F-15/설계
1. F-15 시제 계획
1.1. NA-335
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1.1.1. 제원
승무원: 1, 2
길이: 18.7m
날개폭: 14m
높이: 5.5m
날개 면적: 653ft² (60.7m²)
총중량: 39,222lb (17,791kg)
엔진 : F100-PW-100 터보팬 엔진 2기
1.2. 페어차일드 F-X
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1.2.1. 제원
승무원: 1, 2
길이: 19.9m
날개폭: 11.9m
높이: 6.15m
날개 면적: 527ft² (49.0m²)
총중량: 39,750lb (18,031kg)
엔진 : F100-PW-100 터보팬 엔진 2기
2. F-15 설계 특징
2.1. 동체
어찌보면 상당히 심플한 형상. 큰 레이더를 넣어야 하니까 전방동체, 즉 기수부분은 크고 둥글고, 사각형인 공기흡입구가 이러한 전방동체 뒤에 붙어 있는 형상이다. 후방동체는 엔진 형태에 맞춰서 설계되어있다. 하지만 이 심플한 형상은 그냥 막 나온것이 아니라 엄청난 실험과 재설계의 결과에서 나온 것이다.
기수부분의 형상은 처음에는 공간효율등을 위해 좀 더 아랫면이 각이진 형태가 될 예정이었다. 그러나 이 이 각진 부분에서 발생하는 안좋은 공기흐름(후류)가 급기동시 공기흡입구로 빨려들어가 문제를 일으키는 것을 발견하였고, 이후 재설계를 거듭하여 현재의 형상을 갖게 되었다. 사실 F-15의 기수부분은 그 단면이 완전히 둥그런 형상이 아니라 아랫면이 약간 좁은 형상이다.
후방동체는 더 독특하다. 수평꼬리날개가 엔진보다도 훨씬 뒤에 위치하도록 일종의 동체 연장부(boom)에 수평/수직꼬리날개가 연결되어있다. 이는 무거운 엔진이 가급적 무게중심에 가깝게 배치되도록 하는 한편, 수평꼬리날개를 최대한 무게중심 뒤쪽에 놓아서 수평꼬리날개의 효율을 좋게 하기 위해서다.[1]
또한 엔진과 엔진 사이는 최대한 가깝게 붙여 놨는데, 이는 항력을 최대한 줄이기 위해서다.[2] 거의 동시기에 엔진과 엔진을 최대한 멀리 떨어트려서 이 부분에서 발생하는 추가적인 양력의 잇점을 얻고, 한쪽 엔진 피격시 발생하는 화염이나 파편피해로 부터 나머지 엔진을 지키려던 F-14와는 매우 대조적이다. 처음 개발되던 형상은 후방동체의 항력이 생각보다 커서 실 기체를 만들기 직전에 현재의 형상으로 전면 재수정하였다.
그런데 결과적으로 MiG-25와 비슷한 모양이 되었다.
2.2. 공기흡입구
비슷한 시기 개발된 F-14와 F-15의 공기흡입구는 생긴것도 매우 비슷해보이지만, F-15의 공기흡입구는 결정적으로 자세에 따라서도 움직인다는 점이 다르다. 본래 마하 2.0 이상의 고속비행에 적합한 엔진을 만들려면 엔진의 벽면등이 움직이는 가변형 공기흡입구를 써야 한다. 사실 이러한 가변형 공기흡입구는 한세대 이전의 F-4 등에도 썼던 기술이므로 그리 놀라울 것이 없다. 허나 F-15는 속도 뿐만 아니라 자세, 더 정확히는 받음각에 따라서도 공기흡입구가 변한다. 쉽게 말해 급기동으로 인해 공기가 항공기 입장에서 아랫면에서 불어오는 형태가 되면 공기흡입구도 아래로 숙여서 공기흐름이 공기흡입구로 좀 더 부드럽게 들어오도록 해준다.
