‘마하3.2’ 전설의 스텔라 유인항공기 -Lockheed SR-71 Blackbird 의제원과 탄생비화

[dhleepaul]

냉전시대의 대표적 스텔스 정찰기
레이더 반사 면적 최소화로 설계
동체 전체의 85% 티타늄으로 제작
‘마하3.2’ 당시 가장 빠른 유인항공기

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SR-71 블랙버드 정찰기에 대한 이야기

SR-71 블랙버드의 개발은 냉전이 시작될 무렵에 시작됐습니다. 미국은 1949년 소련이 핵무기 개발에 성공하자 이에 대응하기 위해 높은 고도에서 안심하고 정찰할 수 있는 U-2 정찰기를 개발했습니다.

1955년 개발을 완료한 U-2 정찰기는 2만m가 넘는 고도에서 비행할 수 있는 항공기였습니다. 소련의 레이더 감시망을 피하기 위해 높은 고도에서 비행하는 정찰기를 만든 것이었죠.

당시 미국은 U-2 정찰기가 소련의 레이더가 탐지하는 높이보다 최소 1500m는 더 높이 비행할 것이라고 판단했습니다.

그리고 1956년 U-2 정찰기는 소련지역 상공을 정찰하는 첫 임무를 수행했습니다. U-2 정찰기는 많은 사진을 촬영해서 안전하게 돌아왔습니다. 하지만 U-2의 레이더파기록장치에는 소련의 대공감시레이더가 기체를 추적하고 있다는 것이 함께 기록돼 있었죠. 미국의 판단이 틀렸던 겁니다.

1957년, 소련은 대륙간탄도미사일 개발에 성공했습니다. 미국은 다급해졌습니다. 언제라도 핵탄두를 탑재한 미사일이 자국 영토에 떨어질 수 있다는 불안감이 엄습했죠. 1957년 후반, 미국 중앙정보국 CIA는 록히드에 탐지가 불가능한 정찰기를 만들어달라고 요청합니다.

아크엔젤이라는 이름의 이 프로젝트는 당연히 켈리 존슨이 이끄는 스컹크웍스가 맡았죠.

아크엔젤 프로젝트는 1958년 2분기에 시작됐습니다. 스컹크 웍스는 10개월 만에 무려 11개의 모델을 디자인했습니다. 그리고 마하3.2에 도달할 수 있는 열 번째 디자인을 가지고 1959년 3월 CIA를 찾아갔지만 CIA 눈에는 차지 않았죠. 레이더 반사면적이 너무 넓었기 때문입니다. CIA는 레이더 반사면적을 90% 줄이라고 요구했고 캘리 존슨의 팀은 불과 두 달 만에 12번째 디자인, A-12의 설계도를 들고 갔습니다.

1960년 2월 11일, 미 CIA는 스컹크웍스와 정찰기 12대 제작 계약을 맺습니다. 9600만달러, 요즘 가치로는 약 7억5800만달러 규모입니다. 우리나라 돈으로 약 1조500억원입니다.

계약을 맺고 이제 시제기를 제작하려할 때 엄청난 소식이 들려왔습니다. 1960년 5월 1일, 파키스탄에서 이륙해 소련 영토 한 가운데서 정찰활동을 하던 U-2 정찰기가 SA-2(S-75/V750VN) 지대공 미사일에 맞아 격추됐다는 소식이었습니다.

미국으로서는 난감했습니다. 바로 전년도인 1959년 9월 드와이트 아이젠하워 미국 대통령과 니키타 후르시초프 소련 공산당 제1비서가 우리에게도 익숙한 미국의 캠프 데이비드에서 만나 양국의 관계개선을 논의했었고, 불과 2주 후에는 프랑스 파리에서 정상회담이 예정돼 있었기 때문이죠.

