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          서양 최대 규모의 전투기 사업

General Dynamics F-16 Fighting Falcon은 20세기의 표준적인 전투기로 자리매김하고 있다. F-16의 시작은 소형 경량 전투기의 실험적인 개발로부터 시작되었지만 어느덧 전천후에 정밀타격능력까지 보유한 믿음직스러운 전투기로 변모하고 있다. 현재 서양 최대규모의 생산라인인 5개의 생산라인의 보유와 더불어 4000여대가 넘게 판매가 되었지만 아직도 지속 판매중인 명실상부한 20세기 국제적인 전투기의 표준이 되고 있는 전투기임에는 틀림이 없다.


          고성능 전투기를 연구하다 : F-X와 ADF

1965년초, 미공군은 고성능 전투기 획득을 위한 계획을 시작하였다. 그 계획의 일환으로 고성능의 대형 요격/제공전투기를 개발하는 사업인 F-X와 소형경량의 주간 우세 전투기 전투기사업인 ADF(Advanced Day Fighter)사업이 거의 동시에 시작되었다. 당시 F-X는 이륙중량 40,000파운드급의 고성능 레이더와 장거리 레이더 유도방식의 공대공 미사일을 장착하는 항공기의 획득을 목적으로 진행되었으며, ADF의 목표는 25,000파운드급의 추력대 중량비와 익면하중측면에서 MiG-21보다 최소 25%이상의 성능을 가질것을 목표로 진행되었다. 어찌보면 ADF는 F-X에 비해서 단순한 목표를 가지는데, 그 뒷측면에는 한국전쟁에도 사용되었던 F-104A Starfighter의 개발배경과도 같은 내용이 포함되어 있었다.

1967년이 되자, 당시 마하 2.8의 비행능력을 지닌 MiG-25의 소식이 국방성에 전해지게 되고, 전투기사업의 촛점은 보다 더 고성능의 전투기로 도발행위를 단숨에 제압하기 위한 대응책 마련에 집중되게 된다. 그 결과로 F-X사업은 McDonnell Douglas에서 제시한 고추력 쌍발엔진과 보다 진보된 항전장비와 더불어 고성능의 장거리 미사일을 함께 운용하는 F-15 Eagle이라는 해답으로 일축되게 된다(미해군은 F-14). 발등에 불을 끄기 위해 당시 ADF 사업은 일단 봉인되게 된다.


          F-XX

F-X의 떠들썩함과는 반대로 ADF사업의 촛점은 개발 책임자인 John Boyd 소령과 Pierre Sprey 소령, 그리고 국방성에서 근무하는 몇몇 민간 기술자들에 의해서 조금씩 형상을 갖추어가고 있었다. 당시 ADF의 컨셉은 F-X측 컨셉과는 정반대되도록 진행되가고 있었다. 1960년대 후반에 접어들자 그들은 25,000파운드급의 F-XX의 구체적인 형상을 내놓았는데 당시 고성능 제공전투기의 표준이던 고도의 내구력과 전자장비 최소화된 전자제어 체계와 더불어 장거리 미사일은 아예 고려하고 있지 않았다. 그리고 보다 연구가 더 진행되자 기체 중량은 17,000파운드급까지 낮추어졌다. 이정도까지 연구가 진행되자 ADF의 개념은 미공군내에서 많은 반대에 부딪히게 되었으며, ADF의 개념자체는 F-X 프로젝트에 지대한 위협까지 미치고 있었다. 그러나 미국방성에서는 이러한 난관을 F-X 사업을 최소한의 수준이라도 개발을 지속하도록 사업을 동시감행하게 된다.

1969년이 되자 미국방성은 미공군과 해군에 각각 다른 F-14와 F-15를 선택함으로써 차기전투기 사업의 비용이 예상치 이상으로 상승하자 F-XX를 그 대응책으로 제안하였지만 미공군과 해군에서의 강력한 반발로 인하여 F-14와 F-15를 각각 사용하는것에 손을 들어주게 된다.


          다양한 분야에서 다양한 컨셉으로 밀어붙이기

국방성의 대변인인 David A. Packard는 기존 1960년대에 미국방 차관인 Robert MacNamara가 제시하여 수행해오던 경쟁사 없이 단일 제작사에서 제작한 기종만을 채택하는 단일 하청/획득방식의 비효율성을 당시 그러한 컨셉으로 진행중이던 Lockheed C-5A Galaxy와 General Dynamics F-111획득 사업이 시간이 갈수록 비용상승에 따른 커다란 논란을 불러 일으켰다는 것을 지적하며 이를 극복하기 위하여, 신무기획득은 경쟁사간 다양한 컨셉을 가진 프로토타입들의 경합을 통한 채택 방안이 보다 고성능의 결과물을 보다 저렴하게 구매할수 있다고 강력하게 주장하게 된다.

