 시간을 제한하는 경우가 많기 때문에 Mil Power에서의 퍼포먼스도 중요하다는 것을 감안 할 수 있겠다.

KFX에 EJ200 엔진을 채택할 경우 추후 EJ200 엔진의 단계적인 성능 향상 프로그램을 패키지로 도입할 수 있다는 이야기는 이미 전술하였다. EJ200 엔진의 성능 향상 프로그램에는 앞서 언급한 추력 향상뿐만 아니라 TVC(추력편향제어)도 포함되어 있다.

TVC를 EJ200 엔진의 DECMU와 KFX의 비행제어계통에 통합할 수 있게 되면 추력선의 제어를 통한 조파성능 완화 등으로 연료 소모율을 개선하는 효과를 기대할 수 있다. 또한 익히 알려져 있는 것과 같이 고받음각에서 수평미익과 수직미익의 가동 효율이 크게 저하되는 상황에서 3 차원 추력편향노즐이 해당 기능을 대체할 수 있다. 이 때문에 저속에서 좁게 선회하는데 유리하다.

또한 상승각을 빠르게 크게 만들 수 있기 때문에 상승률을 높이는 데에도 보탬이 된다. 상승 시의 잉여파워는 상승각에 비례하기 때문이다.

유입되는 기류에 대한 팬 블레이드의 받음각이 최적화되도록 하는 형상으로 만들어진 Inlet Guided Vane과 DECMU의 조합으로 EJ200 엔진은 중저속에서 높은 양력을 필요로할 때 높은 추력 중량비를 확보하는데 유리하다. EJ200 엔진을 탑재한 유러파이터 타이푼이 높은 최대지속선회율을 갖는 이유 중 하나이다.

● 낮은 수명주기 비용

이와 같이 EJ200 엔진은 Blisk fan과 DECMU를 도입함으로써 엔진의 높은 효율뿐만 아니라 기계적인 신뢰성 면에서도 높은 평가를 받고 있다.

기존의 3 세대 엔진은 팬 블레이드에 일일히 유입 기류에 대한 받음각을 제어하는 구동 Vane이 있다. EJ200 엔진은 이 부분이 배제되고 또한 컴프레서와 터빈 숫자가 기존 엔진보다 크게 줄어들었다. 때문에 전체 부품 숫자가 기존 세대 엔진의 그곳보다 더욱 적다. 일례로 토네이도(Tornado) 전투기의 엔진인 RB.199 엔진과 비교하면 EJ200의 부품숫자는 거의 절반 이하이다.

기존의 엔진은 엔진을 분해, 정비하는 시간 간격을 일괄적으로 적용하였다. 반면 EJ200 엔진은 DECMU의 엔진 모니터링 기능을 통해 엔진 내부 환경과 각 구성품의 상태를 실시간으로 파악할 수 있다. 이 때문에 정비가 필요한 시기를 파악해서 정비를 할 수 있어서 일괄적인 정비 간격을 적용하는 것보다 정비 횟수가 줄어들게 된다. 이 또한 EJ200 엔진의 수명주기비용을 낮추는 요인이 된다.

EJ200 엔진 2기를 탑재한 C103의 Mil Power가 27,000 파운드 이다.

● 안전성

간과하기 쉬운 문제이지만 실제 전투기라는 무기 체계를 운용하는 당사자인 조종사 입장에서는 결코 간과할 수 없는 문제이다.

단발 전투기의 경우 엔진의 고장은 그대로 항공기 손실로 이어지게 된다. 반면 쌍발 전투기의 경우 엔진 1기가 작동되지 않거나 혹은 파손되더라도 항공기를 기지로 귀환시킬 수 있는 가능성이 있다. 작동이 되는 나머지 1기의 엔진의 APU(Auxiliary Power Unit)를 가동하여 추력 손실을 어느 정도 상쇄하면서 ADC(Air Data Computer)를 통해 해석한 정보와 3 차원적인 항법 정보 해석으로 항공기의 이상 뱅크를 인식하여 이를 FLCS가 날개의 플랩(Flap)등을 제어하여 평형을 회복하여 기지로 귀환시킬 수 있다.

물론 적기와 교전 시에는 엔진 1기의 추력 손실로 인한 기동성 저하로 인해 생존이 어렵다는 반론도 있을 수 있겠다. 그러나 엔진 관련 사고는 지난 KF-16의 사고 사례에서 나타나는 것처럼 평시에도 얼마든지 일어날 수 있는 일이다.

또한 이는 조종사가 자신의 생명을 맡겨야 하는 전투기를 얼마나 신뢰할 수 있는지와도 직결되는 문제이다.

