[ F-35의 정면샷. 양쪽 흡입구를 보면 동체가 볼처럼 튀어나와 있는 데 이런 형상을 DSI (Diverterless Supersonic Inlet)라고 부른다. ]
[ 중국 J-20의 DSI ]
미국의 5세대 스텔스기인 F-35에 처음 적용된 DSI는 이 후 중국 스텔스기인 J-20에도 채택되었는데, 그렇다보니 여기 군갤이나 일부 일반인들 사이에선 마치 내부무장창 마냥 스텔스 기술의 대명사로 받아들여지는 경향이 있다. 뒤에 설명하겠지만 DSI는 스텔스를 의도해서 개발된 게 아니다.
F-35의 시작
익히 알려져 있듯이 F-35의 개발 코드명은 JSF(Joint Strike Fighter)다. 그런데 이에 기반이 된 사업이 두 개가 있었는데, 미공군과 해군이 공동으로 진행하던 JAST (Joint Advanced Strike Technology)와 DARPA에서 진행한 CALF (Common Affordable Lightweight Fighter).
JAST 역시 미3군통합에 동맹국들까지 쓸 수 있게 가성비있는(Affordable) 경량(Lightweight)의 스텔스 전투기를 목표로 했기 때문에 결국 CALF 사업을 통합 흡수하고 JSF 로 출범한다.
JSF는 F-22를 보조하는 멀티롤공격기 컨셉으로 최고속도는 Mach 1.5 정도면 충분하나 내부무장창에 2,000파운드 폭탄을 내장할 수 있어야 했다. 무엇보다 가격이 저렴한 걸 목표로 했다. JSF가 출범한 1990년대는 미소 냉전시대가 끝나고 소련이 붕괴되어 미 방위산업 전반에 걸친 예산삭감 압박이 극에 달하던 시기로 당시 개발중이던 F-22와 F-18 E/F 조차 프로그램이 중단될 뻔한 위기를 겪어야 했다. 복좌형인 F-22B는 결국 사업이 취소된다.
따라서 향후 미 3군 (공군, 해군, 해병대)의 차기 전투기는 하나의 기종을 파생하여 개발하며 비용절감을 위해 1 seat, 1 engine을 일찌감치 확정짓고 있던 상황이었다. 2 seats, 2 engines에 익숙한 해군이 여러 차례 우려를 표명했다고 한다.
그러므로 JSF에 있어 '저렴한 기체단가'는 반드시 달성해야 하는 과제였던 것이다.
[ JSF 사업을 두고 경합한 X-32와 X-35. 둘 다 DSI가 적용되어 있는 걸 볼 수 있다 ]
당시 차기 전투기를 위해 진행 중인 선행기술 중 하나가 ACIS (Advanced Compact Inlet System)였고 바로 여기에서 F-35 DSI 가 탄생한다.
ACIS는 미공군과 NASA 그리고 주요 항공업체들(보잉, 록마 등)이 공동참여하던 프로그램으로 차기 전투기에 적용할 새로운 흡입구(inlet) 개발을 목표로 하였다. 가격(Affordable)이 최우선 과제였으며 그 외 다음과 같은 목표가 있었다. (우선순위대로 표기)
1. Life cycle cost
2. Weight
3. Aircraft system performance
4. Survivability
5. Aerodynamic performance
보다시피 비용절감, 경량화에 촛점이 맞춰져 있고 Survivability(스텔스)는 차순위 였음을 알 수 있다.
때마침 JSF의 Affordable, Lightweight의 목표와 부합되어 ACIS 프로그램이 채택된다. ACIS에는 몇 가지 Technology적 특징들이 있으나 가장 핵심은 Inlet의 Diverter를 삭제하는 것이었다.
동체 내부에 엔진이 장착되는 전투기는 외부공기를 흡입하여 엔진에 공급하기 위해 Inlet (흡입구)과 Air Duct를 가지고 있다. 그리고 Inlet, Duct를 포함하여 엔진에 공기를 공급하는 데 관여하는 여러 장치들을 통틀어서 Intake System이라 부른다.
[ F-22의 S 형상 덕트 ]
Intake system의 목표는 전투기의 다양한 비행조건들(속도, 고도, 기동)에서 양질의 공기를 엔진에 공급하는 데 있다. 보통 여기서 '양질'이라 함은 터보팬에 도달하는 공기의 속도가 마하 0.5 정도, 흡입구에서의 공기압력이 90%이상 유지한 체 도달하는 것을 말한다.
