F/A-18E/F 수퍼호넷의 날개 아래 파일런 들은 바깥쪽으로 4도 가량 전부 벌어져 있습니다.

일단 여기에 대해 국내건 해외건 각종 블로그에 말들은 많지만 가급적 정확성을 기하기 위하여 논문이나 정부문서 등을 찾아 보았습니다.

먼저 1998년 미국 회계감사기관(GAO)에서 발행된 'F/A-18E/F 개발 및 제작 이슈'라는 보고서에 따르면 F/A-18E/F의 개발중 발견된 이슈사항 중 무장분리에 관한 내용이 나옵니다.

보잉은 1993년 7~8월 사이 실시된 초기 풍동시험에서 일부 무장이 분리중 항공기나 다른 무장과 충돌할 위험을 발견하였고 미 해군과 보잉은 F/A-18E/F의 기체에서 발생한 기류의 영향 탓으로 결론 내립니다.

보잉은 약 1년에 걸쳐 다양한 해결 방안에 대해 개발 및 시험을 진행하였고, 재설계된 파일런에 대하여 1997년 2월부터 1998년 11월까지 무장 분리 시험을 실시합니다.

한편 보잉과 미 해군 사업 위험관리 의원회는 이러한 무장 분리 문제를 F/A-18E/F 개발 과정의 EMD 단계에서 중급 위험으로 분류합니다. EMD(Engineering Manufacturing Development)는 우리말로 기술 및 제작개발 단계 정도로 번역 가능한데, 대충 체계개발 시작하여 시제기 만들어서 중요 시험까지 다 마치는 단계입니다. 중급위험이면 대충 해결을 안하면 큰일이지만 어떻게든 해결은 가능한 위험 정도로 보시면 될 듯 합니다(실제로는 발생 빈도수와 발생시 위험정도에 따라 세분화하여 관리). 여하간에 1998년 회계감사기관 보고서가 작성된 시점에서 보잉은 실험중 추가적인 위험이 발생한다면 추가 설계변경이 필요하다는 입장이었고, 실제로 1997년 11~12월간 비행시험중 폭탄과 폭탄까리 충돌하는 문제가 있었습니다(정확히 어떤 폭탄/어떤 상황 실험인지는 명시되어 있지 않음).

추가적으로 해당 보고서가 작성된 시점에는 소음 및 진동문제로 일부 무장이 구조적 문제를 일으킬 수 있어 해당 무장 탑재시 속도가 제한된 상황이었습니다(이 역시 어느 무장인지는 명시되어 있지 않음).

위 보고서에서는 초기 풍동실험 후 변경된 '재설계된 파일런'이 어떤 것인지는 적혀 있지 않지만 이게 문제의 4도 틀어진 파일런입니다. 여기에 대해서는 NATO쪽에서 정기적으로 열리는 학회에서 나온 논문에서 간략히 다루고 있습니다. 이는 '장착물 분리 교훈 사례(Store Separation Lessons Learned)'라는 논문으로 논문 자체는 여러 무장분리 시험중 발생한 문제 사례와 이에 대한 극복 과정을 다루고 있습니다. F/A-18E/F는 파일런을 4도 바깥으로 틀은 것에 대해서만 다루고 있습니다.

F/A-18C와 F/A-18E/F는 클린 상태에서도 항공기 주변 공기 흐름이 꽤 다르고, 이는 장착물 분리에 영향을 미칠 수 밖에 없습니다. 보잉은 풍동 실험을 통해 얻은 압력 정보를 토대로 PAN AIR 모델을 만들었습니다. PAN AIR는 보잉이 자체적으로 써오던 패널 코드인데, 쉽게 말해 간략화된 공기역학 컴퓨터 해석 프로그램(CFD)라고 보시면 됩니다. 1970~1980년대에 컴퓨터 처리 능력으로는 지금처럼 화려한 컴퓨터 해석을 할 수 없어서 업체들이 여러 '공학적 생략'과 노하우를 더하여 자체적인 코드들을 만들어 사용했습니다(지금도 사실 초기 설계 단계에서 적극 사용중이지만). 

아직 실기를 만들기 전이었으므로, 보잉은 이를 F/A-18C등에 적용하여 아마 검증을 했던 듯 합니다(이 과정에 대해서는 다른 논문을 참조하면 좋을 듯 한데 이 논문이 지금 제가 열람이 안되어서...). 여하간에 보잉이 기존에 획득한 각종 데이터를 기초로 자기들이 만든 컴퓨터 해석용 모델은 실물과 잘 맞다고 생각했는데... 이게 무장분리시 위험이 있을 거라는 것 까지는 정확히 집어 내지 못했던거죠. 

사실 무장분리시 위험을 풍동실험이나 혹은 실제 비행시험에 가서야 확인되는 경우는 그리 드문케이스는 아닙니다. 이게 요즈음의 강력한 컴퓨터를 동원해도 해석이 오래걸릴 뿐더러 해석이 잘 안되는 경우도 많아서...

결국 보잉과 미 해군은 몇 가지 대안을 검토한 끝에 파일런 각도를 바꾸고, 폭탄 투하 순서 등을 바꾸었습니다. 이로 인하여 항공기 주변 공기흐름으로 인해 무장이 좌우로 돌아가는 문제(yawing)는 해결하였으나 전체 항력은 증가할 수 밖에 없엇습니다.

위의 '장착물 분리 교훈 사례' 논문이 참조한 또 다른 논문이 마찬가지로 NATO쪽 학회에서 1998년에 발표된 'F/A-18E/F (외부장착물 투하) 궤적 향상 연구(F/A-18E/F Trajectory Improvement Study)'라는 논문입니다.