처음에 미국은 미 항공우주국 NASA가 운영하는 자산이라고 둘러댔지만 그 핑계가 먹힐 리 없었습니다. 결국 조종사 프랜시스 게리파워즈는 간첩 혐의로 유죄 판결을 받았고 3년 징역형과 7년 중노동형을 선고 받았습니다. 때문에 파리 정상회담은 깨졌고 미 정보당국은 조급해졌습니다.

A-12는 1962년 4월 25일 네바다주 그룸레이크에서 처음 비행했습니다. 공대공미사일을 장착한 YF-12 요격기 프로토타입 3대와 드론 캐리어 2대 등 모두 13대가 제작됐고 1966년까지 베트남과 북한 상공 등에서 임무를 수행했습니다.

이때까지 이 비행기의 존재는 극비사항이었죠. SR-71의 정체가 공개된 것은 순전히 국내 정치적인 이유에서였습니다. 1964년 당시 공화당 대선 후보였던 배리 골드워터가 민주당 대통령인 린든 존슨 대통령에 대해 새로운 무기 게발에서 소련에 뒤쳐졌다는 이른바 안보 무능론을 들고 나왔습니다. 그러자 그해 7월 존슨 대통령은 이 비판에 대응하기 위해 이 정찰기의 존재를 공개하기로 했죠.

이름 공개 당시 원래 명칭이었던 RS-71을 존슨 대통령이 잘 못 읽어서 SR-71이 됐다거나 당시 공군참모총장이었던 커티스 르메이 장군이 전략정찰을 뜻하는 SR이라는 명칭을 선호했다는 등 이름 발표를 둘러싼 해프닝도 있었습니다. 정체가 공개된 지 1년 반 뒤인 1966년 1월 미공군은 블랙버드를 본격적으로 운용하기 시작했습니다.

얼마나 대단한 정찰기였는지 이쯤에서 제원을 살펴보죠. 단좌기였던 A-12와 달리 SR-71은 앞뒤로 2명의 승무원이 탑승했습니다. 앞좌석에서는 항공기를 조종했고 뒷좌석에서는 각종 센서와 레이더로 정찰임무를 수행했습니다.

SR-71은 레이더 반사면적(RCS)을 최소화하도록 설계된, 최초의 스텔스 설계를 시도한 정찰기입니다. 길이 32.74m, 날개폭 16.94m, 높이 5.64m에 날개면적이 170㎡인 거대한 동체가 정작 레이더에서는 10㎡ 크기로 보였죠.

RCS를 줄이기 위해 동체 아래쪽을 완만한 유선형으로 설계하고 스텔스도료까지 칠했습니다. SR-71의 또 다른 강점은 빠른 속도에 있습니다. 1976년에 세운 ‘가장 빠른 공기흡입 유인항공기’라는 타이틀은 아직까지 깨지지 않고 있을 정도죠.

이렇게 빠른 속도를 구현하기 위해 갖가지 첨단기술과 소재가 적용됐습니다. 고속에서 발생하는 열에 견디기 위해 동체 전체의 85%를 티타늄으로 제작했습니다. 그리고 나머지 15%는 복합소재를 사용했습니다. 재밌는 것은 그 티타늄을 적이자 정찰의 대상인 소련에서 구해왔다는 것이죠.

고온을 견디기 위한 기술은 또 있습니다. 날개 표면을 주름지게 제작한 것이었죠. 열에 의해 금속이 팽창하는 것을 감안한 조치였습니다. 같은 이유에서 동체도 지상에 있을 때는 느슨하게 맞도록 제작했습니다.

무게를 줄이기 위해 별도의 연료탱크를 만들지 않고 동체 자체가 하나의 연료탱크 역할을 했습니다. 때문에 동체에 연료를 가득 넣고 주기장에 계류할 때는 눈물처럼 연료를 바닥에 흘리기도 했습니다. 또 일반 항공유보다 인화점이 높고 열 안정성이 좋은 JP-7 제트연료를 별도로 개발해야 했습니다.

착륙할 때조차 시속 310㎞의 빠른 속도였기에 알루미늄을 섞은 타이어를 질소로 팽창시켜 사용했고 하나에 2300달러인 이 타이어는 20번 사용하기 전에 교체해줘야 했습니다.

