수직이착륙기
수직이착륙기(垂直離着陸機, vertical takeoff and landing, VTOL)는 이착륙(離着陸)할 때 활주하지 않고 수직으로 이륙·상승 또는 하강할 수 있는 비행기를 말한다. VTOL이라고 한다. 헬리콥터도 VTOL의 일종이지만, 흔히 VTOL이라고 할 때는 헬리콥터 이외의 것을 말하는 경우가 많다.
수직이착륙기는 수평으로 날 때에 성능이 나쁜 헬리콥터의 결점과 이착륙시에는 긴 활주로를 필요로 하는 비행기의 결점을 제거하고 서로의 장점만을 취한 것으로, 기술적으로는 대단히 어려운 점이 많아 1953년의 첫 시험비행 이후 10여 년이 지난 후에야 겨우 실용화되었다. 현재 실용되고 있는 기종으로는 영국공군의 제식(制式) 전투공격기인 호커 시들리 해리어(Hawker Siddely Harrier) 등이 있다.
개요[편집]
수직이착륙기는 항공기의 수직 이착륙, 또는 그 능력이 있는 기체를 지칭하는 용어이다. 활주 없이 제자리에서 이륙하고 공중에 정지한 지점에서 바로 착륙할 수 있도록 특수 설계된 고정익기와, 헬리콥터와 고정익기를 절충한 틸트로터기가 해당된다.
헬리콥터도 수직 이착륙을 하므로 이 개념에 속하지만 한국에서 VTOL의 인식은 주로 "수직 이착륙이 가능한 고정익 비행기"를 나타내므로 범주에 포함시키지 않는 경우가 많다. V-22 오스프리는 이착륙시에 한하여 가변익이지만 순항 시에는 내내 고정익 상태를 유지하므로 이 분류에 해당한다고 볼 수 있다. 반면에 원어권에서는 엄연히 헬리콥터 같은 회전익기들도 포함하는 단어이다.
역사[편집]
꽤 오래전부터 여러 시도가 있었다. 1928년에 니콜라 테슬라가 개념을 제시하기도 했다. 2차대전 당시 미군이 온 활주로를 까부수고 다니자 독일군이 여러 시험기를 제작하거나 구상했지만 실용화된 것은 없었고, 본격적인 개발은 대전후 미국과 영국에서 진행되었다. 60년대 쯤에 소련과 독일도 본격적으로 개발에 뛰어들었다.
종류[편집]
VTOL에는 여러 가지의 형식이 있으나, 현재 가장 실용에 근접하였거나 사용중인 것은 리프트젯 엔진+주엔진 추력편향 노즐로 되어 있는 식과 리프트팬+주엔진 추력편향 노즐 방식, 여러 개의 추력편향 노즐만으로 비행하는 방식, 틸트로터 방식의 네 가지이다.
리프트젯 엔진식[편집]
기체 내부에 주 엔진 외에 리프트엔진(lift engine)이라고 불리는 제트엔진을 수직으로 장치한 것으로서, 주 엔진의 추력편향 노즐과 리프트 엔진의 위쪽으로 향하는 추력에 의하여 기체의 무게를 지탱하며, 수직으로 상승·하강할 수 있다. 어느 고도에 이르면 뒤쪽 주 엔진의 추력편향 노즐을 단계적으로 올려서 천천히 가속한다. 그러면 날개에 양력(揚力)이 생기므로 필요없게 된 리프트엔진을 정지하고, 일반 제트기처럼 날개와 앞으로 향하는 제트엔진으로 비행한다. 야코블레프 Yak-38과 야코블레프 Yak-141이 대표적이다.
이 방법은 리프트엔진과 앞으로 향하는 제트엔진의 두 종류(심지어 리프트 엔진은 직경이 크고 연비가 높은 터보팬이 아닌 직경이 작고 연비가 낮은 터보제트로만 딱 2개까지 허용되는것이 보통이다.)를 구비해야 되는데 이로 인해 연료비가 엄청나게 깨진다.
