카나드
1. 개요
[image]
'''사진에서 주날개 앞에 붙어있는 날개가 바로 카나드다. 사진의 전투기는 JAS 39그리펜 전투기.'''
카나드(Canard)는 항공기의 주날개 앞쪽에 붙는 작은 날개를 말한다. 순 우리말로는 귀날개라 부르며 전방날개나 선미익(앞에 있는 꼬리날개)라고 부르기도 한다.
1.1. 카나드의 탄생
카나드는 본래 프랑스말에서 오리를 뜻하는 단어이며(불어로는 '까나흐'에 가까운 발음이 된다) 왜 이렇게 이름이 붙었는지는 정확하지 않다. 오리머리 뒤쪽에 있는 깃털과 같다는 말도 있고, 유럽에서 최초로 동력비행에 성공한 항공기인 Santos-Dumont 14-bis(프랑스의 뒤몽(Dumont)이 만든 카나드를 가지고 있는 항공기인데 마치 거대한 오리처럼 생겼다)에서 유래되었다는 말도 있다.
현대의 항공기에서는 일부 전투기나 레포츠용 경비행기 이외에는 이 카나드를 사용하는 경우를 보기 힘든데, 사실은 매우 유서 깊은 물건이다. 라이트 형제의 플라이어1호나 저 Santos-Dumont 14-bis도 이 카나드를 사용한 항공기다.[1].
사실 라이트형제 이전에 개발된 항공기들(글라이더나 혹은 동력비행에 실패한 항공기들)은 새의 형상을 본땄기 때문에 보통은 주날개가 앞에 있고 꼬리날개가 뒤에 있었다. 그러나 라이트형제는 이를 뒤집어서 앞쪽에 작은날개(즉 카나드)를 두고, 뒤쪽에 주날개를 두는 방식을 택했는데 이는 글라이더 개발에 지대한 공헌을 한 오토 릴리엔탈의 죽음과 관계가 있다. 오토 릴리엔탈은 다양한 글라이더를 개발했고, 그와 관련된 서적들도 많이 내면서 비행 및 조종에 대한 이론을 정립했다. 라이트 형제는 DIY 수준으로, 정말 취미로 어쩌다 날잡아서 비행기를 만들던 상황인지라 오토 릴리엔탈의 책이나 행보에 많은 관심을 가졌다. 그러던 어느날 오토 릴리엔탈이 자신이 만든 글라이더를 타고 비행하던 도중 돌풍에 휘말려 추락, 사망하는 사고가 발생했다. 물론 안전장치가 없던 당시에는 이런 추락사고에서 몸성하기 쉽지 않았으나, 특히 문제가 되었던 것은 릴리엔탈이 말 그대로 맨 땅에 헤딩하는 상황으로 추락했기 때문. 릴리엔탈의 글라이더는 조종사 앞쪽에 별다른 구조물이 없었기 때문에 땅으로 추락하면 조종사가 제일 먼저 땅에 부딪히게 된다.[2]
그래서 라이트 형제는 일부러 '꼬리날개'를 '머리'에 붙여서 조종사 앞쪽에 구조물을 둔 것이다. 만에 하나 비행 중 추락해도 이 부분이 부서지면서 조금이나마 충격을 흡수할 수 있도록. 더불어 항공기를 움직이는 조종면이 조종사 앞쪽에 있다 보니 정말 조종면이 잘 움직이고 있는지 눈으로 직접 확인 할 수 있었다는 장점도 있다.[3]
그런데 사실....이 라이트 형제의 항공기는 날개의 위치와 무게중심을 제대로 못맞췄던지라 꽤나 불안정 했다. 무게중심이 좀 뒤쪽에 있는 편이었던 데다가 앞쪽에 날개가 있다 보니 돌풍이 불면 기수가 위로 휙 올라가려 했다[4].
그러다 보니 카나드는 항공기를 불안정하게 만든다는 인식이 생겼다. 사실 카나드 자체만 놓고 보면 기수를 위로 들어올리려는 문제가 있긴 하지만, 무게중심과 주날개의 위치를 잘 선정하면 이런 문제는 없어진다. 그래도 사람들 머리속에 한 번 박히기 시작한 안좋은 인상은 오래 가는법. 게다가 왕복엔진을 사용하는 프로펠러 항공기들은 엔진을 앞쪽에 두기 시작하다 보니 카나드를 쓰기 더 안좋아졌다. 결국 이후 주날개는 앞쪽에, 작은 꼬리날개는 뒤쪽에 설치되는 우리가 아는 '일반적인 항공기'의 형상이 주류를 이루게 된다.
