'F-15e 스트라이크 이글'에 해당되는 글 3건

  1. 2009.05.04 F-15 전투기의 ‘조종시스템’ 그 특징은 무엇?


조종 시스템

 F-15 이전에 등장한 항공기들의 조종시스템은 대부분 조종사가 조종간을 움직이면 강철케이블이나 유압장치 등으로 조종면을 직접 움직이거나, 아니면 유압장치의 밸브를 조절해서 유압 실린더가 움직이도록 하는 방식이었다. 

 

 F-15의 날개·동체구조 사진으로 알아보기

 헬기서 비행기로 변신, CV-22 ‘오스프리’ 살펴보기

 다목적 전투기, F-15의 발전과정 사진으로 알아보기

 공군 주력 F-15의 탄생과정, 사진으로 알아보기

 美 ‘차세대 공중급유기’ 사업 사진으로 알아보기

 첨단기술로 150km 밖 적기격추, ‘덕티드 로켓체계’

 400km 밖에서 敵기지 초토화 ‘타우러스’ 미사일

 

그런데 항공기는 비행자세나 속도, 고도, 무게나 무게중심의 위치 등에 따라 그 조종특성 달라진다. 이를테면 똑같이 승강타를 5도 움직여도, 어떤 때는 기수가 5도가 올라가는 반면 어떤 때는 10도나 올라갈 수 있다. 이와 반대로 어떤 상황에서는 1, 2도 밖에 안 움직일 수도 있다. 물론 조종사들은 다양한 비행훈련을 통해서 이런 비행 상태에 따른 항공기 특성의 변화를 몸에 익혀두고, 상황에 맞게 대처해 왔다. 그러나 급박한 공중전 상황에서는 속도와 자세 등이 급격히 변하기 때문에 미처 계속 바뀌는 항공기의 조종특성에 맞춰서 비행기를 조작하지 못할 수도 있었다. 그러다 보면 최악의 상황에서는 항공기의 한계를 넘어서는 조작을 해버려서 비행불능 상태에 빠지는 경우도 생기곤 했다(특히 급기동을 하다 보면 높은 받음각 상태에 빠지는 일이 빈번했다).
 

 ▲ 이륙중인 F-15. 수평꼬리날개 부분을 보면 기체에 비해 한껏 아래로 꺾여져 있다. 조종사가 조종간을 잡아 당기면 이 부분이 아래로 꺾이면서 꼬리부분을 누르는 힘이 생기고, 결과적으로 기수가 들리게 된다. 
 
 설계자들은 항공기가 이런 불안정한 비행상태, 혹은 비행불능 상태에 빠지는 것을 막는 한편 좀 더 정확한 조작이 가능하도록 다양한 방법을 연구해왔다. 그리고 전자기술과 컴퓨터의 발전으로 이를 실현하는데 성공했다.

 

 현대의 전투기는 대부분 전자식 조종시스템에만 의존하지만 (‘F-16 파이팅팰콘 2화 - F-16의 특징’에서 설명한 플라이 바이 와이어 참조) F-15를 처음 개발 할 때는 아직 완전한 전기식 조종시스템을 믿는 것은 어려웠다. 기계장치와 달리 전자장치는 오작동을 할 수 있었으며 특히 항공기 내부에는 통신장치, 레이더 같은 강력한 전자파를 만드는 장치들이 잔뜩 있기 때문에 이것들이 전자식 조종시스템에 어떤 영향을 줄 수도 있었다.

 

 물론 기본적으로 항공기에 들어가는 전자장비들은 주변 장치에 전자파로 영향을 주거나, 혹은 그 스스로가 주변의 전자파에 의해 영향을 받는 일이 최대한 없도록 개발하지만 세상일에는 언제나 ’만에 하나‘라는게 있는 법이다. 그렇기 때문에 설계자들이나 조종사들은 전체 항공기 시스템 중에서도 가장 고장이 나면 위험한 부분인, 조종시스템을 오직 전기적인 장치만으로 만드는 것은 아직 기술적으로 너무 이르다고 생각했다.