사실 개발 초기에는 엔진출력이 약한 경우, 특히 저속 비행시 공기흡입구로 완전히 빨려들어가지 않고 '넘처 흐른' 공기가 공기흡입구와 동체 옆면을 타고 동체 위로 흘러가는 소용돌이 흐름을 만들었다. 이 소용돌이 흐름은 날개 주변의 공기흐름을 영 좋지 않게 흐트러뜨려서 F-15 설계자들이 이 현상을 막으려고 공기흡입구 위쪽에 일종의 벽(fence)을 세워서 공기흐름이 옆면을 타고 위로 흘러들어오지 못하도록 하는 방안도 연구했다. 그러나 생각보다 별 효용성이 없었는지 현재는 그대로 사용 중.[3]
공기흡입구가 워낙에 커서 이것이 아래로 숙여져있는지, 위로 올라가있는지에 따라 항공기의 반응성도 약간 달라진다. 이것이 아래로 숙여져있을 경우 그 빗면을 따라 약간 아래로 누르는 힘이 발생, F-15의 기수를 아래로 누르려는 힘을 만든다. 이는 항공기를 안정적으로 만드는 효과가 있기 때문에 수평꼬리날개의 부담을 좀 덜어주는 역할을 한다.
이 말이 와전되어서 공기흡입구의 움직임에 따라 F-15의 기동성이 더 좋아진다고 잘못 알려지기도 하는데, 실제 실험결과에 따르면 기수 숙임등에 대한 힘은 변할 지언정, 정작 기동성에 영향을 주는 양력에는 별 다른 영향을 주지 못한다.
이러한 가동식(F-14와 같은 형태도 포함) 공기흡입구는 아음속과 초음속 모두 엔진 효율을 유지하기 위함인데 아무래도 레이더 반사면적 감소에는 도움이 되지 않는다. 때문에 나중에 등장한 스텔스 전투기인 F-22나 F-35의 공기흡입구는 고정식이다.
2.3. 주날개
후퇴각 45도. 가로세로비 3:2. 상당히 심플한 형태다. 날개면적이 기존 F-4 등에 비해 상당히 큰 편인데 이는 베트남전에서 겪어본 뒤로 초음속 비행성능 보다는 천음속 영역에서의 도그 파이팅 성능을 훨씬 높이기 위해서다. 물론 초음속 비행시 항력이 커지긴 하지만 뭐 그거야 쩔어주는 추력으로 때우고...
주날개의 전체적인 형상은 후퇴익과 더불어 현대 전투기 주날개 설계의 주류인 델타익이 되고 있다. 이는 후대의 F-16과도 공통되는 부분이지만, F-16의 그것과는 세부적인 형상이 상당히 다른 편이며 따라서 공력특성에도 다소 차이가 있다. F-15와 F-16에 채용된 이 델타익 형상의 주날개는 상당히 높은 평가를 받았으며, 이후 F-22와 F-35가 채용한 다이아몬드익 역시 이 델타익을 기반으로 스텔스 성능의 향상을 위한 개량을 가한 결과 탄생한 것이라고 한다.
처음 F-15의 주익 설계 방안에서는 날개를 좀 더 좌우폭이 좁게 하는 대신(가로세로비 2.5 수준) 날개 앞전에 기동용 플랩을 달려고 했다. 그리고 수 백가지 조합의 날개에 대해 직접 풍동실험을해가며 최적화한 형태는 현재의 가로세로비가 큰 대신 기동플랩이 없는 형상. 가로세로비가 더 커졌기 때문에 항력대비 양력(양항비)가 좋아져서 장시간 비행/장거리 체공에 유리해졌다. 물론 기동플랩을 쓰는 쪽이 몇 가지 더 유리한면이 있지만 이 경우 날개가 더 짧다보니.... 게다가 결정적으로 기동플랩을 안쓰는 편이 훨씬 단순하고 값싸게 만들 수 있었다. '그렇다면 가로세로비도 3.0정도로 하고 기동플랩도 같이 쓰면 더 뛰어난 성능을 얻지 않았을까?'라고 할 수 있겠지만 세상만사 어디 그리 쉬운가. F-15는 개발단계에서 높은 추력대비 중량을 얻기 위해 중량에 대한 제약이 심했기 때문에[4] 그렇게 할 경우 무게가 훨씬 늘어날 수 밖에 없다. 가로세로비를 키워 날개의 좌우폭이 넓어지면 동일한 양력을 만들어도 날개 뿌리에 더 많은 힘이 걸리기 때문. 한쪽만 고정된 막대기에 동일한 힘이 가해진다고 생각할 때, 긴 막대기와 짧은 막대기를 비교하면 긴 막대기가 더 많이 휘는 것과 같은 이치다.[5]. 실제로 이 부분이 문제되어서 F-15의 날개 좌우 끝쪽은 완전히 직선이 아니라 뒤쪽이 마치 약간 잘려나간 형태다. 개발 과정에서 날개에 걸리는 힘이 너무 커서 이 부분의 면적을 약간 줄여서 날개 뿌리에 가해지는 힘을 줄인 것.
