일전에 다른 곳에서 썼던걸 재편집했습니다. 혹 관심있으신 분들에게 도움이 될까 해서 올립니다. 항공기의 궁극적 목적은 조종사가 원하는 방향으로 항공기를 이동 시켜임무 (화물/여객 수송 부터 무장발사 까지)을 달성 하는 겁니다. 항공기를 조종사가 원하는 방향으로 이동시키는데 가장 고전적이면서도 현재까지 사용되는 방법은 항공기의 주날개 및 꼬리날개에 달려 있는 조종면을 움직여, 공기의 흐름을 바꿈에 따라 발생하는 공기력에 의해 항공기의 방향을 바꾸게 되는 거지요. 라이트 형제의 항공기인 Flyer의 경우 별도의 조종면이 있는 것이 아니라 방수포와 골조로 지지된 날개를 케이블로 연결, 조종간을 움직이면 날개 일부가 비틀리며 이에 따라 조종력을 발생시킵니다. (어이러니 하게도 현재 NASA에서 F/A-18을 가지고 이런 방식으로 항공기를 조작하여 별도의 조종면을 없애는 연구를 진행중입니다.) 특히 Flyer는 카나드-주익 형태의 항공기인데, 이 형태를 사용한 것은 조종자가 조종면의 움직임을 쉽게 관찰할 수 있었기 때문입니다. (다른이유로는 글라이더를 통해 수 많은 항공 역학 발전에 업적을 이룬 오토릴리엔탈의 죽음에 영향을 받았기 때문입니다. 그의 글라이더는 앞부분에 아무런 구조물이 없었기에 돌풍을 만나 추락, 목이 부러져 죽었습니다.즉 라이트 형제는 추락하여도 카나드를 통해 충격을 완화시킬 수 있다는점도 고려하여 설계하였다 합니다.) 일단 이 당시 까지는, 항공기를 움직이는 조종면을 움직이는 것은 최종적으로 조종석에 달려 있는 조종간입니다. 이 조종간과 조종면의 연결이 중요 한데, 당시로서 가장 가벼우면서도 가장 간단하고 확실한 힘의 전달은 철로 된 케이블을 통한 연결이었습니다. 이 방식은 가장 오래되었으나 현재도 경비행기에 사용되고 있지요. 가격이 싸게 먹히고 구조도 제일 간단하였습니다. 그러나 순전히 조종사의 힘만으로 조종면을 움직여야 했기에 고속으로 비행하는 항공기나 큰 조종면을 가지고 있는 항공기는 자연 더 큰 조종력을 요구 했습니다. 1, 2차대전 때 대부분의 항공기들이 이 케이블 방식의 조종계통을 사용하였기에 도그파이팅시 큰 조종력이 필요했고, 그래서 도그파이팅은 다른 말로"Two Hand Fighting (조종간을 양손으로 잡고 전투함을 의미)"라 했습니다. 심지어 P-38 같은 대형기체는 전투기임에도 불구하고 Stick이 아니라 자동차의 핸들 처럼 두손으로 잡는 요크 (주로 대형기에 사용)를 사용하였지요. 이러한 조종계통은 2차대전 쯔음에 유압계통으로 바뀌어갑니다. P-38의 에일러론 계통은 현재의 자동차의 파워 핸들 처럼 유압으로 부스트 되는데, 일정 속도 이상에서만 작동하였지요. 이탓에 P-38은 고속비행시 롤 속도가 상당히 빨랐습니다. 이 Boost 시스템은 2차대전 이후 제트전투기들에게 적용되었으며, F-100, F-105, F-101 같은 전투기에도 사용되었습니다. 한편 2차대전 중 자동비행시스템이 등장하는데 바로 폭격기의 폭격모드지요. 영화 멤피스벨을 보시면 Bomb run에 들어간 뒤 조종사는 오토파일럿 모드를 작동시키며, 이 때 부터 항공기는 3축에 대해 자동조종되어 고도와 진행방향이 기본적으로 고정되고 폭격수의 조작에 따라 Roll만 제어 하여 미세하게 항공기의 진행방향만 바꿀 수 있게 됩니다. 최초의 순항미사일로 유명한 V-1도 일종의 오토파일럿 시스템을 이용한 무인항공기였지요. B-52나 B-47 같은 대형 제트 폭격기는 Boost 타입이 아니라 완전히 유압계 통만으로 조종력을 전달하게 됩니다. 이탓에 조종사들은 조종면을 움직이는 데 많은 힘을 들일 필요가 없게 되었지요. (대신 조종사들이 처음에는 조종면에 의해 역으로 전달되는 힘에 따라 비행상태를 감지할 수 없다고 투덜되기도 하였다 합니다.) F-4의 SAS (Stability Augmentation System)은 좀 더 발전된 형태의 자동제어 방식으로, 러더와 에일러론이 센서에 의해 연동 되며, 롤과 요우시 발생하는 커플링 문제 (Yaw 하려는데 Roll이 발생하거나, 반대로 Roll 하려는데 Yaw가 발생하는 문제. 