세계 최초&최강 5세대 스텔스 전투기의 특징

세계 최초&최강 5세대 스텔스 전투기의 특징             

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F-22 랩터는 최초의 5세대 전투기이자 세계 최고의 제공전투기로 칭송받고 있다. <출처: Lockheed Martin>

F-22는 세계 최초의 스텔스 '전투기'이다. 사실 이전까지 F-117이 최초의 스텔스 전투기라는 이름으로 알려졌지만, 실제로 F-117은 공대공 전투능력이 없고 지상의 표적을 공대지 정밀무장으로 타격하는 공격기에 불과했다. 그러나 F-22에서는 실제 스텔스 능력을 갖추고도 실전적인 전투기동이 가능한 전투기가 탄생했다. 그래서 F-22는 스텔스 기체로서는 제3세대, 현대적 제트 전투기로서는 제5세대의 시대를 연 첫 기종이자 현용 전투기들 가운데 가장 뛰어난 능력을 자랑한다.

F-22가 이렇게 최초이자 최고의 전투기로 불리는데에는 "3S"라는 요소가 있다. “3S”는 “Stealth(스텔스)”, “Speed(속도)”, 그리고 “Sensor fusion(센서통합)”을 뜻하며, 5세대 전투기가 가져야 할 덕목을 가리키기도 한다.

※F-22 전투기의 개발역사는 네이버 무기백과사전 "F-22의 개발사"를 참조.

http://bemil.chosun.com/site/data/html_dir/2018/10/12/2018101201431.html

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F-22 랩터의 특징

진정한 스텔스 전투기

스텔스 항공기의 세대구분은 명확하게 나누기 쉽지 않다. 스텔스기의 제작사 록히드 마틴은 U-2나 SR-71 등 고고도에서 또는 고속으로 적의 탐지와 공격을 회피하는 정찰기들을 제1세대 스텔스로 구분한 바 있다. 이런 기준에 따르면, F-117A 나이트 호크와 B-2A 스피릿 등 야간 공대지능력을 갖는 기체는 제2세대 스텔스, 그리고 F-22A 랩터는 제3세대 스텔스로 분류할 수 있다.

F-22의 RCS 비교 <출처: Air Force Magazine>

F-22의 전체 레이더 반사 면적(RCS)은 0.0001㎡ 정도로 곤충의 크기보다도 작으며, 미군이 보유했던 어떤 스텔스기체보다도 작다. 이렇게 뛰어난 스텔스 성능에도 불구하고 기체의 부드러운 곡선처리로 기동성을 충분히 확보한 것이 F-22A가 “제3세대 스텔스”로 불리는 이유일 것이다. F-22는 혼합날개동체(Blended Wing Body; BWB) 형상을 채용하여 레이더에 탐지될 가능성이 아주 적었을 뿐만 아니라 구조적으로도 효율이 극대화되었으며, 기체의 가장자리 각은 모두 날개 전연(leading edge)과 후연(trailing edge)에 정렬되어 레이더 반사 면적(RCS)을 줄임으로써 스텔스 성능을 극대화했다.

F-22의 스텔스 특성 <출처: Lockheed Martin>
'최초의 스텔스 전투기'라는 타이틀을 가지고 있는 F-117A 나이트호크의 경우, 스텔스 기술 중의 하나인 다면체 설계를 적용하여 괴상한 모양을 하고 있었다. 특히 이러한 괴상한 외형으로 인하여 항력 때문에 비행성능도 현저히 떨어져서 당연히 공중전을 불가능 했기에, 엄밀히 말하면 전투기가 아니라 공격기에 불과했다. 따라서 진정한 '최초의 스텔스 전투기'는 당연히 F-117A가 아니라 F-22 랩터이다.

F-22가 적기에 탐지되는 거리는 여타 기종의 추종을 불허한다. <출처: Public Domain>

F-22의 주익 형태는 테이퍼비 0.169의 다이아몬드형태이다. 더욱 정확히 평가하자면 F-22의 주익은 전연후퇴각 48도, 후연전진각 17도의 사다리꼴이다. F-22의 날개면적은 F-15C의 날개면적(54.48제곱미터)보다 40퍼센트 이상 넓은 78.04제곱미터로 설계하여 적은 익면하중(翼面荷重: 비행기의 무게를 날개 면적으로 나눈 무게)을 확보하면서 F-22가 받음각 60도로 비행할 수 있게 했다. 전연(leading edge)에는 전체 날개 폭에 걸쳐 플랩을 설치했고, 후연(trailing edge)에는 작은 크기의 보조익과 플랩을 설치했다. 대형 수평미익(각 5.3m²)은 주익과 완전히 겹쳐지지 않도록 배치되었고, 수직미익(각 8.3m²)은 28도로 기울어져 기동성 향상에 기여할 뿐만 아니라 스텔스 성능도 향상시켜 주고 있다.