사실 왕복엔진 시절에도 일부 특이한 항공기를 좋아하는 개발자들이나 아니면 전투기 개발자들이 카나드를 사용하고 엔진을 뒤쪽에 배치한 전투기를 개발하곤 했다. [5] 혹은 엔진을 주날개 양쪽에 달고 기수 부분에 큰 카나드를 단 항공기도 등장했다. [6]. 그러나 이들 항공기들은 대부분 실험기 수준에서 머물렀으며, 실용화에 이르지 못했다. 푸셔방식 비행기는 익숙하지 않은 조종방식, 그리고 무게중심문제와 냉각문제가 걸렸다. 당시 비행기에서 가장 무거운 고정부품은 엔진이라 앞에 있는 게 낫고, 맞바람을 맞아야 엔진을 식히기도 좋기 때문. 현대에 와서도 냉각을 고려하는 문제, 그리고 조종면허를 따는 문제는 여전하다.
1.2. 초음속 시대
카나드가 다시 한 번 사람들의 눈에 들어온 것은 제트시대 부터였다. 프랑스의 Nord사는 1500그리폰이란 실험기가 제트항공기 중 최초로 카나드를 사용한 것으로 유명하다. 이 항공기는 조종석 바로 뒤의 아래쪽에 카나드가 달려있는데, 라이트 형제의 것과 달리 가동형이 아니라 고정형이다. 즉 어떤 조종을 위해서 장착된 것은 아니다.
항공기는 초음속으로 비행하면 기수가 점차 아래로 처지는 현상이 발생하는데 (이를 턱 언더(Tuck Under), 혹은 마하 턱(Mach Tuck)이라 부른다) 이것을 막기 위해 조종면을 조작하면 그만큼 조종면에서 항력이 발생한다. 결론적으로 항공기를 수평상태(트림 상태)를 유지하려다 보니 발생하는 항력, 즉 트림항력이 점차 늘어나게 된다.
1500그리폰은 기수를 드는 방향으로 힘을 만드는 작은 날개인 카나드를 설치하여 이 문제를 해결한 것이다. [7]
이러한 발상은 미국의 XB-70 발키리에서도 보이며, SR-71도 같은 이유로 초기에 기수에 카나드를 장착하는 방안을 고려한적도 있다. 잘 안알려진 사실이지만 러시아 역시 MiG-21의 앞쪽에 고정형 카나드를 단 개량형을 만들려 하였다(다만 이 MiG-21 개량형 개발 계획은 더 고성능인 MiG-23이 등장하면서 취소되었다).
1.3. 양력을 높여라
한편 스웨덴의 SAAB는 스웨덴 공군의 요구사항 때문에 고민중이었다. 공군에서 제법 대형인 신형 전투기를 겨우 500m이내의 활주로에서 이착륙을 하게 해달라고 한 것. 당시 웬만한 전투기들은 기체가 가벼운 상태에서도 이착륙거리가 700m는 나왔고 별로 무장을 안한 상태에서도 1000m가 넘는 전투기들도 종종 있었다.
결국 이륙거리를 짧게 하려면 느린 속도에서도 더 많은 양력을 만들어내야 하는데, 문제는 당시 SAAB가 주로 쓰던 '꼬리날개 없는 델타날개' 형태의 항공기는 이 부분에서 취약했다. 꼬리날개가 있는 항공기들은 주날개의 플랩을 내려서 양력을 크게 만들 수 있는데, 꼬리날개가 없는 항공기들은 이렇게 하면 양력이 늘어나는 대신에 기수를 아래로 푹 숙이게 된다. 즉 이륙을 할 수 없게되는 것이다[8]. 그런데 이런저런 연구를 해보니, 주날개 위쪽으로 주날개와 가까운 곳에 카나드를 달면 날개 전체에서 양력이 늘어나는 것을 알게 되었다.
그래서 SAAB는 신형 전투기의 주날개 앞쪽에 대형 카나드를 설치하였으며, 필요에 따라 양력의 양을 조절 할 수 있도록 카나드 뒤쪽은 상황에 따라 위아래로 움직이일 수 있게 만들었다. 이것이 바로 AJ37 비겐 전투기다.[9][10]
1.4. 카나드의 장단점
카나드는 앞쪽에 있으면 앞쪽에 있을 수록 항공기의 기수를 위로 들어올리기 좋다. 이 말은 조종사가 원할 때 빠르게 반응하도록 만들기 좋다는 말이다. 반대로 뒤쪽으로 옮겨서 주날개 근처에 두면 앞서의 AJ37의 경우와 마찬가지로 추가적인 양력을 만들어내게 할 수 있다.