 

 특히 핵이 폭발하면 전자기펄스(EMP : Electro-Magnetic Pulse)라는 것이 발생하는데, 이것에 노출된 전자장치들은 오작동을 일으키거나 혹은 그대로 작동을 멈춰버릴 수 있었다. 그렇기 때문에, 핵전쟁은 매우 당연스럽게 벌어질 수 있는 일로 여기던 당시 개발자나 군인들로서는 모든 조종시스템을 전자장치만으로 구성하는 것은 더더욱 위험천만한 일이라고 생각했다.

 

 그래서 F-15는 조종성 증대 시스템(CAS : Control Augmentation System)이라는 조종 방식을 택했다. 이 방식은, 먼저 조종사가 조종간을 움직이면, 강철케이블과 유압 시스템 등으로 연결된 조종면이 움직이게 된다. 그리고 동시에, F-15에 탑재된 비행제어컴퓨터가 속도나 비행자세 등, 현재 항공기의 상태를 가지고 판단해서 조종사가 움직이려고 하는 조종면의 각도를 임의로 수정해준다. 즉 조종사가 승강타를 10도 움직이려고 했다고 해도, 비행제어컴퓨터가 그 조종사의 조종간 움직임을 읽어 들이고 지금 상황에서는 15도가 움직여야 한다고 생각하면, 유압밸브를 좀 더 열게 만들어서 결론적으로 승강타가 15도 움직이게 하는 방식이다.

 

▲ 조종성 증대시스템(CAS)의 개략도. 조종간이 움직이면 이 신호는 CAS 컴퓨터와 조종면의 유압펌프, 이렇게 두 군데로 갈라져서 들어간다. CAS 컴퓨터는 조종간의 움직임, 그리고 항공기의 반응을 파악하는 센서의 신호를 종합해서 현재 조종면이 실제로 움직여야 할 각도를 계산한다. 그리고 조종간이 유압펌프에 주려는 신호에 자신의 신호를 함께 덧붙인다. 결국 유압펌프는 조종사가 조종간으로 움직인 신호와, 이것을 보정해주는 CAS 컴퓨터의 신호가 함께 들어가게 된다.
     
 이것은 플라이 바이 와이어 시스템과 매우 유사하기 때문에 준 플라이 바이 와이어 시스템이라고 부르는 경우도 있다(간혹 그냥 플라이 바이 와이어라고 표시하는 자료도 있다.) 초기 F-15는 비행제어컴퓨터가 아날로그 방식이었다. 즉 지금 우리가 흔히 보는 컴퓨터와 달리 일종의 여러 가지 회로에 의해서 전류, 전압 신호가 들어가면 그것이 증폭되거나 감쇄되어서 어떤 수식을 풀어서 나온 결과 값처럼 나와서 신호가 전달되는 방식이다. 그러나 F-15E 부터는 비행제어컴퓨터가 디지털 방식으로 바뀌었다.

 

 F-15의 가장 주요한 조종면은 수평꼬리날개라 할 수 있다. 수평꼬리날개는 기수를 위로 들거나, 아래로 내리게 하는 승강타 역할을 할뿐만 아니라 좌우가 서로 엇갈린 각도로 움직여서 F-15의 기체를 좌우로 기울이는 역할도 한다(이러한 방식의 수평꼬리날개를 테일러론이라고도 한다). 기체를 좌우로 기울일 때는 수평꼬리날개와 함께 주날개 바깥쪽에 위치한 에일러론도 함께 움직인다.

 

 한편 일반적으로 항공기는 이런식으로 기체를 기울이게 되면 조종사가 원치 않았음에도 기수가 한쪽으로 치우치는 경우가 있다. 보통은 이런 일이 생기지 않도록 조종사가 별도로 수직꼬리날개에 있는 방향타를 움직여야 하지만, F-15의 경우에는 컴퓨터가 자동으로 방향타를 움직여서 기수가 움직이는 것을 최대한 막아준다. 물론 조종사가 원할 때 방향타를 움직여 기수의 방향을 바꾸는 것도 가능하다.

▲ F-15의 뒷모습. 수직꼬리날개들을 보면 양쪽 모두 방향타가 한쪽(오른쪽)으로 꺾여 있다.  


