TVC
1. 개요
'''Thrust Vector Control'''라는 단어의 약어로, 비행체의 조종면에 부가적인 역할을 해주거나, 항공기의 실속같은 조종 불능 상황에서 기체의 방향을 제어 할 수 있도록 해주거나[1], 수직/단거리 이착륙 항공기 또는 조종면이 존재하지 않는 비행체에 사용되기도 한다.
이는 노즐 뿐만 아니라 엔진 자체의 방향을 바꾸는 것도 포함하며, 역시 틸트로터를 사용한 오스프리같은 항공기도 포함하게 된다.
공기중에서의 양력과 관련한 급기동과 관계 없이 공기가 거의 없거나, 혹은 아예 없는 우주 공간을 비행해야 하는 탄도미사일이나 우주 왕복선 등 진공 환경을 고려한 상황을 상정한 경우에도 추력 편향 노즐을 사용중이다.
사실 대기권내라면 추력 편향 노즐로 얻을 수 있는 힘 자체는 그리 큰 힘이라 말 할 수 없다. 항공기나 미사일은 기본적으로 선회시 날개에서 얻는 양력을 이용하는편이 더 효과적이다. 실제로 대기권내에서 이들 비행체는 날개 및 꼬리날개에서 얻는 양력으로 자세제어 및 선회를 한다.
그럼에도 전투기나 미사일에 추력 편향 노즐을 사용하는 것은 날개/꼬리 날개가 양력을 낼 수 없는 비행 구간, 즉 매우 높은 고고도나 혹은 아주 느린 저속에서도 힘을 낼 수 있으며, 기존 조종면과 동시에 이용할 경우 기동성을 크게 향상시킨다. 양력은 기본적으로 속도/공기밀도가 일정수준 이상 되어야 생기지만 엔진의 추력은 여기에 영향을 덜 받기 때문(제트 엔진도 연소 과정에서 산소가 필요한 만큼 영향을 받긴 한다).
자세 제어를 위한 꼬리 날개를 없애고, 추력 편향을 사용하면 무게 절감 효과가 크기 때문에 거의 모든 우주 비행용 발사체는 추력 편향 기능을 부착한다. 엔진이 한 단에 1개만 있는 경우는 보통 터빈 배기 노즐로 롤링을 해결한다.
달착륙선 하강단 및 아폴로 사령선도 추력 편향 기능을 부착했는데, 아폴로 사령선같은 경우는 목적이 대부분 기동성보단 추력 중심을 맞추기 위해 사용된다.
지구에서 달 착륙선의 비행을 재현하여 훈련하기 위해, Lunar landing research vehicle라는 기체가 제작되었는데, 엔진이 2축 짐벌에 고정되어 엔진이 기울어지며 달 착륙선의 기동을 재현하였다. 이쪽은 엔진은 자세 제어에 관여하지 않고 16개의 과산화수소 로켓이 자세를 조절한다.
실험기로는 X-31가 대표적으로 있었다. 목적이 추력편향 능력을 시험하기 위한 기체였다.
그래서 추력 편향 노즐을 사용하는 전투기들의 경우 실속 직전, 혹은 실속 이후에도 급기동이 가능하며,[2] 극단적인 경우를 예를 들자면 전통적인 방식으로 원을 그리며 선회할 필요 없이 고개방향만 바꾸어 적에게 미사일을 쏘는 것도 가능하다.
미사일 역시 발사 직후 아직 속도가 느린 상태에서는 날개를 제대로 쓰기 어려워서 기동성이 제한되는데, TVC 기술을 접목하면 발사 즉시, 아주 작은 선회 반경으로 급선회가 가능하기에 최신예 단거리 공대공 미사일은 상당수가 추력 편향 노즐을 사용중이다. 특히 러시아의 R-73 미사일이 등장하자, 이 미사일이 거의 발사 직후 방향을 바꾸는 데다가 헬멧 연동 조준 장치 덕분에 조준 조차도 빨라 전통적인 도그파이팅과 다른 양상으로 공중전이 벌어질 것을 직감한 서방의 군대들이 앞다퉈 신형이든 개량형이든 추력 편향 노즐을 달았다.
