항공기에서 사출좌석은 항공기가 정상적인 착륙이 불가한 상태가 발생할 경우 최종적으로 비행기를 포기하고 사람을 구출하는 방법이며, 군용 항공기에 사용되는 시스템이다. 비행기에서 멀어지게 하는 방법은 조종사의 좌석에 로켓 추진체를 장착하고 조종사의 의지에 따라 점화하도록 되어있으며, 비행기로 부터 멀어진 후에는 낙하산으로 내려오게된다.
역사
현 제트 전투기의 사출방식은 1929년 루마니아의 Anastase Dragomir에 의해 1920년에 처음 제기되었고, 1929년에 시험에 성공하여 1930년에 프랑스 특허국으로 부터 특허로 인정 받았다. 사출 방식은 압축공기를 이용하여 사출 후 낙하산을 이용한 강하 방식이었다. 그 이전에는 사실상 사출이라기 보다는 조종사가 스스로 낙하산을 메고 뛰어내리는 방식으로 Bail Out이라고 불렀다. 이 방식은 매우 위험한데, 특히 소형 전투기의 경우, 비록 왕복엔진 일지라도 스스로 캐노피를 열만큼의 의식과 힘이있어야하고, 시간적인 여유가 충분해야하며, 뛰어 내릴 때도 방향 선택을 정확히 하여 뛰쳐나간 후 다시 비행기 꼬리날개에 부딛히지 않아야했다.
현재도 대형 수송기 등에서는 조종사나 승무원들이 낙하산을 메고 뛰어나가는 방식을 사용한다.
Bail out시 조종사의 의식이나 비행기 뒷 동체에 부딛히는 문제 등을 해결하기 위해 비행속도를 이용한 낙하산 사출 방법(Drag Extraction)이 개발되었다. 조종사가 탈출을 위해 캐노피를 날리면 캐노피가 조종사의 낙하산을 펴주고 낙하산은 바람 힘에 의해 펴지면서 조종사를 빠른 속도로 꺼내는 방식이다. 현재 수송기에서 수송화물을 착륙하지 않고 일정지역에 투하시키는 방법인 Low-altitude parachute extraction system과 유사한 방식이다. 이때 조종사가 동체를 이탈하면서 바로 후방에 위치한 수직 꼬리날개와 부딛히는 것을 방지하기 위해 조종석은 칵핏 내부의 낚시대 처럼 길어지는 레일을 따라 2~3미터 올라간 후 최종 레일을 이탈하여 성공율과 안전성을 높였다.
현대식의 사출좌석은 2차세계 대전중 독일의 Heinkel 사와 스웨덴의 SAAB에 의해 각자 개발되었다. 초기 모델은 압축공기를 사용하였으며, 독일은 1930년대부터 사출좌석을 연구하여 1940년 He280 모델에 첫 장착되었다. 이 항공기의 시험비행 조종사 Helmut는 1942년 1월 13일 He 280에서 사출한 최초의 조종사가 되었다. 당시 헬무트의 기체는 추운 겨울과 높은 고도에서 습기가 조종 케이블을 얼려버려서 조종 불능상태였다. 거의 동시대에 개발된 SAAB사의 사출 좌석은 1941년 사출 에너지로 압축공기를 이용하였으나 1943년 Bofors 에 의해 화약을 이용한 사출방식이 개발되어 1944년 2월에 시험에 Saab 17에 장착, 성공하였으며, 1946년 7월 29일 공중 충돌 발생시 사출에 성공한 첫 사례가 되었다.
사출좌석의 형태
1944년 후반, 독일의 Heinkel He 162은 좀더 현대적인 시스템에 접근하였는데, 사출좌석을 화약 폭발력으로 쏘아 올리는 방식을 적용했다. 좌석 후방에 두개의 파이프에 화약을 넣고, 파이프에는 좌석과 연결된 금속 마개가 들어가있다. 화약이 터지면 마치 총알이 날라가 듯 가스 힘에 의해 위로 올라가는 방식이다. 현대의 사출 좌석의 발사 시작 방식과 거의 동일한 방식이다.
항공기의 속도가 점차 증가하자 단순히 항공기 이탈을 위한 화약 방식으로는 조종사와 동체 후방과 충돌 문제가 발생기 시작하였고, 미국은 동체 하방으로 사출하는 방식(downward-ejecting system)이 검토하였다. 하지만 이 방식은 이착륙시, 지면과 가까이 있을 경우는 거의 성공할 수 없고, 기체를 더욱 복잡하게 만들어 위험했다.
