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  1. 2009.07.15 작지만 알찬’ F-5E 엔진·조종시스템 특징은? (1)

엔진과 공기흡입구: 작지만 강한 두 개의 심장

 F-5의 엔진은 앞서 설명한 것과 같이 J85 엔진이다. 당시 개발되었던 전투기 엔진 중에는 상당한 소형이며, 사실 F-5 같은 소형전투기 개발이 가능했던 것은 이런 작으면서도 비교적 강력한 엔진이 개발된 덕이라고 볼 수 있다.

 

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▲ F-5의 심장인 J85 터보제트 엔진. 작은 크기에 비해 동시기 엔진 중에는 제법 강한 힘을 내는 엔진이었다.

 

다른 전투기들과 마찬가지로 F-5도 동체 후방 안쪽에 엔진이 들어있다. 엔진 배기구는 바깥으로 노출되어 있지 않고 테일 파이프라 불리는 부분 안쪽에 감춰져 있다. 이러한 방식의 설계는 비슷한 시기에 개발된 전투기들에서 종종 볼 수 있는데, 엔진 배기구에 의해 생기는 공기저항을 최소화하기 위해 배기구를 일부러 테일 파이프(Tail Pipe)로 감추는 것이다(다만 무게의 증가 등이 문제가 되며 특히 최근에 사용하고 있는 엔진들은 최대추력으로 비행 시 배기구가 바깥쪽으로 상당히 많이 벌어지기 때문에, 최신 전투기들은 이렇게 테일 파이프를 사용하지 않는 추세다. 대신 동체 후방을 최적화하여 설계하는 식으로 공기저항을 줄이고 있다.) 테일 파이프가 있는 동체 후방 부분은 열을 많이 받으므로 고온에 강한 티타늄 재질로 구성되어 있다.

 

▲ F-5를 뒤에서 바라본 모습. 뒤쪽에 페인트가 칠해져 있지 않은 부분이 티타늄 재질로 된 곳이다. 외부에서 얼핏 바라보면 F-5의 엔진 노즐은 움직이지 않는 고정형이라고 오해하기 쉽다.

 

▲ F-5의 엔진을 뒤에서 바라본 모습. 이처럼 F-5는 테일 파이프 안쪽에 가동형 엔진 노즐이 있다. 노즐 부분은 엔진 출력에 따라 오므려졌다, 펴졌다 한다.

 

 일반적으로 제트엔진에는 항공기의 유압펌프나 발전기 등을 돌리기 위한 구동 기어 박스가 붙어 있다. J85 엔진의 경우 원래 무인항공기용으로 개발된 것으로 전투기에 장착하는 것을 크게 고려치 않아서 이 구동기어가 엔진 압축기 위쪽에 붙어 있었다. 이런 형태의 엔진은 전체적인 지름이 너무 커져서 F-5 같이 동체가 가늘고 얇은 전투기에 넣기에 부적합했다. 설계자들은 이에 대한 해결책으로 구동 기어 박스를 엔진 앞쪽에 배치한 다음, 별도의 구동축으로 이들을 연결했다.

 

 F-5의 공기흡입구는 고정형으로, 속도 등에 관계없이 항상 일정한 크기를 유지한다. 비슷한 시기 개발된 대형 전투기들은 가변형 공기흡입구를 사용하는 경우도 많았으나, F-5는 무게를 줄이는데 중점을 두고 설계한데가 최대속도가 마하 1.6 근처인 F-5에는 굳이 가변형 공기흡입구가 필요 없었다(일반적으로 가변형 공기흡입구는 마하 2.0 이상으로 비행하는 항공기에서 쓴다).

 

 같은 설계에서 출발한 T-38은 공기흡입구가 둥글게 생겼지만 F-5A/B는 앞부분에 사각형의 분할판이 추가되었다. 이 분할판은 전방동체와 마찰로 인해 속도가 느려진 공기가 공기흡입구 안쪽으로 들어오는 것을 막아준다.

 

 F-5E/F는 더 강력해진 엔진에 걸맞게 많은 공기를 빨아들일 수 있도록 공기흡입구의 크기가 약간 더 커졌다. 또한 F-5E/F의 공기흡입구 분할판 벽면 쪽에는 무수히 많은 구멍이 뚫려 있는데, 이 구멍은 속도가 느려진 공기를 빨아들이며, 분할판과 마찬가지로 공기흡입구 안으로는 항상 신선한 공기만 흘러 들어가도록 돕는다.