설계자들은 각자의 개발목적에 맞게 카나드의 위치를 선정했다.
이를테면 유로파이터 EF-2000은 카나드를 꽤 앞쪽에 두었다. 이것은 양력발생 보다는 주로 조종성 향상을 위한 설계이다. [11]
반대로 라팔의 경우에는 카나드가 꽤나 주날개와 붙어 있으며 크기도 상대적으로 작다. 이것은 카나드 그 자체가 조종면으로서 작용한다기 보다는(물론 아에 안한다는 것은 아니지만) 뒤에 있는 주날개에 간섭을 주어 주날개의 양력 발생량을 조절하는 역할을 하는 경향이 강하다.
이외에도 제법 많은 현대의 전투기들(JAS 39 그리펜, J-10)들이 카나드를 사용하고 있다.
반면 미국은 카나드에 대해 꽤나 인색하다. 미국은 예전부터 주날개-꼬리날개 형상을 선호하였기 때문에 굳이 카나드의 필요성을 못느꼈다. 오죽하면 '''"카나드를 다는 가장 좋은 곳은 다른 비행기이다"'''라는 말까지 나올 정도.[12] 물론 미국은 카나드를 사용한 실험기는 제법 만들었다. 맥도넬 더글라스에서 F-4 팬텀 1대를 개조하여 카나드를 달 경우 기체의 전반적인 성능이 향상되는 것을 확인하였다. NASA역시 F-15에 카나드를 달아서 성능 향상을 확인하였으며 [13], X-29나 X-31도 카나드를 사용했다. 심지어 JSF(현재 F-35의 개발계획)의 전신인 JAST 계획 당시 록히드 마틴은 카나드를 가지고 있는 스텔스기를 제안하기도 했다.[14]
그럼에도 미국이 끝끝내 카나드를 채용한 제식 기체를 제작하지 않은 이유는 무엇일까? 물론 카나드를 쓰면 성능이 향상되는 것은 사실이지만, 굳이 그런걸 붙이지 않고서도 충분히 원하는 성능을 낼 수 있다는 것이 그 이유이다. 애시당초 주날개-꼬리날개 형상에 플랩을 사용하므로 웬만해서는 짧은 거리에서 이착륙을 하거나 주날개의 양력을 크게 만드는데에 문제가 없었으며, 기동성 향상도 추력 편향 노즐을 사용하게 되면서 부터 굳이 카나드에 의존해야할 필요성이 없어졌다. 그리고 미국이 스텔스를 굉장히 중요시 여기는 것도 한몫 하였다. 카나드는 주익과 따로 놀고, 형상이 자주 바뀌는 부분이기 때문에 레이더 반사 면적에는 악영향을 끼치게 된다.[15][16]
그리고 마지막으로, 미국이 충분한 추력을 내는 대형 엔진을 가지고 있기 때문이다. 필요하면 대추력 엔진을 두 개 붙여서 큰 전투기를 만들어 날리면 된다. 표창이 됐든 다리미가 됐든 엔진만 강력하고 연료통 넉넉하면 일단 하늘을 난다. 작은 기체에 힘약한 엔진을 가지고 어떻게든 요구사양을 구현하려고 당시로선 격투전에 취약하다고 여겨진 델타익+카나드 디자인을 쓸 필요가 없는 것이다. 델타익+카나드 디자인이 쓰이는 이유가 엔진추력은 작은데[17] 그걸로 이륙거리가 짧고, 초음속에 항공기 요격에 중거리 공대공 전투까지 가능한 전투기를 만들어야 했기 때문이다. 물론 기체 크기를 F-16보다 약간 큰 수준으로 억제하면서 엔진을 두 개를 붙여 기체 크기 대비 추력을 매우 크게 만드는 뭔가 옛날 독일스러운 항공기 설계 방법을 적용하고 거기에 주날개의 각도를 줄임으로서 안정성을 악화시킨다던가 항공기 제어나 다른 신기술이나 기법을 통해 운동성을 좋게 만들 수는 있지만 그걸 전통적인 주날개-꼬리날개-수직꼬리날개 방식에 적용하면 더 좋은 결과를 낼 수 있는데 굳이 할 필요가 없다.