2. TVC 방식
2.1. 추력 편향 노즐
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F-22
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Su-37
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우주왕복선
'''T'''hrust '''V'''ectoring '''N'''ozzle
줄여서 TVN이라고도 부른다.
가동 노즐(Movable Nozzle)라고도 불리우며, 노즐 자체가 움직이는 방식으로, 제트 엔진이나 로켓 엔진처럼 연소 가스를 분사해서 추진력을 만드는 엔진에는 분사구인 노즐(Nozzle)이 달려있는데, 이 노즐의 분사 방향을 기계적으로 조절 가능하게 만들어 비행체의 조종면과는 별도로 비행 방향(혹은 자세)을 제어하는 모멘트 힘을 만들어 준다.
가장 직관적인 방식이지만 생각보다 제작하기 어려운데, 노즐이 이리저리 움직이면서도 한편으로는 고온/고압의 가스가 새어나가지 않도록 설계해야 하기 때문이다. 일반적으로 전투기들은 노즐이 기본적으로 속도나 엔진추력에 따라 조리개마냥 출구 면적을 조절할 수 있는 방식이긴 한데 이것을 좀 더 복잡하게 만들어 여러방향으로 노즐이 움직이게 만들 수 있다. 이 경우 이론상 상하좌우 모든 방향으로 움직이는 것이 가능하다. F-22는 2차원 노즐이라 하여 사각형 노즐의 위,아래만 움직일 수 있는 방식을 택한다. 물론 앞서의 조리개 방식 노즐을 응용하더라도 무조건 상하좌우 다 움직일 수 있는 것은 아니며 비용이나 효과등을 고려하여 상하로 움직이는 기능만 넣기도 한다.
로켓 엔진을 사용하는 미사일이나 우주 비행용 발사체는 조리개 형태의 노즐을 사용하지 않고, 그냥 하나의 직경이 고정된 노즐을 사용한다. 대신 이 노즐과 로켓 엔진 사이를 유연하면서도 고온에 견딜 수 있는 소재로 연결하거나, 혹은 일종의 볼 조인트(Ball Joint) 관절 구조를 응용하여 노즐을 설계한다. 또한 로켓 엔진 자체를 움직이는 방법도 있는데, 전자는 주로 소형 로켓에, 후자는 주로 대형 로켓에 사용한다.
재사용 로켓의 경우 로켓 상단 부분에도 노즐을 부착해 그리드 핀의 활강 능력, 로켓 엔진 각도 조절로도 커버가 되지 않는 부분의 재돌입 단계의 균형 유지 기능을 보충하고 있다. 이러한 기술들이 종합적으로 적용되는 현재에 이르러서는 블루 오리진의 로켓은 착륙 직전 단계에서는 거의 호버링을 하는 수준으로 착륙을 제어하는 안정성을 보여주고 있으며 스페이스X의 스타십은 우주왕복선 오비터처럼 배면으로 낙하하는 로켓을 착륙 직전 들어올려서 다시 수직으로 균형을 맞춰 지면에 도착하는 수준의 묘기를 묘여주고 있다.
2.1.1. TVN을 사용하는 양산형 항공기
2.1.1.1. 제트 엔진
- F-22: 상하 방향만 해당하며, 요( Yaw ) 방향( 360도 전방향 )의 추력 편향은 되지 않지만 그래도 STOL에 어느정도 용이하며, rcs 수치가 효율적이면서도 적외선 분출을 최소화하기 위해서 배기구가 비교적 가로로 펼쳐진 형태이다.
- F-35B: VTOL 및 STOVL 용도의 하부 방향에만 한정된다.
- Su-30MKI, Su-30SM
- Su-35S
- Su-37
- MiG-35
- Su-57 기체의 크기치고는 엔진이 비교적 돌출된 형태이며, 단발 엔진인 f-35와는 다르게 Su-57는 쌍발 엔진이기 때문에 그만큼 엔진이 외부에 더 많이 노출되있어서, f-22에 비해서 스텔스 성능면에서 rcs 수치가 상당히 비효율적이다.