항공기의 구조상 크게건 적게건 반드시 발생합니다.)를 자동으로 제어해줍니다. 초보적인 FBW 시스템인 셈이지요. 재미있는 것은 F-4의 경우 조종사에게 일정 수준 조종력이 "가상적으로"전달되도록 하였습니다. 위에서 언급한 "비행 상태에 따른 조종력이 조종사에게 역으로 전달되지 "않는" 문제." 를 해결하기 위해서였지요. 조종사들은 여전히 계기판 보다는 조종간으로 느껴지는 감으로 현재의 비행상태를 판단하는게 더 좋았던듯 싶습니다. 또 F-4의 경우 횡축으로 약간 불안정한 기체였고 특히 고 받음각 상황에선 쉽게 스핀에 빠져버리기에, 속도가 약 250 노트 이상 되면 러더의 조종력을 둔화시키도록 설계되어 있습니다. (이 250노트의 속도는 기체 전체의 속도가 아니라 꼬리 부분의 속도를 감지해야 하기에 피토트 튜브와는 별도로 수직 꼬리날개에 속도 계측기가 달려 있습니다. 일전에 이 부분이 곤충 같은 것 때문에 막혀 버려서 조종이 둔감해지는 결함이 발생한 적도 있었지요.) 또 받음각 23.5도 이상이 되면 러더페달이 자동으로 흔들리면서 조종사에게 임계 받음각임을 경고합니다. 비슷한 방식으로 F-104의 경우에도 임계 받음각에 도달하면 스틱이 흔들려서 조종사에게 경고 하고, 더 심각해지면 스틱이 자동으로 앞으로 밀리면서 임계 받음각을 벗어나려고 유지 합니다. A/T-37의 경우엔 임계 받음각 이상이 되면 기체 표면에 작은 스포일러가  올라와 외란을 일으킴으로, 수평꼬리날개에 공기의 흐름이 불규칙하게 흐르도록 하여 기체 전체를 흔들어 줍니다. 더욱 발전된 시스템이 CAS (Command Augmentation System)으로  X-70, A-7, F-15, F-111A, B-1A 등의 기체에 사용된 것입니다. 이 시스템은 Hydro-Mechanical 시스템이라 불리기도 하며 FBW의 바로 직전 단계입니다. 평상시엔 FBW와 동일하게 비행제어 컴퓨터에 의해 조종사의 조종간 입력과 항공기의 현재 상태를 체크, 최종적으로 항공기의 조종면의 각도를 결정하여 유압계통을 통해 조종면을 움직입니다. 그러나 FBW와 다른 점은 기계적으로도 조종간과 조종면이 연결되어 있다는 점으로, 이는 아직 까지 전자계통을 완전히 믿을 수 없기에 기계적인 백업을 둔 것입니다. 그 외에는 FBW와 마찬 가지로 임계 받음각 및 임계 미끄러짐각이나 여러 가지 비행불능 상태에 빠질 가능성이 있는 상태를 사전에 막아줍니다. 최종적으로 등장하는 것이 (현재까진 말이지요.) Fly By Wire 시스템입니다. 이는 "전선을 통해 난다"라는 뜻으로, 조종간과 조종면은 전선으로만 연결되어 있고, 그 사이에는 비행제어 컴퓨터가 위치합니다. 현재 항공기의 상태와 조종간의 입력을 비행제어 컴퓨터가 감지하여 조종면에 연결된 유압시스템에 전달하면, 유압시스템은 최종적으로 조종면에 힘을 전달하여 조종면을 움직입니다. 즉 위에 설명한 CAS와 기계적 백업이 없다는 점만 다르지요. FBW 시스템은 F-16이 최초로 사용한 것으로 알려져 있으나, 최초 비행시기로만 따지면 러시아 수호이사의 초음속 폭격기 T-4가 1년 정도 더 앞섰습니다. 그러나 T-4는 결국 양산까지 이르진 못하였지요. 최초의 F-16은 아날로그 방식이었고 3채널 방식 (즉 3개의 별도의 채널이 존재하여 최대 두 개 까지 작동 불능 상태에 빠져도 나머지 한 개가 계속 항공기를 제어해주는 방식. 현재는 4채널 방식의 항공기도 나오고 있습니다.) 이었고 후에 디지털 방식으로 변경됩니다. 한 개의 채널이 오작동을 일으킬 경우, 비행제어 시스템은 3개의 채널 중 다수결의 원칙에 의거 더 많은 채널이 택한 쪽으로 항공기를 제어 하게 됩니다. FBW의 잇점은 무겁고 복잡한 조종계통을 간략화 시킬 수 있다는 점입니다. 