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  1. 2009.04.28 F-15 전투기의 ‘독특한’ 날개구조, 그 이유는? (5)

 

F-15는 어떻게 생긴 전투기?

 물론 독자 여러분은 이미 여러 매체를 통해 F-15의 생김새를 많이 보셨을 것이다. 이번 시간에는 각 부분을 ‘왜 그렇게 만들었는지’에 대해 알아보려고 한다.
 

 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

 

주날개
 F-15의 주날개는 상당히 크다. F-15와 기체 크기가 엇비슷한 F-4 팬텀의 주날개 넓이가 약 49㎡인데, F-15는 이보다 15%정도 더 큰 56㎡정도다. 특히 F-4보다 F-15가 중량이 좀 더 가벼운 편임을 감안하면 이는 상당한 크기다. 설계자들이 F-15의 날개를 이렇게 크게 만든 것은 기동성을 높이기 위해서였다. 미 공군은 베트남전을 겪으면서, 미사일이 발달한 상황에서도 여전히 공중전을 벌일 때 전투기는 날렵한 기동성을 갖춰야 한다는 결론을 내렸다. 이런 기동성, 그 중에서도 특히 뛰어난 선회능력을 갖추려면 기체무게에 비해서 큰 날개를 가져야 하기 때문에 설계자들은 F-15의 주날개를 종전 전투기들 보다 훨씬 크게 설계했던 것이다.

 

▲ 에어쇼에서 급기동 중인 F-15. 동체의 무게에 비해 상당히 큰 날개를 가지고 있기 때문에 큰 덩치에도 불구하고 종전의 전투기들 보다 훨씬 뛰어난 선회능력을 갖게 되었다.
   
 F-15의 주날개 형태는 개발 당시(그리고 지금 시점에서도) 대부분의 전투기들이 사용한 잘려나간 삼각날개, 혹은 사다리꼴 날개를 사용했다. 이 날개의 가로세로비는 3 정도로, 앞서 개발된 F-4에 비해 더 커졌는데 이는 초음속에서의 비행능력보다는 마하 0.9 정도의 천음속 영역에서의 비행능력을 더 중시하였기 때문이다(날개의 가로세로비가 작을수록 고속비행에, 클수록 저속비행에 유리한 경향이 있다).

 

 F-15의 주날개 장착위치는 동체 위쪽이다. 이렇게 높은 날개를 쓴 이유는 수평꼬리날개를 주날개보다 훨씬 아래에 설치할 수 있기 때문에, 급기동 중에도 주날개에서 생기는 후류에 수평꼬리날개가 잠겨서 제 역할을 못하는 상황을 막을 수 있기 때문이다. 이 역시 F-15의 설계자들이 F-15의 기동성을 높이는데 신경을 쓴 결과라고 볼 수 있다.

 

▲ 급 기동중인 F-15의 사진. 붉은색으로 표시된 부분은 가상으로 표현한 F-15의 날개에서 생기는 후류다. F-15는 꼬리날개가 주날개 보다 아래쪽에 위치하므로, 이런 후류에 꼬리날개가 잠겨서 비행불능 상태에 빠지는 문제를 막을 수 있다. 이러한 배치는 비슷한 시기, 혹은 이후 등장한 전투기들(F-14, SU-27, MIG-29, F/A-18 등)에서 볼 수 있다.
 
 F-15 날개의 단면은 ‘원추형 캠버’라 하여, 날개 뿌리부터 날개 끝까지 자연스레 단면 형상이 변하는 형태를 말한다. F-15 개발당시 설계자들은 F-4 등에도 썼던 앞전플랩을 쓰는 날개(대신 가로세로비는 2.5)와 현재의 날개 두 가지를 놓고 고민했다. 검토 결과 날개 앞전이 상황에 따라 아래로 꺾이는 앞전플랩을 사용하는 편이 기동성도 좋고, 상황에 따라 적절하게 각도를 조절해서 공기저항을 줄일 수 있었다. 하지만 이 방법은 무게와 개발비용이 늘어나고, 정비하기도 더 까다로웠기 때문에 F-15는 결국 현재의 날개 형태를 사용하게 되었다.

 

 F-15의 날개 끝부분은 뒤쪽이 마치 살짝 잘려나간 것처럼 생겼다. 본래 처음 생산되었던 YF-15는 날개 끝부분이 일직선이었다. 하지만 날개 끝에서 너무 많은 양력이 발생하다 보니, 날개 뿌리에 큰 하중이 걸리는 문제가 생겼다. 설계자들은 당장 날개 구조물이 파괴되는 수준은 아니지만, 장기간 운용할 경우 구조물의 수명이 예상보다 빨리 줄어들 것이라는 결론을 내렸다. 그래서 날개 끝부분을 약간 잘라내어서 날개 끝에서 생기는 양력을 조금 줄인 것이다. 한편 이렇게 줄어든 날개 끝의 양력 덕에 특정 비행 상황에서의 진동(버핏 : Buffet)문제 등도 해결할 수 있었다.

