극초음속의 스텔스 전투기를 만들 수 있는 기술 - 2022.09.20

 

(차세대 전투기 개념도)

스텔스 전투기는 현대 전략 항공 기술의 정점으로 널리 알려져 있다.

그러나 순수한 성능이나 운용 유지 비용 때문에 종종 F-15 Eagle이나 F-16 Fighting Falcon, 그리고 Su-35 Flanker-E와 같은 구식 플랫폼에 미치지 못하는 경우가 있다.

 

전투기 설계가 상당히 복잡한 과정을 갖는 것은 사실이지만 압도적인 성능 특징과 감당할 수 없는 운용 유지 비용에 대한 상당 부분의 책임은 단일 기술 즉, 레이다 흡수 물질 (Radar Absorbing Materials) 또는 RAM에 기인할 수 있다고 볼 수 있다.

 

레이다 흡수 물질은 종종 “스텔스 도료” 이상으로 생각되지 않지만 이는 스텔스 항공기의 운용에 필수적이다.

그렇지만 또한 5세대 전투기의 운용 유지 비용에 상당한 부분을 차지한다.

설상가상으로 이 물질의 물리적인 제약은 항공기의 물리적인 제약이 되기도 하며 공중에서 가장 진보된 전투기의 성능을 제한하기도 하고 동시에 지상에서 함대의 크기와 준비 시간에 제약을 주기도 한다.

 

그러나 이 문제는 그리 오래 가지 않을 수 있다.

새로운 타입의 세라믹 레이다 흡수 물질은 현재 저피탐 항공기에 사용되는 물질의 한계를 크게 감소시킬 수 있으며 스텔스 항공기를 새로운 항공 시대로 이끌 수 있다.

즉, 스텔스 항공기가 극초음속 세계에 들어갈 수 있는 길을 열어 줄 수 있다. 

 

단기적으로는 현재의 스텔스 항공기 운용 비용을 크게 줄일 수 있고 오늘날의 고비용 전투기와 유사한 성능의 저비용 플랫폼 개발을 가능하게 해 준다.

장기적으로는 미국의 차세대 스텔스 전투기가 더욱 빠르고 기동성이 뛰어나며 스텔스 성능을 강화할 수 있다.

 

[레이다 흡수 물질이란?]

(F-22 Rapter에 코팅 층을 적용하고 있는 모습)

현대의 스텔스 전투기는 레이다 반사에 대한 설계를 통해 전자기 파장을 다른 방향으로 반사시키며 상대 수신기에서 직접 수신될 수 없도록 하는 기술을 적용한다.

그러나 이러한 설계 단독으로는 현대에서 실제적인 “스텔스”를 충족하기에는 충분하지 않다.

따라서 레이다 흡수 물질 도는 RAM을 항공기 표면에 입혀 레이다 반사를 극적으로 줄이는 설계를 적용한다.

기술적인 측면에서 레이다 흡수 코팅은 전자기 에너지를 흡수하는 폴리머(polymer) 기반 물질의 특수한 클래스이다. 

 

비록 발전된 스텔스 설계가 레이다 파장을 반사시키지만 항공기 주익의 leading edge와 엔진 inlet, 수직 꼬리 날개의 표면, 그리고 다른 전투기의 부분들에서 레이다 반사를 일으키게 된다.

이러한 전투기의 형상은 항공기의 고기동 성능을 위해 필요한 부분이기도 하다.

그 결과, 항공기의 이러한 부분에 레이다 흡수 에지 처리가 되어있는 것을 흔히 볼 수 있다.

이러한 이유로 더욱 많은 레이다 흡수 물질이 터보팬 인테이크 내부에 허니콤이나 유사한 구조에 통합되어 있는 것도 볼 수 있다. 

 

(F-22 Raptor 위에서 포즈를 잡고 있는 Low Observable apprentice)

 

현대의 미국 전투기에 적용되는 RAM은 전자기 에너지를 약 70~80%까지 흡수하기 때문에 매우 중요한 요소이다.