엔진은 프랫엔 휘트니가 제작한 3만2500파운드 추력의 J58엔진 2기를 장착했습니다. 블랙버드의 일반적인 순항속도인 마하 3.2에서 가장 효율적으로 작동하는 이 엔진은 공기흡입구에 원뿔모양의 움직이는 스파이크를 달아서 고속과 저속에서 다른 양의 공기가 흡입되도록 했습니다.

블랙버드는 이륙 직후 공중급유기로 연료를 재충전합니다. 바닥에 연료를 질질 흘리니까 그런거 아니냐는 오해를 받기도 하지만 이유는 다른 데 있습니다. 비싼 타이어의 스트레스를 줄이기 위해 일부 연료만 적재한 상태로 이륙하는데 고속에서 효율이 좋은 엔진이라 이륙할 때의 저속에서는 연비가 좋지 않기 때문입니다.

그리고 앞서 설명했듯이 연료가 일반 항공기와 다르기 때문에 JP-7을 저장해 급유해줄 수 있는 KC-135Q라는 개조된 급유기가 필요했습니다. GPS가 없던 시절에 개발된 블랙버드는 마하3의 속도에서도 300m 이내의 편차를 낼 정도로 정교한 천체관성항법시스템을 사용했습니다.

정찰기라는 목적에 맞게 광학과 적외선 촬영장비는 물론 측면감시 공중레이더와 전자정보수집시스템을 갖췄습니다. 조종사들은 원활한 산소 공급과 고온으로부터 보호하기 위해 U-2 정찰기 조종사와 마찬가지로 특별 제작된 가압복을 입어야 했습니다.

SR-71 블랙버드는 모두 32대가 제작됐고 이중 12대가 사고로 손실됐습니다. 좀 위안이 되는 것은 적의 공격을 받아서 추락한 기체는 하나도 없다는 것 정도네요.

설명을 전체적으로 해놓고 보니 빠르고 높이 날 수 있다는 것 빼고는 좋은 게 하나도 없는 비행기 같습니다. 세척을 하려면 증류수가 필요했고 한 번 비행하고 나면 평균 정비 시간이 일주일 정도 걸렸다는 단점까지는 굳이 언급하지 않겠습니다.

미 공군도 같은 생각을 했을까요? 냉전이 끝나기도 전인 1989년에 인공위성 등 진화하는 다른 정찰 방법이 있는 마당에 이렇게 손이 많이 가고 비용이 많이 드는 항공기를 더 이상 운용할 필요가 없다는 이유로 블랙버드를 퇴역시켰습니다.

하지만 1993년 중동지역의 정세 불안과 북한의 핵과 탄도미사일 개발 움직임 등이 감지되자 3대의 SR-71을 복귀시켰고 실시간 데이터링크 장비를 부착해 5년간 더 사용하다가 1998년 최종 퇴역시켰습니다.

SR-71의 자리는 SR-72라는 무인기로 대체될 것으로 보입니다. 2013년 록히드마틴이 블랙버드의 후속기종으로 미 공군에 제안한 감시정찰 초음속 무인기로 듀얼모드 램제트 엔진을 달고 저속에서는 마하3, 고속에서는 마하6의 속도로 비행할 수 있게 개발하고 있습니다.

2018년 11월 록히드마틴은 초음속미사일을 발사할 수 있는 SR-72의 프로토타입을 2025년부터 비행시험을 하고 2030년대에 전력화할 것이라고 밝혔습니다.

블랙버드의 아들이 공개될 날이 이제 멀지 않았네요.
글쓴이 : SOONDORI

누가 봐도 날렵한 우주선처럼 생긴 검은색 비행기. 근 60년이 지난 이 시점에서 봐도 정말 독특한 비주얼이다. 비슷한 모양의 것, 비슷한 성능의 것, 그 이상의 용도로 쓰인 비행기가 있었는지?