'스텔스 소재'의 적용

F-22A 기체의 대부분은 금속이지만 다양한 복합소재를 사용하고 있다. YF-22A 프로토타입은 흑연 열화플라스틱 13퍼센트, 열가소성 소재 10퍼센트, 알루미늄 33퍼센트, 차세대 알루미늄 합금 2퍼센트, 티타늄 24퍼센트, 강철 5퍼센트 그리고 기타 물질 31퍼센트로 구성되어 있었다.

F-22의 부품생산 현황 <출처: Public Domain>

선행양산형 F-22A는 열가소성 소재 1퍼센트, 열경화성 수지 23퍼센트, 강화 에폭시 수지 10퍼센트, 6-4 티타늄(Ti 6-4) 37퍼센트, 알루미늄 15퍼센트, 강철 6퍼센트, 6-22-22 티타늄(Ti 6-22-22) 3퍼센트로 구성되었다. 한편 양산형에 들어와서는 약간 구성이 달라져서 알루미늄 합금 16퍼센트, 티타늄 39퍼센트(Ti 6-4 36퍼센트와 Ti 6-22-22 3퍼센트), 강철 합금 6퍼센트, 열가소성 수지 1퍼센트, 열경화성 수지 24퍼센트, 기타 소재 15퍼센트로 구성되었다. 특히 기체의 표면은 스텔스 능력을 위해 주로 흑연 BMI 수지(Graphite Bismaleimide)로 처리했다.

 

F-22는 다양한 복합소재를 적극 적용하였다. <출처: 미 공군>

F-22A에 사용된 복합소재들은 두 가지 이상의 유기/무기소재가 복합되어 있다. 복합물질들은 대개 한 가지 소재가  기지재료(matrix)로 바탕에 깔리고 다른 소재가 보강재료(reinforcement)로서 소재 사이에 적절한 형태로 혼합되어 하나의 층을 형성한다. 이때 기지재료의 역할은 보강재료를 한데 모으고 무게를 분산시키는 것이다. 즉 기체가 비행하는 동안 보강재료가 받는 기계적 하중을 일부 분담하여 받는 것이다. 이것은 섬유강화 플라스틱을 만드는 원리와 비슷하지만 이보다 훨씬 진보한 기술이다.

F-22A에는 주로 열경화성 소재가 사용되어 스텔스 기체로서는 상당한 내구성을 자랑한다. <출처: Lockheed Martin>

소재로는 통상 탄소, 케블러 49(Kevlar 49) 또는 유리섬유 등이 채용되었고, 기지재료로는 에폭시나 비스말레이드(BMI/bismaleimide) 수지 같은 열경화성 소재, 폴리마이드(Polimide) 내열성 수지, 열가소성 소재 등을 사용한다. F-22A에는 주로 열경화성 소재가 사용되었다. 열가소성 소재를 항공기에 적용한 것은 비교적 최근의 일이지만, 열경화성 소재는 지난 20여 년간 계속 개발되어왔기 때문이다.

마지막으로 생산된 F-22 기체. 도색전의 상태로 기체에 합성소재가 적용되었음을 알 수 있다. <출처: Lockheed Martin>

YF-22A에는 열경화성 소재와 열가소성 소재를 적절히 혼합해 사용했고, F-22A에 이르러서는 그 적절한 사용법이 완성되었다. 이에 따라 동체에는 광범위 하게 섬유강화플라스틱 소재가 적용되어 있다. 이를 위하여 동체 생산에서는 필라멘트 와인딩(Filament Winding), 연속 인발 성형(Pultrusion), 펄포밍 기법(Pulforming), 열성형(Thermal Forming), 접착성 접합(Adhesive Bonding), 압축가공(Press Forming) 등 다양한 공법이 적용되었다.

F-22는 금속부위에 RAM 도료로 도장을 실시한다. <출처: Lockheed Martin>

물론 여전히 기체 표면으로 드러나는 금속 부위가 있으므로, F-22도 RAM(Radar Absorbent Material, 전파흡수소재) 도료로 도장을 한다. 그러나 F-22는 이전 세대 스텔스와 결정적인 차이가 있다. 즉 기체 전체를 도장해야만 하는 F-117 나이트호크(Night Hawk)와 달리, F-22는 스텔스 도료를 기체 전체가 아니라 일부에만 칠하고 있다. F-117의 경우, RAM 도료를 칠할 때 아주 정교한 작업과정을 거쳐야 했을 뿐만 아니라 기체를 점검하는 것조차 쉽지가 않았다. B-2의 경우에는 조금 나아져서 점검창들이 늘어나기는 했지만 오히려 도장작업이 어려워져 정비소요와 비용은 여전히 줄지 않았다.