 또 F-15는 여타 항공기들처럼 평소보다 큰 양력을 만들어 내는데 쓰는(주로 급선회를 하거나 이착륙시 사용) 플랩이 있다. F-15의 플랩은 비교적 단순한 형태이며, 이것은 주날개 뒤쪽, 에일러론보다 몸통에 가까운 안쪽에 있다. F-15의 날개 뒷부분 형태를 보면 플랩부분은 동체에서 일직선으로 뻗어 나와 있지만, 에일러론 부분에서는 일정 각도로 뒤로 젖혀져 있다. 원래 F-15의 초기 설계 단계에서는 플랩 부분도 뒤로 젖혀져 있었으나, 이는 플랩의 효율을 떨어트리는 일이기 때문에 결국 F-15의 날개 뒷전의 각도는 플랩을 기점으로 바뀌는 형태로 바뀌었다.
 

▲ 2화에서 소개했던, F-15E 스트라이크 이글을 만들기 전에 개발했던 F-15B를 개조한 지상공격형 이글이다. 주날개 뒤쪽이 아래로 꺾여 있는데 날개 안쪽이 플랩이고, 바깥쪽이 에일러론이다.  
  
 마지막으로 F-15의 조종면 중에는 급격히 속도를 줄일 수 있게, 공기저항을 순간적으로 크게 만들어 주는 에어브레이크가 있다. 에어브레이크는 조종석 뒤쪽, 동체 가운데 즈음에 있는데, 이는 에어브레이크가 펼쳐졌을 때 속도가 줄어드는 것 외의 조종사가 원치 않는 움직임(기수가 위, 혹은 아래로 움직인다던지)이 생기지 않는 위치이기 때문이다.
 

▲ 착륙중인 F-15E 스트라이크 이글. 동체 뒤쪽으로 올라온 부분이 에어브레이크다. 사진을 잘 보면 주날개 뒤쪽에 플랩도 아래로 꺾여 있다. 
 
레이더와 전자장비

 F-15의 눈 역할을 하는 레이더는 AN/APG-63 시리즈다. 초기형 F-15에 탑재된 AN/APG-63 레이더는 최대 탐지거리 160km에 이르는 강력한 레이더였다. 특히 이 레이더가 개발되던 시기에는 아래쪽을 보고 (룩 다운: Look Down) 아래쪽으로 미사일을 쏘는 (슛 다운 : Shoot Down) 능력을 가진 레이더가 아직 많지 않았던 시절이었기 때문에, 이 레이더의 룩다운, 슛다운 능력은 장거리 탐색 능력만큼 매우 중요한 성능이었다.
   

▲ F-15E의 AN/APG-70 레이더. 점검을 위해 덮개들이 열려 있다.  

 AN/APG-63은 긴 탐지거리와 다양한 성능을 갖춰야 했기 때문에 그 크기는 매우 커야 했고, 이는 F-15의 기수부분이 상당히 커진 이유 중 하나다. 그런데 앞서 설명했다시피 F-15는 본래 공중전만을 중시한 전투기였고 그러다 자연스레 이 전투기가 탑재하는 AN/APG-63는 설계자들이나 군이 지상의 목표물을 탐색하는 능력에 대해서는 그리 신경쓰지 않고 개발한 물건이다. 그렇기에 이 레이더는 공중전 능력만큼이나 지상공격 능력이 중요했던 F-15E가 쓸 레이더로는 부적합했다. 그래서 레이더 개발사인 레이디온은 AN/APG-70을 개발했는데, 이 레이더는 전혀 새로운 레이더는 아니고 AN/APG-63의 업그레이드 버전이었다.

 

 AN/APG-70의 공중 목표물 탐색능력은 이전의 버전과 동일하지만, 지상의 목표물을 탐색하는 능력이 대폭 업그레이드 되었다. 덕분에 기본적으로 지형지물을 탐색할 수 있는 능력은 물론, 지상의 이동하는 목표물만 골라내서 탐지하는 능력이나(이동 목표물이라면 당연히 전차, 장갑차, 기타 차량일 가능성이 높다), 멀리 있는 목표물을 레이더로 스캔하여 마치 사진을 보듯 볼 수 있는 능력도 갖췄다. 더군다나 기술의 발전 덕에 이 레이더는 원래의 AN/APG-63보다 고장이 날 확률도 대폭 줄었다.