전투기가 비행할 때 전방 동체를 타고 흐르는 기류가 마찰력에 의해 속도가 감소하는 현상이 발생하는데 이렇게 느려진 기류가 흡입구에 들어가면 엔진성능이 저하되고 심한 경우 엔진이 멈추기도 한다. 따라서 동체표면의 저속 기류가 흡입구에 들어가지 않도록 흡입구를 동체로부터 이격시키게 되는 데 이 부분을 'Diverter = 경계층' 이라고 한다.
[ F-18 E/F의 Inlet 형상. Diverter는 어떤 기구나 장치가 아니라 사진과 같이 흡입구와 동체간 이격으로 생긴 빈공간(혹은 경계층)을 지칭하는 단어이다. F-18E/F 은 대형 LEX(Leading Edge Extention, 흡입구 위에 지붕처럼 덮여있는 부분)가 있어 흡입구를 LEX하고도 이격시켜놓은 걸 볼 수 있다. ]
[ F-15 Diverter Inlet. 동체와 떨어져 있다 ]
[ 유로파이터의 Diverter inlet. 저렇게 동체 하부에 달린 Inlet을 Chin(턱) Inlet 이라 부른다 ]
[ F-16 Chin Inlet ]
[ 라팔 Diverter Inlet ]
[ F-22 Diverter Inlet ]
ACIS 프로젝트는 이 Diverter를 없앤 Inlet 시스템을 고안하는 것이 목표다. Diverter를 삭제함으로써 몇 가지 장점이 생기는데
. Diverter로 인한 무게와 비용이 감소한다. 논문에 따르면 DSI는 기존 Traditional Diverter Inlet (Caret inlet)시스템 대비 무게는 약 30%, 비용은 20% 감소하는 것으로 보고하고 있다.
. Diverter로 인한 항력(Drag)이 감소한다.
. Diverter 공간만큼 공기량을 추가 흡수할 수 있다.
. Diverter로 인한 RCS가 감소한다. 다만 RCS 증가는 주로 4세대급 Inlet을 말하는 것으로 5세대인 F-22 의 것은 직선과 경사 등 스텔스형상에 충실한 모습을 지니고 있어 상대적으로 RCS 증가는 크지 않다. 또한 F-35 DSI는 Diverter가 없는 대신 3차원 곡면의 Bump가 추가되었기 때문에 이로 인한 RCS 상승을 감안해야 한다.
[ F-35 DSI. 양쪽 Inlet으로 볼처럼 볼록 튀어 나와 있다. 공기가 부딪히는 구조라 해서 Bump inlet이라고도 부른다 ]
F-35 DSI는 어떻게 개발되었을까?
Diverter를 없애기 위해 적용한 형상적인 특징은 Bump compression surface를 가졌다는 점이다.
여기서 Bump란 기체 표면에 볼록 튀어나온 형상을 말한다.
[ 미라지 2000 inlet. Bump 혹은 Half-cone inlet이라고 부른다 ]
Bump inlet은 Oblique shock(경사파)를 발생시켜 흡입구의 효율을 높이는 역할을 한다. 이 글에선 이게 주제가 아니므로 자세한 건 생략..
컴퓨터 기술(CFD)이 발달하면서 Bump의 형상을 좀 더 복잡하고 정교하게 설계하는 게 가능해 졌고 이를 더 발전시켜 경계층 분리(Boundary layer diversion) 목적으로 쓸 수 있게 되었다.
[ 동체상에 가상의 Cone을 상정하여 Bump의 각도와 그에 따른 효과를 분석한다 ]
[ Bump형상의 곡률 위치와 크기에 따라 경계층 분리효율이 달라진다 ]
[ F-35 DSI 주위의 기류를 컴퓨터를 통해 시각화한 것으로 Bump가 저속의 기류(빨간선)를 Inlet 바깥으로 분산시키는 역할을 한다. ]
록히드마틴은 시뮬레이션을 수행해 본 결과 DSI가 충분히 기존 Diverter inlet을 대체할 수 있다는 결론을 냈고 후속 작업으로 실증기(Demonstrator)를 통해 확인하는 과정을 거쳤다.
실증기는 F-16이 활용됐다.
[ F-16 Inlet 개조설계 Modeling ]
[ F-16 Block30 에 적용된 DSI ]
[ 1996년 12월에 총 12소티를 수행했다. 수평비행은 마하 2까지 확인했으나 기동시험은 1.6 까지만 확인하였다 ]
저게 무게 30%를 줄여준다고?ㄷㄷ
완벽한 정보글 - dc App
DSI 재조비가 더 저렴하구나. 하긴 생각해보면 납득이 되긴 함.
왜 끊는 건데 왜!
용어에 좀 혼선이 있는듯. 공기가 느려진 층을 부르는게 경계층(Boundary Layer)이고 그걸 분리하는게 Diverter임. 그래서 Boundary Layer Diverter를 우리말로 경계층분리기라 부르는거. DSI는 그 분리기(Diverter)를 없앴다고 해서 Diveter-less Supersonic Inlet이라 부르는거고...
