가변익날개는 요즘 잘쓰이지 않는기술이지만 속도측면에서 꽤 유용한 기술이었습니다.
영어로 variable-sweep wing은 바로 가변익기를 말하며, 비행중(이륙에서 부터 착륙 후 엔진이 꺼질때까지) 가장 항공역학적으로 유리한 날개 후퇴각을 선택 할 수 있도록 비행중 날개가 앞뒤로 움직이는 기체를 말한다. 가변익기를 variable geometry aircraft라고도 표현한다.
<가변익기의 대명사라 불릴 만한 F-14 톰캣 전투기. 이제 모두 폐기되고 이란에서 20여대가 운영중이다>
날개의 후퇴각이 클수록 고속에서 유리하다. 고속으로 달리는 배나 자동차의 앞이 뾰족하고 날렵한 모양과 일맥 상통한다. 반면 양력이 부족한 저속에서는 넓은 날개가 필요하며 직선익에 가까울수록 저속 성능이 좋으며, 저속 성능이 좋다는 것은 이착륙시 낮은 속도에서 이착륙이 가능하고, 선회반경이 좁아 저속 기동에 유리하다.
<날개를 옆으로 펼치는 것은 많은 공기를 날개에 흐르도록 하여 양력을 증가시키므로, 저속에 좋다.>
<날개를 뒤로 접는 것은 공기와 저항을 줄여 고속 비행에 적합하다.>
또 날개를 직선익에 가깝게 펼쳐서 비행하는 경우, 레이더를 피해 저공으로 비행해야하는 대지공격기나 장거리 폭격기에 유리하다. 또한 양력이 많다는 것은 동체에 후퇴익보다 더 많은 무장을 할수있으며, 더 많은 연료를 탑재하고 비행이 가능하므로 항속거리면이나, 체공시간에서 유리하다. 이러한 이유로 개발된 것이 바로 B-1폭격기이다. F-14, F-111의 경우에는 항모 이착륙과 관련하여 가변익을 선택한 사례이다.
<B-1 폭격기가 가변익을 사용하는 것은 저고도 침투 때문이었다>
<개발 당시, 대공 미사일의 발달로 고고도 침투시 미사일 격추가 우려되어 저고도 침투가 더 임무 성공율이 높다고 판단하였다>
날개의 후퇴 각도는 조종사가 속도 영역에 따라 의도적으로 선택되거나, 컴퓨터로 자동 조절될수도있다. 모든 속도 영역에서 공기 역학적인 잇점을 취하므로 모든 속도 영역을 비행하고 저공 비행이 필수적인 군용 항공기에 채택되어져왔다.
<가변익기는 여러 속도 영역에서 비행을 해야하는 군용기에서만 발달하였다. 사진은 F-111>
항공기 설계자들은 가변익기의 이러한 잇점을 인식하고 1940년대 부터 1970년대까지 여러 종류의 실험기나, 실용 전투기를 개발해왔다. 하지만 근래에 들어 가변익기는 사실상 생산되지 않고있다. 근래의 우수한 항공역학과, 소재발달, 컴퓨터를 이용한 비행체계, 새로운 차원의 엔진개발 등으로 굳이 가변익을 하지 않고도 충분히 스텔스를 이용한 침투가 가능하고, 전자전을 통해 적 레이더를 교란할수있으므로 과거의 가변익 성능을 충분히 커버하고있다.
<PAK PA 러시아 5세대 전투기. 과학기술과 무기 체계의 발달로 저고도 침투 필요성이 사라지면서 이제 가변익기를 요구하는 시대는 지났다. 이제는 스텔스가 대세다>
역사
가변익기는 1940년대 단순히 가변익만을 장착하고 가변익의 효과를 시험하는데서 부터 시작되었다. 최초의 가변익기는 역시 독일의 Messerschmitt Me P.1101이었다. 이 기체는 비행전에 지상에서 날개 각도를 셋팅하는 개념이었다. 하지만 P1101이 비행도 하기전에 2차세계대전이 종결되면서 실제 비행까지 이루어지지 않았다. P1101은 이후 미국의 벨 비행연구소에서 가져가 지속 연구되었다.