그러나 유지를 하기에 매우 비싸고 시간이 많이 걸린다.

F-22나 F-35 유지 보수와 관련된 막대한 비용의 일부이기도 하다.

 

[RAM과 스텔스 전투기의 재정적 한계]

(레이다 흡수 코팅 작업 중인 F-35)

 

388 정비 중대의 비행 부사관인 Master Sgt. Francis Annett는 다음과 같이 말한다.

“F-35의 표면에 레이다 흡수 코팅을 유지하는 작업은 매우 섬세하면서도 때로는 지루한 일이다.

작은 모든 영역에 적당히 섞인 화학물질을 매우 조심스럽게 그리고 부드럽게 적용해야 하며 가장 작은 영역에서도 잘 적용되었는지 평가해야 한다.

시간이 많이 소모되는 일이지만 제대로 하는 것이 매우 중요하다.”

 

2005년 세계 최초의 스텔스 전투기인 F-22 Raptor가 운영에 들어갔으며 전술 항공에 새로운 시대를 열고 현재는 5세대 전투기라고 불리는 완전히 새로운 세대의 전투기의 기반이 되었다. 

운용할 수 있는 스텔스 전투기를 개발한 나라는 세계에서 미국과 중국, 러시아 이렇게 세 나라이다.

그러나 이것은 잘못된 것 일 수도 있다.

전 세계에서 운용 중인 스텔스 전투기를 집계할 때에 러시아는 실질적으로 10위권 내에 들지 않는다.

미국이 F-22와 F-35를 합쳐서 600대가 넘는 스텔스 전투기를 운용하며 1위이고 그다음은 아마도 100에서 150대의 Chengdu J-20 Mighty Dragon을 운용하면서 2위 일 것이다.

미국의 F-35를 운용하는 다른 7개의 국가들이 그 뒤를 잇고 러시아는 이제 겨우 16대의 Su-57을 생산하고 있다.

 

(F-35 스텔스 전투기)

 

세 자릿수의 스텔스 전투기를 운영하는 두 개의 나라가 지구상에서 방위비 지출이 가장 큰 두 나라라는 것은 그다지 놀라운 사실이 아니다.

사실, 미국과 중국의 스텔스 전투기를 합치면 전 세계 스텔스 항공기의  75%를 차지하게 되고 미국이 생산한 5세대 전투기는 전 세계 5세대 전투기의 80%를 차지한다.  

 

스텔스 전투기는 부유한 국가의 게임이라는 것은 명백하다.

그러나 그 이유는 투명하지 않다고 할 수 있다.

F-35A의 구매 비용은 이제 현대화된 F-15보다 낮으며 스텔스 시대로 들어가는 것이 결코 저렴하지 않아 보이는 사실은 스텔스 전투기의 구매가 가장 큰 비용적인 장애물이 아니라는 것이다.

펜타곤은 프로그램이 종료될 때까지 총 2,500대의 F-35를 구매할 예정이었으며 그 비용은 약 4,000억 달러에 해당하지만 현재 정부 회계청이 추정하는 이 전투기들의 운영 유지 비용은 세 배에 달하는 1조 2,700억 달러에 이른다.

2020년 수치에는 F-35A 대당 연간 유지 비용인 780만 달러이며 더 특수화된 F-35B와 F-35C는 더 많이 들것이다.

그리고 이 연간 지출의 상당 부분은 레이다 흡수 물질 코팅을 고치고 유지하며 교체하는 비용이다.

 

[RAM과 스텔스 항공기의 물리적인 제한]

(시속 750 마일의 고속 비행을 선보이고 있는 F-35A)

 

레이다 흡수 물질의 적용과 유지는 스텔스 항공기를 운영하는데 들어가는 지출의 단지 상당 부분을 차지만 하는 것은 아니다.

이는 종종 스텔스 전투기의 실질적이고 물리적인 제약을 발생시키기도 한다. 

