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성남공항의 A-400M

ADEX 2015에는 처음으로 영국 공군의 A400M 수송기가 방문하여 기체 내부를 개방하였다.

 

영국 공군 A400M 수송기 조종사에게 A400M 수송기에 대해서 간략한 질의 응답을 할 수 있었다.


짧은 분량의 본고는 이러한 질의 응답을 통해 얻은 내용을 토대로 작성되었다.






 A400M의 높은 최대이륙중량


 C-130J 수송기와 비교하면서 A400M 수송기에 대해 설명을 해달라는 요청에 영국 조종사는 먼저 동일한 이륙거리에서 A400M의 최대 이륙중량이 C-103J의 2배에 달한다는 점을 언급하였다.




또한 지면에서 항공기의 기수를 반대 방향으로 돌리기 위해 필요한 회전 반경이 27m에 불과하여


비교적 좁은 규모의 활주로와 격납고에서도 유연한 운용이 가능하다는 점 또한 언급되었다.


이것이 가능한 이유는 A400M의 랜딩 기어가 Kneeling이 가능하기 때문이다. 양쪽 랜딩 기어 패키지의 고저를


서로 달리 하여 기체를 기울여서 기수를 돌리기 때문에 지면에서 기수를 돌리는 데 필요한 공간이 극히 작은 것이다.


 앞서 언급한 높은 최대이륙중량이 가능한 것은 A400M 수송기가 복합 소재의 적극적인 도입 등으로 인하여


높은 추력 중량비를 보유하고 있기 때문이기도 하지만, 그보다 고양력 설계가 도입되었기 때문이다.


총 4기가 탑재된 TP 400 계열 엔진이 각각의 주익에서 2기의 엔진이 서로 반대 방향으로 8엽 프로펠러를


회전시킴으로써 주익에 추가적인 기류를 흐르게 한다.


프로펠러가 회전하는 양태를 살펴보면 주익 위쪽에서는 회전 방향이 서로 수렴하다가


주익 하부에서는 서로 회전 방향이 멀어지는 모습을 볼 수 있다.




이 때문에 주익 상부로 추가적인 기류가 흐름으로써 주익 위쪽을 흐르는 기류에 추가적인 에너지를 제공함으로써


동압을 증가시키고 반대로 정압은 감소시킴으로써 결과적으로 날개의 양력이 강화되는 효과를 만들어낸다.


이를 위해 그저 엔진의 프로펠러 회전 방향을 서로 반대 방향으로 하는 설계가 도입된 것에 더해서


프로펠러의 형상 또한 2기의 프로펠러의 회전이 수렴하는 곳에서 최적의 공기 흐름과


속력을 만들어 주익 상부로 유도할 수 있는 형상 설계가 도입되었다고 한다.



 

A400M 수송기에 적용된 또다른 고양력 설계는 A400M의 높은 받음각 한계와


이를 정밀하게 제어하기 위한 디지털 FBW(Fly-By-Wire)이다.


A400M은 주익 뿌리보다 주익 끝의 받음각이 더욱 작은 항공기이다.


이 때문에 고받음각에서 주 날개보다 경계층이 더욱 두껍고 점성이 약한 주익 끝에서의


받음각이 주익 뿌리에서의 그것보다 작은 관계로 날개 끝의 박리가 지연된다.


또한 익면하중이 높을 수 밖에 없는 수송기이기 때문이 정밀하고 신속한 제어가 가능한


디지털 FBW와 결합하면 설계 상의 최대 받음각 한계에 근접한 받음각 한계까지


항공기를 몰고 가서 제어하는 것이 가능하게 된다.


 이 때문에 A400M은 최대 받음각이 60도에 달한다고 한다.


60도에 달하는 받음각에서도 A400M을 안정적으로 제어할 수 있기 때문에


이륙 시에 50도가 넘는 받음각에서 높은 양력을 얻어 이륙하는 것이 가능하며, 


A400M이 높은 최대이륙중량을 갖게 하는 직접적인 요인이라고 할 수 있다.




