일본 차세대 전투기 '심신'

 

 

 

 

 

 

일본은 심신의 개발을 통해 상당한 스텔스 기술 및 고기동 기술능력을 확보할 것으로 보인다. 심신은 실제 전투기까지의 개발보다는 자신도 스텔스 전투기를 개발하여, 미국의 시장우위에 도전할 수 있다는 일종의 협상카드로 보여진다.

 

일본의 F-22 랩터 스텔스 전투기의 도입이 잠시 포기된 이후, 일본 정부는 미국에 대한 압력의 강화, 자국의 스텔스 기술력 축적 등을 목적으로 심신(心神)으로 알려진 첨단기술 실증기의 투자를 강화하고 있다. 마침 투자 및 홍보의 강화를 목적으로 심신의 여러 가지가 군사전문지에 소개됨에 따라, 밀리터리 리뷰는 이중 핵심부분을 요약해 정리해 보았다.  

 

 

심신이란 무엇인가?
심신은 방위성 기술연구본부의 <고기동 비행제어 시스템 연구시작>으로 제작된 <전기 실물대 RCS 실험모형>의 비공식 닉네임이다.  <심신>은 일본 방위성 기술연구본부, 그리고 미츠비시 중공의 노력의 결과이며, 기본적인 제작은 미츠비시 중공업의 나고야 항공우주 시스템 제작소에서 이루어지는 것으로 알려졌다. 현재 공개된 심신은 그 크기가 대략 F-16정도로, 전장 약 14m, 전폭 약 9m, 전고 약 4m로 확실히 F-16 전투기보다 조금 작은 기체를 가지고 있다. 현재 공개된 기체는 주로 RCS 반사면적을 측정하기 위한 모크업이지만, 차후에는 비행 실증기를 개발하여 실제적인 비행에 들어갈 예정으로 있다.

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

첫 번째, 선진기술 실증기에 도입된 최신기술
선진기술 실증기 심신이 중시한 연구과제는 <스텔스성>과 <고운동성>을 양립시키는 초음속 소형 항공기의 기체의 방향성을 설계하자는 것이었다. 때문에 무장의 탑재 등은 고려되지 않았으며, 연구목적에 영향이 없는 범위에서 이착륙 계통, 캐노피, 탈출장치 등은 기존의 F-1 전투기 부품을 적극적으로 활용하고 있다. 하지만 실증하려는 선전기술은 상당한 수준인데,

 

 

 

 

 

 

　1) 스텔스성 : RCS(Rader Cross Section : 레이더 반사 단면적)감소에 의한 전파 스텔스, 엔진 배기온도를 낮추는 적외선 스텔스 기술을 실험한다.

 

　2) 고 운동성 : 기존기체가 실속하는 비행각을 대폭 상회하는 고 앙각에서 기체 자세유지(트림 비행)가 가능한 고 운동성을 실험한다.

 

　3) 엔진/비행제어통합기술(IFPC : Integrated Flight Propulsion Control) : 고 운동을 실현하기 위한 플라이트 컨트롤 컴퓨터(FLCC : Flight Control Computer)와 디지털 엔진 제어(FADEC: Full Authority Digital Engine Control)을 연동하여 추력편향기구를 작동시키는 통합제어기술을 시험한다.

 

　4) FBL(Fly By Light) : 기동성을 지닌 소형기의 비행실증에 사용하는 비행통제시스템에 전기적 간섭에 강한 광(光) 섬유라인을 사용하는 방법을 연구한다.

 

　5) 고압유압 시스템 : 시스템의 소형 경량화를 위해 기존 보다 고압의 유압 시스템(3,000 psi -> 5,000psi)을 사용한다.

 

　6) 실증엔진 (XF5) : T-4 중등연습기용 F3 엔진을 발전시킨 초음속기용 터보팬 엔진을 테스트 한다.
　
 

 등으로 정리되고 있다. 실제 이 정도만 해도 상당한 규모의 시험이 될 것이며, 이것이 성공할 경우에는 일본은 스텔스 전투기에 관련된 핵심기술력 대부분을 획득할 수 있을 것으로 보고 있다.

 

 

 

두 번째, 스텔스기술능력의 축적
미 공군의 F-117과 F-22의 차이는, F-117은 단순히 스텔스만을 추구한 기체인 것과 비교해, F-22 랩터는 최강의 스텔스와 기동성 모두를 추구하고 있다는 점이다. 이렇게 스텔스성과 고 운동성을 함께 추구하는 것은 5세대 전투기의 기본이 되었기에, 일본도 심신을 통해 관련기술을 통합하여 개발하려 한다.