C103은 엔진 1기가 사고가 발생했을 경우 이에 따른 이상 뱅크를 파악하여 이를 FLCS와 엔진 제어 차원에서 보정하기 위한 디지털 제어 알고리즘을 필요로 한다. 또한 1기의 엔진을 제어하는 것보다 2기의 엔진을 제어하기 위한 Logic이 더욱 복잡하고, 무엇보다 단발 엔진보다 2배 더 많은 예비 채널을 필요로 한다.

이 때문에 C103의 개발 난이도가 더욱 높은 것은 사실이다. C103은 더욱 증가한 Redundancy / 채널 / 비행 보정 설계 등을 함으로써 T-50을 개발할 때 경험할 수 없었던 부분에 대한 기술적인 경험(설계와 테스트 등)과 데이터를 축적할 수 있게 된다.

KFX 엔진 강력 후보 GE F414

KFX 사업과 F414 엔진

1. F414 엔진에 적용된 신기술

C103 기반 KFX의 엔진으로 검토되고 있는 시스템은 GE의 F414 엔진과 유로제트(Eurojet)의 EJ200 엔진이다. 서로 비교 우위를 갖는 점이 조금씩 다르기는 하지만 양자 모두 첨단 기술이 적용된 고성능 엔진으로, 해면 고도 추력(최대 추력, Mil 추력)과 추력 중량비 등 서로 비슷한 부분이 많다.

F414 엔진이 KFX에 통합되었을 때 어떠한 이점이 있는지 기술하기에 앞서서 F414 엔진에 어떠한 새로운 기술이 도입되었는지에 대해서 먼저 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

1987년부터 시작된 IHPTET(Integrated High Performance Turbine Engine Technology) 프로그램은 F414 엔진 개발에도 영향을 미쳤다. 이 프로그램은 엔진 자체의 추력 중량비와 (전투기 엔진의 경우) 낮은 Bypass ratio, 그리고 낮은 SFC(Specific Fuel Consumption) 등이었다.

이는 F404 엔진의 코어를 기반으로 설계되는 F414 엔진에도 적용되었다. 이 때문에 F414 엔진은 해면 고도 기준으로 엔진 자체 추력 중량비가 9 : 1를 상회하는 엔진이 되었다.

현재까지 개발된 전투기 탑재 엔진 중에서 F414 수준의 엔진 추력 중량비를 갖는 시스템은 유로파이터 타이푼에 탑재된 EJ200 엔진이 거의 유일하다. F-22A에 탑재된 F119 엔진의 경우 추력 중량비가 8 : 1을 약간 상회하는 수준이다. 라팔에 탑재된 M88 엔진이 8.5 : 1, F-15/16에 탑재된 F100/110 계열 엔진은 추력 중량비가 대략 7 : 1 ~ 8 : 1 수준이다.

해면 고도에서 최대 추력이 F414를 상회하는 F100 엔진과 F110 엔진의 경우 추력 중량비가 8 :1에 채 미치지 못한다는 것은 이들이 F414 엔진보다 무거운 엔진이라는 것을 의미한다. Mil 추력(최대 Dry 추력)을 기준으로 할 때에는 F100/110 엔진과 F414 엔진의 추력 중량비 격차가 더욱 커지게 된다.

이와 같이 F414가 다소 경량화된 시스템으로 설계되어 추력 중량비가 큰 것은 IHPTET 프로그램이 효율성이 높은 코어를 설계하는 것을 목표로 했기 때문이다.

코어의 효율이 보다 높기 때문에 (추력이 F100과 비교할 때 더 적다는 점을 감안하더라도) 압축기와 터빈의 stage가 더욱 적다. 이와 같이 효과적인 압축기 / 터빈 블레이드 형상 설계와 FADEC 엔진 제어 로직의 설계로 인해 코어의 효율이 높아진 것은 신소재 적용과 더불어 F414 엔진을 경량화된 엔진으로 설계하는데 일조하였다. F414 엔진의 추력 중량비가 더욱 큰 최대 추력을 갖는 F100, F110 등의 그것보다 더욱 큰 이유는 이 때문이다.

FADEC에 의한 정밀한 엔진 제어와 블리스크(Blisk) 팬의 도입으로 압축 효율이 증가하면서 엔진의 연비가 F404보다 더욱 개선되었다.

우수한 연비를 자랑하는

  F404 엔진과 비교하면 순항 속력에서 SFC는 3% 가량 감소하였다.

2. 공대공 교전 시의 이점

F404 엔진과 F414 엔진의 고도 / 속도의 변화에 따른 최대 추력 변화 비교 차트를 살펴보면, 5천 피트 이하 고도에서는 추력 차이가 평균적으로 13% ~ 17% 정도이지만, 2만 피트가 넘는 고도에서는 20% 이상 추력 차이가 발생한다. 이 때문에 동일 플랫폼에 F414 엔진을 탑재할 경우 F404를 탑재할 때와 비교하면 고고도에서 더욱 큰 비행포위선(Flight Envelope)를 갖게 된다.