속도가 마하를 돌하기 시작하자 어느 듯 사출방식의 최대 안전은 사출시 가장 빨리, 그리고 더 멀리 항공기로 부터 조종사를 최대한 이격시키는 것이되었다. 수평, 수직 꼬리날개가 최대한의 걸림돌이었다. 점점 강해지는 화약의 폭발력은 조종사의 척추 손상의 위험까지 발생하였다. 1958년 F-102 Delta Dagger에는 최초로 고체 추진 로켓을 사용하는 사출좌석이 장착되었다.
비슷한 시기에 Martin-Baker사도 유사한 시스템을 개발하였다. 로켓 추진 시스템은 사출좌석이 칵핏을 이탈한 후에도 좌석을 매우 높이 올려서 기체 후방 구조물과 충돌 우려도 현저하게 감소하였으며, 지상과 가까운 상태에서도 낙하산이 개산할수있는 고도까지 조종사를 상승시켜주었다.
로켓 모터를 장착한 F-102는 마하 이상의 속도에서 6명이 사출하여 전원 성공하면서 주목을 받기 시작했다. M-21기의 비행중에 마하 3.25상태에서 탈출에 성공한 사례도 있었다. 하지만 탈출에 성공 하였으나 조종사는 물에 빠져 익사하였다.
Encapsulated Seat egress system은 B-58 Hustler와 B-70 Valkyrie 초음속 폭격기를 위해 개발되었다. 초음속 비행중에 사출할 경우 조종사에게 부딛히는 공기의 압력은 충분히 조종사의 생명을 위협한다. 캡슐형은 조종사를 사출전에 캡슐에 넣은 후 캡슐전체가 사출하는 방식이다. 사출 준비단계에서 조종사는 Seat를 후방으로 이동시켜 캡슐에 들어가게되는데 캡슐내부에서도 기본적인 비행기 조종이 가능하며 전면 투명창을 통해 기본적인 계기를 읽을 수가있다. 캡슐은 바다에 떨어져도 한동안 뜰 수 있어서 구조시간까지 생존가능성을 높였다. 대개 조종사가 바다에 착륙하면 생존시간은 한두시간 뿐이다.
Vought사는 마하 2급의 F-8 Crusader해군 전투기를 제작하면서 조종사의 안전보장, 바다에서 낙하시에도 장시간 생존을 보장하기위해 OSCAR(Optimum survival Containment And Recovery)라는 사출 시스템을 구상하여 실험하였다. 하지만 미해군은 비용이 너무 상승하고 F-8의 구매자체가 예상보다 적어서 이 사출 시스템을 채용하지 않아 실용기에는 적용되지 않았다.
General Dynamics F-111는 승무원이 두명이나 각각의 사출방식이 없이 칵핏 전체가 하나의 모듈로 동체에서 이탈한다. 승무원 뿐만아니라 계기, 통신장비, 산소 장치 등등이 모두 떨어져 나오므로 밀림이나 사막에 떨어져도 생존 가능성이 높고, 통신을 유지하므로 구조도 신속하다. 또한 밀림지역, 사막등지에서 피난처를 제공해 주기도하며, 조종사는 심리적으로도 매우 안정감을 준다. 화약으로 동체와 연결부위를 절단한 후 캡슐에는 매우 강력한 로켓으로 상승한다. 낙하시에는 낙하산으로 착륙하고 캡슐 하부에는 에어백이 달려있어 착륙시 충격을 완화시켜준다. 화성 탐사 우주선의 착륙방식과 매우 유사하다. 마찬가지로 수상 착륙시에도 물에 뜰수있다.
월남전이 발생하면서 미국은 상당한 항공력을 전장에 투입하였으며 많은 항공기가 격추되고, 조종사의 생존과 구출 문제가 연구되었다. 비행기가 추락한 지점 근방에서 조종사가 발견되는 것은 쉬운 일이었다. 그래서 Air Crew Escape/Rescue Capability or Aerial Escape and Rescue Capability (AERCAB) 사출 좌석 개발 프로그램이 가동되었다. 이에 응찰한 회사는 3개사였는데, Bell System에서 제출한 방안은 삼각형의 글라이더가 펼쳐져서 사출 후 (아군이 구출가능하 지역까지) 먼거리로 이동하는 글라이더 방법, Kaman사에서 제출한 자이로콥터 방안, Fairchild사에서 제시한 작은 날개가 달린 사출좌석 등으로 구체화되었다. 이들 모든 방안에는 무인기에 사용하는 소형 제트엔진이 포함되어 가급적 멀리 이탈, 또는 아군이 구조할수있는 지역까지 비행 할수있도록 되어있었다. 이중에 Kaman사의 자이로콥터 방안만이 유일하게 구체화 단계로 시험비행까지 마쳤으나 1970년대초 월남전의 종전으로 더 이상 빛을 보지는 못했다.