F-22A에서는 RAM 도료가 필요한 부분을 최소화했다. <출처: Lockheed Martin>

그러나 F-22A에서는 RAM 도료가 필요한 부분을 최소화했을 뿐만 아니라 지상에서도 충분히 점검할 수 있도록 가능한 많은 점검창을 설치했다. 이에 따라 기체 점검의 95퍼센트 이상을 일반 점검도구만으로 할 수 있게 되었다. 즉 도료만으로 레이더파 흡수 기능을 구현하던 구세대 기종과는 달리, 소재까지도 레이더파 흡수가 가능하도록 구현한 것이다.

단단한 동체

F-22A의 전방동체는 앞쪽의 레이더 격벽과 조종석, 앞바퀴 칸, 그리고 F-1 연료탱크로 구성되어 있다. 구조적으로는 2개의 구획으로 나뉘며, 2개의 론저론(longeron: 세로대)과 2개의 지지대로 연결된다. 복합소재로 만든 지지대는 F-22A의 기수부, 흡기구, 그리고 주날개에 항공역학에 맞게 부드럽게 연결된다. 론저론의 17피트 길이로 알루미늄으로 만들어져 있으며, 그 자체로 조종석의 창문턱이 되어 그 위에 캐노피를 얹을 수 있다.

F-22의 기체 구조 <출처: Public Domain>

전방동체는 알루미늄과 복합소재로 만들어졌으며, 와이어링 하네스(wiring harness: 동력 및 신호전달장치)와 조종계기, 항전장비 수납대, 캐노피 마운트(canopy mount: 조종석 덮개 장착대)를 포함한 3,000여 개의 부속품으로 구성되었다. 특히 전방동체의 약 25퍼센트는 전자 빔 용접을 한 티타늄 붐(Titanium Boom)들로 구성된다. 650파운드 정도의 무게에 불과한 티타늄 붐을 채용함으로써 패스너(fastener: 연결 장비)가 필요없게 되었기 때문에, 해당 부위의 중량이 75퍼센트나 줄어들었다.

F-22에서 가장 복잡한 부분이 중앙동체이다. <출처: Lockheed Martin>

F-22에서 가장 복잡한 부분이 중앙동체로, 유압·전기·보조출력·연료계통 등 랩터의 모든 시스템이 바로 이 부분을 거친다. 3개의 연료탱크와 4개의 내부 무장격실, 20밀리미터 발칸포, 보조출력장치가 모두 중앙동체에 위치한다. 중앙동체는 3개의 모듈을 조립해서 만드는데, 동체의 35퍼센트는 알루미늄, 23.5퍼센트는 복합소재, 그리고 35퍼센트는 티타늄으로 구성된다. F-22에는 4개의 티타늄 벌크헤드가 사용되는데, 그 중 하나는 항공기에 적용되는 티타늄 단일구조물로는 역사상 가장 크다.

F-22에 사용되는 벌크헤드는 항공기에 적용되는 티타늄 단일구조물로는 역사상 가장 크다. <출처: 미 공군>

후방동체에는 F119 엔진 2개와 환경제어장치, 연료·전기·유압 및 엔진시스템의 부가장비들을 탑재한다. 후방동체는 장시간의 초음속비행인 '슈퍼크루즈'와 고중력 기동(High-G Maneuver)에 버틸 수 있도록 견고하게 만들어져 있다. 소재로는 티타늄 67퍼센트, 알루미늄 22퍼센트, 복합소재 11퍼센트로 구성된다.

똑똑한 항전장비

F-22A 랩터는 '하늘의 슈퍼컴퓨터'라고 불린다. 레이더와 광학장비를 포함한 센서, 통신장비, 전자전 대응장비 등의 항전장비들은 초고속 CPU 및 소프트웨어를 통해 하나로 통합되어 있다. 이렇게 복잡한 시스템이 요구된 이유는 복잡한 무기체계조작을 무기관제사가 없이 조종사 혼자서 수행하기 위해서 였다. 여전히 맹활약 중인 미 공군의 전투폭격기인 F-15E 스트라이크 이글은 조종사 혼자서는 운용에 한계가 있고 무기관제사가 탑승해서 임무를 분담해야만 정밀타격임무를 수행할 수 있다. 그러나 F-22는 그 많은 정보들을 눈 깜짝할 시간에 처리해 조종사의 눈앞에 알기 쉽게 펼쳐 보여주기 때문에 조종사 혼자서도 공대공 임무에서 공대지 임무까지 모두 수행할 수 있다.