물론 여기에는 반론이 있을 수 있다. F414 엔진을 탑재한 F/A-18E/F와 F404 엔진을 탑재한 F/A-18C/D를 비교하면 후자가 오히려 비행포위선이 크기 때문이다. 그러나 이는 서로 동일한 플랫폼이 아니기 때문에 엔진 성능 자체를 비교할 근거는 되지 못한다. 이와 같은 차이는 F/A-18E/F가 F/A-18C/D보다 더욱 항력이 크고 무겁기 때문에 동일 고도 / 속력에서 1G를 유지하는데 필요한 추력 중량비가 더 크기 때문이다. 이는 동일 조건에서 양항비는 더 작다는 것을 의미한다.

F404 엔진이 KFX와 관계가 없음에도 비교 대상으로 언급하는 이유는 F414 엔진이 어느 정도의 성능 향상이 이루어졌는지 파악하기 위함이다.

BVR 교전을 위해 2만 피트 이상의 고도를 확보한 상태에서 1G에서 에너지(고도와 속력) 유지가 가능한 최대 속력이 더 크기 때문에 추력으로 축적 가능한 에너지 한계가 더 크다.

고고도에서 기반이 되는 엔진보다 추력 격차가 더욱 크기 때문에 고고도 / 고속 영역에서 에너지 유지 또는 고도가 증가하도록 선회함으로써 속력 유지가 가능한 하중배수 한계가 대체로 더욱 증가하였다. 동일 플랫폼에 F414 엔진보다 추력이 더욱 증가한 F110 엔진을 탑재한 경우와 비교해도 마하 1.0 ~ 마하 1.2 정도에서 에너지 유지 또는 증가가 가능한 영역은 더 클 것이다.

특히 지금의 F414 엔진보다 20% 가량 추력이 증가한 F414EPE 엔진(EPE : Enhanced Performance Engine)을 탑재할 경우 에너지 유지가 가능한 Envelope는 더욱 증가하게될 것이다.

이는 F414 엔진을 탑재한 KFX가 BVR 교전 시에 에너지를 축적한 상태에서 에너지를 유지 또는 증가시키며 중거리 공대공 미사일을 발사할 수 있는 위치 점유 기동성이 우수하다는 것을 의미한다.

또한 F414 엔진의 고고도에서 추력이 크기 때문에 이를 탑재한 플랫폼이 대기압이 낮은 고도에서 상승할 때 상승률 유지가 가능한 상승각이 크다는 점도 BVR 교전 시 적기보다 에너지 우위를 확보하는데 큰 보탬이 된다.

고고도에서 근접 공대공 전투 시에는 F414 엔진의 FADEC과 고효율 코어, 그리고 고고도에서 추력이 높다는 점이 이점이 될 것이다. KFX는 스텔스 성능을 염두에 두고 설계되며, 따라서 F-15 등과 달리 높은 TPR(Total Pressure Recovery)과 고받음각에서 안정적인 공기 흡입을 위한 가변 인테이크는 도입되지 않을 것이다. 또한 일부 4.5 세대 전투기의 형상에 존재하는 고받음각에서 기류 유도를 위한 형상이나 스트레이크 밑에 흡입구를 두는 설계도 KFX에는 도입되지 않을 것이다. 이는 앞전 스트레이크 등이 스텔스 성능에 좋지 않은 영향을 주기 때문이다.

따라서 엔진이 고받음각에서 얼마나 효과적으로 작동하는지 여부가 KFX의 순간 선회성능에 큰 영향을 주게 될 것이다. 이는 FLCS에 세팅해야 하는 받음각 한계와도 무관하지 않기 때문이다. 물론 코너 속력에서의 받음각이 전투기의 최대 받음각(FLCS에 세팅된 최대 받음각)보다는 작다. 그러나 최대 받음각이 클수록 전투기의 정안정성 완화를 허용할 수 있는 여지가 크기 때문에 최대 받음각이 클 수록 코너 속력도 대체로 더욱 낮아진다고 생각해도 무방할 것이다.

고받음각에서 엔진이 효과적으로 작동한다는 점에서 F414의 경쟁 기종인 EJ200 엔진이 높은 평가를 받고 있다. F414 엔진 또한 이 점에서 우수한 성능을 보유한 시스템이다. 이는 동 엔진이 높은 순간 선회율이 중시된 F/A-18E/F에 탑재될 목적으로 개발된 시스템이기 때문이다. F/A-18E/F뿐만 아니라 JAS-39E/F에도 F414 엔진이 통합되는데, 이 항공기 또한 순간 선회율이 중시된 설계를 보유한 항공기이다(그리펜의 순간 최대 선회율은 대략 초당 30도로 현용 전투기 중 가장 높은 편에 속한다).