SR-71은 록히드社(Rockheed, 1995년 마틴사와 합병하고 록히드-마틴으로 개명)의 Kelly Johson이… 무려 1960년대 초반에 설계했던 초고도 전략 정찰기로서 1950년대에 그가 설계했던 U-2 고고도 정찰기(상승고도 18Km, 속도 700Km/h)의 한계를 훌쩍 뛰어넘는, 극단의 설계 기준을 적용하였다.

(▲ 천재 설계자 켈리 존슨. 1910년~1990년. 뇌를 혹사했던 탓일까? 치매로 고생을 했다는 이야기가…)

공기 마찰열 대응을 위한 티타늄 바디에, 상승 고도 26Km, 속도는 마하 3/3200km/h, 비행사와 RSO(Reconnaissance Systems Officer)로 불리는 정찰관제장교와 조종사 2인 탑승. 1964년 첫 시험비행 후 1968년 실전 투입되었다. 뭐… 실전이라는 게 별것 있나? 요격 미사일보다 더 빠르게 날면서 소련 영공을 마음껏 누비고 최대한 많은 사진을 찍어오는 것. (당시 소련은 대응 기술이나 수단이 없었다고 한다)

(▲ 공기역학적 설계. 최대한 많은 양의 공기가 맥동 없이 유입될 수 있도록, 속도와 외기 환경에 따라 Inlet Spike가 적당히 돌출/후퇴한다)

(▲ 최대 추력 133,440N(=약 2000마력)인 Pratt & Whitney J58 엔진. 중량 2.9톤. 두 개를 쓰니까 약 4천 마력에 5.8톤. 참고로 강원도행 전동식 화물기차의 구동 출력은 1만 마력, 탑재 디젤 발전기로 바퀴 모터를 돌리는 새마을호 기차는 6천 마력. 그에 비하면 너무 작다? 허공을 날기 때문에 큰 값. 출처 :https://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88507main_H-2179.pdf)

(출처 : https://i.pinimg.com/originals/7b/7f/98/7b7f98d1e489fc96b3b87f9eea4ca79c.jpg)

우주선에 근접한 SR-71은 1980년 퇴역 전까지 그 진가를 여지없이 증명하였지만 인공위성의 시대가 도래하면서 경제성이 떨어지기에 운용이 중단되었다.총 32대가 제작되었다고.

* 관련 글 : 영리한 논리의 RAMJET 엔진

이쯤에서 빈티지 매니아의 눈에 걸리는 것은,

○ 마치 NASA 우주선의 설계 사례처럼 모든 것을 수작업으로 계산하였다는 사실. 설계자들이 기댈 수 있는 것은 아래 ‘프리덴 기계식 계산기’ 또는 조견 테이블 정도. 컴퓨터와 시뮬레이션 툴에 기대는 요즘의 개발 스타일을 생각하면 실로 대단한 일이 아닐 수 없음.

(▲ 미국 Friden社의 STW-10 기계식 계산기. 출처 및 정보 열람 : https://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_690862)

○ 콕핏 안에 배치된 제어계들은 모두 아날로그 방식. 시작점이 1960년대 초반이므로 진공관식은 아닐 듯하고, 한편으로 오로지 반도체 소자나 IC만 이용한 全전자시스템이 사용되었을 것 같지도 않다.

“그럴 것이면 기계식 프리덴 계산기가 아니라 카시오 전자계산기를 쓰셨어야지요?” 물론 1950년대 U-2 정찰기는 진공관식.

○ 동체 형상 설계에도 아이디어가 숨어 있지만, 레이더 전파를 흡수하기 위해 페라이트 재질의 특수 코팅을 했다. AM 안테나에서 볼 수 있는 그 페라이트. 그래서 Black?

○ 무선 시스템은… 은밀히 이동해야 하므로 이륙 후 최대한 통신을 자제함.