 

 

 

 

◆ 스텔스 성능의 기준
 스텔스의 기준을 보면, 표면적 1㎡ 의 구체에서의 반사강도를 RCS 1㎡로 정의하지만, 형상, 각도, 재질에 따라 RCS값은 크게 차이가 난다. 직각으로 전파에 마주치면 RCS가 1,000㎡ 인 평판이 기울이는 것만으로 1 이하로 떨어지는 것이다. 레이더 방정식에 의하면 탐지거리는 목표의 RCS의 4 제곱근에 비례한다고 한다. 즉, RCS양이 5㎡ 인 목표를 50nm(90km)에서 탐지하는 레이더라도, 목표의 RCS가 1/10인 0.5가 되면 28.1nm(50.5km)로 탐지거리가 감소함게 된다.

 

 

 

 

 마찬가지로 RCS가 1/100로 줄어든 0.05에선 15.8nm(28.4km), 1/1,000인 0.005에선 8.9nm(16km)으로 감소하는데 저감률은 점점 둔해진다. 다시금 탐지거리를 5nm(9km)으로 하려면 RCS를 1/10,000까지 낮추어야 하는 것이다. 결국 위의 의미는 RCS를 1/10로 감소시키는 수준에서 <스텔스효과>가 가장 큰 것을 의미하는 것이다. 그럼 심신의 수준은 어느 정도인가?

 

◆ 심신의 스텔스 구조
 심신의 기체구조를 보면 미국의 F-22A 랩터와 유사하고 주익과 미익의 전연, 후연의 각도와 동체측면의 각도를 맞춘 구성은 사진에서 보는 대로이다. 눈에 조금 거슬리는 부분은 튀어나온 조종석 부분인데, 이들 캐노피와 조종석은 F-1 지원전투기의 것을 이용하고 있으므로, 그 때문에 캐노피에서 동체로 연결되는 라인이 F-1 지원전투기의 캐노피 형상을 따라가는 점은 어쩔 수 없었다고 한다. 장래 고기동 실험기가 제조될 경우, 캐노피 형태가 변경될 가능성도 있다고 한다.

 

 아울러 전체적으로 심신은 기체의 외형만이 아니고, 예를 들면 표면처리의 정밀도 등에서도, RCS 감소를 위한 배려가 이뤄지고 있다고 한다. 심신의 기체 외판의 연결부분도 가까이서 보면 단차가 적고 대단히 평탄하게 마무리되어 있다. 기술연구부 관계자의 증언은, 더욱 더 단차가 작고 매끄럽게 하는 것도 가능하다고 한다. 하지만 실제 기체에다 그러한 공예가적인 처리를 하는 것은 거의 불가능에 가깝고 실용적인 의미도 없으므로, 실제로 실용기를 제조할 경우에 가능한 정밀도로 기체표면을 마무리했다고 한다.

 

◆ 심신의 RCS 측정
 현재의 심신 목업은 어디까지나 RCS 계측용으로 비행을 하는 것이 아니므로, 비용과 공작의 용이함의 요구에 따라 목업 재질에 탄소복합재가 다용되고 있다고 한다. 단 스텔스성을 시험하는 기체인 만큼, 실제 기체를 상정하여 동체전체에 전파흡수재(RAM)가 사용되었다. 이들 전파흡수재 사용부분과 어떠한 종류의 흡수재인지는 불명이지만, 1980년대에 일본이 미국에 제공하여 유명해진 페라이트계 전파흡수재를 사용하진 않은 것으로 보인다.  

 

 
 일본은 실제 심신의 목업을 가지고 2005년 가을에 프랑스 국방장비청 세라시험장으로 가서, 실제로 RCS 계측을 시행하였다. 그 곳엔 일본에선 불가능한 실제 사이즈 기체를 측정할 수 있는 RCS 측정시설이 있어, 기술연구본부에서 목업을 분해하여 9개의 컨테이너에 수납, 배로 프랑스로 옮겨 현지에서 재조립하여 계측을 실시했다. 일반인이 생각하기에도 스텔스기술에서 미국과 차이가 있는 프랑스가 이 목업을 계측한 데이터에 관심이 많았으리라고 쉽게 상상할 수 있었겠지만, 일본 측은 그 데이터를 제공하지 않았다고 한다.

 

 측정 결과는 대단히 만족스러웠던 듯 하며, 미국의 제 5세대 전투기 즉 F-22A와 F-35에도 뒤지지 않을 만큼 RCS가 낮았다고 전한다. 개발담당자는 후지 TV와의 인터뷰에서 RCS의 크기는 중형 새와 곤충의 중간정도라고 말하고 있다. 일반인이 연상하기 쉽게 비유를 들어준 것으로 보이는데 중형의 새라고 하면 까마귀나 까치정도 일 것이다. 그러므로 까치정도 보다 작고 곤충보다 크다고 하면, 심신의 RCS는 앞마당에 있는 <참새>정도가 될 것이다.

