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SR-71 블랙버드 (1)

SR-71 블랙버드(Blackbird), 탄생에서 역사가 되기까지

 

 한국전 휴전 직전에 시작

 

 한국 전쟁이 막바지로 치닫고 있던 1953년 3월에 CIA는 소련의 전략 종심으로 진입하여 정찰 임무를 수행할 수 있는 새로운 전략 정찰기를 확보할 계획을 수립하였다.

 

당시 CIA가 수립한 요구 성능을 보면 비행 고도 7만 피트에 정찰임무행동반경 3,150Km이 신형 정찰기에 요구되었다.  SR-71은 고고도에서 마하 3.0으로 비행 가능한 고속 정찰기로 유명하지만, 처음으로 기본 요구 성능이 수립되던 당시에는 아직 초음속 순항 성능이 요구되지 않았다.

 

 당시 7만 피트 정도에서 요격 할 수 있는 전투기는 없었기 때문에 CIA는 7만 피트 비행 고도면 아음속으로 비행해도 소련 영공 내부로 진입, 이탈을 할 수 있을 것이라 확신하고 있었다.


사실 이건 오늘날에도 큰 차이는 없어서, 현대적인 전투기 중 최대 비행 고도가 높은 F-15C의 경우 비행한계고도가 65,000 피트이며, F-15E의 경우에는 CFT를 탑재하지 않아야 60,000 피트까지 올라갈 수 있다. 그나마도 이들과 같이 6만 피트 내외의 비행 한계 고도를 갖는 전투기들도 실제로는 3만 피트 ~ 4만 피트 이상의 고도까지 상승하여 작전하는 것은 거의 시도하지 않는다.

 

 1950년대 당시의 전투기에 탑재되었던 제트 엔진은 해면 고도 추력과 압축율 모두 현대적인 제트 엔진에 크게 못미쳤다. 따라서 당시 최신예 전투기였던 MiG-17도 최대 상승고도는 18,000 피트 정도였으며, 그마저도 15,000 피트 이상에서는 날개 양력 부족을 속력으로 커버하거나 또는 받음각으로 커버해야 하기 때문에 선회성능이 크게 저하되고 엔진 추력 부족으로 인해 속력 유지가 가능한 구간에서 기동성이 크게 제한되었다.

 

 따라서 7만 피트 고도 비행 성능은 소련 방공군의 요격을 피하기에 충분한 성능이었다. 700 파운드 이내의 정찰 임무 장비를 탑재하고 정찰행동반경이 3,000Km 이상이면 터키 또는 영국에서 이륙하여 모스크바까지 여유있게 접근하여 정찰이 가능한 수준이었다.

 

 그러나 당시 소련에서도 8만 피트 고도까지 도달 가능한 S-75 드비나(NATO : SA-2 "Guideline") 지대공 미사일을 개발하여 1957년부터 실전 배치하였다.

 

1960년 5월에 프란시스 게리 파워즈(Francis Gary Powers)가 조종하는 U-2 정찰기가 SA-2 지대공 미사일에 격추되었으며, 5개월 후인 동년 10월에는 쿠바 상공에서 U-2 정찰기가 65,000 피트 고도에서 SA-2에 격추되어 조종사인 루돌프 앤더슨(Rudolf Anderson)이 사망하였다.

 

당시 미국 CIA는 대만 공군에서 운용하는 정찰기로 중국에 대한 항공 정보를 수집하고 있었는데, 1959년에 중국이 SA-2를 도입하여 복건성과 광동성 등에 배치한 후, 대만 공군 또한 정찰기 여러 대를 손실하였다.

 

 이 사건 중 U-2가 SA-2에 격추된 사건은 SR-71 개발 프로그램에도 심각한 영향을 끼치게 된다. 이는 U-2 정찰기가 7만 피트가 넘는 고도에서 비행이 가능한 정찰기였기 때문이다.

 

이에 따라 신형 정찰기의 요구 성능 또한 대폭적으로 수정되어야 했다. 신형 정찰기 또한 7만 피트를 최대 도달 고도로 상정하고 있었기 때문이다.