<Me P1101은 35도와 45도 후퇴각으로 조절이 가능하며, 임무에 따라 지상에서 미리 각도를 바꾸고 비행하였다. 공중에서 날개 각도를 바꾸지 못한다>
미국으로 옮겨진 P1101을 복구하는 과정에서 벨 기술자들은 구조적으로 손상되고, 성능적으로 조잡한 이 기체를 복구하기 보다는 차라리 유사한 다른 기체를 만들기로 결정하고 X-5를 제작하게되었다. X-5는 P1101의 가변 날개 개념을 진보시켜 비행중 날개 각도를 변경 할 수 있도록 하였으며, 실제 시험비행에서도 성공적으로 날개 각도를 변경시킬수있었다. 하지만 시험 비행중 양력 중심이 날개 각도 변경중에 발생하면서 기체 기수부분이 숙여지는 문제가 확인되었다. 그래서 날개 가변이 이루어질때마다 이를 보상하는 수평꼬리날개나 무게 중심 이동을 위한 설계가 필요하게되었다. X-5는 날개 각도가 사전에 정해진 세개의 각도로만 움직일수있었다.
<X-5의 도면을 보면 독일의 P 1101과 매우 흡사하다.>
<X-5는 P 1101보다 진보하여 3개의 각도로 비행중에 변경이 가능하다>
전쟁 후에 X-5 이외에 민간에서 연구가 진행되어 유럽과 오스트레일리아를 10시간 만에 왕복이 가능한 초음속 가변익기를 개발하는 Vickers Swallow 계획이 Barnes Wallis 라는 사람에 의해 추진되었다. blended wing에 tailless 설계를 갖추었고, 1950년대에 약 2미터 풍동 모형으로 실험을 성공적으로 마쳤다. 하지만 이 실험을 실제 항공기에 적용할려는 여객기 회사는 어디에도 나타나지 않고, 미정부도 반응이 없었다. 1949년 항공학자 L. E. Baynes 이 초음속 가변익 전투기 특허까지 획득하였으나, 군도 별 반응을 보이지 않았다.
<가변익을 이용한 여객기 개발 계획인 Vickers Swallow 계획>
X-5 이후 그루만사는 1952년에 F10F Jaguar 에 가변익 개조를 하였다. F10F Jaguar 는 실험기격으로 개조되었으며, 실제 비행결과 비행성능이 매우 저하되었고, 악성 스핀경향이 확인되었다. 그루만사는 원인과 개선 방향을 모색하였고, 그결과 최초의 실용 가변익 전투기인 F-111을 탄생시킨 TFX프로그램에 이 기술들이 접목되게 되었다. 미해군이 항모에서 이착륙해야하는 저속성능과, 공군의 고속 성능을 모두 충족하기 위해 가변익이 필수적이었기 때문이었다.
<F10F Jaguar 도면>
<F10F Jaguar>
소련에서도 가변익기의 개발이 진행되었다. 소련에서는 두가지 방향의 접근이있었다. 하나의 방법은 날개의 중간 부분쯤에 회전 pivot을 설치하여 고정익과 가변이 혼합된 형태와 날개 전체날개가 움직이는 두가지 방식이다.
우선 날개의 일부가 움직이는 방식의 wider spacing 방식은 가변익의 단점인 가변날개에 따른 공력중심 변화로 기수가 무거워 지거나 들리는 현상을 최소화 할수있으며, 고정된 안쪽 날개 부분에 미사일이나 폭탄을 장착할수있는 장점이있다. 또한 고정 날개부분에 랜딩기어를 장착할수있어서 설계가 쉽고 이착륙시 안정성이 높았다. 이러한 형태는 기존 항공기 설계를 조금만 바꾸어서 제작이 가능했으며, 실제 고정 후퇴익인 Su-7을 개조하여 가변익 Su-17으로 탄생되기도하였고, 대형기로는 Tupolev Tu-22를 개조하여 가변익 Tu-22M으로 재탄생하기도하였다.
<Su-7>
<Su-7을 변형시켜 날개 바깥 부분만 가변익으로 개조한 Su-17>
<Su-17은 날개 바깥 부분만 가변익으로 하여 기술적인 어려움을 해결하고, 무장 장착 공간도 확보하였다>
<Tu-22는 고정익의 소련 폭격기이다>
<Tu-22M은 Tu-22를 변형하여 개량형이라고는 하나 인테이크나 엔진 위치, 그리고 가변익을 채택한 것 등에서 전혀 새로운 기체라 할수있다>
하지만 기술적인 어려움을 피하고자 일부분의 날개만이 가변됨에 따라 가변익의 효과는 충분하지 못하였다. 그래서 F-111과 같이 전체 날개가 가변되는 Mig-23, Su-24 등이 1960년대 말에 설계되어 1970년대 초에 일선에 배치되기 시작하였다.