 

◆ 미국 전문가의 평가
 흥미로운 점은 일본의 기술진과 스텔스 기술의 최강기술력을 자랑하는 미국 록히드마틴 스컹크 웍스의 책임자인 프랑크 카푸치오에게 심신(心神)의 모형을 보여준 적이 있다는 것이다. 프랑크 카푸치오는 동석했던 심신의 담당 개발실장에게 ＂Is this your baby? It's very beautiful airplane!＂라고 감탄했으며, 몇 가지 날카로운 지적도 있었다고 한다.

 

 
 우선, <캐노피의 형상이 이상하다>라는 지적을 받았는데, 이는 연구목적이 한정되어 비용을 절감하기 위해 기존 부품을 유용해서라고 설명하자 납득해 주었다고 한다. 그리고 기체형상을 주의 깊게 보곤 스텔스성 면에서 문제가 될 부분을 몇 가지 지적하고 개선책까지 알려 주었는데,  놀랍게도 프랑스 실험에서 판명되어 수정한 문제점과 거의 일치하고 있었다고 한다.  

 

◆ 적외선과 가시광선 감소설계
 최근에는 레이더를 대신해 IRST(Infrared Search and Track : 적외선 탐색 및 추적)장비도 목표탐지 센서로서 사용되게 되어, 전파 스텔스 외에 적외선에 대한 스텔스성도 고려할 필요가 생겼다. 기체가 발생하는 적외선원은 주로 공력가열과 엔진 배기가스지만, 엔진 배기온도를 낮추는 방법이 유효하다. 본 연구에선 추력편향 패들에 산(山)모양의 절개부를 넣어, 고온 배기와 외부 공기와의 접촉을 촉진시켜 온도를 낮추는 것으로 적외선 반사를 줄이고 있다.

 

 

 

 마지막으로 인간의 눈에 대한 대책도 필요한데, 위장도색보다 일보 진전된 목시(目視) 스텔스(광학 스텔스)도 이후의 과제로 연구되었다. 그 방법은 기체는 비행 중 햇빛의 영향으로 상/하면에 콘트라스트(음양 차이)가 발생하는데, 밝은 날에는 콘트라스트가 커서 멀리서도 잘 보인다. 밝은 윗면과 어두운 아랫면의 콘트라스트 차이를 없애면 적의 감시능력이 낮아지므로, 기체 아랫면에 조명을 비추는 방법이 고려되고 있다. 그리고 전구나 EL램프, 발광다이오드 등을 써서 UFO같은 스텔스기가 출현할 날이 올 수도 있을 것으로 보인다.

 

 

 

 

 

세 번째, 고 운동성의 획득
 근거리 전투에 있어서도 기술진보는 확실히 진전되고 있다. 세계 각국은 차세대 단거리 미사일(SRM : Short Range Missile)의 개발을 완료하여, 실전 배치단계에 있다. 그 특징으로 큰 오프 보어 사이트각, 추력편향과 사거리 연장에 의한 공격가능영역의 비약적인 확대를 들 수 있다. 시계외의 전투로 시작되는 공대공전투지만, 스텔스 전투기가 일반화하여 스텔스기 간의 전투가 되면, 서로가 상대방을 발견할 거리가 좁아지게 된다.

 

 

더욱이 단거리 대공미사일의 최대사정거리가 늘어나 중거리 대공미사일의 최소사정거리를 넘어서므로, 양자의 경계가 점차로 불명해지고 있다. 따라서 중거리 공대공 전투가 끝나기도 전에, 곧바로 단거리 전투가 수행되므로 이에 대한 대응이 요구되었다.

 

 

 

 

 

◆ 기동한계를 결정하는 G포스
 통상적으로 우리는 언제나 1G의 중력가속도를 받고 있지만, 전투기와 같은 고기동 물체는 기동하면서 최대 9G이상의 중력가속도를 받는다. 간단히 이야기해 조종사가 9G로 기동하면, 자신의 몸무게의 9배의 중량이 조종사의 몸을 누르는 것이 되어버린다. 현재 전투기의 기체의 경우, 복합소재 및 기골보강 기술의 발전으로 인해 9G이상의 고 기동에서 견딜 수 있지만, 조종사의 경우 9G가 넘어가면 기본이 기절이고, 심하면 사망에 이를 수 있다.

 

 실제 9G의 기동력도 그냥 얻어지는 것이 아닌, <컴배트에지>와 같은 보조시스템을 통해 G수츠(G대응 조종복)의 응답성을 향상시킴과 동시에, 가압산소를 강제적으로 폐에 투입해 G에 대해 대응하게 된다. 당연히 폐에 가압공기를 투입하면 폐가 손상될 수 있으므로 특제 베스트를 착용해야 하는 등, 전투기의 기동성은 인간의 생리적 한계로 인해 점차로 한계를 맞고 있다.