 

▲ 위쪽의 주황색으로 칠해진 F-15는 1화에서도 보았던 초기에 생산된 F-15다. 이 F-15의 날개 끝은 일직선이다(NASA에서 연구하던 F-15의 초기 개념안이었던 LFAX-8 형상과 같다). 반면 현재 운용중인 F-15들은 뒤쪽 일부가 잘려나간 것처럼 생겼다. 이러한 설계변경은 날개의 구조적인 수명을 늘리는 한편 진동 문제 등을 없애기 위해서였다.
  
꼬리날개
 F-15의 꼬리날개는 한 쌍의 수평꼬리날개와, 한 쌍의 수직꼬리날개로 이루어져 있다. 개발단계에서 F-15의 수평꼬리날개의 형태는 본래 더 단순한 형태였으나, 모형으로 시험한 결과 특정 상황에서 갑자기 큰 진동(플러터 : Flutter)이 생겼다. 이대로라면 꼬리날개가 부러져 나갈 수 있었다(실제로 시험 중 모형의 꼬리날개가 부러져나가기도 했다).

 

 F-15의 설계자들은 처음에 약 7kg 정도의 무게추를 달아서 진동을 억제하는 방법을 생각했는데(실제로 이런 날개에서 생기는 진동현상이 생기면 자주 쓰는 방법이다), 곧이어 날개의 일부를 잘라내버리면 무게추를 다는 것보다 더 효과적으로 진동현상을 없앨 수 있다는 것을 발견했다. 다만 최초에 제작된 3대의 F-15는 수평꼬리날개 형상을 바꾸기 전에 이미 제작되어버려서 결국 무게추를 추가로 달아서 진동문제를 해결했다.

 

▲ 초기생산된 F-15의 수평꼬리날개는 날개 앞 부분이 일직선이다. 반면 실제 운용중인 F-15의 수평꼬리날개는 안쪽 일부가 떨어져나간 형태다(붉은 원으로 표시한 부분). 이는 팬텀의 톱날모양 날개형태와 비슷하기만, 이런식으로 설계한 것이 팬텀의 경우에는 기동성 향상이 목적이었던 반면 F-15의 수평꼬리날개의 경우에는 무게중심의 위치를 바꾸고 진동의 축이나 공기에 의한 힘의 분포 등을 바꿔서 진동을 억제하는 것이 목적이었다.
   
 F-15는 종전의 전투기들과 달리 큰 수직꼬리날개를 2개나 가지고 있다. 이는 급기동 중에도 항공기가 안정적으로 비행할 수 있도록 하기 위해서였다. 1개만 설치하는 것도 고려되었으나, 원하는 수준의 안정성을 얻으면서 1개의 수직꼬리날개를 사용하려고 한다면 매우 거대한 수직꼬리날개를 달아야 했기 때문에 설계자들은 자연스레 F-15의 수직꼬리날개를 2개로 나누는 형태로 설계를 진행했다.

 

 개발 초기단계에서는 F-15의 수직꼬리날개의 크기를 지금 보다 좀 더 작게 만드는 대신, 아래쪽에 배지느러미(Ventral Fin : 벤트럴 핀)을 달려고 했었다. 이 방식은 MIG-21이나 F-14 같이 앞서 개발된 전투기들에도 이미 사용한 방식이었으며, 급기동 중에도 동체나 주날개에서 만들어 내는 후류에 수직꼬리날개가 잠기지 않기 때문에 유리할 거라 생각했다.

 

▲ 초창기의 F-15의 실험용 모형. 수직꼬리날개가 지금의 형상에 비해 좀 더 작은 반면, 동체 아래쪽으로도 수직으로 뻗어 있는 배지느러미(벤트럴핀)이 있다.
   
 그러나 실제로는 동체 뒤쪽에서 복잡한 공기흐름이 생기면서 효율도 생각만큼 높지 않았고, 공기저항은 공기저항대로 늘어나버렸다. 그래서 설계자들은 NASA의 도움으로 다양한 실험을 거듭하여 현재의 형태로 F-15의 수직꼬리날개 형태를 바꾸어나갔다. 결론적으로 원래의 형태보다 수직꼬리날개 크기는 약 10% 정도 늘어났지만, 배지느러미를 제거해서 전체적인 공기저항이 5% 정도 줄어들었다.
 

▲ 현재 F-15의 형태와 동일한 실험용 모형. 현재의 F-15는 공기저항을 줄이기 위해 배지느러미를 없앴고, 대신에 안정성을 유지하기 위해 수직꼬리날개의 크기를 더 크게 만들었다.
 
