Northrop X-4 Bantam, Tailless 실험기

Northrop X-4 Bantam은 1948년 노드롭사에 의해 제작된 Semi-Tailless(수평꼬리날개가 없는 형태) 비행 특성연구기이다.
수평꼬리날개가 없으면 Elevator 또는 Horizontal stabilator를 사용 할 수 없는데, 주날개에 장착된 Aileron이 Elavtor역할을 겸하게 된다. 이러한 조종면은 대부분의 델타익에서 채택하고있는데, 명칭은 두 용어를 합성한 Elevon(Elavtor + Aileron)이라 부른다. Elevon은 Pitch, Roll 기동을 모두 만들어 낸다.

이러한 Tailless 형상은 독일이 2차대전 후반기에 개발한 로켓 추진 Messerschmitt Me 163에서 처음으로 적용이 되었는데, 당시 항공기가 음속 가까이 비행을 하면 주 날개에서 발생한 충격파가 수평꼬리날개(Horizontal Stabilator)에 영향을 주어 안정성이 떨어지기 떄문에 수평꼬리날개를 제거하는 것이 유리하다고 판단하였다. 하지만 X-4 실험기를 통해 이러한 판단이 잘못 되었음이 확인 되었다.

<Tailless형상은 Messerschmitt Me 163에서 처음 채택되었고, 저항감소를 목적으로 하였다>

2대의 X-4가 노드롭사에 의해 제작되었다. 하지만 1호기는 기계적인 결함이 많아서 10회 비행 후 부속품을 2호기 비행에 지원하면서 생을 마감했다. 1950년부터 1953년까지 NACA의 고속비행연구소(에드워드 공군기지)에서 시행된 X-4의 시험비행에서 고유한 종적 불안전성이 확인되었다. 특히 음속 가까이로 속도가 증가할수록 마치 배가 물위를 고속으로 달리듯이 기수가 튕기듯이 오르락 내리락 하는 것이다. 그래서 당시 기술로는 이를 해결할수 없어서 Tailless 형상은 초음속 비행에 적합하지 않다고 결론을 내렸다.

1940년대에는 수평꼬리 날개가 없으면 주날개와 수평꼬리 날개사이에 간섭 현상이 사라지면서 초음속 비행에 반드시 필요한 형상이라고 판단했다. 당시에 이미 수평꼬리 날개가 없는 기체가 두가지 등장한 상태였다. 하나는 독일의 Me-163 Komet 로 2차대전중 생산되었고, 또다른 하나는 de Havilland DH.108 Swallow로 전쟁 후에 제작되었다.

<유사한 무미익기 de Havilland DH.108 Swallow>

미육군 항공대는 노드롭사와 1946년 6월에 두대의 X-4를 제작하기로 계약을 맺었다. 당시 노드롭사는 독일의 Hoten시리즈 전익기를 연구하였고, 독일의 제트 전익 폭격기 Ho 9을 비밀리 가져와 연구하였으며, 자체적으로도 N-9M, XB-35, YB-49을 제작하는 등 전익기에 대해 독보적인 기술을 보유하고있었기 때문이다.

만들어진 기체는 매우 단순한 형태였다. 엔진은 Westinghouse J30 jet engine 두개를 장착하고, 조종사, 45분간의 비행 연료를 저장할 수 있었다. 동체는 작아서 별도의 사다리나 작업대 없이 작업이 가능할 정도였다. 사람이 서면 조종석 내부가 훤히 보일 정도로 낮았다. 플랩은 벌어지는 방식이라서 위 아래로 벌어지면 스피드브레이크 역할을 하였다.

운영
X-4의 첫번째 기체는 1948년 11월 캘리포니아 머록 기지로 이송되어 1948년 12월 15일에 노드롭 시험비행 조종사에 의해 첫 비행을 하였다. 총 10회의 시험비행을 하였으나 비행 안정성이 너무나 불안하였다. 2호기가 잇달아 NASA로 옮겨지고 시험비행한 결과 1호기보다는 월등하게 안정적이라고 판단하였다. 결국 1호기는 더 이상 비행을 못하고 2호기가 고장나면 장기 이식하듯이 부품을 2호기로 옮겨주는 역할로 수명을 다하였다. 미공군에 의한 시험비행은 1950년부터 시작되었다.

주 시험비행 연구는 Pitch 불안정성 확인과 해결책이었다. 시험비행조종사는 X-4가 마하 0.88에 도달하면 마치 파도위에서 수상스키를 달리는 것 처럼 Pitch Up down을 반복한다는 것이다. 그러다가 속도를 더 증가시키면 기수가 계속 아래로 내려가는 현상이 발생하였다. 이 현상은 1941년 Me 163A 시제기에서 확인된 바가있었다.속도가 더욱 증가되면 3방향 전체에 걸쳐 진동이 발생하였다.

불안한 안정성을 바로잡기위해 Flap/Speed brake의 끝단을 두껍게 하기로 결정하고 막대기 같은 것을 위 아래 접합면 사이에 끼웠다. 결국 항시 약 5도 정도 벌어진 상태가되었다. 시험비행 결과 마하 0.92가 될때까지 pitch 진동은 오지 않는다고 하였다. 이후 착륙 성능을 평가와 추가적인 개조를 통한 안정성 실험등이 지속되었다. 1953년 9월 29일 81번째의 X-4 마지막 비행을 통해 X-4의 시험은 완료되었다.

두대의 기체중하나는 공군사관학교로 보내졌다가 에드워드 공군기지로 옮겨졌고, 또 다른 하나는 미공군박물관 라이트패트슨 기지에 전시되었다.

X-4의 실험 결과는 예상한바와는 반대의 결론에 도달했다. 애초에 후퇴익, Semi Tailless 형상이 초음속 비행에 적합한 형상임을 증명하기 위함이었는데, 결론적으로는 적합하지 않음이 확인되었다.

Semi Tailless 실 운용기로는 F7U Cutlass가 1948년에 등장하였으나 X-4와 비슷한 운명을 겪었다. 성공적이지 못한 기체에 수많은 사고를 겪었다. 설계자들은 이러한 형태가 항공기에는 적합하지 못한 방법이라고 결론을 지었으나 Fly By Wire가 등장하면서 X-4에서 겪은 기체 불안정문제가 해결되고 X-36, F-117, Bird of Prey 등의 새로운 Semi Tailless 기체들이 등장하였다. 항공기 설계자들은 새로운 초음속 비행 형상으로 델타익 형상으로 눈을 돌리면서 Douglas F4D, Convair F-102A, XF-92A 등이 등장하기 시작했다.

<F7U Cutlass가 미드웨이 항모를 이륙하고있다.>