F-22의 항전장비 전체구성도 <출처: MIT Lincoln Laboratory>

제4세대급 전투기들을 DOS 운영체계를 가진 386 컴퓨터에서 모뎀으로 통신을 하는 것에 비유한다면, F-22는 윈도우 XP 운영체계를 갖춘 듀얼코어 CPU 컴퓨터에서 광LAN으로 인터넷을 하는 것에 비유할 수 있다. 실제로 F-22는 VHSIC(Very High Speed Integrated Circuits: 초고속 통합서킷)과 CIP(Common Integrated Processor: 일반 통합프로세서)에 광섬유 데이터케이블을 사용하여 초당 105억 개의 명령을 처리할 수 있다. CIP의 초당 연산속도가 105억 회라고 하지만, 이는 500억회까지 늘어날 수 있다고 한다. 또한 메모리로는 300~ 650MB급이 장착되었는데, 이는 구세대 전투기와 비교하면 엄청난 발전이라고 할 수 있다.

 

CIP는 F-22 항전장비의 두뇌에 해당한다. <출처: Lockheed Martin>

항전장비의 두뇌에 해당하는 CIP에는 레이더, 전자전 장비, 시연장치 등 각 항전장비를 제어하는 66개의 모듈이 모여 있다. CIP는 서로 다른 7종의 프로세서들로 구성되며, 33개의 신호정보 프로세서와 43개의 데이터 프로세서가 400메가바이트급 광섬유 네트워크로 연결되어 있다. 이들 모듈은 하나가 고장 나면 다른 것이 그 역할을 대신 수행할 수 있는 독립적이면서도 보조적인 시스템을 갖고 있다. 예를 들면 무전교신을 담당하는 CIP 모듈이 고장 나더라도 다른 모듈이 무전교신 프로그램을 리로딩하여 그 역할을 대신한다. 랩터에는 CIP가 2개가 장착되므로, 무려 132개의 모듈을 가지고 있다. 현재 제1CIP에는 19개, 제2CIP에는 22개의 모듈을 장착할 수 있는 여유가 있으며, 3번째 CIP를 장착할 수 있는 여유공간까지 있으므로 추후 성능업그레이드가 가능하다.

F-22 항전장비의 계통도 <출처: MIT Lincoln Laboratory>

슈퍼컴퓨터가 필요한 이유는 F-22 랩터의 모든 기능이 소프트웨어에 의존하고 있기 때문이다. 초도 배치 당시의 소프트웨어는 현재 약 250만 행의 코드로 구성되어 기체의 곳곳을 제어하는데, 이것의 약 90퍼센트가 펜타곤의 표준 프로그래밍 언어인 ADA로 이루어져 있다. 새로운 항전장비와 무장이 속속 장착됨에 따라 코드는 기하급수적으로 불어나 수천만 행 정도까지 늘어날 전망이다. 결국 F-22의 성능개량은 얼마만큼 소프트웨어 업그레이드가 적용되느냐에 달려있는데, 2013년까지 블록 3.1 소프트웨어 업그레이드가 완료되었으며, 현재는 소프트웨어 블록 3.2B 업그레이드와 업그레이드 6가 시행되고 있다.

레이더의 새로운 기준을 세운 AN/APG-77

전투기에서 가장 중요한 센서라고 할 수 있는 것이 레이더이다. F-22A 랩터의 레이더는 노스롭그러먼의 계열사인 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)에서 제작한 AN/APG-77 능동 전자주사 위상배열(AESA; Active Electronically Scanned Array) 레이더이다.

AGP-77 레이더는 2천여개의 송수신 모듈이 장착되어 있다. <출처: Daderot / WikiCommons>

APG-77 레이더는 AESA(Active Electronically Scanned Array, 능동 전자주사 위상배열) 레이더로 기계식으로 움직이는 레이더와는 달리 모터 등 작동부가 없어 신뢰성이 높아, F-16의 APG-68 레이더가 평균 고장 간격시간(MTBF; Mean Time Before Failure)이 1백여 시간인데 반하여 APG-77은 무려 450시간에 이른다.

 

APG-77은 1,956개의 소자로 구성되어 있으며(좌), 소자는 일렬로 서브어레이(우)로 구성된다. <출처: Public Domain>

또한 APG-77은 최고출력 4와트, 무게 15그램의 반도체 마이크로파 송수신 통합 모듈(Transmitter-Receiver Module)이 약 2천개가 장착되어 전기신호를 조정하여 레이더 빔의 방향을 조작한다. 이에 따라 광역 탐지는 물론 특정지역을 정밀하게 집중 탐지할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라 능동탐색을 실시하면 최대 250킬로미터 떨어진 적의 위치와 정보까지 파악할 수 있어, '축소판 조기경보기(Mini AWACS)'로서 기능할 수 있다.