 프로펠러 항공기의 한계를 뛰어넘은 A400M


 이같은 설계는 높은 최대이륙중량뿐만 아니라 연비와 행동반경, 최대 속력에도 긍정적인 영향을 미치는 요인이다.


엔진의 프로펠러 회전 방향이 서로 같을 경우, 받음각과 뱅크각 등으로 인한 엔진 간의


미세한 출력 차이가 만들어지는 Torque 모멘트를 상쇄하는 과정에서 항력과 에너지 손실이 발생하게 된다.


출력 차이가 클 경우에는 당연히 큰 Torque 모멘트가 만들어진다.


연비를 악화시키고 항공기의 속력에 부정적인 영향을 주는 요인이다. A400M은 주익에 2기씩 배치된 엔진들이 서로 다른 방향으로 프로펠러를 회전시킴으로써 각 엔진의 Torque 모멘트를 상쇄시키는 효과가 있다.


4기의 엔진 출력과 RPM이 이와 같은 메커니즘과 맞물려 정밀하게 디지털 제어됨으로써 Torque force가 발생하는 출력 조합이 나오지 않도록 제어되기 때문에 기존의 프로펠러 수송기와 달리 항력과 에너지 손실이 거의 없다.


이 때문에 이론적으로 프로펠러 항공기가 넘을 수 없는 속력이라고 여겨지던 마하(Mach) 0.7을 넘어 최대 속력이 마하 0.8 ~ 마하 0.85에 달한다고 한다.


참고로 제트 엔진을 탑재한 C-17 수송기의 최대 순항 속력이 마하 0.8이다.


 이같이 연비가 기존의 프로펠러 수송기보다 더욱 개선되고 최대 속력이 크다는 점은 주익에서 추가적인 양력이 발생하여 양항비가 우수하다는 점과


복합소재의 적극적인 사용과 높은 연료 탑재량에 기인하여 Fuel fraction이 크다는 점과 서로 결부되어 A400M이 긴 행동반경과 항속거리를 갖게하는 중요한 요인이다.


 우수한 기동성


 2015년 6월에 프랑스 파리 에어쇼에서 A400M 수송기의 저고도 시험 비행을 관람한 바 있다. 


A400M이 낮은 고도에서 보여준 예상 외의 높은 기동성에 깊은 인상을 받은 바 있다.


A400M이 당시 보여준 비행은 마치 가벼운 비행기라는 착각을 잠시하게 만들 정도였다.


 이러한 경험을 영국 조종사에게 이야기하니 그는 A400M의 우수한 저고도 기동 성능은 전술한 바와 같은 고양력 설계(고받음각, 추가 양력 등)와 높은 비행임계영역(받음각 한계 60도, 뱅크각 한계 120도),


높은 추력 중량비, 그리고 조종면의 기민한 반응성에 기인하는 것이라고 대답하였다.


실제로 파리 에어쇼에서 A400M은 기수를 틀어서 방향을 전환할 때 놀라울 정도로 좁은 선회를 하였는데,


60도에 가까운 높은 받음각과 120도의 뱅크각에서도 정밀하고 강인한 조종면 제어가 가능한 디지털 FBW 덕분이었다.


항공기의 익면하중이 높아서 임계영역 근처에서도 비행제어체계의 요구되는 제어 성능은 그리 높은 편은 아닌데,


A400M의 경우에는 이러한 요구 성능보다 더욱 강인한 비행제어가 가능한 FBW를 통합함으로써


임계 받음각 근처에서도 비교적 여유있는 비행제어가 가능한 것이다.


높은 받음각과 주익 상부의 기류 에너지 추가 공급을 위한 설계로 비교적 낮은 속력에서


큰 구심력을 형성하기 때문에 지난 파리 에어쇼에서 보여준 것과 같이 높은 익면하중에도 불구하고 좁은 선회가 가능한 것이다.




  

2018년 11월13일 22시15분  

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