날개 뒤쪽라인은 플랩부분만 직선인데 이는 플랩의 효율을 높이기 위해서다. 다만 이 플랩은 급기동시에는 못쓰는데, 애당초 기동용으로 만든게 아니라 이착륙용으로만 만든 것이라서 아래로 펼칠 수 있는 한계 속도가 250노트 수준 밖에 안된다.
주날개 뿌리 앞쪽에는 기관포가 들어가있는 페어링이 있는데, F-16이나 F/A-18에 있는 스트레이크와 달리 주날개의 실속을 막는다거나 하는 역할은 못한다. 페어링 자체가 워낙 작은데다가 실속을 억제하려면 날카롭고 얇은 형태여야 하지만 이건 두껍고 작은 페어링이다 보니.. 하지만 높은 받음각에서는 이곳에서도 소용돌이 흐름이 생기는데 스트레이크와 달리 주날개에 별로 좋은 영향은 못주고 되려 주변 흐름을 흐뜨러트리기도 한다. 뭐 그렇다고 성능에 큰 영향을 줄 정도는 아니라는 듯.
현대 전투기의 거의 트렌드라고 할 수 있는 천음속에서 큰 효율을 보이는 후퇴각 및 종횡비, 큰 익면적의 삼각날개가 주류가 되게한 1등 공신 중 하나다. 물론 이게 F-15만의 업적은 아니지만...
2.4. 수평 안정판
최초 개념안은 지금의 꼬리날개와 달리 날개 측면이 일직선이었다. 그러나 개발과정에서 수평꼬리날개에 심각한 진동 현상(플러터)가 발생하는 것을 발견하였다. 개발 전에는 이러한 일이 없을 것이라고 예상하였으나 당시 컴퓨터의 한계로 인하여 정확한 예측이 어려웠던 것. 일반적인 항공기들이 두꺼운 동체에 수평꼬리날개가 달리는 것과 달리 F-15는 붐에 수평꼬리날개와 수직꼬리날개가 함께 달려있다보니 이 상대적으로 가는 붐 구조물과 수평/수직꼬리날개가 상호작용을 해서 예상치 못한 진동문제가 생긴 것이다. 최악의 경우 수평꼬리날개가 파괴될 수도 있어서 설계자들은 수평꼬리날개 끝에 무게추를 약간 다는 것을 검토하였고, 실제로 최초 제작된 프로토타입 몇대는 이렇게 제작되고 있었다. 그러나 실험과정에서 수평꼬리날개 앞전 일부를 덜어내서 톱날모양(Saw tooth)형태로 설계하면 수평꼬리날개의 탄성 특성 및 공력 특성이 바뀌어서 문제시 되었던 진동 현상이 생기지 않는다는 것을 확인하였다. 그러나 이미 제작에 들어간 수평꼬리날개를 바꿀 수 없어서 초기 제작된 프로토타입들은 그냥 무게추를 달았고, 이후 양산된 모델들은 무게추를 다는 대신 톱날모양으로 만들어 무게를 도리어 줄이면서도 진동문제를 해결할 수 있었다.
2.5. 수직 안정판
F-15의 수직꼬리날개는 이전 세대의 전투기들과 비교하면 유독 큰 편이다. 이는 항공기가 급기동을 하는 높은 받음각 상황에서도 동체나 주날개등이 만드는 후류에 수직꼬리날개 전체가 잠기지 않도록 하기 위해서이고 이러한 설계는 F-15 이후의 전투기 설계에서 주류로 정착되었다. 본래는 지금보다 수직꼬리날개가 더 작은 대신, F-14나 F-16처럼 수직꼬리날개 반대면 아래쪽에 벤트럴 핀(Ventral fin, 배지느러미)를 달 예정이었다. 그러나 이 복잡한 형상탓에 항력이 엄청 늘어나는 것을 발견, 결국 현재와 같은 형상으로 개발되었다. 물론 벤트럴 핀을 다는 편이 좀 더 급기동시 좌우로 기수가 틀어지는 것을 막아주지만(즉 방향안정성이 좋아지지만) 그것을 위해 짊어져야하는 항력이 매우 크다보니.. 개발 과정에서 매우 크게 바뀐 부분 중 하나다. 수직꼬리날개 끝에는 일종의 진동방지용 무게추역할을 겸하는 ECM 안테나가 달려있다.
