항공기의 자세를 조종하고 비행방향을 바꾸는 방법으로는 항공기가 개발된 이래로 에일러론, 방향타, 승강타 등의 조종면을 사용하는 것이 가장 흔했다. 앞서 설명한바 있지만 이들 조종면은 기본적으로 공기 흐름에 의한 힘, 즉 양력을 사용해서 항공기를 제어할 수 있는 힘을 만들어 낸다.

 

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 하지만 바꿔 말하면 공기 흐름이 제대로 흐르지 않는다면, 이를 테면 너무 느린 속도이거나 혹은 받음각이 지나치게 높아져서 조종면이 실속에 이르는 상황이라면 제대로 제어할 수 없다는 소리가 된다. 특히 전투기는 이착륙 중, 혹은 공중전을 위한 급기동 중에는 이러한 상황에 자주 직면하게 된다. 그래서 항공기 설계자들은 공기 흐름 상태에 상관 없이 조종을 위한 힘을 만들어 내는 방법을 고안하게 된다. 바로 엔진의 추력을 이용하는 방법이다. 즉 추력의 방향을 바꾸어서 앞으로 나가는 힘 뿐만 아니라 자세를 제어하는 힘도 동시에 얻을 수 있는데, 이를 추력방향제어 (Thrust Vector Control)이라고 부르며 약자로 TVC라고 표시하기도 한다.

 

 이러한 추력방향제어를 제일 처음 구상하게 된 이유는 주로 기동성을 높이기 위한 경우 보다는, 단거리 이착륙이나 수직 이착륙을 위해서가 많았다. 지상에서 엔진의 분사방향을 앞이 아니라 대각선 방향으로 해서 날개에서 만드는 양력 이외에 추가적으로 위로 뜨는 힘을 만들거나, 엔진 분사 방향을 아예 수직 아랫방향을 향하도록 해서 수직으로 뜨고 내리도록 할 수 있다. 이것을 위한 방법으로는 엔진 그 자체의 각도를 바꿔주는 것이다. 즉 엔진자체를 수직으로 돌려서 수직으로 이륙한 다음, 점차적으로 수평으로 눕혀서 앞으로 나가는 것이다. 이 방식은 추력방향제어를 위해서 별도의 엔진을 새로 개발할 필요가 없다는 장점이 있지만, 대신에 엔진을 동체 내부에 넣을 수 없다는 단점이 있다. 그래서 현재는 제트전투기에서는 사용하는 경우가 없으며 헬리콥터와 프로펠러 항공기의 중간적인 성격을 갖는 틸트로터만 사용하는 방식이다.

 

 

 

 엔진의 분사방향을 바꾸는 또 다른 방법은 분사구 부분만 방향을 바꾸는 방법이다. 즉 엔진은 일반적인 경우처럼 항공기에 수평방향으로 장착되어있고, 대신 필요한 상황에 맞춰서 분사구 각도만 아래나 뒤로 틀어주는 것이다. 이렇게 제트 분사 방향을 바꿀 수 있게 해주는 노즐을 추력방향제어 노즐, 혹은 추력편향 노즐이라고 부른다.

 

 이러한 방식 중에 제일 유명한 것으로는 역시 단거리 및 수직이착륙 전투기로 유명한 해리어가 있다. 해리어의 추력방향제어 능력은 이착륙 중에만 사용하는 것이 아니라 공중전에서도 사용 할 수 있다. 급선회시 엔진분사 방향을 대각선 아래로 바꾼다면 양력 뿐만 아니라 엔진의 추력도 구심력으로 작용해서 더 작은 선회원을 그리면서 급기동을 할 수 있다.