F-22에 장착된 APG-77 레이더의 다양한 탐색 모드 <출처: Public Domain>

APG-77은 출력조절도 자유로워 최소한의 출력으로 탐지가 가능하다. 이에 따라 LPI(Low Probability of Intercept: 저포착성) 처리를 한 저출력의 레이더 빔을 적기에 쏘면, 레이더 경보기로 LPI 처리파의 대역을 수신할 수 없는 적기는 자신이 발각되고 록온 되었다는 사실을 모르고 있다가 미사일이 날아올 때서야 위험을 깨닫게 된다. 또한 NCTR(Non Cooperative Target Recognition)능력을 갖추어, 미세한 레이더 빔을 발사하여 항공기 흡입구 안에 있는 팬 블레이드의 파동으로 적기의 기종까지 구분할 수 있다.

네트워크전의 핵심인 통합 통신/전자전 장비

F-22A 랩터에는 우선 CNI(Communications/Navigation/Identification), 즉 통신/항법/적아식별 기능이 통합되어 있다. 특히 CNI 가운데 주목해야 할 것은 IFDL(Inter/ Intra-Flight Data Link)이다.

 

F-22의 밀리미터파 지향성 데이터링크 장비인 IFDL <출처: DARPA>

IFDL은 F-22A들이 표적 및 시스템 정보를 자동적으로 공유할 수 있게 해주는 지향성 데이터링크장치다. IFDL을 사용하면 별도로 무전교신을 하는 번거로움 없이 F-22A가 포착한 적기의 위치를 비행 중인 다른 F-22A가 자동적으로 알게 되어, 가장 유리한 위치에 있는 기체가 적기를 격추할 수 있다. 이에 따라 그동안의 편대비행 전술 등에 구애될 필요가 없는 자유로운 작전기동이 가능해진다.

F-22의 통합 통신/전자전 장비 구성 <출처: Public Domain>

전자전 장비로는 INEWS(Integrated Electronic Warfare System)라는 통합전자전장비를 탑재하고 있다. 또한 AN/ALR-94 전자전 지원장비와 AN/AAR-56 미사일 경보시스템 등이 CIP를 통해 한데 통합되어 있다.

혁신을 거듭한 조종석과 디지털 비행조종시스템

랩터는 고저항 물방울형 캐노피를 채택하여 조종사의 시야를 확보하는 데 심혈을 기울였다. 이는 F-16 등의 전투기에서 전통적으로 채택해온 방식이다. 약 4.5인치 크기의 전방 상향 시현기(HUD; Head Up Display)는 GEC-마르코니 사의 제품으로 수평 30도, 수직 25도의 시야에 홀로그램으로 각종 정보를 표시해준다.

F-22는 이전 세대의 전투기와는 달리 다양한 정보를 시인성 높게 시연할 수 있다. <출처: 미 공군>

조종사가 고개를 내리면 샌더스/카이저 사의 고해상도 컬러 LCD 화면 6개가 표시하는 각종 정보를 볼 수 있다. 우선 11인치의 다기능 시현기(MFD; Multi-Function Display)가 중앙에 있어 비행경로나 중간 지점 등 주요 비행정보를 표시해준다. 그 위에는 5인치 MFD 2개가 있어 부수적인 정보를 표시하며, 9.5인치 MFD 3개가 11인치 MFD를 둘러싼 채 레이더 정보 및 무장상태 등을 표시한다. 지금까지 어느 전투기에서도 없었던 현란한 조종석이라고 할 수 있다.

15도 기울어져 있는 사출좌석은 보잉이 개발한 ACES II(Advanced Concept Ejection Seat)이다. ACES II는 조종사에게 비행상황에 따라 자동으로 최적의 사출속도를 제공한다. 즉 저공저속에서는 모드1, 저공고속에서는 모드2, 고공에서는 모드3으로 작동하여 조종사의 안전한 탈출을 보장한다. 아무리 최첨단  전투기이지만 조종은 페달과 스틱에 의존한다.  스틱은 GEC에 제작한 HOTAS(Hands on Throttle And Stick) 일체형 조종간으로 이미 F-16에서 사용하고 있다. 음성 조종장치도 개발단계에서 검토했으나 아직은 기술적으로 충분히 발전하지 않았다고 판단하여 제외했다.