 

▲ T-38, F-5A, F-5F 비교 사진. 공기흡입구를 잘 살펴보면 본문에서 언급하였듯  3가지 모델 모두 모양이 다르다. 장착한 엔진 및 요구된 비행성능에 맞춰 각각 설계되었기 때문이다. 한편 사진속의 F-5F는 동체 옆구리 부분에 보조 공기흡입구가 열려 있다.

 

▲ F-5E의 공기흡입구를 확대한 모습. 분할판 부분에 작은 구멍이 많이 뚫려 있다. 동체 벽면을 타고 오다가 속도가 느려진 공기는 이 구멍을 통해 빠져나가게 되므로 공기흡입구 안으로는 더 신선한 공기만 들어가게 된다. 실제로 보면 상당히 좁은데, 정비사들은 이 좁은 공기흡입구를 통해 안으로 비집고 들어가서 엔진의 이상 유무를 체크한다(꽤나 고생이라고 한다).

 

 F-5E/F와 일부 해외에 판매된 F-5는 동체 뒤쪽에도 상황에 따라 자동으로 열리고 닫히는 보조 공기흡입구가 있다. 만약 엔진을 충분히 돌리기에 공기흡입량이 부족하면 이 부분이 열리고, 그렇지 않다면 닫히는 방식이다.

 

조종시스템: 날렵한 움직임을 보여드립니다.

 F-5는 일반적인 제트전투기와 마찬가지로, 에일러론, 승강타, 방향타로 자세를 바꾼다. 승강타는 수평꼬리날개에 별도로 달려있지 않고, 수평꼬리날개 전체가 움직이면서 승강타 역할을 한다. 방향타는 수직꼬리날개에 달려 있으며 일반적인 전투기들의 방향타는 수직꼬리날개 끝까지 닿아 있는 것과 달리 F-5는 수직꼬리날개 길이의 절반 정도 크기다. 좌우 기울이는 자세를 담당하는 에일러론은 주날개에 붙어 있으며, 이 에일러론 보다 안쪽에는 뒷전 플랩이 있다.

 

공중에서 속도를 늦추는 스피드 브레이크는 동체 아래쪽에 있으며, 필요한 경우 (주로 급기동시나 착륙시) 이를 펼쳐서 공기저항을 크게 만든다.

 

▲ F-5E를 아래에서 본 모습. 에일러론은 조종사가 조종간을 좌우로 움직임에 따라 움직인다. 뒷전 플랩은 비행환경에 맞춰 날개에서 발생하는 양력을 늘리거나 줄이는 역할을 하며 펼쳐질 경우 힌지(경첩) 부분에 틈이 생기는 1 슬롯 플랩(1 Slot Flap) 형태다. 스피드 브레이크는 필요한 경우 아래로 펼쳐서 공기저항을 늘려 항공기의 속도를 줄이는 역할을 한다.

 

▲ T-38의 꼬리날개로, F-5의 것과 큰 차이는 없다. 방향타가 수직꼬리 높이의 절반 정도 밖에 되지 않는 것이 특징. 참고로 이 T-38은 본래 스텔스 전투기인 F-117을 운용하던 부대에서 훈련용으로 사용하던 항공기다(꼬리날개 위쪽에 그려져 있는 3개의 삼각형 모양이 바로 F-117의 실루엣이다). 현재 이 부대는 F-22를 운용함에 따라 이 T-38들도 F-22 조종사 훈련용으로 사용중이다. F-22나 F-117은 2인승 버전이 없다 보니 이 부대는 T-38로 이러한 스텔스 전투기를 몰 조종사들을 훈련시키고 있다.

 

 T-38에는 없던 앞전 플랩은 F-5부터 추가되었으며 네덜란드에 판매된 NF-5 및 그 이후에 생산된 시리즈(이를 테면 F-5E)는 플랩들이 비행상황에 맞게 자동으로 움직였다. 이 자동 플랩은 상황에 따라 네 가지 각도로 변하는데 이러한 방식은 이후에 개발된 F-16이나 F/A-18 같은 전투기에도 쓰이게 된다.

 

▲ F-5E/F의 앞전/뒤전 플랩. 왼쪽 위는 이착륙시 내지 마하 0.35 미만으로 비행시의 세팅이며 왼쪽 아래는 마하 0.35~0.45로 비행시의 세팅이다. 그리고 오른쪽 위는 마하 0.45~0.95로 비행시, 마지막으로 오른쪽 아래는 초음속 비행시의 플랩 세팅이다. 이렇게 비행속도에 따라 자동으로 변하는 플랩을 사용한 덕에 F-5E/F는 더 뛰어난 기동성을 얻게 되었다.