그나마 미군 항공기중에 카나드 비슷한 것을 달고 있는 것이 B-1 랜서 폭격기. 기수 부분에 꼭 메기수염 비슷한 작은 카나드를 달고 있는데 이것은 조종성 향상이나 양력증가 같은 목적이 아니라 진동억제를 위해 달아 놓았다. B-1은 개발 당시에 초저고도 고속 침투를 목적으로 개발되었는데, 항공기가 이렇게 저고도/고속 비행을 하면 돌풍에 의해 심한 진동을 겪는 경우가 종종있다. 이런 진동은 타고 있는 조종사도 죽을 맛이고(특히 B-1은 장거리 폭격기인 만큼 장시간 저고도로 비행해야 한다) 탑재된 장비들에게도 좋을 턱이 없다. 그래서 B-1에는 기수부근에 탑재된 센서가 진동을 감지하면 이 작은 카나드를 수시로 움직여서 그 진동을 상쇄하는 힘을 만들어낸다. 참고로 B-1 관련 자료에서 이 부분의 호칭으로 카나드 보다는 베인(vane)이란 표현을 더 자주 쓴다.
러시아 역시 같은 이유로 카나드를 거의 쓰지 않고는 있지만, 그래도 워낙에 짧은거리에서 이착륙해야 하는 함재기인 Su-33이나, 중량이 크게 늘어났음에도 야전 활주로에서도 운용이 가능해야 하는 Su-34의 경우에는 베이스 모델인 Su-27와 달리 작은 카나드를 추가로 달았다. 또한 러시아는 해외수출형인 Su-30에도 옵션 형태로 카나드 장착버전을 제공하고 있다. 한편 원래 카나드를 장착했던 Su-35의 경우에는 정작 러시아 공군용 버전인 Su-35BM에 이르러 카나드를 빼버렸다. 중량이 늘어나는 것을 감안하면 이 일반 전투기 버전에선 굳이 카나드를 쓸 필요가 없었다는 것이다.
결론적으로 스텔스기가 아니라면야 카나드는 반드시 필요한 것도, 그렇다고 쓸모 없는 것도 아니라 개발자들의 취향과 개발목적에 따라 쓰거나 혹은 버리는 물건이다.
1.5. 카나드 현황
카나드를 탑재한 항공기의 디자인에 매력을 느끼는 사람이 많다. 그래서인지 항공기 자체의 성능보다는 항공기의 디자인을 더 따지는 레포츠용 경비행기에서는 카나드를 단 항공기가 제법 많다.
우리나라의 경우에도 한국항공우주연구원에서 외국의 경량항공기 제작사와 기술 협력을 통하여[18] 카나드-주날개 형태의 경량항공기인 반디호를 개발, 미국에 수출하기도 했다.
스페이스 쉽 원 처럼 독특한 항공기를 개발하는 것으로 유명한 항공기 개발자, 버트 루탄도 카나드 빠로 유명하다.
[1] 다만 라이트 형제는 자신들의 카나드를 'Rudder'라고 불렀다. 이 단어는 배의 '방향타'를 의미하는 말로 현재는 항공기의 수직꼬리날개에 붙어있는 방향타를 뜻하는 말이다[2] 릴리엔탈의 글라이더는 말이 글라이더이지 비행기 위나 안에 탑승하는 방식이 아니고, 사람이 새 날개를 달고 뒤에 꼬리 날개를 붙인 모양이었는데, 랜딩기어 대신 두 발로 딛고 서는, 새 모형에 사람을 끼워 넣은 것 같은 방식이었다. 동체 안에 들어간 상반신 일부를 제외하면 몸이 그대로 드러나므로 떨어지면 무사할 수가 없었다. 그는 생전에 The Birdman, Flying man으로 불렸다.[3] 이후의 비행기 방향타처럼 날개 일부분에 힌지로 붙인 달린 작은 날개를 움직이는 방식이 아니라, 날개 끝에 연결된 와이어를 조종간에 달아 말 그대로 막대 모양인 조종간을 기울이면 날개 끝이 비틀리는 방식이었다.[4] 요즈음 일부 전투기들은 기동성을 높이려고 일부러 이런 식으로 만드는데, 가만히 놔두면 기수가 점점 들리다가 결국 실속에 이르기 때문에 보통 컴퓨터로 제어해서 이를 막는다. 그러나 컴퓨터는 커녕 전자식 계산기도 없던 시절의 라이트 형제는 동력비행에 앞서 비슷한 형상의 글라이더로 끊임 없이 비행훈련을 해서 이 문제를 극복했다. 