F-22 랩터는 조종사의 시야를 확보하기 위해 고저항 물방울형 캐노피를 채택했다. <출처: 미 공군>

YF-22의 비행조종 시스템은 제너럴다이내믹스가 담당했다. 그 결과 F-16에서 성공적으로 사용했던 플라이바이와이어 시스템을 F-22A에서도 채택하게 되었다. F-22A는 3중 디지털 플라이바이와이어를 채택했으며, 기계식 예비 비행조종 시스템은 채택하지 않았다. 또한 4중 디지털 비행제어 컴퓨터를 장착하여 기체의 안정성을 한껏 높였다. 디지털 플라이바이와이어에서는 컴퓨터가 회전율 지시계와 가속계, 대기자료, 스로틀(throttle: 가속장치), 조종간 및 러더 페달(rudder pedal: 방향타 페달)의 항공정보센서로부터 얻은 통합정보를 비행에 가장 유용한 정보로 다시 변환하여 플랩과 플래퍼론(flaperon), 수평/수직 꼬리날개 방향타, 추력편향노즐 등을 유기적으로 제어한다.

F-22의 조종석 <출처: Public Domain>

추력편향노즐 및 조종시스템은 VMS(Vehicle Management System)와 그것의 하위시스템인 IVSC(Integrated Vehicle Subsystem Controller)로 통합해서 조작할 수 있고, 각종 계기와 센서는 양방향 디지털 버스(digital bus)로 연결한다.

F-22A는 270V DC 전력시스템을 갖추고 있으며 65킬로와트 발전기 2개가 전력을 제공한다. 조종시스템과 직접적인 관련은 없지만, 무기창을 여닫는 등의 일을 위해 기체 전반에 걸쳐 사용하는 유압시스템은 4,000psi 유압장치를 사용하고 있다.

슈퍼크루즈 능력과 추력편향능력을 동시에 갖춘 엔진

추력편향과  고받음각  비행이  가능한  랩터는 고기동성  수준을  넘어  초기동성(super-maneuver ability)의 단계에 이른 기체로 평가받는다. 물론 그 핵심은 앞서 설명한 플라이바이와이어 조종제어 시스템과 프랫 & 휘트니의 F119 추력편향식 엔진에 있다. 스텔스 능력에 중점을 둔 설계로 인해 전투기로서는 지나치게 많은 항력을 받는다는 것이 문제되자, 그 해결책으로 유례없이 낮은 익면하중과 엄청난 추진력이 요구되었다. 이때의 엄청난 추진력을 제공하는 것이 프랫 & 휘트니의 F119-PW-100 엔진 2개이다.

F-22가 고기동성을 넘어 초기동성을 발휘할 수 있는 것은 강력한 F119 엔진 덕분이다. <출처: 미 공군>

F119 엔진은 스텔스 전투기를 위해 태어난 엔진답게 무연기술(No Smoke Technology)을 적용하여 연기가 거의 발생하지 않을 뿐만 아니라 적외선 방출량도 최소한으로 줄였다. F119 엔진은 개당 출력이 11톤으로 후부 연소기를 켜면 18톤에 이른다. F-22A는 이런 강력한 추진력 때문에 후부 연소기를 켜지 않고도 마하 1.5정도의 일정한 속력으로 초음속 순항을 할 수 있다. 요컨대 이 정도로 강력한 엔진이 아니면 진정한 슈퍼크루즈는 불가능한 것이다. F119 엔진은 3단계의 팬과 6단계의 압축기, 그리고 1단계의 압축터빈으로 구성되어 있다. 특히 엔진 주요부를 알로이 C 티타늄으로 만들어 엄청난 열과 추력에도 엔진이 버틸 수 있게 했다. 재미있게도 부품 수는 기존의 전투기 엔진들보다 오히려 40퍼센트나 줄어들었고, 유지비용도 현저히 절감되었다.

F119 엔진 <출처: 프랫 & 휘트니>

F119 엔진은 와이드코드 할로우 블레이드를 장착하여 낮은 연비를 유지하면서 디스크에 붙은 팬 블레이드의 각도를 고도 및 속도, 받음각에 따라 디지털로 제어할 수 있게 했다. 이로써 고받음각 비행을 중시하는 F-22A가 저고도부터 고고도에 이르는 광대한 영역에서 엔진 정지(engine stole) 현상에 대한 염려 없이 슈퍼크루즈나 초기동 비행 같은 다양한 비행들을 안정적으로 할 수 있게 되었다.

F-22는 섬세한 디지털 비행제어 시스템과 강력한 엔진 덕분에 고받음각 비행이 가능하다. <출처: 미 공군>

또 한 가지 주목할 점은 F-22A가 제4세대 통합디지털 엔진제어기(FADEC; Full Authority Digital Engine Control)를 사용하고 있다는 것이다. 엔진이 제대로 작동하는지, 또는 어느 부분을 정비해야 하는지를 스스로 점검하는 디지털 엔진제어 모듈(DECM; Digital Engine Control Modules)이 엔진마다 2개씩 장착되어 있으며, 각 모듈은 두 개의 컴퓨터를 탑재하고 있다.