 

조종석: 있어야 할 것은 다 있고요

 최신 전투기들이 대부분 물방울 형태의 캐노피를 사용하는 것과 비교하면 F-5는 캐노피가 그렇게 외부로 돌출된 형태는 아니다. 그러나 동시기의 다른 전투기들에 비하면 시야는 좋은 편으로, 이는 최초 개발 당시 레이더를 탑재하지 않고 오직 조종사의 눈만으로 적기를 찾는 전투기로 개발되었었기 때문이다.

 

 물론 앞서 언급한바와 같이 F-5E/F 부터는 먼 거리에 있는 적기 탐색을 위해 레이더를 탑재하였으며 이를 위해 조종석 한 가운데 레이더 모니터가 들어섰다.

 

 캐노피는 조개껍질처럼 위로 열리는 일반적인 타입이지만 동시기 전투기들이 전기나 압축공기의 힘으로 이것을 열고 닫는 것과 달리, F-5는 사람의 힘으로 열고 닫는다. 물론 한 번 닫히면 잠금장치가 풀리기 전까지는 열리지 않는다.

 

▲ 지상에서 활주중인 F-5F. 전, 후방석의 캐노피가 모두 열려 있다. 사진을 자세히 보면 캐노피 프레임 앞쪽에 후방 감시용 거울이 붙어 있는 것도 보인다. 동체 아래쪽에 오렌지색으로 빛나는 것이 바로 착륙 및 활주시 사용하는 랜딩 라이트와 택싱 라이트다. 자동차의 전조등과 같은 역할을 하는 것으로, 착륙장치가 일단 내려왔다면 보통은 밤낮 구별 없이 켜둔다(비행시에는 동체 안으로 접혀 들어간다).

 

 조종석 정면에는 광학식 조준경이 달려 있으며, F-5A/B 까지는 간단한 조준경이었으나 이후 개량된 모델에서는 레이더로 조준한 적기가 현재 선택한 무장 (기관포나 미사일)의 사거리 내에 들어왔는지 알려주는 등의 기능이 추가되었다.

 

▲ F-5A/B의 조종석(위쪽 사진)과 F-5E/F의 조종석(아래쪽 사진)의 비교. F-5E/F는 레이더 등의 정보를 표시해주는 모니터가 조종석 계기판 중앙에 추가되었다.

 

▲ 캐나다군 소속의 CF-5의 조종석 뒤를 바라본 모습. F-5의 조종석은 물방울 모양 캐노피를 쓴 전투기들만큼은 아니지만 동시기의 다른 전투기들에 비하면 시야가 좋은 편이다.

 

무장계통: 호랑이의 발톱

 F-5의 공중전용 주 무장은 앞서 언급한 바와 같이 M39 20mm 기관포 2정과 AIM-9 사이드와인더 단거리 미사일이다. 지상 공격시에는 일반적으로 로켓과 Mk.82와 같은 비유도 폭탄을 사용한다. 이 외에 마찬가지로 비유도 폭탄이나 피해범위가 넓은 확산탄도 F-5의 주요 지상공격용 무장이다.

 

▲ 지상을 향해 로켓을 발사 중인 캐나다 소속의 CF-5. 최근에는 전투기가 지상공격용 무기로 로켓을 사용하는 일이 과거에 비하면 줄어들고는 있기는 하지만, 아군 지상군에 대한 화력지원용으로 여전히 많이 사용중이다.

 

 일부 국가는 좀 더 정밀도가 높은 AGM-65와 같은 유도무기를 탑재할 수 있도록 F-5를 개조하기도 하였으며, F-5F에 레이저 유도장치를 추가한 나라도 있다. 다만 이 레이저 유도 장치는 다른 전투기들처럼 전투기 외부에 탑재되는 것이 아니라, 후방석에 탄 조종사가 조종석 안에서 직접 레이저 조준기로 목표물을 지시하는 방식이다(즉, 전투기 조종석에서 조준한다는 점을 제외하면 지상 요원이 레이저를 조준하는 방식과 동일하다). 일부 국가에서 운용중인 F-5E/F는 동체 하방에 미사일 회피를 위한 채프/플레어 살포기를 탑재하고 있다.

 

 F-5A/B는 사이드와인더 미사일을 탑재하지 않는 경우 외부연료탱크를 날개 끝에도 달 수 있었다. 날개 끝 연료탱크는 날개 끝에서 발생하는 소용돌이 흐름을 줄임으로써 이로 인해 생기는 공기저항을 줄이는 역할을 한다는 이점 때문에 5, 60년대에 등장한 전투기들이 간혹 사용하던 방식이다. 다만 F-5A/B의 외부 연료탱크는 동체와 마찬가지로 면적 법칙을 위하여 콜라병 형태(혹은 땅콩모양이라 부르는 경우도 있다)로 설계되었다.