 한편 F-15의 수직꼬리날개는 옆에서 보았을 때 엔진배기구를 가리게 되는데, 덕분에 적외선 방출량이 줄어서 적의 열추적 미사일이나 적외선 탐지장치에 걸릴 확률이 적어졌다.
 

▲ 옆에서 본 F-15의 모습. 옆에서 보았을 때 수직꼬리날개가 완전히 엔진배기구를 가리는 것은 아니지만, 여하간에 상당부분을 가려준다. 이정도만으로도 옆에서 적의 적외선 탐지장비 같은 것에 포착될 확률이 크게 줄어든다. 이런 방식의 설계는 F-15보다 뒤에 등장한 F-22에서도 볼 수 있다.
  
동체
 F-15의 동체는 앞에서 보았을 때는 비교적 평범하게 생겼으며, 기수부분은 원형에 가깝고 몸통 부분은 사각형에 가깝게 생겼다. F-15 설계자들은 개발 초기에 이 전투기의 기수 형상을 놓고 고민했다. 처음에 생각한 F-15 기수의 단면 형상은 아랫면과 옆면이 평평한 형태였다. 하지만 급기동 중에 동체 아래쪽에서 흘러 들어온 공기가 기수 아랫면의 모서리 때문에 흐름이 흐트러진 채로 공기흡입구까지 빨려 들어가서 엔진 효율이 떨어질 가능성이 있었다. 그래서 설계자들은 동체 아래 모서리를 좀 더 부드럽게 연결한 형태로 고쳐나가기 시작했으며, 최종적으로 현재의 형태로 개발하게 되었다.

 

▲ 초기 개발단계에서 설계자들은 F-15의 공기흡입구(Air Inlet)과 기수부분(Forebody)의 형태를 A처럼 만들려고 했다. 그러나 급기동 중에는 공기가 기수부분을 타고 아래에서부터 흘러서 공기흡입구로 들어가는데, A처럼 생긴 형태로 하면 공기 흐름이 원활하지 못하게 되었다. 그래서 설계자들은 F-15의 기수를 B처럼 형태를 바꿨으며 더 다듬어서 결국 C처럼 설계했다.
 
 원래는 기수의 측면 실루엣은 조종사의 시야 확보를 위해 전체적으로 약간 아래로 숙인 형태가 될 예정이었는데, 마찬가지로 공기흡입구에 안 좋은 영향을 준다는 연구결과가 나와서 결론적으로는 살짝 들린 형태가 되었다(다만 눈으로는 거의 구분이 안갈 정도로 작은 각도다). 꼬리 쪽에 해당하는 후방동체 형태는 당시 기준으로 독특한 형태였다. 수평꼬리날개를 장착하는 공간이 엔진 분사구보다 가늘게 더 뒤로 빠져나왔기 때문이다. 이는 수평꼬리날개를 무게중심으로부터 멀리 떨어트려서 그 효율을 더 높이기 위한 결과다(지렛대를 사용할 때 받침점에서 더 먼 곳에서 누르면 같은 힘으로도 더 무거운 물건을 쉽게 들어 올릴 수 있는 것과 같은 이치다).

 

 이 동체 뒷부분은 매우 복잡하게 생겼는데, 앞서 수직꼬리날개에서 설명한 바와 같이 F-15의 설계자들이 NASA의 도움을 받아가며 연구하여 엔진의 분사구에서 뿜어져 나오는 기류의 영향 등까지 고려하여 최적화시킨 형상이었다. 후방 동체에 탑재된 엔진 및 배기구는 서로 매우 가까이 붙어 있다. 이는 NASA의 연구결과, 후방 동체의 엔진 및 분사구의 거리가 가까울수록 공기저항이 줄어든다는 연구결과 때문이었다(재미있는 점은 비슷한 시기에 개발된 F-14나 소련의 SU-27, MIG-29는 엔진간의 거리를 가능한 벌려 놓았다는 점이다. 이는 공기저항이 증가되는 대신, 급기동 중에 이 부분에서 추가적으로 양력을 만들어내서 기동성을 좀 더 좋게 만들 수 있기 때문이었다.).

 

▲ 수직으로 솟구치고 있는 F-15. 동체 뒤쪽을 보면 배기구보다 훨씬 뒤쪽에 수평꼬리날개가 있다. 이는 NASA에서 연구하던 LFAX-8 형상때부터 있던 개념이다.
   