리프트팬 방식[편집]
위의 리프트젯 엔진식을 토대로, 리프트젯 엔진을 하나의 거대한 리프트 팬으로 바꾸고 주엔진과 기계적으로 연동시킨 것. 수직이착륙시 하나의 엔진만을 운용하며 비행시나 활주이착륙시 팬을 쓰지 않을 경우, 클러치 등의 기계적 수단으로 팬으로 가는 동력을 차단해버리면 되므로 만들기가 쉬우며 연료도 덜 잡아먹는다. F-35 라이트닝 II의 B형이 대표적이다.
다만 동력차단에 쓰는 기어와 팬이 너무 빨리 돌지 않게 막을 감속기어 같은 기어를 넣을 공간이 요구된다.
추력편향 노즐 방식[편집]
한두개의 주 엔진만을 사용하며 노즐을 여러개로 분할한 방식. 장점은 공간을 적게 차지한다는 점이지만 대신 단점으로 느린 속도, 복잡해지는 노즐형태 등의 제공전투기/요격기로서는 사용이 불가능해지는 치명적인 단점이 있어서 국지전투기나 공격기로만 제한되며 이 경우 육상의 공군보단 해상의 함재기로서만 운용하는 경우가 많다. 대표적으로 영국/미국/태국이 운용하는 영국제 BAE 해리어 II 시리즈가 있다.
틸트로터식[편집]
외관상으로는 프로펠러를 2개 또는 4개를 날개의 엔진에 장비한 비행기와 다름없으나 이륙시에는 이 엔진이나 날개를 프로펠러와 함께 90° 돌려서 프로펠러를 위로 향하게 한다. 그러면 프로펠러가 헬리콥터의 회전날개와 같은 작용을 하여 비행기의 무게를 지탱한다. 어느 고도에 이르면 프로펠러를 날개와 함께 수평으로 하면 일반 프로펠러기와 같은 원리로 수평비행(水平飛行)을 한다.
운용방식[편집]
수직이착륙기는 긴 활주로가 필요없기 때문에 부서진 활주로나 선박의 위에서도 이착륙이 가능하다.
본격적으로 개발된 냉전 시기부터 현재까지, 전쟁 중 적의 최우선 타격 목표 중 하나는 활주로가 뻗어있는 공군기지이다. 공군기지 활주로 가운데 폭탄 하나만 떨어져도 최소 몇 시간 단위로 기지의 능력이 사실상 무용지물이 되어 버리고, 고정익기를 전혀 운용할 수 없다는 단점이 있기 때문이다. 이는 지상 전력과 해상 전력 모두 항공기에 크게 의존하게 된 현대전에서 매우 치명적이다. 때문에 유사시 짧은 도로 정도의 공간에서 이륙하여 적을 공격할 수 있는 수직이착륙기는 아군의 비행장이 무력화 될 경우를 대비해서 방공 작전을 수행하거나 또는 그 시간을 이용해서 전진하는 적의 지상 병력을 공격하기 위한 무기 체계로 개발되었다.
이렇게 개발된 수직이착륙기의 새로운 운용처가 나타난 것은 바로 해군 전력이었다. 기본적으로 고정익 항공기가 함선에서 운용되려면 함선에 깔린 활주로와 특히 강제 착함을 위한 어레스팅 와이어를 필요로 했다. 제트기 시대에 이르러서는 함재기의 무게가 증가하면서 캐터펄트까지 필요로 하게 되자 대형항공모함이 아니면 고정익 항공기 운용이 불가능해지기에 이르렀다. 하지만 해리어와 같은 수직 이착륙기를 운용하면서 어레스팅 와이어나 캐터펄트 없이도 제한된 함선의 공간에서 운용이 가능해졌다. 그리하여 부활한 것이 수직 이착륙기를 운용하는 경항공모함이다. 물론 경항모란 개념과 임무형태는 2차 세계대전 시 이미 존재하긴 했다. 하지만, 수직 이착륙기의 개발은 제트기의 등장으로 초강대국만이 운용가능한 대형 항모와 고정익 항공기를 운용할 수 없어 상륙작전이나 대잠수함전에 국한해서 사용하던 헬리콥터 모함으로 나누어지는 대전 후 항모 양상을 일정부분 바꿔버렸다. 대표적인 것이 바로 해리어를 운용하며 포클랜드 전쟁에서 활약한 인빈시블급이다.