[ 관련 글 ]
영화 Fury의 M4 Sherman 탱크 그리고 전자통신 시스템
North American P-51 머스탱의 전자통신 시스템

○ 그리고 독특한 관성항법 장치를 사용하였는데… 26Km 상공은 밑에 지구 대기가 보이고 위쪽은 별들이 반짝거리는 準 우주공간이다. 그래서 별들의 절대 위치를 기준점으로 삼는 NAS-14V2 Air Navigation Services 시스템을 사용한다. 고속 삼각법 연산 기능은 필수일 듯.

(▲ Astro-Window는 별빛이 들어가는 창문. Air Cooling이 강조되는 것은 내부 발열이 대단한 수준이기 때문인 듯. 출처 및 정보 열람 : NAS-14V2 ANS System)

이런 식 GPS 위성에 의존하지 않는 항법은 EMP 등 외란에 의해 위성이 무력화되는 것을 염려하는, GPS가 잘 돌아가는 현재형 군사 시스템에도 유효한 방법론이다.

(▲ 좌상단 Latitude 위도와 Longitude 경도만 알면… 대략 지구 위 좌표는 다 나온 것 아닌지?)

가만보니 새로운 기체의 개발뿐 아니라 準 우주공간을 상대로 하는 전자 솔루션의 개발이 뒷받침되어야 하는 과업인데…

60년 전 세상을 상상해보면 마하 3, 시속 3000킬로미터를 넘어서는 속도로 슝~ 날아다니는 비행체를 만들었다는 게 정말 신기하다. 뭐… 아폴로 11호 달 착륙이 1969년이니까 그 기술이 그 기술일까? 어쨌든 미국은 딴 나라 세상이었던 것.

그렇고… 1960년대의 ‘하늘 밑 맨땅’에서는 무슨 일이 있었는지?

– 잭 클레어 킬비가 1957년 세계 최초 집적회로를 만들었다. 여기를 시작점으로 보고…

* 관련 글 : 잭 클레어 킬비가 처음 만든 집적회로, IC

– 1961년에 이후 ‘농어촌 라디오 보내기 운동’의 계기가 된 박정희 대통령의 금성사 공장 방문이 있었다. 우리집은 1970년대에 가서야 하얀 통에 원통 건전지 몇 개 집어 넣는, 게르마늄 트랜지스터를 쓰는 금성사 라디오를 쓰기 시작했으니…

– MBC 개국(1961년), 서울 FM(89.1Mhz) 개국(1965년)

– 미국의 베트남 전쟁(1955년~1975년)과 히피 문화에, 중국에서는 2P3라는, 자작형이라 돈을 아낄 수 있는 AM 라디오가 보급되었다. (아래 오른쪽은 Tecsum의 레트로 버전)

* 관련 글 : Tecsun 2P3 AM 라디오 키트, 중국인들의 ‘어제와 오늘’

– 미국 Moog社의 Modular Voltage-Controlled Subtractive Synthesizer가 소개된 시절, John Linsley Hood의 1969년형 A 클래스 앰프가 소개된 시절이고 세계 최초 워드프로세서를 만든 Evelyn Berezin이 1969년에 개발 회사를 설립하였다.

– John V. Blankenbaker가 만든, 세계 최초 개인용 컴퓨터 KENBAK-1가 소개된 시점은 1970년. 그것을 시기의 종점으로 보면, 이후는 점점… 요즘도 흔히 볼 수 있는 빈티지 오디오 세상으로 간다.

* 관려 글 : 개인용 컴퓨터의 조상 KENBAK-1, 그리고 IBM PC와 사운드

아무려나 하늘만큼 땅만큼 큰 격차를 가진 고강한 산업용, 군사용 기술의 관점에서 보면 오디오는 시대 기술의 아주 작은 단편일뿐이다. “DIYer로서, 그것도 많이 어려운데 아날로그 스타일 SR-71은 어찌 만드신 것인지요?” (표제부 사진 출처 : https://www.reddit.com/r/pics/comments/9npix2/the_sr71_blackbird_which_had_a_typical_cruising/)

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Schematic of the SR-71

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SR-71 Blackbirds

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