▲ 위에 것은 AN/APG-63 레이더의 업그레이드 형을 탑재한 (후에 AN/APG-70의 원형이 됨) F-15E의 시험용 항공기, 즉 F-15B를 지상공격 버전으로 개조했던 스트라이크 이글이 영국의 공군기지를 레이더로 탐색한 모습이다. 위쪽 사진은 레이더로 탐색한 영상이며, 아래쪽 사진은 실제 활주로의 모습이다. AN/APG-70 레이더는 이처럼 먼 거리에서도 지상의 목표물을 높은 해상도의 사진처럼 찍어서 조종사에게 보여줄 수 있다.
 
 전투기에 있어서는 레이더 만큼 중요한 것이 적 전파의 위치를 역으로 탐지하는 레이더경보수신기(RWR : Radar Warning Receiver)다. F-15시리즈 역시 AN/ALR-56 레이더 경보수신기를 탑재해(F-15의 버전에 따라 RWR의 세부 버전 역시 약간씩 다르다) 사전에 지상, 혹은 공중에서 날아오는 적의 레이더 전파를 분석하여 역으로 그 위치를 찾아낸다. 그리고 F-15는 내부에 탑재된 AN/ALQ-135 전파방해장치를 이용해, 자동으로 적의 전파 특성에 최적화된 방해전파를 내보낸다. 또한 동시에 적의 레이더 정보에 맞춰 채프, 플레어 같은 기만용 미끼를 자동으로 뿌릴 수 있게 해준다(조종사가 필요에 따라 직접 이런 미끼들을 투하할 수도 있다).

 

▲ F-15E가 적외선 추적 방식의 미사일을 피하기 위해 쓰는 플레어를 투하하고 있다. F-15E는 동체 아래쪽에 채프나 플레어를 투하하는 살포기가 부착되어 있으며, 컴퓨터가 적이 나타났다고 판단되면 자동으로 이것들을 미리 프로그래밍된 대로 뿌리거나, 혹은 조종사가 직접 투하버튼을 눌러 기만체들을 뿌릴 수 있다. 
 
일체형 연료탱크
 맥도널 더글라스는 이미 1970년대부터 F-15의 동체 옆에 이런 일체형 연료탱크를 탑재하는 계획, 즉 패스트 팩(FAST(Fuel And Sensor Tactical)-PACK : 전술 연료 및 센서 팩) 개발 계획을 세웠었다. 이것은 앞서 3화에서 설명한 것처럼 일체형 연료탱크(컨포멀 연료 탱크 : Conformal Fuel Tank)의 일종으로, 전투기의 몸체에 마치 원래 있던 구조물인 것처럼 부착해 공기저항을 크게 줄이는 방식의 외부장착형 연료탱크다.

 

 단 연료 및 센서 팩이란 이름에서 알 수 있듯, 맥도널 더글라스는 이 패스트 팩에 연료 뿐만 아니라 저고도 야간 비행을 위한 적외선 센서와 지형추적 레이더도 함께 집어넣을 생각이었다. 그러나 실제로 개발된 것은 연료탱크만 들어 있는 것이며, 센서류는 외부에 탑재하는 것(LANTIRN)을 쓰게 되었다. 한편 맥도널 더글라스는 현재의 일체형 연료탱크와 모양은 동일하지만 정찰 장비를 탑재한다거나, 내부에 무장을 추가로 탑재하는 버전의 패스트 팩도 개발하려 했으나 이 역시 현실화 되지는 못했다(그러나 최근에 내부에 무장을 탑재하는 버전은 다시 부활할 듯 하다. 이에 대해선 추후에 설명하기로 한다.).

 

▲ 무장시험을 위해 비행중인 F-15E의 사진. 파란색으로 된 폭탄은 실제 폭탄과 모양이나 무게는 같지만, 폭약 대신 비슷한 무게의 다른 물질들을 채워 넣은 모의탄으로 훈련용이나 시험용으로 사용된다. F-15E의 일체형 연료탱크는 아래쪽으로 3개의 폭탄 장착소가 있으며, 사진에서처럼 비스듬히 옆면에도 3개의 폭탄 장착소가 있다(단 비스듬히 있는 곳에는 500파운드(225kg) 정도의 작은 폭탄만 탑재가능).
 
