X-31 고기동 연구기

X-31은 고기동 연구기(Enhanced Fighter Maneuverability)로서 당시로서는 차세대에 해당했던 5세대 전투기의 기동성을 실험하기 위한 실험기이다. X-31의 고기동 성능에서 주를 이루는 것은 바로 추력선 변환장치로 thrust vectoring 기술이다. 이와 연계하여 컴퓨터 비행통제장치가 사용되었고, 기타 외부의 구조적인 조종장치가 적용되었다. 그리고 이러한 고기동성능이 전투기 근접 전투에서 어떠한 잇점을 가지는 지도 연구되었다.
X-31 프로그램은 NASA에서 주도 되었으나 미해군, 미공군, 록크웰사, 독일 정부와 항공사 일부가 참여한 국제적인 프로젝트였다.

받음각이라 함은 비행방향으로 항공기 날개가 접하는 각도를 말하는데, 만일 항공기가 수직으로 세워진 상태로 (수직 상승이 아닌) 앞으로 전진 한다면 이는 받음각이 90도 상태이며, 아주 정상적인 수평 상태로 전진 비행을 한다면 받음각이 0도이다. 받음각이 매우크게 되면 항공기는 실속 상태에 들어가 날개가 양력을 받지 못하고 추락하게되는데, 이를 실속(Stall)이라부른다. 고받음각 상태에서도 항공기가 기동성을 유지 한다면 전투에서 매우 유리한 성능을 발휘 할 수있다. 4세대 이전의 항공기들은 대개 받음각이 30도이상 크게 되면, 항공기 추락, 조종사 사망 등으로 이어질수있다.

X-31의 고기동성 핵심은 엔진의 추력 방향을 변환시키는 기술이다. 엔진 노즐 뒤에 3개의 그라파이트 에폭시로 만든 paddle을 설치하여 엔진 추력 방향을 바꿀수 있도록 하였고, 3개의 패들을 이용하여 Pitch와 Yaw를 가능하게 하였다. 패들은 온도 1,500도 이상에서 시간 제한 없이 견딜수있다.

조종석 하부 좌우에는 커나드가 장착되어있어, 고받음각 상태에서 양력을 유지하고, thrust vectoring system이 고장났을때 항공기 자세 복원하는데 필수적으로 사용된다. 날개 후방에서 엔진까지 동체선을 따라 strake가 좌우로 장착되어있는데, 방향 안전성과 고받음각 상태에서 Nose Down Moment를 발생시킨다.

<두 자세의 X-31을 보면 커나드와 받음각이 매우 중요한 관계가 있음을 알 수있다>

<날개뒤 엔진베이 쪽에 스트레이크가 장착 되어있다>

X-31의 비행 시험은 스톨 영역을 넘어선 고 받음각 비행상태에서 공기의 흐름, 공기역학적 특성, 조종면의 효과성, 추력선 변환장치의 조종 기여정도, 항공기 기동성 등을 항공기 설계자들에게 데이터로 제공해주는데있다.

실험기 1호기가 1990년 3월 1일 출고하였다. 10월 11일에는 첫 시험비행을 무사히 마쳤다. 2호기는 1991년 1월 19일 출고하였다.

<막 착륙한 X-31. Speed Brake가 열려있고, 낙하산이 막 펴지고있다>

시험비행동안 약 40도의 받음각을 준 상태에서 thrust vectoring 을 통해 지속적인 비행가능성을 시험하였다. 점진적으로 받음각도를 증가시키면서 1992년 11월에는 받음각을 70도까지 높여 비행을 하였다. 1993년 4월에는 스톨 단계를 넘은 상태에서 180도 Turn하는 기술을 선보였다. 이 기동은 Herbst Maneuver 이라 불리는데, 공대공 근접전에서 매우 유리한 위치를 차지하게하는 고급 기동이나 기존의 전투기에서 사실상 불가능했던 기동이다. X-31은 고유의 고 기동 성능을 이용하여 1995년 초까지 여러 공중 전투 기법을 연구하였다.