이와 같이 F414 엔진이 고받음각에서 효과적으로 작동할 수 있는 것은 FADEC과 유체 역학적으로 우수한 형상의 팬 블레이드를 보유한 일체화된 블리스크(Blisk) 덕분이라고 할 수 있다.

F404 엔진의 FADEC을 개선한 F414의 FADEC은 정밀하게 엔진을 제어하여 엔진으로 유입되는 기류의 받음각이 클 때 압축기에서 실속(Stall)이 발생하지 않도록 여러 단계의 압축기 팬을 조합하게 된다. 다수의 블레이드의 받음각을 일일히 제어해야 하는 기존의 엔진(가령 F100과 F110)과 달리 F414는 압축 단계에서 불필요한 동작이 발생할 여지가 없기 때문에 압축 단계에서 에너지를 잃을 잔여 기류(자칫 엔진 실속을 야기할 수 있으며 심할 경우 Surge를 야기할 수 있다)를 최소화할 수 있다. 엔진 내부에서 잔여 기류가 발생할 경우 이를 신속하게 엔진 외부로 배출하는 것 또한 F414의 FADEC에 의한 제어를 통해 이루어지며, 이 때문에 고받음각에서 엔진 내부로 유입되는 기류가 감소하거나 유입 방해가 일어날 여지를 최소화할 수 있다.

고고도에서 높은 추력 덕분에 코너 속력 근처에서 잉여 파워가 마이너스 영역으로 (상대적으로) 깊게 진입하지 않는다는 점도 F414 엔진이 KFX에 탑재될 때의 장점이 될 수 있다. 이는 저속에서 타이트한 선회로 인한 에너지 저하가 상대적으로 작고 선회 기동 후 에너지 회복 면에서 유리할 수 있기 때문이다.

3. 공대지 작전 시의 이점

KFX는 F-35와 체적은 비슷하면서 쌍발 엔진을 채용하기 때문에 IWB(Internal Weapon Bay) 체적에 할당할 수 있는 공간 여유는 부족한 편이다. 이 때문에 공대지 임무 시 체적이 큰 공대지 무기는 부득이하게 외부 무장 스테이션에 탑재해야할 것으로 보인다. 이 때문에 KFX가 공대지 임무에 한해서 저고도 비행을 필요로 하는 경우가 많을 것이다.

저고도 비행 시의 실제적인 행동반경은 단순한 비행 Profile을 바탕으로 계산한 최대 행동반경과 다소 차이가 있다. Mil 추력에서 에너지를 유지하며 선회할 수 있는 Envelope, 특히 저속에서 Mil 추력으로 에너지를 유지하며 선회할 수 있는 영역이 클 수록 저고도 침투로 원거리 공대지 공격을 하는데 유리하다. 공대지 임무 Configuration에서 항력과 무게 증가, 그리고 상대적으로 낮은 추력(Mil 파워이기 때문) 때문에 이러한 에너지 유지가 가능한 영역은 크게 축소될 수밖에 없다. 스티어링 포인트에서 다음 스티어링 포인트를 향해 침로를 크게 변경해야 할 때 Mil 파워가 부족한 전투기는 속력 손실이 발생하여 이를 애프터 버너를 가동하여 회복하거나 또는 고도를 더욱 떨어뜨려야 한다. 결국 이런 전투기는 스티어링 포인트가 증가할 수록 항력이 크게 증가하는 것과 흡사한 악영향을 받게 되는 것이다.

이 점에서 Mil 파워가 높은 F414 엔진 2기를 탑재하는 것은 KFX의 공대지 공격력 측면에서도 좋은 선택이 될 수 있을 것이다. 공대지 임무 비행 시에 연비가 우수한 시스템인 F404 엔진보다 더욱 연비가 개선되었다는 점도 F414의 장점이 될 수 있을 것이다.

4. 장기적인 운용

F414 엔진의 가장 큰 장점은 무엇보다 미 해군에서 대량으로 채택하여 장기간 운용하는 시스템이라는 점이다. 이 시스템을 탑재한 F/A-18E/F 전투기를 미 해군이 대량으로 보유하고 있다. 또한 미 해군과 호주 공군이 슈퍼 호넷을 장기간 운용할 예정이며, 역시 F414를 탑재한 JAS-39E/F 또한 장기간 운용될 전투기이다. 따라서 F414 엔진을 KFX에 채택할 경우 추후 장기간 안정적인 군수 지원 측면에서 유리할 것이다.