F-35 DSI 개발 과정에 대해 알아보자
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[ F-35의 정면샷. 양쪽 흡입구를 보면 동체가 볼처럼 튀어나와 있는 데 이런 형상을 DSI (Diverterless Supersonic Inlet)라고 부른다. ]
[ 중국 J-20의 DSI ]
미국의 5세대 스텔스기인 F-35에 처음 적용된 DSI는 이 후 중국 스텔스기인 J-20에도 채택되었는데, 그렇다보니 여기 군갤이나 일부 일반인들 사이에선 마치 내부무장창 마냥 스텔스 기술의 대명사로 받아들여지는 경향이 있다. 뒤에 설명하겠지만 DSI는 스텔스를 의도해서 개발된 게 아니다.
F-35의 시작
익히 알려져 있듯이 F-35의 개발 코드명은 JSF(Joint Strike Fighter)다. 그런데 이에 기반이 된 사업이 두 개가 있었는데, 미공군과 해군이 공동으로 진행하던 JAST (Joint Advanced Strike Technology)와 DARPA에서 진행한 CALF (Common Affordable Lightweight Fighter).
JAST 역시 미3군통합에 동맹국들까지 쓸 수 있게 가성비있는(Affordable) 경량(Lightweight)의 스텔스 전투기를 목표로 했기 때문에 결국 CALF 사업을 통합 흡수하고 JSF 로 출범한다.
JSF는 F-22를 보조하는 멀티롤공격기 컨셉으로 최고속도는 Mach 1.5 정도면 충분하나 내부무장창에 2,000파운드 폭탄을 내장할 수 있어야 했다. 무엇보다 가격이 저렴한 걸 목표로 했다. JSF가 출범한 1990년대는 미소 냉전시대가 끝나고 소련이 붕괴되어 미 방위산업 전반에 걸친 예산삭감 압박이 극에 달하던 시기로 당시 개발중이던 F-22와 F-18 E/F 조차 프로그램이 중단될 뻔한 위기를 겪어야 했다. 복좌형인 F-22B는 결국 사업이 취소된다.
따라서 향후 미 3군 (공군, 해군, 해병대)의 차기 전투기는 하나의 기종을 파생하여 개발하며 비용절감을 위해 1 seat, 1 engine을 일찌감치 확정짓고 있던 상황이었다. 2 seats, 2 engines에 익숙한 해군이 여러 차례 우려를 표명했다고 한다.
그러므로 JSF에 있어 '저렴한 기체단가'는 반드시 달성해야 하는 과제였던 것이다.
[ JSF 사업을 두고 경합한 X-32와 X-35. 둘 다 DSI가 적용되어 있는 걸 볼 수 있다 ]
당시 차기 전투기를 위해 진행 중인 선행기술 중 하나가 ACIS (Advanced Compact Inlet System)였고 바로 여기에서 F-35 DSI 가 탄생한다.
ACIS는 미공군과 NASA 그리고 주요 항공업체들(보잉, 록마 등)이 공동참여하던 프로그램으로 차기 전투기에 적용할 새로운 흡입구(inlet) 개발을 목표로 하였다. 가격(Affordable)이 최우선 과제였으며 그 외 다음과 같은 목표가 있었다. (우선순위대로 표기)
1. Life cycle cost
2. Weight
3. Aircraft system performance
4. Survivability
5. Aerodynamic performance
보다시피 비용절감, 경량화에 촛점이 맞춰져 있고 Survivability(스텔스)는 차순위 였음을 알 수 있다.
때마침 JSF의 Affordable, Lightweight의 목표와 부합되어 ACIS 프로그램이 채택된다. ACIS에는 몇 가지 Technology적 특징들이 있으나 가장 핵심은 Inlet의 Diverter를 삭제하는 것이었다.
동체 내부에 엔진이 장착되는 전투기는 외부공기를 흡입하여 엔진에 공급하기 위해 Inlet (흡입구)과 Air Duct를 가지고 있다. 그리고 Inlet, Duct를 포함하여 엔진에 공기를 공급하는 데 관여하는 여러 장치들을 통틀어서 Intake System이라 부른다.
[ F-22의 S 형상 덕트 ]
Intake system의 목표는 전투기의 다양한 비행조건들(속도, 고도, 기동)에서 양질의 공기를 엔진에 공급하는 데 있다. 보통 여기서 '양질'이라 함은 터보팬에 도달하는 공기의 속도가 마하 0.5 정도, 흡입구에서의 공기압력이 90%이상 유지한 체 도달하는 것을 말한다.