로켓처럼 동체를 세운 상태로 수직이착륙을 하는 무인기도 1960년대부터 여러 차례 개발 시도가 된 적이 있다. 다만 이륙이 간단하다 해도 착륙 난이도가 매우 높아서 제대로 만들어진 사례는 없다. 활주로가 필요없고 추력방향의 큰 변환을 요구하지 않으며, 동체를 세운 상태로 보관가능하므로 소형 항공모함 개발에 매우 유리할 것으로 보이지만 그외의 단점이 매우 많은 편이라 무인기가 아닌 이상 미래는 그리 밝지 않다.
여담으로 초경량 항공기의 경우 맞바람이 엄청나게 불어주면 수직이착륙에 가까운 모습을 보이거나 공중에서 후진하는 것도 가능하다.
최근 들어 멀티콥터가 급격하게 인기를 끌게 되며 이를 시작으로 드론이나 무인기에 수직이착륙 기술을 응용하여 앞으로는 많은 국가들이 여객운송용 도심항공교통 모빌리티 시스템을 도입하려는 움직임을 보이고 있다. 서울에서도 김포공항에 VTOL 무인비행기 이착륙장을 설치하여 2026년부터 서울 도심과 인천국제공항 및 수도권 위성도시 간 영업운항을 시작하기로 한국공항공사와 한화시스템이 협의 중이다.
STOVL[편집]
Short Take-Off and Vertical Landing, STOVL / 단거리 이착륙기
VTOL의 수직이착륙은 분명 매력이 있지만 엔진의 출력은 한계가 있는 법인데 수직이륙을 할 경우 최대 이륙중량은 당연히 엔진 출력보다 작아지게 된다. 즉 수직이륙의 단점은 탑재량이 적다는 것이고 헬리콥터를 제외하면 수직이착륙의 주 활용용도 및 장점이 군용이란 것을 생각하면 이는 큰 단점이다.
때문에 이러한 단점을 보완하는 것이 STOL 기능과 합쳐진 STOVL이다. 비록 단거리라도 일정거리를 활주함으로써 주익의 양력을 더하여 이륙시의 부담을 덜어주므로 수직이륙에 비해 연료 또는 무장을 더 많이 탑재할 수 있다. 따라서 헬리콥터가 아닌 고정익 항공기의 수직 이착륙기는 사실상 대부분 STOVL로 운용하게 된다. 대표적인게 해리어 및 F-35. 틸트로터기인 V-22 또한 이러한 운용이 가능하다.
경항모의 경우 STOVL 운용의 장점을 극대화 시키기 위해 스키점프대를 장착하기도 한다. 항공모함에서 떠나는 순간 상방향으로 경사를 줘서 양력과 추력을 최대한으로 활용할 수 있게 하는 것으로 캐터펄트가 없는 정규항모인 쿠즈네초프급과 퀸 엘리자베스급도 사용하기는 하나 대부분은 경항모에서 사용한다. 그러나 수직이착륙기를 운용하기는 하지만 항모가 아닌 LHA, LHD에 속하는 타라와급, 와스프급, 아메리카급에서는 이를 설치하지 않는다. 그러나 후안 카를로스 1세급에는 LHD지만 스키점프대가 있다. 단순히 강습 상륙함이나 아니냐보다는 해당 해군의 여건에 따라 장단점을 고려해서 설치하는 거라 보면 된다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
