中, 6세대 스텔스 전투기 항공모함 착륙 시스템 혁신 공개

중국의 차세대 스텔스 전투기인 J-36 설계팀이 항공모함 착륙이라는 고난도 기동을 획기적으로 개선할 수 있는 첨단 컴퓨터 시스템을 개발하여 전 세계의 이목을 집중시키고 있다고 22일(현지시각) 홍콩에서 발행되는 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.

중국과 프랑스 과학자들의 협력 연구를 통해 개발된 이 시스템은 조종사와 제어를 공유하며, 극한의 기상 조건 속에서도 놀라운 수준의 정밀도를 달성하는 것으로 알려져 해군 항공 전력 증강에 크게 기여할 것으로 전망된다.

지난해 12월 중국 남서부의 대도시 청두 상공에서 포착되어 전 세계 방위 산업계에 큰 파장을 일으킨 J-36 스텔스 전투기는 꼬리 없는 삼중 엔진을 탑재한 독특한 외형을 자랑한다.

전례 없는 스텔스 능력과 함께 장거리 공격용 미사일을 탑재할 수 있는 강력한 성능을 갖춘 것으로 추정되는 이 전투기는, 중국 군용기 명명 규칙에 따라 비공식적으로 J-36이라는 이름으로 불리고 있다.
중국 최고 권위의 항공 학술지인 Acta Aeronautica et Astronautica Sinica에 최근 발표된 논문에 따르면, J-36 설계팀은 중국 해군 항공모함 전력 확충에 발맞춰 해상 운용에 최적화된 해군형 변형 개발의 초기 단계에 착수한 것으로 알려졌다.

특히, 항공모함 기반의 꼬리 없는 비행익 항공기는 스텔스 성능과 공기역학적 효율성을 극대화하기 위해 전통적인 꼬리 부분을 제거한 혁신적인 설계로 인해, 정확한 착륙에 상당한 어려움을 겪는다는 기술적인 난제를 안고 있다.

AVIC 청두 항공기 설계 연구소의 부수석 설계자인 타오 청강은 논문에서 6세대 전투기를 항공모함에 착륙시키는 조종사들의 부담과 위험성이 "매우 높다"고 지적했다. 수평 안정기가 없는 비행익 항공기는 피치(기수 올림/내림) 제어 능력 유지에도 어려움을 겪으며, 엘레본, 피치 플랩, 스포일러 슬롯 디플렉터 등 다중 제어 표면들이 상호 간섭을 일으켜 불안정한 힘을 발생시키기도 한다.

뿐만 아니라, 항공모함 뒤에서 발생하는 격렬한 난기류인 "선박-항공 후류 효과"는 항공기의 비행 경로를 심각하게 방해하는 또 다른 주요 난관으로 작용한다.

이러한 어려움에도 불구하고 타오 청강은 "우수한 탑재 능력과 스텔스 성능을 갖춘 비행익 항공기를 항공모함에 배치하는 것은 해군의 작전 능력을 극적으로 향상시킬 수 있기 때문에 매우 전략적으로 중요하다"고 강조하며 문제 해결의 필요성을 역설했다.

이러한 기술적 난제 극복을 위해 타오 청강과 그의 연구팀은 난징 항공우주대학과의 협력을 통해 몇 가지 핵심적인 혁신 기술을 개발하고 있다고 논문은 밝혔다. 연구진은 항공기의 자세 변화와 비행경로 조정을 분리하는 "직접 힘 제어(Direct Force Control)" 시스템을 개발하여, 조종사가 기체의 피치를 불안정하게 만들지 않고도 직접적으로 양력을 조절할 수 있도록 했다.

또한, 이 시스템은 실시간으로 제어 표면 조정을 계산하기 위해 야코비안 행렬이라는 수학적 모델을 활용하여 "불완전한" 공기역학 데이터베이스에 대한 의존성을 최소화했다. 구형 시스템의 고질적인 약점이었던 부정확한 데이터베이스 의존 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 고급 로봇 시스템에 주로 사용되는 FTDO(Fixed-Time Disturbance Observer)라는 맞춤형 모듈을 도입했다.

FTDO는 양자 역학에서 영감을 받은 알고리즘을 사용하여 제어 표면 간의 상호 작용 효과를 수 초 내에 감지하고 보정하는 능력을 갖추고 있다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 이 시스템은 최대 6미터 높이의 파도가 치는 매우 거친 해상 조건을 모사한 합성 후류 속에서도 안정적인 성능을 유지하는 것으로 나타났다.

연구진은 중국의 솔루션이 날개에 내장된 '드래그 러더'와 같은 새로운 제어 표면과 3차원 추력 벡터링 기술을 통합한 점을 강조하며, 기존 꼬리를 가진 항공기를 위해 설계된 미 해군의 매직 카펫 시스템과는 근본적인 차이가 있다고 설명했다.

착륙 과정에서 스포일러 슬롯 디플렉터는 후방 플랩을 통과하는 공기 흐름을 정밀하게 제어하여 예기치 않은 비행 조건에서도 제어력을 유지하도록 설계되었다.

연구팀이 수행한 수많은 시뮬레이션 착륙 테스트 결과에 따르면, 이 시스템은 강한 측풍과 심한 갑판 움직임 등 극한 조건 속에서도 놀라운 수준의 정밀도를 보여주었다. 세 가지 다른 해상 조건에서 다양한 선박 후류와 갑판 움직임을 적용한 30번의 시뮬레이션 착륙 테스트에서, 이 시스템은 조종사가 강한 난기류 속에서도 고도 오차를 단 2cm 이내로 유지하는 데 도움을 주는 것으로 나타났다.

연구진은 "착륙 분포 결과를 보면 거의 모든 착륙 지점이 세 가지 해상 상태를 가로지르는 두 번째와 세 번째 저지 와이어 사이에 밀집되어 있다"고 밝히며, 직접 힘 제어 방식이 선박 후류와 역동적인 갑판 움직임으로 인한 외부 교란을 효과적으로 억제하여 비행익 항공기의 정확한 착륙을 가능하게 한다는 것을 입증했다고 강조했다.

중국 엔지니어들은 자신들이 개발한 시스템이 F/A-18 슈퍼 호넷 조종사의 항공모함 착륙을 단순화한 미 해군의 매직 카펫 소프트웨어와 유사한 목표를 추구하지만, 작동 방식에는 중요한 차이점이 있다고 설명했다.

매직 카펫이 꼬리와 플랩에 대해 미리 프로그래밍된 게인 스케줄을 사용하는 반면, 중국 시스템은 모든 제어 표면을 동적인 변수로 취급한다. 예를 들어 추력 벡터링이 피치 플랩과 상호 작용할 때, 야코비안 행렬은 효율적인 알고리즘 덕분에 훨씬 더 빠른 속도로 최적의 편향 값을 재계산한다고 연구진은 덧붙였다.

아직 추가적인 연구와 개발이 필요하지만, 이번 연구 결과는 중국이 6세대 전투기를 통해 중국 본토에서 멀리 떨어진 해양에서도 작전 수행 능력을 확보하려는 야심 찬 목표를 가지고 있음을 시사한다.

연구팀은 "예비 탐색 설계가 완료된 후 다음 연구 단계에서는 제어 표면 고장 시나리오에서의 시스템 견고성을 향상시키기 위해 제어 아키텍처 최적화에 집중할 것"이라고 밝혔다.

궁극적으로 이러한 노력은 실질적으로 실행 가능한 정밀 착륙 방법론을 개발하여 해군 항공모함에 꼬리 없는 비행익 항공기를 성공적으로 배치하기 위한 토대를 마련하는 것을 목표로 한다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com