특히 항공기가 공기의 압력이나 온도의 변화에 따라 기골이 미세하게 변하게 되는데, 유압시스템이나 케이블을 이용한 시스템의 경우 이것에 의해 인장력이 변하게 되거나 유압관에서 작동유가 새는 현상이 발생할 수 있는 것에 반해 전선은 약간의 유격을 두어 설계하여도 이런 문제가 없기에 매우 유리 하지요. 또 유압관이나 인장케이블이 지나가기 위한 통로를 만들기위해 골머리를 썩혀야 했던 설계자들이 더 편해지기도 하였습니다. 그 외에 유압계통과 각종 케이블 연결을 위한 자잘한 부품을 자주 교체해줄 필요가 없기에 정비 및 부품비용을 절감 할 수 있다는 잇점이 있습니다. 그러나 FBW의 단점은 전기적 간섭에 의해 계통에 교란이 생길 수 있다는 점입니다. 특히 현대의 항공기는 내부에 상당히 많은 종류의 전자부품이 들어감에 따라 서로 전자파를 방출하기에, 문제가 될 수 있지요. 일단 이런 전자품에 대해서 기본적으로 전자파 차단을 하고 있지만 더 발전된 방법으로 제시되는 것이 Fly By Light, 즉 광섬유를 이용한 정보 전달 방법입니다. 광섬유는 더 많은 양의 정보를 한 번에 전달 할 수 있다는 장점도 갖고 있지요. FBW의 또다른 단점은 비행제어 계통의 설계가 완벽하지 않을 경우 치명 적이라는 것입니다. F-16의 개발 시절 F-16이 조종사가 의도하지 않았음에도 갑작스레 이륙 한 사고가 발생했는데, 원인 분석 결과 조종간의 민감도를 너무 높게 설정 한 것이 원인이었습니다. (비행시뮬을 위해 조이스틱을 써 보신 분들은 아마 쉽게 무슨 말인지 이해하실 겁니다.) FBW 시스템을 사용한 항공기가 흔히 겪는 개발의 어려움중 또 하나가 PIO라 는 현상입니다. PIO (Pilot Induced Oscillation)은 항공기가 기체를 복구 시키려고 조종면을 움직이는 주기와 조종사가 항공기를 조작하는 주기가 일치함에 따라 항공기가 안정되게 비행하지 못하고 계속 일정 주기로 움직이는 현상입니다. 아마 YF-22가 착륙 도중 위아래로 계속 진동하다가 불시착 하는 동영상을 보신 분들도 있을 텐데 이것이 PIO 현상입니다. 이 PIO에 의해 JAS-39도 개발 도중 두 대나 추락을 하였지요. EF-2000은 지상에서 비행제어 시스템을 구현해 놓은 일명 "Iron Bird"라는 가상의 제어 시스템을 제작, 이를 통해 비행제어계통의 확신이 설 때 까지 개발을 계속 하였는데 그 결과 초도 비행이 3년이나 지연되어 버렸습니다. 다행히 T/A-50의 경우 PIO에 대해선 안전성을 보장한다는 논문이 학회지 인가 학회발표인가에 나오더군요. 대신 이번달 항공우주학회지에 보면 세로축 비행 제어 법칙이 원래 요구조건을 만족시키지 못하여 개량하고 있으며 이 개량과정에 대한 논문이 나왔습니다. 논문에 의하면 비행제어 시스템은 한 개가 아니라 여러개의 카테고리 모드 를 가지고 있는데, 비행단계분류 A (Flight Phase Category A, UA : Up & Away Mode)의 경우는 전체포착(Gross Acquisition) 성능의 최적화를위해 수직가속도 추종시스템이고, 비행단계분류 C (Flight Phase Category C : PA : Power Approch Mode)는 정밀추적성능의 최적화를 위해 피치각속도 추종 시스템이라고 설명하고 있습니다. 저는 제어계통에 대해서 주로 공부한 것은 아니기에 정확한 파악은 어려 운데, 전체포착 시스템은 항공기를 빠르게 기동시켜 일단 적 항공기를 조종사 시야 내에 두는 것이고, 정밀추적은 시야 내에 둔 다음 기총등의 무장조 준을 위해 지속적으로 적의 기동을 추적해 나가는 것을 의미하는 듯 합니다. UA 모드에서 공대공 추적시 전체포착 성능은 요구조건을 만족시켰는데, 전체포착 성능에 최적화 하다 보니 정밀추적성능이 요구조건을 만족시키지 못하게 되었으며 이것에 대해 비행 제어 법칙을 개선중이라 합니다. 