첨언 감사!
저 종양 장단점 궁금해서 새벽에 구글링 하던거 생각나네 정보글 ㄱㅊ
항상 저 모양이 왜 저런지 궁금했었는데 감사링
그리고 Bleed/By Pass 시스템이 주된 중량차이인건 맞는거 같은데 F-35는 경전투기이므로 이게 필요 없다는건 개인 의견이심? 원문이 된 록히드마틴 자료엔 그런 말이 없는데...
그리고 참고하신 록마 자료 앞에 보면 Bleed 시스템 예시로 F/A-18E/F 그림가지고 설명하고 있음...F/A-18E/F에는 그게 있단 소리.
알다시피 Bleed 는 고정형 장치이고, Bypass 가 가변장치가 사실상 무게나 유지비가 발생하는 주요 부품은 Bypass system으로 판단되는데, 비교대상인 Caret inlet에 Bypass까지 달린 건 F-22밖에 없음 그리고 F-22가 F-15를 대체하고 F-35는 F-16을 대체하는 컨셉이었으므로 비슷한 포지션의 F-16 Intake system을 비교하는 게 맞다고 보는 데 F-16 intake엔 Bleed / Bypass system이 없잖아
즉, 구지 DSI가 아니라도 Bleed / Bypass 만 없애도 중량 절감이 가능하다는 얘기라서 이걸 DSI 개발 동기라고 하기엔 무리라는 게 내 의견임
F-16이야 애당초 덕트가 극단적으로 짧은놈이라 브리드 시스템/바이패스 시스템이 없는거지 그게 경전투기여서 없는건 아니잖음. 물론 저 자료가 DSI가 짱짱좋아요라는 목적으로 쓴거니까 무게감량 효과를 과장했을 수는 있지만, F-16이 브리드/바이패스 시스템이 없었다고 해서 F-35에 더 전통적인 흡입구를 사용했다고 바이패스 장치가 없어도 되었다....라고 단정지을 수는 없는거 아니겠음. 저 그림은 F-35에 DSI를 적용했을때와 아닐때를 구분한거니.
덕트가 짧기는 F-35도 마찬가진데, 여하튼 DSI가 무게 감량에 획기적인 도움이 된다는 인터넷 글을 읽고 나서 저 자료를 봤을 때 뭔가 속은 느낌이라
다시 찾아보니 F-18 E/F에 Bleed system이 있네 그래도 이거 수동장치라 무게나 비용차이 없잖슴....
참고로 바이패스 시스템은 경계층 제거 자체보다는 덕트 내에 과압 걸리는걸 막고, 반대로 압력이 모자라면 보조흡입구 역할도 겸하는 목적이 강해서 흡입구+덕트 형상이나 엔진 특성, 비행영역등 여러 변수가 작용해서 넣거나 빼는 물건인지라 경전투기냐 아니냐로 이걸 넣는다 아닌다란식으로 말하긴 좀 모호함. 일례로 F-5 전투기에도 해당 역할을 하는 시스템이 있음.
그리고 무게 비교해보면 알겠지만, F-35는 중간크기급 전투기로 분류되는 라팔, 유로파이터보다도 훨씬 무거워서 이미 경전투기도 아니고, 미국이 F-22 하이, F-35 로우 믹스 컨셉도 사실상 버렸음...앞서 말한대로 임무에 따라 바이패스 시스템/브리드 시스템을 넣고 빼는 것도 아니고...
과압방지용 바이패스와 보조흡입용 바이패스는 용어는 같지만 서로 다른 위치에서 다른 목적으로 작용하는 거고 여기 비교대상인 Caret inlet의 Bypass는 F-22의 과압방지용을 말하는 거임 그리고 F-5는 inlet 설계사상이 오래된 거라 같은 경전투기지만 비교대상으로 삼기엔 무리라고 봐 그리고 DSI를 개발하던 X-35 초창기만 하더라도 JSF는 경전투기가 컨셉이었음 체계개발로 넘어가면서 무게, 크기가 산으로 가서 그렇지
아니...Caret Inlet이라고 뭐 천지개벽한것도 아니고, 결국 2D 흡입구를 좀 더 3차원적으로 개선한거임. F-22의 등짝에 달린 By Pass도 과압방지/보조흡입용이고, F-5의 옆구리에 달린 By Pass도 과압방지/보조흡입용이고 용도는 동일함.