F-22는 추력편향방식으로 엔진을 운용하는데, 이는 양산모델로는 세계 최초이다. <출처: 미 공군>

F119 엔진은 세계 최초의 양산형 추력편향식(Thrust Vectoring) 엔진이다. 엔진의 배기구에 장착된 추력편향노즐 2개가 추력분사방향을 상하 최대 20도까지 바꿀 수 있다. 알로이 C 티타늄으로 만든 노즐(분사구) 덕분에 후부 연소기를 켜더라도 강력한 엔진 추력과 고열을 버틸 수 있다. 물론 노즐의 분사방향은 디지털 플라이바이와이어 비행조종시스템과 연계하여 결정된다.

F119 엔진은 추력분사방향을 상하 최대 20도까지 바꿀 수 있다. <출처: 미 공군>

이렇게 고출력의 대형 엔진을 사용하면서 연료탑재량도 중요해졌다. 기내의 F-2, F-1A, F-1B 전방 연료탱크 3개, A-2L, A-2R 날개 연료탱크 2개, 그리고 A-3L, A-3R 중앙연료탱크 2개를 모두 합하면 2만 650파운드를 채울 수 있는데, 이는 컨포멀 탱크(conformal tank: 기체에 일체형으로 장착되는 연료탱크)를 장착한 F-15E 스트라이크이글의 연료탑재량과 비교했을 때 88퍼센트 수준이다. 외부 연료탱크까지 합하면 JP-8 제트 연료를 3만 6,515파운드까지 탑재할 수 있다.

탑재무장

F-22A 랩터는 제공전투기이자 종심타격기이다. 즉 전투공역에서 적기를 격추시킴으로써 제공권을 장악함과 동시에 적의 심장부로 깊숙이 침투해 들어가 목표물을 타격할 수 있어야 하는 것이다. F-22A는 이 요구에 맞는 무장을 갖춰야 했다. 우선 F-22A는 제공임무를 위해서 AIM-120C 암람 6발과 AIM-9M 사이드와인더 미사일 2발을 장착한다. 이것이 가장 기본적인 상태의 공대공 무장이다. 특히 스텔스성능을 위하여 일반적으로 외부에 무장장착대를 장착하지 않고 기체 내부에 무장실을 따로 마련하여 여기에 기본무장을 수납하도록 하였다.

F-22의 각종 무장구성도 <출처: Lockheed Martin>

스텔스 성능이 필요 없는 경우라면 기체 외부에 BRU-47/A 장착대를 설치하고 추가로 6개의 외부 연료탱크를 장착할 수도 있다. 또는 공중전투초계(CAP; Combat Air Patrol) 임무를 위해 AIM-120C 미사일 4발과 600갤런짜리 외부 연료탱크 2개를 장착할 수 있다. 대지공격임무를 위해서는 내부에 1,000파운드짜리 JDAM(통합직격공격탄)인 GBU-32 2발과 AIM-120C 암람 2발, AIM-9M 사이드와인더 2발을 장착할 수 있다.

F-22의 내부무장탑재창 <출처: 미 공군>

미사일과 폭탄은 기체의 내부에 탑재한다. EDO사에서 제작한 LAU-142/A 공압 발사대(pneumatic launcher)는 공기압과 유압을 동시에 사용하여 발사대를 기체 외부로 내밀어 발사하는 방식을 갖고 있다. 이 장치는 AVEL(AMRAAM Vertical Eject Launcher: 암람 수직발사대)이라고도 불린다. AVEL은 대부분 알루미늄 재질로 만들었다. 길이는 9인치로 내부무장실의 덥개가 열리면 튀어나와 발사하는데, 발사속도는 초당 25피트 이상으로 압력을 40G까지 버틸 수 있다. 무장을 투발(投發)하고 다시 무기창을 닫기까지 걸리는 시간은 겨우 몇 초에 불과하다.

AIM-9X의 시험발사를 실시하는 F-22 <출처: 미 공군>

F-22A는 최초에는 AIM-9X가 통합되지 않았지만 블록 3.2 소프트웨어 업그레이드로 이제서야 완벽한 운용이 가능하게 되었다. AIM-9X는 사이드와인더 시리즈의 최신형으로 헬멧조준장치와 연동되는 차세대 WVR공대공 미사일이다. 제5세대 적외선 유도방식을 채택하고 있는 AIM-9X는 AIM-9M에서 사용했던 단일 IR 시커(IR Seeker: 적외선 탐지기) 대신에 중파 IR FPA 시커를 탑재했으며, 헬멧조준장치와 연동하면 조종사의 시야각 내에서 록온이 가능하기 때문에 이전에는 생각할 수 없었던 각도에서도 사격이 가능하다. BVR 공대공 교전에서는 파일럿들 사이에서 “Slammer(슬래머)”라는 별명으로 불리고 있는 AIM-120C 암람 미사일을 사용한다.