전투기가 비행할 때 전방 동체를 타고 흐르는 기류가 마찰력에 의해 속도가 감소하는 현상이 발생하는데 이렇게 느려진 기류가 흡입구에 들어가면 엔진성능이 저하되고 심한 경우 엔진이 멈추기도 한다. 따라서 동체표면의 저속 기류가 흡입구에 들어가지 않도록 흡입구를 동체로부터 이격시키게 되는 데 이 부분을 'Diverter = 경계층' 이라고 한다.
[ F-18 E/F의 Inlet 형상. Diverter는 어떤 기구나 장치가 아니라 사진과 같이 흡입구와 동체간 이격으로 생긴 빈공간(혹은 경계층)을 지칭하는 단어이다. F-18E/F 은 대형 LEX(Leading Edge Extention, 흡입구 위에 지붕처럼 덮여있는 부분)가 있어 흡입구를 LEX하고도 이격시켜놓은 걸 볼 수 있다. ]
[ F-15 Diverter Inlet. 동체와 떨어져 있다 ]
[ 유로파이터의 Diverter inlet. 저렇게 동체 하부에 달린 Inlet을 Chin(턱) Inlet 이라 부른다 ]
[ F-16 Chin Inlet ]
[ 라팔 Diverter Inlet ]
[ F-22 Diverter Inlet ]
ACIS 프로젝트는 이 Diverter를 없앤 Inlet 시스템을 고안하는 것이 목표다. Diverter를 삭제함으로써 몇 가지 장점이 생기는데
. Diverter로 인한 무게와 비용이 감소한다. 논문에 따르면 DSI는 기존 Traditional Diverter Inlet (Caret inlet)시스템 대비 무게는 약 30%, 비용은 20% 감소하는 것으로 보고하고 있다.
. Diverter로 인한 항력(Drag)이 감소한다.
. Diverter 공간만큼 공기량을 추가 흡수할 수 있다.
. Diverter로 인한 RCS가 감소한다. 다만 RCS 증가는 주로 4세대급 Inlet을 말하는 것으로 5세대인 F-22 의 것은 직선과 경사 등 스텔스형상에 충실한 모습을 지니고 있어 상대적으로 RCS 증가는 크지 않다. 또한 F-35 DSI는 Diverter가 없는 대신 3차원 곡면의 Bump가 추가되었기 때문에 이로 인한 RCS 상승을 감안해야 한다.
[ F-35 DSI. 양쪽 Inlet으로 볼처럼 볼록 튀어 나와 있다. 공기가 부딪히는 구조라 해서 Bump inlet이라고도 부른다 ]
F-35 DSI는 어떻게 개발되었을까?
Diverter를 없애기 위해 적용한 형상적인 특징은 Bump compression surface를 가졌다는 점이다.
여기서 Bump란 기체 표면에 볼록 튀어나온 형상을 말한다.
[ 미라지 2000 inlet. Bump 혹은 Half-cone inlet이라고 부른다 ]
Bump inlet은 Oblique shock(경사파)를 발생시켜 흡입구의 효율을 높이는 역할을 한다. 이 글에선 이게 주제가 아니므로 자세한 건 생략..
컴퓨터 기술(CFD)이 발달하면서 Bump의 형상을 좀 더 복잡하고 정교하게 설계하는 게 가능해 졌고 이를 더 발전시켜 경계층 분리(Boundary layer diversion) 목적으로 쓸 수 있게 되었다.
[ 동체상에 가상의 Cone을 상정하여 Bump의 각도와 그에 따른 효과를 분석한다 ]
[ Bump형상의 곡률 위치와 크기에 따라 경계층 분리효율이 달라진다 ]
[ F-35 DSI 주위의 기류를 컴퓨터를 통해 시각화한 것으로 Bump가 저속의 기류(빨간선)를 Inlet 바깥으로 분산시키는 역할을 한다. ]
록히드마틴은 시뮬레이션을 수행해 본 결과 DSI가 충분히 기존 Diverter inlet을 대체할 수 있다는 결론을 냈고 후속 작업으로 실증기(Demonstrator)를 통해 확인하는 과정을 거쳤다.
실증기는 F-16이 활용됐다.
[ F-16 Inlet 개조설계 Modeling ]
[ F-16 Block30 에 적용된 DSI ]
[ 1996년 12월에 총 12소티를 수행했다. 수평비행은 마하 2까지 확인했으나 기동시험은 1.6 까지만 확인하였다 ]
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