<Su-24>
<Su-24>
<Mig-23>
영국공군이 TSR-2 프로그램을 취소한 후, 프랑스와 합작을 하여 가변익기를 개발하는 Anglo-French Variable Geometry aircraft (AFVG)을 시작하였다. 하지만 프랑스가 약속을 슬그머니 접어버리자 영국은 프랑스와 합작을 포기하고 다른 유럽 국가와 합작을 모색하였다.
<Anglo-French Variable Geometry aircraft에서 구상된 개념도>
프로그램 명칭은 다목적 전투기 Multi-Role Combat Aircraft (MRCA) 개발 프로그램이며, 다목적에 부합하는 요구사항으로 가변익기를 채택하기로하였다. 여기에 참가한 국가는 독일과 이탈리아였다. F-111과 유사한 형태이며, 크기는 F-111보다 작다. 그결과 탄생한 항공기는 토오네이도 였다.
<토오네이도 가변익 전폭기>
미해군은 F-4 대체기로 계획되었던 F-111B 개발이 취소되면서, F-14 Tomcat을 개발하였고, 항모 이착륙과 항모 공간을 고려하여 가변익기를 선택하였다. 그야말로 가변익기의 전성시대를 이루었다. F-14는 가변익기의 대표격이며, 최고의 기술을 자랑한다. 비행컴퓨터에서 수집되는 속도에 따라 자동으로 가변익의 최적상태로 작동하며, 기동중에 날개에 하중이 걸린 상태에서도 가변날개는 작동된다. 즉 공중 근접 전투중에도 급 기동과 회전을 위해 날개를 직선익 형태로 할수있고, 다시 촤고속도 회피, 추적을 위해 삼각익에 가깝게 날개를 뒤로 젖힐수있다는 것이다.
<F-14는 가변익기로서는 최고의 기술을 보여주었다>
B-1 Lancer 폭격기를 탄생시킨 Advanced Manned Strategic Bomber (AMSA) program도 장거리 항속, 고속 순항, 초음속 침투와 회피, 초 저고도 지형 추적 비행 등을 위해 가변익기를 채택하였다. 가변익기중에서 가장 최종 설계된 것은 1980년에 설계된 Tupolev Tu-160 "Blackjack"이며 첫 비행은 1980년에있었다.
<Tupolev Tu-160 "Blackjack은 가변익기 중에서 가장 나중에 설계되었다. 하지만 B-1폭격기를 거의 Copy하였다>
<B-1 폭격기>
가변익기의 여러 잇점 덕분에 한때 여객기에도 가변익 적용 움직임이있었다. 1960년 중반에 FA에서 시작된 초음속 장거리 여객기 경쟁에서 보잉은 Boeing 2707 Model을 내 놓으면서 가변익 모델을 제출하였다. 하지만 가변익 구조물 때문에 발생하는 항공기 중량 증가와 탑재 공간 축소, 연료 탑재량 감소등의 단점이 초음속 여객기의 중요한 결점으로 등장하자, 델타날개 형태와 커나드 항공기로 방향을 전환 하기도하였다.
<보잉 2707 Model>
그렇다 가변익기가 장점만있는 것은 아니다. 이착륙 거리의 감소, 다향한 속도 범위, 저고도 침투능력 등 군용기에 상당히 유리한 점이있지만 가변익 구조의 복잡, 무게증가의 불리한 점도 가진다. 또한 1970년대 등장하기 시작한 비행 컴퓨터는 고정익기의 단점을 보완하고 가변익기의 장점에 충분하게 접근할수있게되었다. Tu-160이후로는 더 이상의 가변익기는 설계되지 않았고, 미해군도 F-14의 대체기로 F-18 고정익기를 운영하게 되었다.
현대 소재 기술의 발달에 따라 이제는 기계구조가 없는 유연한 금속을 이용한 가변익기의 설계 구성이 진행되고있다.
<F-111 전폭기. 덩치가 너무 크고, 무거워서 미해군은 채택을 거부하였다.>
<Mig-27은 거의 Su-24의 복제판이다>
가변익 실험기로는
Bell X-5 Dassault Mirage G Messerschmitt Me P.1101 Grumman XF10F-1 Jaguar 이 있으며
가변익 실용기로는
B-1 Lancer, EF-111A Raven, F-14 Tomcat, F-111 Aardvark, Mikoyan-Gurevich MiG-23, MiG-27, Panavia Tornado, Panavia Tornado ADV, Sukhoi Su-17, Sukhoi Su-24 , Tupolev Tu-22M, Tupolev Tu-160 등이있다.
출처: 아아아님 야후 항공 불로그
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