결과적으로 기수가 들리거나 하려면 계속 조종간을 조금씩 움직여서 이를 막았던 것. 진정한 근성가이들이다.[5] 미국은 XP-55어센더를 개발했고 일본은 전쟁 끝나갈 무렵 J7W 신덴을 개발했다.[6] 영국의 마일즈 항공이 개발한 M.35. 원래 계획된 크기의 3/5 사이즈의 실험기만 제작됨[7] 그런데 정작 그리폰은 시제기만 만들어진채 GG...엔진을 초음속에 최적화된 터보램제트엔진 (SR-71에 쓰는것과 같은 방식)을 사용했는데 이게 꽤나 말썽이었다. 결국 1500그리폰은 좀 더 평범한 제트엔진을 사용하는 다쏘사의 미라지III에게 프랑스의 차세대 전투기 자리를 내어고 만다.[8] 꼬리날개가 있는 항공기들은 기수가 숙여지려는 것을 꼬리날개로 막으니까 플랩을 사용하는 것이 가능하다.[9] 단, 비겐의 카나드 가동부는 아래로만 꺾인다. 요즈음의 전투기들 카나드는 조종목적을 겸하지만 비겐의 카나드는 양력을 높이는 역할에만 중점을 두었기 때문. 그래서 조종사의 조종간과 연동되어 움직이는 것도 아니고, 플랩처럼 그냥 아래로만 일정 각도로 꺾인다. 카나드 없는 J35시절에도 잘만 날았다.[10] 이 외에도 비겐은 전투기 중에 유이하게 착륙시 속도를 줄이기 위한 역추진 장치를 달고 있다. 심지어 AJ37은 에어쇼 같은데서 역추진 장치로 지상에서 후진하는 퍼포먼스를 보이기도 할 정도...또 다른 역추진 장치를 단 전투기는 마찬가지로 어마무지 짧은 거리에서 활주로이착륙을 하도록 강요 받은 토네이도 전폭기다.[11] 물론 양력증가 효과가 없다는 것은 아니며, 또한 유로파이터는 카나드 말고도 일반적인 꼬리없는 델타날개 항공기 처럼 날개 뒤쪽에 있는 엘레본이란 조종면을 함께 사용하여 기수를 들거나 숙이거나 하는 것을 조절한다.[12] 추력편향노즐을 더 선호한다.[13] 무려 이때 쓴 카나드는 F/A-18 호넷의 수평꼬리날개를 그대로 가져다 붙인 것이었다(!!!!)[14] 여담으로 비행고등학교에 관련 에피소드가 있다.[15] 여담으로 J-20의 스텔스 성능이 의심을 받는 이유중 하나가 이 카나드다. Su-27과 맞먹는 거구를 가진 주제에 카나드 설계를 했으니 형상 스텔스가 좋아봐야 얼마나 좋겠냐는 소리.[16] 일단 러시아와 중국 같은 동구권 개발 스텔스기에서 수호이 T-50을 제외하면 모두 카나드를 장착하고 있다. MIG-1.44와 Su-47, J-20 모두 카나드가 있다. 한국에서 개발중인 스텔스기인 KF-X 설계에도 카나드 버전이 있으며 SAAB가 설계한 스텔스기들에도 카나드는 공통적으로 나타난다. 심지어 현재 F-35가 된 X-35역시 초기 설계안중엔 카나드형이 고려되었던 것으로 알려져있다. 이를 토대로 카나드를 옹호하는 의견도 있긴 한데, 카나드가 스텔스성에 악영향을 미치는건 엄연한 사실이기에 스탤스기에 카나드 쓰는것이 일반적으로 추천할만한 설계가 아니라는점은 확실하다. 결론적으로 저 카나드 달린 설계들은 현실에서 거의 다 퇴짜맞았다. 현실에서 제대로 된 양산계획을 가지고 개발되는 카나드익 설계 스텔스기는 현재 J-20이 유일하고 이마저도 카나드 때문에 스텔스 성능을 의심받는 지경이다. 또한 러시아가 카나드익이 있는 Su-47을 기술실증기로 만들어보고 난 다음에 채택한 설계가 카나드익 없는 T-50이라는것은 시사하는 바가 많다.[17] 현재까지 J-20을 제외하면 델타익+카나드 디자인을 쓴 항공기 가운데 엔진추력이 가장 강한게 22000파운드 수준 밖에 안된다.[18] 벨로시티 항공사에서 만든 '벨로시티'라는 경비행기의 동체를 그대로 쓰고 주날개 및 꼬리날개 등은 우리나라에서 성능 향상을 위하여 싹 재설계했다.