결국 이 주장은 당시 미공군장관중 한명인 Robert C. Seamans에 의해서 보다 가다듬어지게 된다. 신무기 획득 사업을 위해서 군에서 최소한의 지원 자금을 지원하에 여러 제작사에서 프로토타입을 제작한 뒤 군에서는 이를 바탕으로 여러가지 성능을 비교 판단하여 선택하는 경합입찰방식이 개발형태를 제안하게 된다. 1971년이 되자 Boyd소령은 미공군 프로토타입 연구그룹에 참여하게되고, 그는 ADF 역시 경합입찰방식을 강하게 지지하게 된다.


          개발 요청서

ADF 사업은 어느덧 경량 전투기(LWF)사업으로 컵셉이 정해져가고 있었으며 Packard 장관의 지지하에 사업이 지속되고 있었다. 그리고 1971년 1월 16일 ' 개발제안요청서 ' 가 각각 제작사에 전해지면서 큰 이슈가 되기 시작한다. 제안서에는 각각 높은 추력대 중량비를 가지면서 최대중량은 20,000파운드 이하에 고기동성을 가진 전투기 개발에 대한 요구가 실려있었다. 당시의 논란거리였던 MiG-25 Foxbat에 대한 대응 성능(고속순항, 장거리 요격, 고출력 레이더 등등)을 고려한 제안이 아니었다. 단지 미래의 주된 공중전이 일어날 고도 30,000에서 40,000피트 그리고 속도는 마하 0.6에서 1.6이내에서의 성능을 중시하고 있었을 뿐이었다.

강조되었던 내용은 선회율, 가속성, 최대속도보다는 보다 넓은 행동반경이 그 사항이었다. 크기도 당시의 대형화되어가던 전투기들과는 달리 월남전에서 곤욕을 치루었던 MiG-17이나 MiG-21처럼 육안탐지하기 힘든 가급적이면 소형의 크기를 제안하고 있었다. 이러한 무리한 요구조건에서도 각 제작사들은 자사에 최소한의 자금적 이미지적 위험성을 고려하여 당시 자신들이 가지고 있던 최신기술들을 시험삼아 모두 집약시켜 어디까지나 실험적인 측면에서 제작에 들어가게 된다.

차기 전투기 사업이 이처럼 우왕좌왕하는 동안 F-X사업은 McDonnel Douglas의 F-15의 승리로 그 막을 내리게 되자, General Dynamics의 엔지니어들은 더 고려할 사항이 없어지자 주간 독파이팅과 최소한의 공대공 전자장비를 장착한 소형 경량 전투기 개발에 전념을 하게 된다. 그리고 머지않아 Model 401이 등장하게 된다.


          LXF를 제안하다

5개의 제작사(Boeing, Northrop, General Dynamics, Ling-Temco-Vought, Lockheed)에서 개발제안 요청에 긍정적인 반응을 보이며 1972년 3월이 되자, Boeing의 Model 908-909이 유력한 후보로 손꼽히는 가운데 General Dynamics의 Model 401, Northrop의 P-600이 근소한 차이로 뒤를 따르고 있었으며 Vought의 V-1100과 Lockheed CL-1200은 탈락하여 총 3개의 기종이 본격 경합을 벌이기 시작하게 된다.

aah.jpg 
▲ 모델 LWF-401-16B

개발이 지속되면서 여러가지 요소가 추가되자 점차적으로 General Dynamic과 Northrop의 제안들이 Boeing을 앞서가고 있었다. 결과적으로 General Dynamic은 Model 401-16B와 Northrop은 P-600이 최종적으로 경합을 벌이기 시작하며 실질적인 개발이 이루어지기 시작하였다. 그리고 1972년 4월 13일 Pratt & Whitney의 F100 터보팬엔진을 단발로 장착한 두대의 YF-16(#72-1567, #72-1568)과 General Electric의 YJ101엔진을 쌍발로 장착한 두대의 YF-17(#72-1569, #72-1570)의 시제기들이 완성되었으며, 차라리 두 기체 모두 접두사로 X를 가져와도 무색할정도의 최신기술들이 접목된 경합이 벌어지게 된다.

어느덧 LWF 사업은 실비정액보수가산방식(Cost Plus Fixed Fee - 발주자가 발생한 원가와 확정된 요금(Fee)을 부담하는 방식)의 계약하에 두 프로토타입들이 각각 1년간 시험비행에 돌입하였으나 그때까지도 공군에서는 F-X사업의 일환이었던 F-15 획득에 박차를 가하고 있었으며 어디까지나 LWF 사업은 최신기술 경합 정도로만 치부하고 있었으며 여차하면 LWF 사업이야 말로 F-15 획득에 악영향을 끼치는 부정적인 요소로만 치부되고 이었다.