현재는 명령초기 (즉 조종간을 처음 보다 크게 움직인 경우)에는 전체 포착성능에 최적화 시키고, 명령후기 (조종간이 처음 보다 작게 움직이는 경우)에는 정밀추적성능을 최적화 시킬 예정이라는 군요. 현재는 이미 개선작업이 마무리 되었는지도 모르겠네요. T-50의 FBW 시스템 설계 자체는 록히드사에서 했었고, 우리는 현재 비행데이터와 소스는 갖고 있기에 이걸 가지고 시뮬레이터 등도 만들 순 있으나, 자체적으로 설계하는 기술은 갖고 있진 않습니다. 그래서 A-50을 통해 독자적으로 FBW 시스템 개발 기술 습득을 위한 실험을 할 예정이라 합니다. (일본도 F-1으로 비슷한 실험을 하였었지요.) 한편 F-16 이후 기체들은 CCV (Configure Controlled Vehicle)이란 말이 자주 등장하는데, 이는 조종계통의 개선으로 항공기의 외형을 달리 할 수 있다는 말입니다. 종전의 기체는 항공기에 안정성을 보장하기 위해 일정 수준 크기의 꼬리날개가 요구 되었습니다. 그러나 F-16 이후 기체들은 FBW의 도움으로 항공기자체가 안정적으로 비행하지 못하여도 비행제어 시스템이 끊임 없이 자동적으로 항공기의 자세를 유지해 줌으로써 안정적인 비행이 가능하도록 해 주었습니다. (스컹크 웍스 책에 보면 불안정한 F-117을 안정적으로 비행 시키는 과정에서 "FBW만 있으면 자유의 여신상도 날개 해줄 수 있다." 라는 과장 아닌 과장이 나오지요.) 즉 종전 보다 더 작은 조종면과 꼬리날개를 가지고도 항공기의 안정성을 보장해 줄 수 있게 되었으며, 그 결과 항력과 저항을 줄일 수 있고, 이는 다시 요구된 항속거리를 만족시키기 위해 연료량을 줄일 수 있음을 의미 하며 연료량 감소에 따라 다시 무게 감소로 이어져 항공기는 더 작게 만들어도 원하는 임무를 수행할 수 있게 됨을 의미합니다. 또 F-16 같은 전투기의 경우 세로축에 대해 어느정도 불안정하게 만들어서 기동성을 극대화시키기도 합니다. 불안정하다는 말은 다른 외부의 힘에 의해 쉽게 자세가 바뀜을 의미하며, 이 외부의 힘은 돌풍등의 외란일 수도 있지만 조종면의 움직임에 의한 힘을 의미하기도 합니다. 그래서 F-16의 특징 중 하나로 주로 이 "정적 안정성 완화"를 꼽지요. F-16 이후의 현대 항공기에는 대개 이 개념이 도입되었습니다. 한편 자동 조종 시스템은 현재는 단순히 일직선 비행을 하는 것 뿐만아니라 사전에 입력된 비행경로를 따라 항공기가 자동으로 비행하도록 설계 되기에 조종사의 업무 부담을 크게 줄일 수 있고, 지형추적 레이더 등과의 조합으로 초저고도도 안전하게 비행하는 것이 가능해 졌지요. 조종면의 경우 종전에는 공기력을 이용하였기에 공기의 흐름이 원할하지 않은 저속이나 고받음각 상황에서 조종이 제한되었는데, 최근에는 추력편향노즐을 통해 이러한 문제가 극복되고 있지요. 궁극적으로는 꼬리날개없이도 추력편향노즐만의 제어를 통해 고받음각 기동을 하는 방안이 연구중입니다. 날이 갈 수록 항공기의 형상이 UFO를 닮아 가고 있지요. (B-2나 무인항공기들은 꼬리날개가 없이도 안정적으로 비행이 가능하고, 이런 무미익 항공기는 1940년대때 부터 등장해 왔지만 아직 고 받음각기동 같은 고기동은 추력편향 노즐의 도움 없이는 무리라 합니다.) 이런 제어관련 시스템은 각 국가가 기밀로 취급하기에 기술이전이 상당히 까다롭습니다. 다행히 F-15K 절충교역 목록에는 이 FBW 설계 술 이전이라는 항목이 들어가 있더군요. 한편 헬리콥터는 상당히 오랜기간 동안 전통적인 제어 방식-조종간과 유압계통과의 기계적인 연결을 고수해 왔습니다. 헬리콥터는 전투기 보다 움직임이나 비행특성이 더욱 복잡하기 때문이지요. 부분적으로 조종면이나, 혹은 수평안정판을 비행상태에 따라 자동적으로 제어해주는 시스템은 오래전 부터 있었지만, 항공기 처럼 모든 조종계통을 비행제어 컴퓨터를 통해 제어하게 된 것은 꽤 최근의 일입니다. 대표적으로 이런 FBW 개념의 조종계통이 들어간 헬리콥터로 유로콥터의 NH-90이 있지요. 현재 헬기 역시 FBL이 연구중입니다.