결국 By Pass 시스템을 넣느냐 마냐는 추진체계 전체 단위로 볼 일이지, 경전투기라서 안넣고 대형 전투기라서 넣고 그런 임무나 항공기 체급에 따라 넣고 빼고 하는 개념이 아니란 소리임. F-35는 경전투기니까 DSI 안썼다고 By Pass 시스템을 안넣었을 거란건 너무 나간 주장임.
그 Bypass가 엔진 바로 앞에 있는데 그걸로 보조흡입용이 된다고? 보통 인렛 근처에 있어야 하는 거 아닌가? 정말 몰라서
오케이 알았음 뭔가 논지가 벗어났는데 내 의견의 핵심은 DSI 혼자 30% 감량을 다 가져가는 게 아니라는 거
보조흡입용으로는 속도가 느린 지상/이륙시 사용하는거라 가능한거. 그 상황에선 속도가 느려서 디퓨저를 통한 확산/압력증가 뭐 이런거 고민할 필요도 없고 그게 되지도 않으니까....
이해했음 땡큐
근데 F-22는 사진들 아무리 뒤져봐도 정작 이륙시에 저거 여는장면이 없는걸봐선 지상/이륙시가 아니라 공중에서 특정상황만 쓰거나 하는거 같음.
나도 그렇게 알고 있는 데 아저씨가 워낙 나보다 아는 게 많으니 반박을 못 했네 ㅋㅋ 내가 조사한 바에 따르면 F-22 Bypass system은 두 가지 용도로 쓰이는 데, 하나는 덕트벽을 타고 흐르는 Low energy air를 추가로 Dumping하는 용도 (bleed door), 그리고 아까 말한 초음속에서 Excessive(over pressured) Air 를 Dumping 하는 용도 (Bypass door)
지금까지 DSI는 스텔스에 유리해서 쓰는거고 보라매는 스텔스기가 아니니까 안 쓰는 줄 알았는데 존나 궁금하게 만드네
DSI가 스텔스에 유리한건 맞음. 하지만 F-22는 DSI가 아닌것에서 알 수 있듯 'DSI 없음 = 스텔스 아님'은 아님.
랩터에 안 달린건 랩터 설계 당시에는 실증 안 된 기술이라 안 쓴 줄 알았고 보라매때는 DSI가 유리한 점은 있지만 당장은 필요 없으니 개발 기간을 줄이기 위해 안 쓰는 건 줄 알았는데
랩터 당시에 DSI 기술이 성숙되지 않은 건 맞음 그런데 그 당시에 기술이 가능했더라도 적용 안 했을 거야 KF-21에도 DSI기술을 적용 안 한 거랑 같은 사유라서
DSI가 스텔스를 적극적으로 구현하려는 목적은 아니지만 스텔스에 도움이 되는 건 맞음 근데 그게 있고 없고에 따라 스텔스성능이 드라마틱하게 달라지냐? 하면 그건 아님
그 사유가 뭔지 궁금하니까 빨리 다음 글 주세요
무게랑 비용 절감이 제일 크고 스텔스 효과는 J-20 카나드처럼 처음부터 고려하고 설계하면 별 차이 없다는거네 근데 댓글에 보니까 슈호에도 블리드 시스템이 있다는거 보면 지금 와서 돌아볼때는 30% 절감이 맞기는 맞는듯? 처음 시작할 때야 대체대상이 팰컨, 레거시 호넷, 해리어 정도였으니까 필요 없었겠지만 지금은 떡대가 너무 커져서 슈호랑 숫고양이, 이글이랑 동급이고 해리어랑 비교하면 아예 무게나 이착륙 필요 면적이나 2배가 되어버렸으니
호넷은 Bleed는 있어도 Bypass가 없어서 그렇다던데
그래서 왜 보라매에겐 안한건데!!!! 그건 그렇고 개조 16 ㅈ 간지
DSI달린 16 존나 귀엽네 ㅋㅋㅋ
후속글 '써줘'
지금까지 저 볼록한거 뭔지 ㅈㄴ 궁금했는데 이제 알았노 ㅋㅋㅋㅋ 알려줘서 고맙다
지나가던 공돌이 정말로 원했던 정보글 보고 개추박고 박수치고 다시갑니다 - dc App
개발 목표에서 값싼 에 방점이 찍혀있는데, 미국 군붕이들이 랩터가 저리돼서 뿔난 록마가 의회를 속였다고 말하는 이유가
하나로 합쳐져서 좀 통일성 있고 멋진건 좋은데 위나 아래에서 보면 쭉 삐져나온게 안이쁨
다들 보라매를 '보수적인 설계만 쓰다보니 dsi도 적용못한 비스텔스기' 이런식으로 인식해서 좀 답답했는데 랩터도 dsi적용 안한 이상 보라매의 RO급 저피탐성이 DSI때문인건 아니었지... 정보글 굳
재밌게 잘 봤으요