F-22도 JDAM을 운용할 수 있으나, 1000파운드 짜리까지만 장착이 가능하다. <출처: 미 공군>

GPS 폭탄으로 잘 알려진 JDAM도 랩터가 운용하는 무장이다. JDAM은 자유낙하폭탄(일명 멍텅구리 폭탄)에 GPS/항법장치 키트를 장착하여 사전에 지정한 GPS 좌표에 정확히 떨어지는 스마트폭탄이다. 레이저 유도 폭탄에 비해 가격이 저렴할 뿐만 아니라 악천후일 경우에도 언제나 정확히 타격할 수 있다는 장점을 갖고 있다. F-22A에는 2,000파운드급 Mk84 폭탄은  장착할 수  없으며 1000파운드급 Mk83까지  가능하다. 따라서  F-22A는 Mk.83급의 GBU-32(레이저 유도폭탄)을 탑재하고 있다. F-35가 2000파운드급 폭탄을 장착하는데 비하여 실망스러운 면모이다.

부족한 탑재능력을 보완하기 위해 F-22에는 SDB가 장착된다. <출처: 미 공군>

현재 GBU-39/B SDB(Small Diameter Bomb: 소구경 폭탄)의 F-22A 장착시험도 한창 진행 중이다. GBU-39/B는 중량이 250파운드로 살상반경은 넓지 않지만 강화 격납고나 조기경보 레이더, 지상 스커드미사일 발사대 등을 확실히 파괴할 수 있다.

F-22의 무장장착도 <출처: Public Domain>

그 외에도 F-22A는 기본무장으로 M61 20밀리미터 기관총을 장착하고 있다. 1950년대의 F-104 스타파이터(Starfighter)부터 지금까지 사용되어온 이 기관총은 최신예 전투기의 무장으로는 너무 오래된 것일지 몰라도 미 공군으로부터 오랫동안 신뢰받아온 장비이다. M61 기관총은 오른쪽 날개와 동체 사이에 위치하며 보통 때는 기체 안에 수납하여 총구도 보이지 않다가, 덮개가 유압에 의해 열리면서 사격할 수 있게 된다.

M61 기관총. 사진은 A1모델로 F-22는 A2 모델을 채택했다. <출처: General Dynamics Ordnance & Tactical Systems>

F-22A에 사용된 M61 기관총은 경량화 모델인 M61A2로 F-22A의 유압시스템이 작동을 제어한다. 랩터의 기관총 시스템은 M61A2  기관총과 선형 무탄대  탄약취급장치(LLAHS; Linear Linkless Ammo Handling System), 유압장치 및 총구창, 가스방출 장치로 구성되어 있다. M61A2의 분당 최대발사율은 6,000발이지만 F-22A는 480발만을 탑재하고 있으므로 보통 분당 100발의 발사율로 운용된다.

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제원

전폭 : 13.56m
전장 : 18.90m
전고 : 5.08m
주익면적 : 78.04㎡
자체중량 : 14,365kg
최대이륙중량 : 36,288kg
엔진 : F-119-PW-100 터보팬 (35,000파운드) × 2
최대속도 : 마하 2.5 이상 (초음속 순항속도 마하 1.58)
실용상승한도 : 50,000피트 이상
전투행동반경 : 2,177km
무장 : 20mm M61A2 기관포 1문
         AIM-9 사이드와인더 2발(측면무장격실)
         AIM-120 암람 6발 / 암람 2발 + 1,000파운드급 폭탄 2발(중앙무장격실)
         비스텔스 무장시 외부 하드포인트 4개 사용 가능
항전장비 : APG-77 AESA, IFDL, INEWS 등
승무원 : 1명
초도비행 : 1990년 9월 29일(YF-22)
               1997년 9월 7일(EMD F-22)

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저자 소개

양욱 | Defense Analyst

본 연재인 '무기백과사전'의 총괄 에디터이다. 중동지역에서 군 특수부대 교관을 역임했고, 아덴만 지역에서 대(對)해적 업무를 수행하는 등 민간군사기업을 경영했었다. 현재 한국국방안보포럼(KODEF) WMD 대응센터장으로 국방전략과 정책을 분석하는 한편, 한남대 국방전략대학원과 신안산대 경호경찰행정학과의 겸임교수로 군사전략과 대테러실무를 가르치고 있다. 또한 각군의 정책자문위원과 정부의 평가위원으로 국방정책에 관해 자문하고 있다.