          가격 낮추기

YF-16은 Model 401이라는 개념에서 시작되어 개념설계모델, 목업, 풍동실험등을 거쳐 어느덧 William C. Dietz와 Lyman C.Josephs와 Harry Hillaker등의 수석 설계자들의 지휘하에 Fort Worth에서 그 모습을 드러내게 되었다.
기존 전투기 개발사업과는 개발당시 성능에 대한 크나큰 부담도 없었으며 거의 모든 측면에서 돈이 많이 들어가며 특출난 성능을 지닌 새로운 기술이 적용될 필요도 없었으며, 계약의 특성으로 인하여 제작사들은 단가를 줄이기 위하여 가급적 저렴하면서 요구조건에 부합되는 소재를 사용하였다. 그리고 기술적 측면에서도 생산단가를 줄이기 위하여 신기술(FBW)들이 적용이 되었으며, 시간이 지날수록 이는 오히려 커다란 시너지 효과를 내고 있었다.

그리고 가격을 더 낮추기 위하여 General Dynamics는 당시 경쟁사였던 Northrop이 사용하였던 저추력이지만 쌍발을 장착하는 GE YJ101 엔진을 장착하기보다는 단발의 P&W의 F100엔진을 선택하기에 이르른다. 단일 F100엔진의 채용으로 인하여 YF-16은 경쟁사의 쌍발기에 비하여 보다 적은 연료를 탑재하여도 동일 거리를 비행이 가능하다는 측면과 더불어 쌍발엔진이 꼭 유리한 측면만은 아니다는 새로운 가능성을 밝혀내게 된다. 또한, 기체중량마저 단일 엔진형상의 이득으로 총 중량마저 YF-17의 21,470파운드에 비해 4,000파운드가량 더 가벼운 17,050파운드로 판정에 쐐기를 박게 된다.


           초기 형상 개발


F-16의 설계가 진행되는 동안 GD사에서는 다양한 형상의 실험을 진행하였는데 그 중 하나가 수직미익을 한개로 하느냐 두개로 하느냐가 바로 그것이었다. 풍동실험에서 밝혀진 바로는 F-16의 Forebody Strake 형상이 방향안정성과 더불어 와류 감소에도 큰 영향을 미치지만 고받음각 상황에서 이와 동시에 두개의 수직미익을 병행할 경우 안정성이 감소된다는 점을 밝혀내게 된다. 결국 개발에 다소 위험이 따르더라도 단일 수직미익을 장착하기로 결정하게 된다.

그와 더불어 심각하게 고민이 이루어졌던 내용중 하나가 공기흡입구(Air Intake)의 위치이다. 현재 F-16은 기체하단부에 공기흡입구가 위치하고 있지만 개발당시 다양한 흡입구의 형상과 더불어 위치가 고려되었는데, 기수하단부에 배치할 경우 고받음각 상황에서 동체 측면에 배치된 공기 흡입구보다 흡입효율이 더 증대되는것이 실험상으로 증명이 되어 지금의 위치에 이르게 된다.

허나 이는 단지 흡입구의 위치일 뿐이며 흡입구의 형상도 다양한 실험이 진행되었는데, F-8 Crusader와 같은 Chin-Mounted 타입의 흡입구의 형상이 최초로 시도되었으나, 중량감소를 위해 차츰차츰 뒤로 밀어내다보니 지금처럼 노즈랜딩기어 부근까지 뒤로 물러나게 되었다. 물론 중량과 생산단가 감소에는 좋은 효과를 보았지만 몇가지 단점을 불러일으키게 되었는데 동체 하단부에 공기흡입구가 위치하기에 지상에 있는 돌과 같은 외부물질을 흡입하기 보다 쉬워지며 결과적으로 엔진에 대한 외부 물질에 의한 손상(FOD, Foreign Object Damage)를 일으키기 쉬워진것이다. 그로 인하여 F-16이 운용되는 기지에서의 정비사들은 FOD 방지를 위한 FO제거에 박차를 가해야하는 결과를 가져왔다.(*필자주:경험자 입장으로 동감) 허나, 기관포 발사시 발생되는 기관포 가스가 엔진으로 흡입되어 효율을 낮춘다거나하는 문제와 노즈 랜딩기어가 보다 후방에 위차함으로써 노즈 랜딩기어에 따른 FOD 발생등의 위험은 피할수 있었으며, 결과적으로 무게와 생산단가까지 절감할수 있었다.