논문 초록에 따르면 F/A-18E/F는 넓어진 동체, 더 커진 날개 면적 및 두꺼워진 날개, 새로운 공기흡입구 형상과 더 많아진 공기흡입구 유출공기(공기흡입구에 다 흡입되지 못하고 흘리듯 옆으로 새는 공기)이 있었음에도 초기 설계안에서 파일런 위치는 기존 F/A-18C와 동일 했습니다. 하지만 앞서 설명드린대로 이 문제는 풍동실험 전까지 확인이 안되다가 풍동실험 단계에서야 드러났고, 보잉은 이를 해결하기 위해 8가지 대안을 제시합니다.

1. 파일런을 바깥으로 비튼다

2. 투하 순서를 변경한다

3. 파일런에 (여닫히는) 문을 단다

4. 파일런 꼬리부에 플랩을 추가한다

5. 동체 일부에 돌출부를 단다

6. 날개에 스포일러를 단다.

7. 파일런에 펜스를 단다

8. 폭탄 투하 랙 및 이의 무장 좌우방향 구속장치를 새로 설계한다.

하지만 이걸 전부 실험해보기에는 비용도 시간도 많이 들어가므로 최종적으로 3가지 설계 변경안을 선택하여 실험을 하기로 합니다.

1. 파일런을 바깥으로 비튼다 + 폭탄 투하순서를 바꾼다.

2. 파일런에 문을 단다.

3. 폭탄 투하 랙을 재설계 한다.

1, 2, 3의 조치를 취하기 전, 그러니까 파일런을 재설계 하기 전에는 풍동 실험 결과에 따르자면 F/A-18E/F가 여러 상황에서 무장 분리시 문제가 발생했습니다. 이를테면 Mk.84 투하시 안전 영역은 실전상황에서는 거의 없을 정도였습니다.

위 그림이 설계 변경전 Mk.84 투하 안전 영역으로 'RED'는 확실하게 부딪히는 경우, 'Yellow'는 투하된 무장이 투하중 다른 무장 혹은 기체와 거리가 0~15cm(6인치) 이내여서 안전을 장담 못하는 경우, Green은 투하중 안전 거리가 15cm 이상인 경우입니다. 보시면 일반적인 실전 무장투하 상황(마하 0.6~0.8)에서는 많은 엄청 고고도로 올라가지 않는 이상 위험영역이 큽니다. 이 외에도 각종 무장에서 'RED'가 나왔으므로 어떻게든 이를 해결해야 했던 셈이죠.

결국 미 해군은 추가 비용을 지불하여 어떻게든 비행시험전 이 문제를 해결하기 위한 개발/실험을 진행하였습니다. 이 논문이 작성된 1998년 시점에서는 일단 폭탄랙 설계 변경은 아직 진행중이었고, 설사 완료되어도 이것 만으로 모든 조건을 해결 할 수 없는 것은 자명했기에 파일런 각도 변경+무장투하순서 변경 // 파일런에 문짝 달기 두 가지만 우선 실험이 실시 되었습니다.

파일런 각도 변경은 뭐 최종적으로 이 방안으로 결정되었는데, 모든 파일런을 바깥 방향으로 4도 가량 비트는 것입니다. 이에 따라 날개 구조 일부를 재설계해야 하지만 어쨌거나 당시 할 수 있던 대안중 가장 돈 적게 들고 시간 적게 드는 변경 방안이었습니다. 다만 이것 만으로 모든 조건에서 안전성을 확보할 수는 없었기에 일부 폭탄 투하 순서나 투하 간격 시간은 조정을 해야 했습니다.

파일런에 문짝을 다는 것은 파일런 뒤쪽에 35x35cm(14x14인치) 정도의 전기 작동기로 여닫히는 문짝을 추가한다는 것으로, 무장 투하시 이 부분이 열려서 주변 공기 흐름을 바꿔 놓습니다. 실험 결과 이쪽이 무장 투하 안전성 확보 면에서는 더 유리했지만 문제는 파일런이 이 문짝 작동장치를 내장할 만큼 충분한 공간이 않나왔고, 더불어 저걸 작동하도록 소프트웨어 수정도 필요한 상황이었습니다.

결론적으로 미 해군은 무장 투하 안전성 확보능력은 약간 떨어지지만 파일럿들이 더 선호하고(상세한 이유는 안나오지만 아마 문이 작동하지 않거나 이상작동 하는 경우 등을 감안한 듯) 더불어 비행 일정 맞추기도 더 쉬운(즉 설계 변경요소가 상대적으로 더 적은) 파일런 바깥족으로 비틀기를 택합니다. 더불어 이 논문에서는 무장 투하 문제는 반드시 항공기 설계가 완료되기 전에, 가능한 빨리 분석되어야 한다면서 결론을 내립니다.

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사실 수퍼호넷이 완전히 새로 설계 된 기체면 차라리 위 문제가 안 생겼을 텐데, 가급적 기존 호넷의 형상을 최대한 활용해야 하고, 설계 일정도 촉박하게 진행되다보니 사전에 위 문제를 파악하지 못하다가 설계가 거의 완료된 시점에 식별이 되었습니다. 어찌보면 실패사례지만, 한편으로는 그럼에도 답을 찾은 성공사례인 셈이죠. 일단 항력증가가 아쉽기는 한데 어쨌거나 미 해군의 요구사양은 충족했으니 뭐...