오늘날 스텔스 전투기에 적용하고 있는 레이다 흡수 물질은 전자기 에너지를 흡수하는 성능이 매우 뛰어나다.

그러나 이 물질은 전투 항공의 혹독한 환경에는 좋지 못하다. 

오늘날의 RAM은 250 ℃(480 ℉)의 온도를 넘으면 문제가 생기기 시작한다.

이는 초음속 속도로 비행하는 전술 항공기에는 큰 문제가 되며 주익 leading edge와 꼬리 날개 표면의 일부분에는 마찰과 기압의 조합에 의해 물질의 운용 한계 온도를 넘는 경우가 발생한다.

또한, 항공기 후방의 전투기 배기구 근처의 동체 판넬에도 문제를 일으킨다. 

그 결과, 스텔스 전투기는 이러한 leading edge에 마찰을 최소화하는 목적의 설계를 적용하는데 이것은 항공기의 기동 성능에 영향을 준다.

그러나 문제를 더 심각하게 만드는 것은 이러한 RAM의 조정이 항상 효과적인 것은 아니라는 것이다. 

(F-22 Raptor의 전방 동체의 파손된  레이다 흡수 물질)

 

2011년, 수직 이착륙의 F-35B와 항공모함 탑재의 F-35C는 flutter 시험과 공기역학 로드에 대한 항공기 구조 평가 시험을 수행했다.

이 항공기들의 최고 속도는 마하 1.6으로 되어 있지만 실제적으로는 더 느린 현실적인 속도에서 테스트되었다.

그럼에도 불구하고 그 결과는 참담했다.

마하 1.3 비행을 유지한 후에 F-35B는 항공기의 수평 꼬리 날개 면과 tail boom(수직 꼬리 날개가 동체에 연결되는 부위)에 적용된 RAM에서 “bubbling”과 “blistering” 현상이 발생되었다.

F-35C는 더욱 심각했는데, 마하 1.4의 비행을 유지한 후에 수평 및 수직 꼬리 날개 표면에 구조적 무결성을 실제적으로 손상시킨 “열적 손상”이 있었다.

그 결과, 이 두 항공기는 현재 제한 속도가 마하 1.2나 그 이하이며 이 속도를 유지할 수 있는 시간도 항공기 파손의 우려가 커지기 이전인 1분 이내이다. 

 

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이것은 단지 F-35만의 문제는 아니다.

사실 F-35는 이러한 레이다 흡수 물질에 대한 의존도가 F-22를 포함한 다른 스텔스 전투기들보다 낮으며 레이다 흡수 폴리머 물질을 항공기의 복합재 구조 자체에 광범위하게 적용하고 있기 때문이다.

다른 말로 해서 J-20이나 Su-57과 같이 덜 진화된 흡수 물질을 적용하고 있는 항공기들은 더욱 이러한 문제에 노출될 수 있다는 것이다.

(또는, 높은 마찰 영역에서는 RAM의 사용을 무시하고 그 결과는 스텔스 비행 프로파일에 영향을 준다) 

 

(F-22와 F-35에 각각 적용하고 있는 레이다 흡수 물질 층 구조 비교)

 

이는 또한 현대 스텔스 운영에 반드시 필요한 것으로 간주되는 레이다 흡수 물질은 극초음속 무기나 항공기에 적용할 수 없음을 의미한다.

이 극초음속 영역에서는 일반적으로 온도가 1,800 ℉에 달한다.   

그러나 현대 레이다 흡수 물질의 문제가 단지 온도만은 아니다.

레이다 흡수 물질은 염분, 습기, 그리고 다른 연마제 물질에 민감하다.

염분과 습기는 선상에서 운용되는 F-35B와 F-35C와 같은 항공기에는 아주 평범하게 노출된다.

모래와 같은 다른 연마제도 전장에서는 매우 흔하다.