 

이에 따라 비행 고도 요구를 더욱 상향함과 동시에 적대 지대공 미사일을 회피하기 위한 고속 비행 성능이 요구되었다. 비행 고도가 높을 경우 설령 적 지대공 미사일 도달 고도보다 낮은 고도라 하더라도 지대공 유도탄의 회피불능영역(NEZ)을 크게 벗어나게 되어 좀 더 회피가 수월하게 된다.

 

또한 높은 고도와 높은 비행 속력을 동시에 충족할 경우 적 지대공 미사일의 Envelope를 크게 감소시킴으로써 정찰기가 진입할 수 있는 회랑이 크게 형성된다. 속력이 곧 스텔스라는 최근의 캐치프레이즈는 60년대에 이미 강구되었던 개념인 것이다.

 

 대기밀도가 낮은 고고도에서 고속으로 비행하기 위해서는 강력한 엔진을 필요로 하였다. 이 때문에 NACA(NASA의 전신)와 미 공군에서는 에너지 밀도가 큰 액화수소를 사용하여 고고도에 특화된 엔진에 대한 탐색 개발을 시작하게 된다.

 

이미 1956년에 록히드(Lockheed)에서 액화수소 엔진과 이를 탑재한 CL-325 개발을 시작하였으나 미 공군에서는 지나치게 복잡한 시스템을 개발하는데 필요한 예산과 시간, 그리고 높은 리스크 때문에 이를 채택하지 않은 바 있다.

 

당시 CL-325는 액화수소 엔진을 탑재하고 거의 10만 피트에 가까운 고도에서 마하 2.5의 초음속 비행이 가능한 항공기로 구상되고 있었다.

 

 이를 바탕으로 U-2의 뒤를 잇는 신형 전략 정찰기 개념안이 개발되기 시작하였다. 새로운 컨셉은 CL-325의 고고도 고속 비행 성능에 더해서 38만 5천 파운드의 최대 이륙중량에 1,500 파운드의 각종 임무 장비를 탑재하는 항공기로 구상되었다.

 

CL-325는 록히드가 개발한 고고도 요격 전투기인 F-104의 형상을 기반으로 구상된 개념이며, CL-325를 기반으로 CL-400(코드네임 : Suntan)이 구상되었다. 이 프로그램을 진행하는 과정에서 개발된 기술 일부는 센타우로(Centauro) 로켓 개발 사업에 전용되기도 하였다.

 

 최초의 스텔스 항공기, "Gusto"

 

 이보다 앞서 CIA에서는 이미 1950년대에 최대 비행가능 고도를 7만 피트 정도로 상정한 고고도 비행 성능 만으로는 침투 정찰에 한계가 있는 시기가 도래할 것이라는 점을 예측하고 있었다.


소련의 요격 능력이 7만 피트가 넘는 고도를 비행하는 항공기까지 요격할 수 있는 시기에 어떻게 대비해야 하는지에 대해서 CIA와 록히드, 미 공군 내부에서도 활발한 논의가 진행되었다. 


1956년에 CIA에서는 비밀리에 Gusto라는 프로젝트 이름으로 록히드 사와 함께 비밀 연구를 수행하였는데, 이는 아예 레이더의 탐지를 피할 수 있는 항공기를 개발하기 위한 탐색연구였다. 다시 말해 Gusto는 세계 최초의 스텔스 항공기 개발 프로그램이었다고 할 수 있다.

 

 당시 구상되었던 Gusto의 형상안들을 살펴보면 대부분 전익형 항공기였다. 이는 오늘날의 B-2A 폭격기와 마찬가지로 레이더 피탐면적을 줄이기 위한 형상이며, 그와 동시에 7만 피트가 넘는 높은 고도에서도 충분한 양력을 얻기 위해 제한된 체적에서 최대한의 양력 발생면적을 확보하기 위한 설계였다.

 

그러나 1950년대 당시의 소재 기술로는 효과적인 RAM(Radar Absorbing Material)을 설계, 도포, 관리할 수 없는 것이 문제였다. 레이더에 의한 피탐을 피하면서 동시에 대기밀도가 낮은 고도에서 아음속으로도 충분한 양력을 얻기 위해 전익형 형상을 채택하면서 RAM 도포 면적이 넓었으며, 또한 당시 기술 수준의 한계 때문에 단위 도포면적당 RAM 도포 두께가 과도하게 두꺼워야 했다.