2.6. 비행 시스템
기본적으로 조종간을 움직이면 조종간에 연결된 유압장치가 에일러론이나 방향타, 승강타 등의 조종면에 연결된 유압밸브를 다시 여닫는 기계식 비행시스템이다. 그러나 완전한 기계식은 아니며 여기에는 조종사의 조종간 움직임을 보정해주는 아날로그식(F-15E부터는 디지털 식) 컴퓨터가 붙어있다. 이것은 플라이 바이 와이어의 전단계쯤 되는 방식으로 조종성 증대 장치(CAS)라고 부른다. 조종사가 +10만큼 입력하면 기계적으로 +10이 전달되지만 중간에 컴퓨터가 항공기의 속도, 자세 등을 측정하여 거기에 +, 혹은 -로 입력값을 더해줘서 최종적으로 조종면이 더 움직이거나, 혹은 덜 움직이게 할 수 있다. 다만 플라이 바이 와이어처럼 전적으로 컴퓨터에 맡기는 방식이 아니라 어디까지나 컴퓨터가 사람의 조종입력을 보조하는 수준. 이는 아직 컴퓨터를 이용한 조종방식이 완벽한 신뢰를 얻기 전이었기 때문이다. 비행제어 컴퓨터는 독립적인 컴퓨터가 2대가 들어가며, 하나가 망가져도 남은 한쪽이 계속 제어를 돕는다.
조종면은 전통적인 형태로 에일러론, 승강타 역할을 겸하는 수평꼬리날개, 그리고 수직꼬리날개에 붙어있는 방향타다. 조종사가 좌, 우로 조종간을 움직이면 에일러론 뿐만 아니라 수평꼬리날개도 함께 움직여서 항공기를 좌우로 기울이는 구조다. 다만 고속에서도 이렇게 하면 사람이 감당할 수 없을 정도로 빠르게 좌우로 기울이는 기동(롤 기동)을 하게 되므로 속도에 따라 수평꼬리날개가 함께 움직이는 각도가 다르다.
2.7. 기타 시스템
조종석은 평범하며, 아직 다목적시현장비(MPD)가 없던 시절이라 조종사가 일일히 레이더와 항법장비를 각각의 버튼으로 조작하는 방식이어서 지금 기준으론 좀 불편하다(E형 이전 까지에 한정)[6] 그래도 F-4에 비하면 훨씬 조작이 간단해짐에 따라 조종사 혼자서도 충분히 레이더 조작과 조종을 함께 할 수 있다.
캐노피는 강화유리 없이 스트레치드 아크릴만으로 제작되었다. 그래서 F-4나 F-14에 비하면 전방 방풍창 부분이 훨씬 단순한 프레임으로만 구성되어 있으며, 조종사의 시야가 한층 훤해졌다. 종전 F-4등에 비하면 캐노피가 훨씬 볼록 튀어나왔는데 이는 두말 할 것도 없이 조종사의 시야 확보를 위해. 베트남전의 교훈에 따라 레이더와 미사일로 싸우는 시대가 왔다고는 해도 언제 어떻게 도그파이팅에 빠질 지 알 수 없으므로 조종사의 시야확보는 중요하기 때문이다.
HUD의 경우 A~D의 경우엔 좁은 HUD를 썼지만 E형이후부터는 대형 HUD를 장비하고 있다. 특히 F-15K계열(F-15K, F-15SG등)의 경우에는 JHMCS(HMD)를 이용하여 사실상 HUD의 한계를 뛰어넘었다.
2.8. Conformal Fuel Tank (CFT)
지금은 F-15E를 상징하는 존재가 되었지만 사실 F-15용 CFT의 역사는 F-15E보다 오래되었다.