 

 F-5A/B는 초음속 전투기 중에는 거의 마지막으로 이 날개 끝 외부 연료탱크를 사용한 전투기로, 이후 등장하는 전투기들은 이 방식을 잘 사용하지 않는다(F-5E/F만 해도 이 날개 끝 연료탱크를 달지 않는다).

 

▲ 지상에서 이동중인 F-5B. 날개 끝에 달려 있는 땅콩 모양의 물건이 외부 연료 탱크다. 한편 동체 중앙에 있는 것은 외부연료탱크가 아니라 조종사의 짐 등을 싣는데 쓰는 트래블 포드(Travel Pod)다. 속은 아무것도 없이 비어 있는 물건으로 전투기가 조종사와 함께 다른 곳으로 파견 갈 때 여기에 조종사의 짐이나 전투기와 관련된 서류 등을 넣는다.

 

▲ F-5 설계자들은 처음부터 날개 끝 연료탱크를 땅콩 모양으로 만들려고 했던 것은 아니다. 초기에는 평범한 유선형 모양으로 설계 했으나, 전투기의 성능 향상을 위해 다양한 시도를 하던 끝에 결국 면적 법칙을 적용한 연료탱크를 만들게 된 것이다.

 

 한편 F-5는 설사 미사일을 탑재하지 않더라도, 날개 끝에 미사일 발사대를 항상 달고 다니는데 이렇지 않으면 날개 끝에서 원치 않는 진동이 발생할 수 있기 때문이다. 즉 발사대는 이런 진동을 억제하는 무게추 역할을 한다 (날개 끝에 미사일을 다는 다른 전투기들도 이런 경우가 많다.)

 

기타요소: 이것저것 살펴봅시다

 F-5는 일반적인 형태의 랜딩기어를 가지고 있으나, F-5E/F 및 일부 기종은 이륙시 기수를 들어 올릴 수 있는 노즈 하이크(nose hike) 기능을 가지고 있다.  전방 착륙장치(노즈 랜딩기어)는 앞쪽으로 접히는 구조인데, 이런 형태는 만약 전방착륙 장치가 완전히 펼쳐지지 않았을 경우, 바람의 힘에 의해 마저 펼쳐지게 할 수 있다. 주 착륙장치(메인 랜딩기어)는 동체 바깥쪽에서 안쪽으로 접히는 구조이며, 완전히 접히면 타이어 부분이 동체쪽으로 들어간다.

 

▲ F-5의 전방 착륙장치 모습. F-5 자체가 그리 큰 항공기가 아니다 보니 착륙장치 역시 작은 편이다.

 

 F-5E/F 부터는 구속용 갈고리 (어레스팅 후크)가 추가되었다. F-5E/F 조종사는 비상 착륙시 활주로 끝에 있는 구속용 줄 (어레스팅 와이어)에 이것을 걸어서 F-5E/F를 멈출 수 있다. 물론 이것은 비상시에만 쓰는 장치이므로, 항상 구속용 갈고리를 이용해 착륙하는 함재기 수준으로 튼튼하지는 않다.

 

▲ 선회중인 F-5E의 아랫면. 동체 뒤쪽에 검고 흰 줄무늬가 칠해진 부분이 구속용 갈고리(어레스팅 후크)다. 이것보다 바로 앞 쪽에 동체 아래에서 한쪽(사진 기준 위쪽)으로만 돌출된 부분은 채프/플레어 살포기다.

 

 한편 F-5는 착륙거리를 짧게 하기 위해 감속용 낙하산을 꼬리에 넣고 다닌다. 필요하다면 이것을 펼쳐서 착륙거리를 더욱 짧게 만들 수 있다. 다만 이것을 펼친 뒤 속도를 줄이고 나면 낙하산을 끌고 다니면서 활주할 수 없기 때문에 다시 활주해서 격납고 까지 돌아가려면 낙하산을 떼어내 버려야 한다(활주로 한 가운데에 낙하산을 떼어내야 하는 경우도 있기 때문에 정비병이 이렇게 떨어진 낙하산을 재빨리 주워서 치워야 하는 경우도 있다).

 

▲ 착륙중인 F-5. 꼬리 뒤쪽으로 늘어뜨린 것이 바로 감속용 낙하산(드래그슈트 : drag chute)다.

 

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기사제공= 주간 공군웹진 공감 / 필자 이승진
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Posted by e밀리터리안

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  1. 아주 상세한 설명이어서 흥미진진해요. 전투기의 발전은 정말 놀라워요~

    2009.07.15 19:44 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]


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