          다양한 날개 형상들

4가지의 날개형상(직선형, 후퇴형, 가변형, 델타형)이 YF-16 개발당시 고려되었었다. 그 중에서 가변형 날개의 경우 중량과 가격문제로 인하여 가장 먼저 탈락하게 되었으며, 델타(삼각)형 날개의 경우 저가생산이 가능하며 보다 저항력의 장점이 있었지만 양항비문제와 조작 및 선회시 고항력이 발생하기때문에 가변형 날개에 뒤를 이어 탈락하게 된다. 마지막으로 남은 직선형 날개와 약간 후퇴각을 준 날개의 형상에 대한 실험 도중 두가지 특성을 복합적으로 동시 사용할 경우 보다 좋은 기동성과 가속성능과 양력발생등에 유리하다는 결과를 발견하여 개발팀은 컴퓨터에 의한 리딩엣지 플랩 각도 변경과 더불어 트라일링 엣지 플랩을 에일러론과 통합하여 플랩퍼론이라는 개념을 적용하여 기동 상황에 따른 최적 캠버조절이 가능한 저렴하면서도 좋은 성능을 발휘하는 날개를 만들어 내게 된다.

이렇게 만들어진 날개는 동체와 3차원상으로 매끄럽게 이어지는 형상으로, 정확하게 어디가 날개이고 어디가 동체인지 정확하게 구분짓기 애매모호한 Blended Wing Body 형상으로 동체에 장착되었다. Blended Wing Body 형상의 경우 기존의 구형항공기들에 비해 고받음각에서 보다 많은 양력발생이 가능한 장점을 가져오게 한다. 또한 동체의 Strake와도 매끄럽게 이어져 항력을 최소화하였으며 앞에서도 설명한듯이 이와 조합되어 고받음각 상태에서의 보다 안정적인 비행성능과 더불어 보다 증대된 양력발생과 방향안정성 그리고 내부용적의 증가를 가져오게 된다.

    aaj.jpg
   ▲ YF-16 프로토타입의 목업(Mock-up)

또한, 기존의 몇몇 항공기와 달리 랜딩기어 구성품은 날개와는 거리가 있는 동체하단부에 수납형식으로 장착되어 랜딩기어가 날개쪽에 수납되지 않으므로 날개의 소재도 비교적 저렴하게 티타늄과 강철보다는 알루미늄이 주를 이룰수 있게 되었다.


          전자장비들

Relaxed Static Stability / Fly-By-Wire (RSS/FBW) 조종계통이 F-16을 통하여 검증되기 시작했으며 측면에 자리잡은 조종스틱과 더불어 30도 후방으로 기울어진 조종좌석과 더불어 전방위 시야가 양호한 버블타입의 원피스형 캐노피까지 첨가되자 F-16은 조종사가 9G의 기동을 가능하게끔 완성되기 시작했다.

비록 LWF 요구조건에서 전자장비를 최소화 하는것을 전재로 하고 있었지만, 설계팀은 보다 효율적인 임무수행을 위해서는 보다 무겁고 크기가 큰 고성능의 전자장비가 탑재되어야 한다는것에서 고민하고 있었다. 결국 경량화와 기체 소형화를 유지하기 위하여 열추적 방식의 미사일인 Sidewinder와 M61 기관포만을 장착하기로 결정을 하고, Sparrow 레이더 유도형 중거리 미사일은 추후 원할때 개량이 가능하도록 개선의 여지를 남겨놓기로 결정한다.

당초 LWF 요구조건에서는 내부연료가 80%남아있는 상태에서 7.33G까지 기동이 가능한것을 원했었지만, General Dynamic 개발진들은 조금 더 욕심을 내 연료가 가득찬 상태에서 9G까지 기동이 가능하며 기체 기골수명이 4000시간에서 8000시간으로 증가시키기로 결심을 한다.

또한, YF-16의 조종사는 전투지역까지 이동시 외부에 추가적인 연료탱크를 장착하여 목적지까지 도달할때까지 추가탱크의 연료를 사용하고 귀환시에는 내부연료를 사용하는 개념을 적용시켜 동체의 크기와 더불어 1,470파운드 가량의 기체 중량을 줄일수 있었으며, 최대중량의 경우 3,300파운드까지 줄일수 있었다. 이러한 노력끝에 선회성능은 약 10%, 가속성능은 약 30%의 향상을 도모할수 있었다.

결국 FBW 조종계통과 플랩퍼론의 사용과 더불어 랜딩기어의 부품도 좌/우 구분없는 공통규격의 설계, 그리고 최소화된 항전장비와 무장 역시 M61A1 회전식 20mm 기관포와 2기의 AIM-9 Sidewinder미사일을 윙팁에 장착하며 필요시 날개하부의 하드포인트에 추가 장착하는 방식을 채택하여 최소의 가격에서의 절충형 전투기 설계는 완성된것이다.





원문 출처 : F-16.net 
원문 링크 : http://www.f-16.net/f-16_versions_article4.html

* 본 번역 자료는 F-16.net의 허락을 얻어 번역한 후 업로드한 자료입니다.
  (*사진 제외 - 삭제하거나 기타 사진을 추가, 혹은 링크로 대체할 예정입니다.)
                            

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