- AV-8 해리어: 엔진에 연결된 4개의 분사구가 0도부터 90도까지 움직여 수직이착륙을 가능하게 하며, 비행 중에도 분사각을 조정할 수 있어 VIFF 등 특이한 전투기동에 사용할 수도 있다.
- Yak-38
- Yak-141
2.1.1.2. 로켓 엔진
- R-73 단거리 공대공 미사일
- AIM-9X 단거리 공대공 미사일
- IRIS-T 단거리 공대공 미사일
- SRAAM[3](=Taildog) 단거리 공대공 미사일
- 미카 단거리/중거리 공대공 미사일
- V2, 스커드를 비롯한 상당수의 탄도 미사일
- BGM-109 토마호크 미사일의 로켓부스터 부분
- 우주왕복선: 오비터의 로켓 엔진 RS-25가 추력 편향 노즐을 사용 최대 짐벌각이 15°나 된다. 또한 양쪽의 부스터에도 짐벌이 있어서, 양력 비행체치고는 모양이 이상한(...) 우주왕복선이 제대로 날 수 있도록 도와준다.
- 대부분의 우주 발사체
2.2. 제트 베인
엔진 노즐 안쪽에 제트베인(Jet Vane)이라 부르는 작은 날개가 있어 이것이 움직이는 방식이다. 현재는 공대공 미사일 같은 소형 미사일들이 사용하는 방식이지만 V2나 스커드 같은 대형 탄도 미사일도 사용한바 있다. 제트 베인이 움직이면 노즐을 통해 분사되는 제트 흐름의 방향을 바꾸는 한편, 그 자체도 일종의 작은 날개 역할을 하여 특정방향으로 힘을 만든다. 이 방식은 가동노즐보다 상대적으로 설계가 더 간단하며, 제트베인이 움직이는 축 부분만 잘 틀어 막으면 되므로 가스가 새는 문제에 대해서도 더 자유롭다. 대신 노즐 내에 일종의 간섭물이 있는 것이니 추진 효율은 떨어지기 마련이며, 엔진 작동내내 제트베인이 고온/고속의 제트 흐름속에 파묻혀 있어야 하므로 수명문제가 생기기 마련이다. 그래서 제트베인은 보통 1회용인 로켓류에서만 볼 수 있으며 제트 항공기에서는 보기 어려운 방식이다.
2.3. 제트 탭
엔진 노즐 바깥쪽에 엔진노즐 한쪽을 가로 막는 일종의 가림판이 설치된 방식이다. 가림판이 노즐 일부를 막으면 노즐을 통해 나오는 제트 흐름이 비대칭이 되면서 추력 방향이 한쪽으로 쏠리게 된다. 추력편향노즐 방식 중에는 가장 심플한 방식이라 할 수 있는데, 움직이는 구동장치가 완전히 노즐 밖에 있어 가스가 새거나 하는 문제가 없기 때문이다. 하지만 노즐 한쪽을 막는 방식이므로 당연히 추력 손실이 더 크다. R-73 미사일이 이 방식을 사용중이다.
2.4. 측면 가스 분사 방식
노즐 안쪽 벽면에 별도의 작은 구멍이 있어 제트 흐름 일부가 이쪽을 통해 나오게 하는 방식이다. 원래의 큰 제트 흐름은 이 구멍을 통해 나온 작은 제트 흐름에 간섭을 받아 비대칭이 된다. VTOL이라면 TVN과 더불어 쓰이는 경우가 많다.
[1] 엔진이 두개 이상 중심점에서 대칭으로 나란히 있는 경우 롤링도 가능해진다.[2] 특히 이 장치 덕분에 쿨비트 기동이 생겼다.[3] ASRAAM과는 다르다. 제작사는 호커-시들리로 같지만, ASRAAM은 TVC를 뺀 대신 사거리가 늘어난 버전이기 때문.