 

 
 
 

 한편 수직이착륙이 굳이 필요치 않은 전투기들은 해리어의 것에 비하여 좀 더 평범하게 생긴 추력편향노즐을 사용한다. F-22, SU-37 등과 같은 전투기는 조종사가 조종간을 조작하면 비행제어컴퓨터가 각 조종면과 함께 노즐의 방향도 제어한다. 이들 전투기에 탑재된 엔진은 거의 일반 제트 전투기의 것과 동일한 형태이며 다만 노즐 부분만 추력편향 노즐을 쓰고 있다. 이것 역시 이착륙거리를 짧게 하고 급기동 중에 유용하게 쓸 수 있다. 특히 받음각이 매우 높거나 혹은 매우 느려서 일반적인 전투기들이라면 벌써 조종면이 실속해서 제어불능 상태에 빠질 상황이라도 추력편향노즐을 사용해서 자세 제어를 할 수 있다. 사실, 추력방향 제어는 고속 비행시 보다는 이렇게 조종면이 제 역할을 할 수 없는 저속/고받음각 상황에서 특히 빛을 발휘한다.

 

 추력편향노즐은 보통 두 가지로 나누는데, 하나는 2차원이고 하나는 3차원이다. 모든 엔진은 추력 자체를 조절 할 수 있으므로 일단 1차원 엔진은 굳이 따로 말하지 않는다. 그리고 분사 각도를 상하 (피치 방향)이나 좌우 (요우 방향)로만 움직일 수 있는 엔진을 2차원 추력편향노즐이라고 하며 상하좌우 모두 가능한 것을 3차원 추력편향노즐이라고 부른다.

 

 2차원 추력편향노즐은 주로 피치방향이 많은데, 아무래도 급기동시에도 그렇고 이착륙 시에도 그렇고 항공기를 피치 방향으로 제어할 일이 더 많기 때문이다. 한편 2차원 추력편향 노즐을 쌍발로 달고 있는 경우엔 좌우 엔진의 각도를 상하로 엇갈리게 해서 롤 방향 제어를 도울 수도 있다.

 

 

 
 
 
 

 

 

 현재까지는 각 나라에서 정식으로 사용 중인 전투기들 중 추력편향노즐을 단 전투기들은 대부분 2차원 노즐이다. 이는 아무래도 3차원 노즐은 가격도 비싸고 유지비도 더 많이 들기 때문이며 한편으로는 과연 3차원까지 필요한가라는 의견도 있기 때문이다. 그래서 3차원 추력편향 노즐을 단 항공기들은 대부분 실험기이거나, 혹은 아직 정식으로 군에 채용된 적이 없는 모델들이다.

 

 역추진, 즉 제트 분사 방향을 앞이 아니라 뒤로 하는 방법도 있다. 이것은 보통 추력방향제어로 보진 않지만 어찌보면 이것도 추력 방향을 바꾸는 능력의 일종이라 할 수 있다. 프로펠러기는 프로펠러의 깃 각도를 반대로 틀어서 추력 방향이 반대로 나오게 할 수 있고, 제트기는 분사방향을 바꿔주는 구조물을 이용해서 같은 효과를 낼 수 있다. 다만 이것은 아무 때나 쓰는 것이 아니라 착륙 중에만 활주거리를 짧게 하기 위해 쓴다.

 

 이론적으로는 항공기가 역추진을 이용해 지상에서 후진이 가능하지만 자동차와 달리 조종사가 뒤쪽을 확인하면서 후진 할 수 없으므로 위험하다. 또 지상에서 후진을 해야 한다면 굳이 연료가 많이 드는 항공기 엔진을 사용하기 보다는 견인차량 등을 이용하는 편이 경제적이다. 특히나 제트엔진의 경우에는, 역추진으로 인해 엔진 앞쪽으로 뿜어져 나간 뜨거운 공기가 다시 공기흡입구로 빨려 들어오는 재흡입 현상이 생길 수 있다.

 

 이렇게 되면 엔진 압축기 효율이 급격히 떨어지고 엔진 내부 온도는 올라가서 엔진에 무리가 가거나 심지어 엔진이 꺼질 수도 있다. 그래서 제트엔진은 가급적 일정 속도 이하에서는 역추진 장치를 쓰지 않도록 하고 있다. 다만 역추진 능력의 홍보 목적이나, 도저히 견인차를 부를 수 없는 상황 (공항이 너무 바쁘 다던지, 아니면 군수송기의 경우 견인차량이 없는 간이활주로나 비상활주로에 착륙한 경우)에서 간혹 역추진을 사용한다.

 

 

 

 

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기사제공= 주간 공군웹진 공감 / 필자 이승진
Posted by e밀리터리안

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