 

새로운 방향성
 이렇게 인체가 G한계에 도달하자, 높은 G를 내지 않고도 기동성을 향상시키는 방법이 현재 개발되고 있다. 즉, 실속영역에서의 기동 즉 PSM(Post Stall Maneuver : 실속 후 기동능력)으로 시선이 옮겨간 것이다. 보다 구체적으로, 전투기의 빠른 방향선회를 위해 지금과 같이 전투기 엔진의 힘이나 양력 등을 이용하는 것이 아닌, 전투기가 자신을 통제하지 못해 마구잡이로 움직이는 <실속>상태를 임의로 만들고, 이 실속을 용이하게 통제하여 원하는 기동성을 얻는다는 방안(PSM : 실속 후 기동능력)이 등장한 것이다.

 

 

 

 

문제는 실속을 만드는 것도 문제이지만, 실속을 이용하는 것도 문제이다. 통상적인 기체의 플랩과 같은 장비로는 실속상태를 쉽게 조종할 수 없으므로, 엔진의 추진력을 자신이 원하는 방향으로 통제하여 실속을 조종하는 기술이 개발되고 있는 것이다. 그 대표주자가 바로 X-31 실험기로, 상/하로 움직이는 엔진노즐을 이용해 자신이 원하는 각도로 기체를 통제함으로써 높은 기동성을 부여받을 수 있었다.

 

 

 

 

심신의 PSM기동의 실현
 심신은 PSM기동을 시현하고자 엔진으로 본격적인 애프터버너가 부착된 터보팬으로 추력 5t급인 XF-5가 예정되어 있다. 차후에 비행할 실제 시험기체의 중량이 약 9t 정도로 예상하고 있으므로, XF-5 2기를 장착하는 심신의 추력중량비가 1을 초과할 것으로 보인다. 참고로 F-22A가 장비하는 F119 엔진도 대단히 획기적인 엔진이지만, 이 XF-5도 일본이 자랑하는 세라믹 섬유 등의 기술을 사용하고 있다고 한다.

 

 이들 XF-5의 배기노즐엔 PSM 기동시의 공중제어를 위한 3장의 추력편향 패들이 설치되어 있다. 고기동성을 얻기 위한 3장의 패들에 의한 추력편향은 단발기로선 미국과 독일이 협동 개발한 X-31에 사용되었지만, 쌍발기로는 심신이 처음인 것으로 알려진다. 아직까지 심신의 PSM 기동능력은 시험평가가 진행되지 않아 알려진 것이 없지만, 3차원 기동이 가능한 수준이므로 기동성에서 F-22보다 우수한 수준이 될 것으로 예측되고 있다.
 

 

 

 

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일본이 F-22 도입이 무산되자 자체 개발 스텔스기를 도입할 가능성이 농후해지고 있다고 합니다. F-22 개발에 참가한 미국인 중 하나가 이걸 보고 감탄했다는 말이 있는 걸 보니 그저 뽀대로 만든 것은 아니라 보이네요.

 

어차피 우리나란 KFX 물건너 갔구요. 앞으로 3년 안으로는 그 어떤 비슷한 계획도 추진되지 않을 거라 여겨지네요. 내심 사브랑 기타 하나 더 끼워서 같이 공동 보조로 5세대 연구를 해나갔으면 좋지 않았을까 하는 생각도 하고 있었지만, 이번 사건으로 완전 물건너 간 일이 됐죠. 아마 다시는 KFX에 대한 언급이 군 내에서 나오지 않겠죠.

 

그저 옆나라 일본에서 차근차근 만드는 거나 구경하며 배아파 하는 수밖에요.

러시아 스텔스기가 가장 빨리 나올 거라고 들었습니다. F-22성능을 넘을 거라던가? 그 뒤가 일본? 그 뒤가 중국?(뭔가 성능은 상당히 의심스럽지만, 그래도 러시아 기술을 왕창 훔쳐갔으므로 가능하리라 생각되네요.) 우리나란? 대폭 국방예산 삭감으로 국방은 대폭 후진. 따라서 잘 해봤자 뒤늦게 부랴부랴 F-35 20대 정도 비싸게 도입? 선이 되지 않을까 고려되네요.

 

아무턴 일본 스텔스 실증기라는 심신을 보니까 매끈하게 잘 빠졌네요.ㅇㅅㅇ...... 저게 완료 되면 일본은 스텔스 기술을 자체적으로 갖추게 된다죠. 심신이 약간 삐끄덕 거려도 그 뒤로 나올 스텔스기는 아마 F-35정도는 뛰어넘지 않을까 생각됩니다.

물론 F-22까지는 절대 무리겠지만요.

 

일본은 참 부럽습니다. 한국은 스텔스 기술이 없어서 이 ㅈㄹ인데. 아니면 상상력이 부족해서 못만든건가?

출처: http://bbs2.agora.media.daum.net/gaia/do/kin/read?bbsId=K162&articleId=11064