 

[모든 것을 바꿀 수 있는 세라믹 레이다 흡수 물질]

 

(Rodrigo Avella의 FX 개념도)

 

스텔스 전투기 운영 유지 비용에 상당 부분을 차지하고 항공기 기동 성능에도 심각한 제약을 주는 RAM을 대체하기 위해 많은 나라에서  더욱 높은 온도에서 견딜 수 있고 혹독한 환경에서 견딜 수 있는 세라믹 기반의 RAM 코팅을 개발하기 위해 노력하고 있다.

이 새로운 형태의 RAM은 기존 물질이 가지고 있던 태생적인 문제들을 해결해주고 또한 이전보다 더 빠르고 기동성이 우수한 스텔스 전투기 설계를 가능하게 할 것이라고 전망하고 있다.

이 새로운 형태의 RAM은 소문으로 알려진 Lockheed Martin의 SR-72나 미 공군 연구소의 복합 사이클 스크램젯 Mayhem 프로그램에서 궁극적으로 등장할 플랫폼과 같은 극초음속 분야에 적용될 가능성도 있다.

 

2020년, Chengying “CheryI” Xu가 이끄는 North Carolina 주립 대학의 연구 팀은 전술 전투기에 적용할 수 있는 세라믹 기반의 레이다 흡수 물질을 개발했다고 발표했다. 

이 연구팀의 발표에 따르면, 이 새로운 형태의 RAM은 기존의 폴리머 기반의 흡수 물질보다 효과가 좋으며 전자기 에너지를 90%까지 흡수할 수 있다고 한다.

그러나 아마도 더욱 중요한 것은 모래와 습기, 그리고 고온에 더욱 강하다는 것이다. 

기존 RAM은 약 480℉ 이상의 온도에서 문제가 생기기 시작했지만 Xu의 세라믹 기반 물질은 3,200℉에서 견딜 수 있다고 하며 이는 초음속의 속도뿐만 아니라 극초음속의 속도인 마하 6에서도 충분히 견딜 수 있는 성능이다.

“근본적으로 이 물질의 성능이나 내구성에는 의심의 여지가 없으며 따라서 항공기를 어떻게 설계하던지 제한이 없다”라고 Xu는 미국 기계 엔지니어링 학회에서 언급했다.

 

(Rodrigo Avella의 FA-XX 개념도)

 

이 세라믹 기반의 RAM을 적용하는 공정은 비교적 단순하다.

액체 형태의 세라믹 “precursor”가 항공기 위에 뿌려지고 대기 중에 노출된 상태로 놓아진다.

약 이틀의 시간 동안 액체는 고체의 세라믹 물질로 경화된다.

이 시간은 기존의 폴리머 기반의 RAM이 “cure”하는 시간과 동일하다.

그러나 세라믹 RAM은 태생적인 단단함 때문에 적용에 있어 훨씬 횟수가 적으며 이는 운영 유지 비용을 크게 줄일 수 있게 한다. 

Xu의 연구는 다른 나라에서 수행된 이전의 연구로 그 결과를 입증할 수 있다.

2018년 이탈리아에서 수행된 한 연구는 실제 이 세라믹 물질의 개발은 없었지만 우주선이 재진입하면서 생존한 것과 관련하여 유사한 결과에 도달한다.

 

“이 연구결과는 세라믹/폴리머의 하이브리드 구조가 극도의 온도에서 견디고 동시에 전자기 방패 역할을 수행하기 위한 우주선 특별 시스템에 적용될 수 있음을 설명하고 있다.”

 

2020년, Xu의 연구 팀은 그들이 발견한 것을 진보된 스텔스에 적용하는 연구를 지속하기 위한 자금을 미 공군 과학 연구소로부터 확보하였다.

이는 미 공군의 NGAD와 미 해군의 F/A-XX 전투기 프로그램의 개발에서 Xu의 RAM이 가장 강력한 스텔스 개선 사항 중 하나일 것이라는 것은 의심의 여지가 없을 것이다.  

 

 

출처 : SANDBOXX