조종사의 안전
사출좌석의 주 목적은 조종사의 생존이다. 사출시의 조종사가 받는 중력 가속도는 거의 12~14 g에 달하는데, 종종 조종사의 척추 손상으로 더 이상 비행 조종을 못하는 경우가 발생한다. 하지만 죽는것 보다는 낫지 않은가?.
근래는 Zero-Zero사출이라하여 지상에서 속도 '0', 고도 '0'에서도 사출좌석이 로켓모터의 파워를 이용하여 낙하산 개산 고도까지 상승시켜주어 안전하게 사출하도록 해주는데, 최근에는 지면 근방의 배면 비행시에도 조종사가 생존 할 수있도록 성능이 향상되었다.
미공군이 채택하고있는 사출좌석은 ACES II(Advanced Concept Ejection Seat model 2)로 F-22, F-16, F-15K 등에 채택하고 있다. 이 사출좌석은 지상 43M에서 배면상태에서도 조종사의 생존을 보장한다.
러시아의 유사 개념 사출좌석은 Zvezda K-36 인데, 지상 최소 200미터 정도에서 사출을 보장한다. Zvezda K-36 의 사출 성공은 1993년 Mig-29의 판보로 에어쇼에서 공중 충돌시에 유감없이 많은 사람들에게 시범을 보였다.
한국공군의 F-15K는 2010년 7월 대구기지에서 후방석에 타고있던 어느 장군이 F-15K가 정지한 상태에서 사출좌석을 작동시켜 Zero Zero 사출좌석의 성능을 검증한 바가있었다. 사출좌석을 작동시킨 사람은 매우 챙피한 일이지만 사출성공을 보는 제작사나 정비사 입장에서는 성공적이라 할수있다. 이렇게 고도 '0', 속도'0'에서 사출을 가능케하는 것은 강력한 로켓 모터로 무거운 사출 좌석을 높이 쏘아올리는 것, 바람이 없는 상태에서도 캐노피를 사출 방향과 충돌이 없도록 후방으로 날리는 기술, 정점에 달했을때 신속하게 낙하산을 개산시키는 기술 등이 필요하다.
2010년 7월 마틴베이커사는 마틴베이커사의 사출 좌석으로 7325명의 생명을 건졌다고 발표하였다.
하지만 수억을 날린 그 장군도 여기에 포함 되는지 모르겠다.
Egress system
사출좌석의 작동순서는 2단계로 먼저 조종석의 캐노피가 먼저 제거되어야한다. 다음에 좌석과 조종사가 함께 비행기로부터 이탈되어야 한다. ACES II는 순간의 시간을 절약하기 위해 위 두가지 시퀀스를 하나로 합쳐놓았다. 실제로 불과 0.1~2초에 불과한 찰라의 순간에 조종사가 죽고 살고한다. F-4의 경우에는 캐노피가 날라가지 않으면 다음 순서인 조종석의 점화가 이루어지지 않도록 되어있다. 열리지 않은 캐노피를 뚫고 나갈수 없다는 것이다.
<사출을 하면 가장 먼저 캐노피가 날려버려야한다. 이는 조종사가 사출을 시도하면 자동으로 이루어지는 과정이다. 사진에서 사출좌석이 긴 파이프로 연결되어있는데, F-4의 경우와 비슷하다. 이는 안테나 형식으로 된 파이프 속에 화약을 넣어 터지게하면 파이프가 쭉 ~ 길어지면서 동체 밖으로 나온다. 이후 로켓 모터가 점화된다.>
하지만 F-15, F-16등은 조종사의 사출레버를 당기는 순간 캐노피 제거를 위한 폭약과, 사출좌석의 점화가 동시에 이루어지고, 만일 캐노피가 열리지 않더라도 캐노피 유리를(특수 아크릴) 깨고 나갈수있도록 되어있다. 이럴 경우 큰 조각의 파편이나, 날카로운 면들이 조종사를 손상시킬수있다. F-4의 경우 Canopy가 열리지 않으면 조종사는 손으로 밀어서 바람 힘을 얻어 날려버릴 수있으며, 이마저도 여의치 않으면 만일 비행기를 뒤집을수 있다면 뒤집어 중력을 이용하여 떨어뜨릴수있다. 최악의 경우 조종석내에 도끼같은 뭉툭한 칼이있는데, 이 칼로 캐노피를 부수고 탈출해야한다.