 

이로 인해서 결과적으로 Gusto의 무게를 크게 증가시킴으로써 익면하중의 증가로 인해 7만 피트 비행 고도라는 요구 성능을 충족할 수 없게 만드는 결과를 야기할 것이라는 결론에 도달하게 되었다.

 

 이듬해인 1957년에는 록히드의 스컹크 웤스(Skunk Works)에서 CIA의 연구 의뢰를 받아 속력과 높은 비행고도, 낮은 RCS(Radar Cross Section) 등의 요소 중 어느 것이 정찰기의 침투 성능과 생존성을 효율적으로 극대화하는지에 대해서 분석하기 시작하였다.

 

당시 스컹크 웤스 팀에서는 초음속 비행성능이 적대 레이더에 피탐될 여지를 최소화하는 가장 현실적인 열쇠라는 결론을 도출하였다. 당시의 소련의 기술로 만든 레이더의 빔 안정성(Beam Stabilization)은 한계가 있었기 때문에(이는 당시의 미국제 레이더도 크게 다른 것은 없었다) 마하 2.0 이상의 고속으로 비행하는 비행체에 대한 지속적인 추적이 쉽지 않았다.

 

지상에 배치된 레이더는 그나마 탐지거리가 길고 안정되었기 때문에 덜했지만, 당시의 요격기에 탑재되는 레이더의 경우에는 빔 안정성이 더욱 심하게 떨어졌기 때문에 고속 비행체 추적에 있어서 적지 않은 한계를 갖고 있었다. 이는 최소한 60년대까지 큰 변화가 없었다.

반면, 생존성을 RCS 감소에 집중적으로 의존하는 설계의 경우에는 당시 어느 정도 기본적인 이론을 갖추고 있었지만 이를 현실화하기에는 기술적인 제약이 너무 컸다.

 

 결국 탐색 개발 방향은 고고도에서 초음속 비행을 지속할 수 있는 정찰기를 개발하는 것이 가능한지 여부를 모색하는 방향으로 정리되었다. 이에 따라 스컹크 웤스에서는 8만 피트가 넘는 고도에서 마하 3.0의 고속으로 비행할 수 있는 고고도 고속 비행 성능에 중점을 두면서 RCS 감소 또한 어느 정도 염두에 둔 항공기의 기본 설계에 착수하게 된다.

 

CIA는 CIA 나름대로 이와 같은 성능을 충족시키는데 필요한 기본 이론과 원천 기술 연구를 위해서 항공우주공학과 물리학 등 다양한 관련 분야 전문가들로 구성된 연구팀을 구성하여 해당 주제에 대한 학술적인 논의를 6 차례에 걸쳐 진행하였다.

 

 

 비슷한 시기에 미 해군에서도 신형 전략 정찰기에 대한 개념 연구를 진행하고 있었다. 미 해군의 개념은 스컹크웤스와 CIA의 그것과 사뭇 다른 개념이었다.
우선 고고도 비행 성능을 중시한 점은 같지만, 이를 어떻게 구현하느냐에서 스컹크웤스가 개발하는 컨셉과 큰 차이가 있었다.


해군이 구상하던 개념안은 일종의 대형 풍선을 이용하여 정찰기를 고고도로 띄운 후에, 세팅된 고도에 도달하면 로켓 엔진에 의해 램 제트 구동이 가능한 높은 속력까지 가속시켜 램압으로 고고도 고속 비행에 필요한 추력을 얻는 개념이었다.


스컹크 웤스에서는 이 개념에 대해서도 간단한 탐색 개발을 진행하였는데, 그 결과 대형 풍선으로 그와 같은 정찰기를 고고도까지 올리는 것 자체가 불가능하다는 결론을 도출하게 된다.