<Herbst Maneuver는 Su-27이 코브라 기동이란 이름으로 선보이면서 유명하게되었다>

이과정에서 불행하게도 X-31 1호기가 1995년 1월 19일 추락하는 사고가 발생하였다. 사고원인은 공기속도를 측정하는 Pitot Tube에 얼음이 생성되면서 부정확한 공기Data로 인해 비행제어 컴퓨터에 문제가 발생하였다. 다행하게도 조종사는 사출하여 무사하였다.

1994년에는 꼬리날개가 없는 상태에서도 thrust vectoring 만으로 초음속 비행의 안정성을 유지할수있는지 여부가 시뮬레이션 형태로 실험되었다. 추력편향 장치가 Rudder를 대신하여 안정성을 유지할수있었는데, 만일 수직, 수평꼬리날개가 없다면 레이더 반사면적 감소, 전체적인 무게 감소에 크게 기여를 하고 민간 항공기에서도 적용될수있다. 이러한 실험자료는 JFS 프로그램에도 적용되어 Vertical Tail의 크기를 정하는데, 매우 유용하게 사용되었다.

<위 두 사진은 동일사진이며, 아래사진은 사진 조작을 통해 무미익기를 형상화하였다>

<이 사진도 그래픽 조정된 사진이다. 사실상 수직 미익이 없는 상태로 비행하지 않았다>

1993년에는 Helmet Mounted Visual/Audio Display (HMVAD)을 X-31에 적용하였다. 고받음각 비행상태에서 조종사는 전방 방향이 항공기에 가려서 보지 못한다. 이때 카메라를 통해 헬멧에 전방 방향을 비추어주어 고받음각상태에서도 전방을 확인할수있도록 해준다. X-31의 조종사 헬멧 시현장치는 미국내에서 처음으로 시도된 기술이다.

X-31은 고유의 고기동성을 이용하여 Vectoring Extremely Short Take-Off and Landing Control Tailless Operation Research라는 긴 이름의 시험도 수행하였다. 해석하자면 꼬리날개가 없이 Vectoring 기술을 이용하여 극히 짧은 이착륙 성능 시험이라는 내용이다. 이 시험에서 미해군과 독일이 매우 관심을 높게가졌다. 고기동 항공기로 초단거리 이착륙 시험을 하는 것은 X-31에는 애초 계획되지 않은 프로그램이라 새로운 계약이 이루어졌다. 독일과 미국과의 계약을 통해 업체는 크라이슬러와 보잉이 참여하였다. 항공기는 개조되고, 내부 소프트웨어도 상당부분 개량되었으며 항법장비도 새롭게 개선되었다.
2003년까지 시행된 X-31의 초단거리 이착륙 시험도 성공적으로 마무리되었다. 받음각 24도에서 착륙시험이 성공적으로 이루어지고, 착륙속도는 이전보다 1/3로 줄었다. 통상 8,000 피트가 필요하던 활주거리는 1700 피트로 줄었다.

<독일 루프트한자사의 로고가 선명히 찍혀있다>

승무원: 1
길이: 43ft 4 in (13.21m)
날개폭: 23 ft 10 in (7.26 m)
높이: 14 ft 7in (4.44m)
날개면적: 226.3 sq ft (21.02 m²)
종횡비: 2.51:1
순중량: 11,410 lb (5,175 kg)
운용중량: 14,600 lb (6,622 kg)
최대이륙중량: 15,935 lb (7,228 kg)
엔진: 1× General Electric F404-GE-400 turbofan, 16,000 lbf (71 kN)(afterburning)
최대속도: Mach 1.28[8] (900 mph, 783 knots, 1,449 km/h)
최대상승한도: 40,000 ft (12,200 m)
상승율: 43,000 ft/min (218 m/s)
익면하중: 64.5 lb/ft² (315 kg/m²)

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