조종사 T-59, F-35, 해리어 등 일부 기종은 캐노피를 열지 않고 화약으로 캐노피를 분쇄(Canopy Destruct system) 시키는 방법도 적용한다. 캐노피가 사출되는 시간을 줄여서 생존 확율을 높이기 위함이다. 아크릴내부에 충전된 화약을 MDC(Miniature Detonation Cord) 또는 FLSC(Flexible Linear Shaped Charge) 라고 부른다. 이 시스템의 장점은 공중에서 사출후 캐노피와 조종사가 재 충돌하는 것을 방지한다. 특히 공중호버링을 하는 동안 속도가 '0'인 상태에서 사출을 해야하는 경우가 많은 해리어는 캐노피와 공중 충돌위험이 많다. 그래서 해리어에 가장 먼저 이 방법이 적용되었으며 공중 호버링을 하는 F-35도 그래서 이 방법이 적용되었다. 이후 Hawk 영국에서 제작하는 대부분의 항공기가 이 방법을 적용하게되었다.
조종사의 사출 시도는 조종석 우측의 사출 레버를 당기거나, 가랭이 사이의 둥근 고리를 당기는 방법, F-4, F-14에 적용되는 페이스 커튼(비행 속도로 인한 강한 강풍으로 부터 조종사의 안면을 보호하는 기능)을 당기는 방법을 사용하는데, F-16등과 같이 동체가 작고 좁은 경우 Side Handle은 생략되기도 한다.
아주 순간적인 상황에서 종종 조종사의 자세가 불안한 경우가 발생한다. 고객을 숙인 상태나, 다리를 벌리거나 앞으로 뻗은 상태, 팔꿈치를 옆으로 벌린 상태등은 쉽게 발생할수있는 상황이다. 고개를 숙이면 중력 가속도에 의해 목뼈를 다치기 쉽상이며, 다리를 벌리거나 뻗으면 사출시 캐노피 구조물에 부딛혀서 신체 절단이 발생한다. 사출에 성공해도 사출좌석과 조종사의 무게중심이 추력선에 벗어나서 곧장 사출하지 못하고 사선을 그리면서 지상에 충돌할 수도있다. F-104부터는 이런 문제를 해결하기 위해 조종사가 사출을 시도하는 순간 안전벨트(Lap Belt)를 바싹 당겨서 사출좌석에 팔과 몸을 붙이게하고, Leg retractor를 작동시켜 발을 좌석 안쪽으로 당기도록 한다.
대부분의 제트 항공기의 비행고도는 지상 10Km이상을 비행하는데, 이 고도에서 사출하게되는 경우가 발생한다. 이럴 경우 외기 온도는 영하 50도가까이 되므로 고고도에서 사출한 조종사는 낙하산을 타고 내려오면 얼어죽기 딱 좋다. 이를 방지하기 위해 고고도 사출시에 낙하산을 펴지 않도록 하고있다. 낙하산은 절차에 따라 자동 개산토록되어 있으나 시간 지연장치(Time Release Mechanism)를 이용하여 Drogue Shute라고하는 작은 낙하산만 개산하여 사출좌석의 자세를 잡아주고 대형 낙하산(Personnel Parachute)는 개산하지 않고 중력을 이용하여 신속하게 하강하도록 한다.
고공의 부족한 산소에 대비하여 압축된 산소가 조종사 마스크로 공급되게 되어있으며, 조종사와 사출좌석이 분리되지 않도록 벨트가 단단히 조여준다. 센서가 일정한 안전 고도(약 12,000 ft, 약 3-4Km 고도)까지 내려온 것으로 감지되면 조종사와 사출좌석을 분리시키고 (man-Seat Separator) Personnel Parachute가 개산된다.
다수의 인원이 탑승하는 B-52의 경우, 총 6명의 승무원이 탑승하는데, 동시에 사출을 하면 공중에서 사출 좌석끼리 충돌할 위험이있다. 그래서 두명은 동체 아래로 사출하고(저공에서는 작동안함), 나머지 4명은 약간씩 각도를 달리하여 윗방향으로 사출한다. A-6는 캐노피가 사출되지 않아 Seat가 사출되지 않으면, 조종사가 Mode를 재 선택하여 캐노피 사출에 관계없이 사출을 재시도할수있다.
조종사의 의지와는 상관없이 자동 사출이 이루어지는 항공기로는 Soviet Yakovlev Yak-38 VTOL기 인데, 만일 수직 이착륙 과정에서 자세가 정상적이지 못하면 시스템에서 이를 감지 조종사의 의지와는 관계없이 사출토록되어있다.
러시아의 Kamov Ka-50은 세계 최초로 헬리콥터에 사출좌석을 설치한 기종이다. 이 기종은 조종사가 사출을 시코하면 폭팔성 볼트가 장착된 로터가 절단되면서 조종사 위쪽의 장애물을 제거한 후 일반 전투기와 같은 방식으로 사출하게된다. 1970년 미국의 AH-56 Cheyenne 시제기도 사출좌석을 장착하였는데, 이 시제기는 회전 로터를 피해 하방으로 사출하였다.
한때는 여객기의 사출도 연구되기도 하였으나 실용성 문제로 실용화되지는 못했다.
사출과정
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