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파리에어쇼의 A400M 수송기 기술 브리핑
글 : 신선규 (파리에어쇼 기술 브리핑)
사진: 안승범 (스페인 세빌 생산라인)
출처 : 월간 디펜스 타임즈
동일한 이륙거리에서 A400M의 최대 이륙중량이 C-130J의 2배에 달한다.
또한 지면에서 항공기의 기수를 반대 방향으로 돌리기 위해 필요한 회전 반경이 27m에 불과하여
비교적 좁은 규모의 활주로와 격납고에서도 유연한 운용이 가능하다는 점 또한 A400M의 장점이라고 할 수 있다.
이것이 가능한 이유는 A400M의 랜딩 기어가 Kneeling이 가능하기 때문이다.
양쪽 랜딩 기어 패키지의 고저를 서로 달리 하여 기체를 기울여서 기수를 돌리기 때문에
지면에서 기수를 돌리는 데 필요한 공간이 극히 작은 것이다.
A400M이 C-130J와 비교하여 더욱 높은 최대이륙중량을 기록하는 것은 A400M 수송기가
복합 소재의 적극적인 도입 등으로 인하여 높은 추력 중량비를 보유하고 있기 때문이기도 하지만,
그보다 고양력 설계가 도입되었기 때문이다.
총 4기가 탑재된 TP 400 계열 엔진이 각각의 주익에서 2기의 엔진이 서로 반대 방향으로
8엽 프로펠러를 회전시킴으로써 주익에 추가적인 기류를 흐르게 한다.
프로펠러가 회전하는 양태를 살펴보면 주익 위쪽에서는 회전 방향이 서로 수렴하다가
주익 하부에서는 서로 회전 방향이 멀어지는 모습을 볼 수 있다.
이 때문에 주익 상부로 추가적인 기류가 흐름으로써 주익 위쪽을 흐르는 기류에
추가적인 에너지를 제공함으로써 동압을 증가시키고 반대로 정압은 감소시킴으로써
결과적으로 날개의 양력이 강화되는 효과를 만들어내게 된다.
이를 위해 그저 엔진의 프로펠러 회전 방향을 서로 반대 방향으로 하는 설계가 도입된 것에 더해서
프로펠러의 형상에도 2기의 프로펠러의 회전이 수렴하는 곳에서 최적의 공기 흐름과 속력을 만들어 주익 상부로
유도할 수 있는 형상 설계가 도입되었다.
A400M 수송기에 적용된 또다른 고양력 설계는 A400M의 높은 받음각 한계와 이를 정밀하게 제어하기 위한
디지털 FBW(Fly-By-Wire)이다. A400M은 주익 뿌리보다 주익 끝의 받음각이 더욱 작은 항공기이다.
이 때문에 고받음각에서 주 날개보다 경계층이 더욱 두껍고 점성이 약한 주익 끝에서의
받음각이 주익 뿌리에서의 그것보다 작은 관계로 날개 끝의 박리가 지연된다.
또한 익면하중이 높을 수 밖에 없는 수송기이기 때문이 정밀하고 신속한 제어가 가능한
디지털 FBW와 결합하면 설계 상의 최대 받음각 한계에 근접한 받음각 한계까지 항공기를 몰고 가서 제어하는 것이 가능하게 된다.
이 때문에 놀랍게도 A400M은 최대 받음각이 무려 60도에 달한다.
60도에 달하는 받음각에서도 A400M을 안정적으로 제어할 수 있기 때문에 이륙 시에 50도가 넘는 받음각에서
높은 양력을 얻어 이륙하는 것이 가능하며, 이는 A400M이 높은 최대이륙중량을 갖게 하는
직접적인 요인이라고 할 수 있다.
프로펠러 항공기의 한계를 뛰어넘은 A400M
이와 같은 설계는 높은 최대이륙중량뿐만 아니라 연비와 행동반경, 최대 속력에도 긍정적인 영향을 미치는 요인이다.
엔진의 프로펠러 회전 방향이 서로 같을 경우, 받음각과 뱅크각 등으로 인한 엔진 간의
미세한 출력 차이가 만들어지는 Torque 모멘트를 상쇄하는 과정에서 항력과 에너지 손실이 발생하게 된다.
출력 차이가 클 경우에는 당연히 큰 Torque 모멘트가 만들어진다.
이는 연비를 악화시키고 항공기의 속력에 부정적인 영향을 주는 요인이다.
A400M은 주익에 2기씩 배치된 엔진들이 서로 다른 방향으로 프로펠러를 회전시킴으로써
각 엔진의 Torque 모멘트를 상쇄시키는 효과가 있다.
4기의 엔진 출력과 RPM이 이와 같은 메커니즘과 맞물려 정밀하게 디지털 제어됨으로써
Torque force가 발생하는 출력 조합이 나오지 않도록 제어되기 때문에 기존의 프로펠러 수송기와 달리 항력과 에너지 손실이 거의 없다.
이 때문에 이론적으로 프로펠러 항공기가 넘을 수 없는 속력이라고 여겨지던 마하(Mach) 0.7을 넘어
최대 속력이 마하 0.8 ~ 마하 0.85에 달한다고 한다.
참고로 제트 엔진을 탑재한 C-17 수송기의 최대 순항 속력이 마하 0.8에 미치지 못한다.
이처럼 연비가 기존의 프로펠러 수송기보다 더욱 개선되고 최대 속력이 크다는 점은 주익에서
추가적인 양력이 발생하여 양항비가 우수하다는 점, 그리고 복합소재의 적극적인 사용과
높은 연료 탑재량에 기인하여 Fuel fraction이 크다는 점과 서로 결부되어 A400M이 긴 행동반경과 항속거리를 갖게하는 중요한 요인이다.
우수한 기동성
파리 에어쇼 등에서 A400M 수송기의 기동 비행을 본 적이 있는 사람들은 누구나 A400M이 데모 비행에서 보여주는 기동이
A400M이 둔중한 수송기라는 사실을 잠시 잊게 만들 정도로 경쾌하다는 것에 동의를 할 것이다.
A400M의 우수한 저고도 기동 성능은 전술한 바와 같은 고양력 설계(고받음각, 추가 양력 등)와
높은 비행임계영역(받음각 한계 60도, 뱅크각 한계 120도), 높은 추력 중량비, 그리고 조종면의 기민한 반응성에 기인하는 것이라고 대답하였다.
실제로 <2017 파리 에어쇼>에서 A400M은 데모 비행 시에 기수를 틀어서 방향을 전환할 때 놀라울 정도로 좁은 선회를 하는 모습을 자주 보여주는데,
이는 60도에 가까운 높은 받음각과 120도의 뱅크각에서도 정밀하고 강인한 조종면 제어가 가능한 디지털 FBW 덕분이다.
항공기의 익면하중이 높아서 임계영역 근처에서도 비행제어체계의 요구되는 제어 성능은 그리 높은 편은 아닌데,
A400M의 경우에는 이러한 요구 성능보다 더욱 강인한 비행제어가 가능한 FBW를 통합함으로써
임계 받음각 근처에서도 비교적 여유있는 비행제어가 가능한 것이다.
높은 받음각과 주익 상부의 기류 에너지 추가 공급을 위한 설계로 비교적 낮은 속력에서
큰 구심력을 형성하기 때문에 이와 같은 것이 가능한 것이다.
A400M의 우수한 기동성은 해당 기종의 임무 컴퓨터에 통합되어 첨단 인터페이스로 관리되는
각종 현대적인 자체방어체계와 조합하여 A400M의 생존성을 크게 제고시킨다.
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