당시 스컹크 웤스를 이끌던 켈리 존슨(Kelly Johnson)에 따르면, 미 해군이 구상한 정찰기를 풍선의 양력 만으로 고고도에서 띄우려면 이륙용 기구는 날개 면적만 하더라도 무려 6,220여 제곱피트에 달하는 대형 기구가 되어야 했다.


사실 미 해군에서도 그 실현 가능성 자체에 의문을 갖으면서도 이륙을 굳이 대형 풍선에 의존하려 했던 이유는, 로켓을 이용한 가속과 램제트 추진이 적지 않은 연료 소모를 필요로 했기 때문이다.

또한 높은 고도까지 상승하는 동안 소모하는 연료가 적지 않은 것도 이러한 다소 무리해보이는 개념을 구상한 이유 중 하나였다. 고고도로 상승하는 동안의 비행 시간도 문제지만, 고도가 증가함에 따라 낮아지는 대기압과 그로 인한 상승률 저하 또한 연료 효율을 떨어뜨려 결과적으로 연료 소모율을 높이는 요인이 된다.

 

이 때문에 미 해군에서는 이륙 후의 Fuel fraction이 항공기의 비행 거리에 영향을 미치는 파라메터 중 하나이다. 따라서 이륙 과정에서 연료를 전혀 소모하지 않음으로써 이륙 후 비행을 시작할 때 충분한 연료를 확보하고 높은 Fuel fraction을 갖는 상태에서 비행을 시작하는 방안으로 상술한 것과 같은 궁여지책을 모색한 것이었다.

 

 1958년 가을 무렵에 스컹크 웤스에서는 각각 대천사(Archangel)-1과 대천사-2로 명명된 개념안을 도출하였다. 각각 A-1, A-2라고 명명된 상기 개념안들은 램제트 추진체계가 전제된 개념안으로서, A-1은 램제트와 로켓만으로 추진력을 확보하는 개념안이었고 A-2는 램제트 + 로켓 추진체계에 더해서 고속에서 높은 효율을 갖는 터보제트 엔진도 함께 보유하는 개념안이었다.

 

이 무렵, 앞서 기술했던 록히드의 CL-400 Suntan을 포함하여 액화수소 엔진을 전제로 하는 개념안은 모조리 탈락한 상태였다.

이는 액화수소 엔진이 복잡한 메커니즘을 갖는 시스템이기 때문에 이를 개발하는데 필요한 예산과 시간 추정치가 높았기 때문이다. 이를 항공기에 실제로 통합하는 것 또한 적지 않은 리스크를 보유하고 있었으며, 무엇보다 폭발 위험이 크고 불안정한 액화 수소를 연료로 사용하면서 안전성을 확보하기 위해 필요한 체계를 추가로 필요로 하는 등 개발 소요가 많다는 점도  Suntan 등이 결국 탈락한 이유였다.

 록히드에서 개발한 개념안 4가지 중 Suntan과 A-1이 사장된 후, 아음속 스텔스 항공기인 G2A(Gusto 2A)와 A-2 두 가지 개념만 남게 되었다.

 

그러나 이들 또한 결국 랜드(Land) 위원회 측에 의해 거부되는데, G2A의 경우에는 속력이 낮은 아음속 항공기라는 것이 가장 큰 이유였으며, A-2의 경우 램제트 구동을 위해 해외에서 수입하는 에틸 데카보란(C2H18 B10) HEF(High Energy Fuel)-3 연료를 사용해야 한다는 점이 사장된 이유였다.

 당시 랜드 위원회에서는 컨베어(Convair)에서 개발 중이던 마하 4.0급 정찰기 개념안인 Fish에 대해서도 관심을 갖고 있었다. 한편으로 록히드 사에서는 A-1과 A-2가 탈락한 후, A-3라는 새로운 개념안을 도출하여 랜드 위원회에 제시하였다.

 

B-58 초음속 폭격기에 탑재되어 소련 등 적대국의 영공에 접근하여 탈착, 자체 비행을 함으로써 비행을 시작하기 전에 이미 램제트 추진체계에 필요한 초음속을 얻을 수 있기 때문에 로켓 추진에 필요한 방대한 연료 소모가 필요없으며, 이륙 과정에서의 연료 소모 또한 전혀 필요없는 것이 해당 개념안의 장점이었다.