조종석
 F-4의 경우에는 복잡한 레이더를 다루기 위해서 2명의 승무원이 필요했으나, 많이 자동화 된 시스템들 덕에 F-15는 조종사 1명만으로도 고성능의 레이더를 조작해가며 임무수행이 가능해졌다. 조종석 전방에는 전방시현장치(HUD)가 달려 있으며, 조종석의 계기판 오른쪽에는 커다란 상황인식용 디스플레이어가, 왼쪽에는 레이더 디스플레이어가, 그리고 F-15C형으로 오면서 오른쪽 아래에 전투기의 상태나 무장 상황 등, 조종사가 원하는 정보를 선택해서 띄울 수 있는 다기능 디스플레이어(MFD)가 추가 되었다.
 

▲ F-15C의 조종석 계기판. 사진에서 왼쪽 아래 부분에 작은 네모난 회색 버튼들이 붙어 있는 것이 다기능 디스플레이어다. 이 장치는 초기형 F-15에는 없다가 나중에 추가되었다.
 
 조종간의 배치는 전통적인 형태로 가운데 위치하며, 좌측에는 엔진의 출력을 조절하는 쓰로틀이 있다. 이 조종간과 쓰로틀에는 다양한 버튼들이 붙어 있어서 조종사가 가급적 여기서 손을 떼지 않고도 레이더나 무장 등을 조작할 수 있다. F-15E는 업무 부담이 큰 장거리 비행을 주로 하게 되므로 2인승 버전으로만 개발되었으며, 종전의 F-15보다 훨씬 현대화된 조종석을 갖추었다. 앞서 설명한 바와 같이 LANTIRN의 화면을 전방에 바로 표시해줄 수 있는 대형화된 전방시현장치가 달렸으며, 계기판에는 다양한 정보를 조종사가 알기 쉽게 표시해주는 다기능 디스플레이어가 달렸다.

▲ F-15E의 전방석 조종석. 아날로그 계기판들이 줄어들고 큰 모니터들이 늘었다. 전방석에는 총 3개의 다기능 디스플레이어가 있는데, 이중 가운데에 있는 것은 컬러다(위 사진 정 가운데 아래쪽의 것. 현재 가상의 수평선을 표시해주는 도형이 떠있는데, 원을 반잘라서 파란쪽은 하늘, 갈색쪽은 지상을 뜻한다). 
  
 조종석의 앞쪽을 덮는 방풍창(Wind Shield) 부분과 위쪽 및 뒤쪽을 덮는 캐노피의 경우 가벼우면서도 질긴 아크릴(정확히는 스트레치드(Stretched) 아크릴) 소재로 되어 있다. 앞쪽 아크릴의 두께는 약 20mm 정도인데, F-15E는 두께는 비슷하지만 철제프레임과 좀 더 단단하게 결합되어 있다. 이는 F-15E의 주임무인 저고도 고속비행시 이부분이 하중을 많이 받고, 또한 새와 충돌할 위험이 높아지기 때문이기도 하다. 캐노피 부분의 아크릴 두께는 8.5mm정도로, 방풍창 부분보다 좀 더 얇다. F-15의 조종사가 비상탈출할 경우에는 캐노피의 연결부분은 폭약에 의해 절단되며, 바람의 힘으로 캐노피가 뒤로 날아간다. 그리고 곧 조종석의 로켓이 점화되면서 조종석이 바깥으로 튀어나온다.

 

 F-15의 조종석은 종전의 전투기들(F-4 팬텀 같은)에 비하면 비교적 높이 튀어나온 편인데, 이는 조종사의 시야를 충분히 확보해주기 위해서다. F-15 이글은 팬텀과는 달리 눈으로 적기를 보고 싸우는 근접 격투전에 신경을 써야 하기 때문에, 조종사의 시야 확보는 필수였던 것이다.

▲ F-15의 조종석에서 뒤를 바라본 모습. 팬텀과 같은 과거의 전투기에 비해서 전방시야 뿐만 아니라 후방시야도 매우 넓다.  
 

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기사제공= 주간 공군웹진 공감 / 필자 이승진 

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Posted by e밀리터리안

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