엔진과 공기흡입구
 F-15의 엔진은 플랫 앤 휘트니스의 F100 혹은 제너럴 일렉트릭의 F110 엔진을 탑재할 수 있다. 미 공군의 양대 주력 전투기였던 F-15와 F-16은 모두 F100 엔진만을 사용하였으나 공군의 모든 전투기가 하나의 엔진만 사용할 경우, 만에 하나 이 엔진에 심각한 결함이 생겨서 더 이상 못쓰게 되면 전체 전투기가 비행할 수 없는 상황에 빠질 수 있었다. 또한 새로운 기체를 생산할 때 플랫 앤 휘트니스가 엔진을 독점생산하므로 지나치게 높은 가격을 부를 수도 있었다. 이를 대비해서 미 공군은 F-15와 F-16 전투기에 새로운 엔진인 F110 엔진을 장착할 수도 있게 하려 했다.

 

 그 결과 미 공군은 1999년에 F110 엔진을 탑재한 F-15로 각종 테스트 비행을 하여 F110엔진도 F-15에 탑재할 수 있다는 것을 검증했다. 다만 이미 F100을 탑재하도록 생산한 F-15의 엔진을 F110으로 바꿀 수는 없었으므로(바꾸는 것이 불가능하진 않으나 큰 개조작업을 거쳐야 한다) 미 공군은 전부 F100을 탑재한 F-15를 운용했다. 그러나 나중에 새로 제작한 우리 공군의 F-15K와 싱가폴의 F-15SG는 F110 엔진을 탑재했다(반면 F-16의 경우엔 1980년대부터 F110을 운용할 수 있는 것을 검증한 뒤 이 엔진을 사용하기 시작했기 때문에, 미 공군의 F-16중에도 F110을 탑재한 기체들이 있다).

 

 F-15의 공기흡입구는 F-4, F-14 등의 전투기와 마찬가지로 안쪽 벽면 형상이 속도에 따라 변하는 가변형이다. 미 공군은 F-15의 최대속도가 마하 2.5는 되어야 한다고 생각했는데, 이 정도 속도에서는 더 느린 속도로 비행할 때와 전혀 다른 형태의 공기흡입구 벽면이 필요했기 때문에 가변형을 쓸 수밖에 없었다. 한편 F-15의 공기흡입구는 안쪽 벽면뿐만 아니라 입구의 형태도 속도에 따라 바뀐다. 이 공기흡입구는 옆에서 보면 쐐기꼴로 생겼는데, 공기흡입량이 많아야 한다면 입구 위쪽 면이 위로 들려져서 결과적으로 더 넓은 공기흡입구가 된다. 반면 공기흡입량이 적어도 되거나, 특히 급기동을 하다가 아래쪽에서 공기가 흡입구로 흘러들어오는 상황이라면 공기흡입구가 아래로 숙여진다.

 

▲ F-15의 공기흡입구. 위쪽 사진에선 공기흡입구가 거의 기체와 평행하게 위로 올라와 있다. 반면 아래쪽의 사진에서는 동체각도(파란 점선)에 비해 훨씬 아래로 꺾여있다(빨간점선). F-15의 공기흡입구는 비행속도나 엔진에 필요한 공기량, 항공기의 자세 등에 따라서 위아래로 각도가 자동으로 바뀐다.
 
 이런 복잡한 공기흡입구 시스템을 사용한 이유 역시 개발 당시부터 급기동 중에도 효율적으로 비행할 수 있기 하기 위해서였다(만약 공기흡입량만 조절하는 용도라면 안쪽 벽면만 움직여도 된다).
 

▲ 좀 더 극적으로 공기흡입구의 각도변화를 알 수 있는 사진. 좌우의 공기흡입구 각도가 다르다. 아마 이륙을 위해 시동을 걸고 있는 상황인 듯 하며, 아직 한쪽 엔진만 시동이 걸린 상태로 여겨진다.
   
 공기흡입구의 도관은 입구에서 엔진까지 큰 변화 없이 거의 일직선에 가깝게 연결되어 있다. 덕분에 공기 흐름이 균일하게 엔진까지 도달하기 좋지만, 대신 레이더 전파를 잘 반사하는 엔진의 앞쪽 팬 부분이 그대로 정면에서 보이는 문제가 생겼다. 이 때문에 F-15는 나중에 레이더 전파가 반사되는 양을 줄이기 위해 공기흡입구 안쪽에 전파흡수 도료를 발랐다.
 

 F-15의 날개·동체구조 사진으로 알아보기

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 400km 밖에서 敵기지 초토화 ‘타우러스’ 미사일

 

기사제공= 주간 공군웹진 공감 / 필자 이승진 

Posted by e밀리터리안

댓글을 달아 주세요

  1. ㅋㅋ

    좋군

    2009.04.28 14:22 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  2. 좋은 글 잘 보고 갑니다 ^^

    2009.04.28 15:05 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  3. 비밀댓글입니다

    2009.04.28 16:48 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  4. awd

    자세하네요.

    2009.04.30 17:03 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  5. 우와...

    엄청난 지식이시군요!!.. 평소 좋아하던 F-15시리즈를 자세히 알려주시다니!! 잘읽고갑니다!

    2010.07.04 21:20 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]