 

이 때문에 로켓 추진체계가 배제되어 시스템이 좀 더 간소화되어 리스크가 적으며, 중량이 더욱 가볍다. 필요로 하는 연료 만재량이 더욱 적은 것 또한 컨베어의 Fish 정찰기의 중량을 좀 더 가볍게 만드는 장점이었다.

 

 A-3와 Fish 두 개념을 모두 검토한 랜드 위원회는 고고도 초음속 정찰기의 개발이 기술적으로도 가능하고 성능면에서도 현실적이라는 검토 결과를 CIA측에 보고하였다.

CIA는 이 결과를 아이젠하워(Eisenhower) 미 대통령에게 보고하여 총 12대의 신형 정찰기 양산에 필요한 1억 달러의 예산지원을 대통령으로부터 직접 확약받을 수 있었다.

 

 50년대의 스텔스 설계

 

 최종 후보인 록히드와 컨베어사는 각각 A-3와 Fish 두 개념 연구안의 상세 설계안을 개발하면서 각자 RCS를 감소시키기 위한 설계를 도입하였다.

 1950년대 당시의 원시적인 레이더는 레이더가 고정된 상태에서 40도 정도의 스캔 커버리지를 보유하며, 수신 신호의 강도와 표적의 RCS에 따라서 디스플레이의 휘점의 밝기와 크기가 다르게 표시되었다.

고고도에서 고속으로 비행하는 표적의 경우, 정면으로 접근하는 경우가 아니면 통상적인 표적보다 도플러가 더욱 작기 때문에 신호의 강도가 더욱 낮을 수밖에 없다.

 

물론 당시의 레이더들은 수신되는 신호의 도플러를 이용할 수 없는 단순한 펄스 레이더였지만, 수신되는 신호의 강도 자체는 분명히 반사 신호의 도플러의 영향을 받을 수 밖에 없었다.

 

다시 말해서 속력이 곧 스텔스였던 것이다. 여기에 더해서 고고도로 비행할 경우, 아예 레이더의 커버리지를 벗어나거나 또는 커버리지 안에 들어가도 반사 신호가 미약하게 된다. 지상에 배치된 레이더가 8만 피트가 넘는 고고도를 비행하는 표적을 커버리지 안에 넣으려면 표적과의 거리가 상당히 이격되어야 하며, 이는 반사 신호의 선속밀도(Power density)를 낮게 만들어 신호 수신 강도를 떨어뜨리게 되는 것이다.

 

따라서 8만 피트가 넘는 고고도에서 당시의 통상적인 제트 전투기의 2배 ~ 3배가 넘는 속력으로 비행하는 것이 바로 레이더에 의한 탐지를 피하는 스텔스의 요체였던 것이다. 이를 위해 록히드 마틴과 컨베어 사는 모두 기본 요구 성능에 9만 피트 이상의 고도에서의 비행 능력을 포함시키게 된다. 이와 같이 고속 고고도 비행 성능으로 달성한 스텔스 성능을 강화하기 위해 RCS를 10 제곱미터 이하로 만들기 위한 RCS 감소 설계도 강구되었다.
 
1959년 여름에 록히드와 컨베어는 각자 상세 설계안을 완성하여 미 정부에 제출하였다. 록히드의 상세 설계안인 A-11은 J58 엔진을 탑재하고 9만 피트 고도에서 마하 3.2로 비행할 수 있는 항공기로서, 1961년에 처음으로 비행하였다.

 

 

콘베어는 Fish를 기반으로 B-58 폭격기에서 초음속으로 이격된 후 9만 피트 고도를 마하 4.2의 속력으로 비행하여 정찰 표적까지 고속으로 접근한 후. 이탈 시에는 J85 엔진을 이용하는 항공기였다. 이 프로토타입은 혁신적인 형상 설계가 도입되어 RCS가 낮을 뿐더러, 고고도 비행 성능을 염두에 두고 동체에서 양력을 형성할 수 있도록 설계되었다.

 

(Photos : Lockheed Martin)

  

2019년 10월30일 19시43분  

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