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처음에는 '패스트팩(FAST Pack)'이라 하여 단순한 연료탱크 이외에도 정찰장비 내장형, 전자전장비 내장, 타게팅포드 내장, 버디급유기능, 건포드 등등 다양한 용도를 염두에 두고 개발되었다. 그러다가 결국엔 연료탱크 겸 무장 장착용 하드포인트 추가형만 살아남은 것. 상기 그림의 'Weapon' 항목만 남은 셈.
처음으로 실전 배치된 F-15용 CFT는 C/D형용 공대공 임무 전용으로 제작되었다. 무장장착 하드포인트는 중거리 공대공 미사일 런처가 아랫쪽에 앞뒤로 하나씩만 있다.
이 CFT는 미공군에서는 좀처럼 쓰는 모습을 보기가 힘들다. 예외적으로 과거 아이슬란드에 배치되었던 제 57 전투요격비행대(57th FIS)의 경우 이 CFT를 고정 장착하여 운용했다.
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제 57 전투요격비행대 소속 F-15C
미군의 사용이 뜸한 건 공중급유기의 지원이 원활한데다 후술할 항력 문제로 인한 기동성 저하 때문으로 보인다.
본가에서의 사용이 뜸한 반면, 오히려 이스라엘 공군이 이를 적극적으로 사용하고 있다. 이스라엘 공군은 F-15E의 개량형인 I형을 도입한 이후에도 기존의 D형을 장거리 공대지 미사일의 플랫폼으로 곧잘 활용하고 있는데, 이 경우 반드시라고 해도 좋을 정도로 CFT를 부착하고 있다.
F-15E가 개발되면서 우리에게 익숙한 '폭탄 주렁주렁 달린 CFT'가 등장한다. F-15E용 CFT는 아랫쪽과 옆부분에 합계 6군데의 하드포인트를 갖고 있다. 아랫쪽 하드포인트에는 스패로우, 암람 등의 중거리 공대공 미사일도 장착할 수 있어서 미 공군의 F-15E는 이라크 침공 이후 공대공 무장도 함께 하여 CAP(전투항공초계)와 CAS(근접항공지원)를 함께 수행한 적이 있다. 한국공군이 도입한 F-15K는 CAP 임무의 비중이 상당히 높다. 문제는 설계상 M61 기관포가 내장된 오른쪽이 더 무겁다는 것인데, 그 탓에 무장 장착에는 다소 제약이 가해진다.
F-15SE의 경우 FAST Pack 구상이 처음 나올 당시의 개념이었던 각종 장비의 내장을 내부무장창으로 확장하여 활용한 것이다. 채용은 불발이지만 F-15X/EX에서 다시 활용될 수 있다는 말이 있다.
일반적으로 F-15의 CFT는 항력 증가가 적어서 F-15의 비행성능에 큰 영향이 없다고 알려져 있지만, 실제로는 그렇지 않다고 한다. F-15E의 비행성능은 기존의 A~D형보다 강화된 엔진 출력에 의한 것인 셈이다.
[1] 항공기는 무게중심을 축으로 움직이는 지렛대와 같다. 수평꼬리날개에서 같은 힘이 발생하더라도 무게중심에서 멀면 더 모멘트를 만들어 기수를 들거나 내릴 수 있다.[2] 또한 롤 성능이 크게 개선된다.[3] 특히 받음각이 클 때 이렇게 익근부에서 발생하는 소용돌이는 항력 증가와 양력감소영향이 큰데 치명적인데 F/A-18의 경우 LEX와 펜스가 있다.[4] 높은 추중비는 물론 엔진추력이 받쳐줘야 하지만, 자체 중량도 줄여야 한다.[5] 좀 있어보이는 말로 표현하자면 모멘트 암(moment arm)이 길어짐에 따라 모멘트(moment)가 커진다. 혹은 약간 쉽게 표현하자면 같은 힘이 가해져도 지렛대의 길이가 더 길 수록 더 큰 힘이 걸리는 것과 같은 경우[6] 단, F-15E부터는 MPD가 달려있는 소위 말하는 글래스 칵핏이며(보조 아날로그 장치가 있긴 하지만 현재기준으로 봐도 상위권이다.) F-15SE정도 되면 100% 글래스칵핏이 되었다.