초음속 군용항공기 T-50/FA-50 개발사

 

본 블로그 내용은 92년 이후 시작된 민간용 중형항공기 개발 프로젝트가 중국 측의 공동개발 거부로 인해  군용 고등훈련기 프로젝트로 급격히 변경된 후 국내에서 록히드 마틴과 합작으로 개발이 진행 되었던 T-50 초음속 군용 고등 훈련기 사업에 대한 요약이다. 이 사업을 통해 항공전자(Avionics) 분야를 제외하고 충분한 항공기 기체 개발 기술 경험이 축적 되었던 것이 사실이다. 항공기용 터보팬 엔진 개발 기술은 별도 분야로서 항공기 개발보다 사업 및 기술 나이도가 훨씬 더 높은 분야이다.

초기에는 지금 현재 우크라이나의 수도인 키이우에 위치한 안토노프사를 포함한 러시아의 항공기 개발 산업 현장과 전투기 Griffin을 개발했던 스웨덴의 Saab 사를 포함한 여러 곳을 방문하였는데, 항공기 개발 기술 자체가 국내에 전무한 국내 현실과 비교해보면 참담함을 느낄 정도였다. 우크라이나의 안토노프사만 해도 그 당시 이미 항공기 및 항공기 엔진 제작 기술을 보유하고 있을 정도이다.

 

 

스웨덴의 Saab 사를 방문했을 때 견학했던 그들의 중요 설비가 바로 iron bird 였는데 이는 T-50 고등훈련기 개발 프로젝트에 포함되지도 않았으며 후에 KF-21 전투기 개발 단계에서 항공전자 문제를 해결하고 iron bird 개발에 성공한 것으로 보도되어 첨단 항공기 개발국 대열에 올라 선 것으로 보인다.

 

참고로 T-50  군용 초음속 고등훈련기 개발 사업과 조선산업분야에서 LNG 추진 컨테이너선 생산 기술 획득이 단군 이래 대한민국을 명실 상부한 기간산업강국으로 올라 서게한 transportation 분야의 충격적인 기술혁신사업으로 평가된다.

 

92년 이전에 러시아의 우리나라에 대한 외환차관 변제를 위해 방위산업 분야의 기술이전을 비롯한 교류가 많은 분야에서 이루어졌으며, 그러한 와중에 당시 러시아의 군용  초음속 고등훈련기 Yak-130 을 개발 진행중이었던 Yakovlev 의 수석 디자이너를 초청하여 개념설계 분야의 세미나가 있었고, 이를 통해 국내의 초음속 군용 항공기 개발에 많은 영향을 끼쳤다. 그 후 곧 러시아에서는 Y-130이라는 고등훈련기가 개발되어 보급되었다.

 

이미 국내에서도 합계 120 대에 달하는 F-16 국내 조립이 거의 완료된 시기였기때문에 자연스럽게 그 다음 단계의 개발 물량을 확보해야 하는 처지에 봉착했다. 당시 초음속 전투기인 F-16 조종사를 훈련시키기 위한 초음속 수준의 훈련기로서는 1959년에 노스롭이 개발했던 구형의 T-38 밖에는 없던 시절이다. T-38 의 Variant 가 바로 월남전에서 투입되었던 F-5 팬텀이다. 1990년대 당시 조종사 훈련을 위해 F-5 비행을 위해 훈련에 임했던 상당히 많은 수의 유능한 비행교관과 훈련 조종사들이 사고로 인해 유명을 달리했던 것으로 기억한다.

 

초음속 군용 전투기 보급에 따라 적절한 초음속 군용 훈련기 개발이 필수적이었음에도 불구하고 미국의 록히드나 영국의 BAE 등을 비록한 선진국에서 조차 개발비 투자 부족으로 아무런 액션이 이루어지지 않는 시대였다.

 

당시까지 대한민국으로서는 제공호 조립을 제외 하고는 제대로 된 초음속 군용 항공기 개발 경험이 전무했기때문에 설사 정부 지원금이 주어진다 하더라도 국내 내수뿐만 아니라 해외 수출을 위한 전투기 모델을 개발한다는 것은 누가봐도 어불성설로 보일 수밖에 없는 기술 수준이었다고 보여진다. 따라서 개발의 목표가 그래도 기술의 난이도가 가장 낮다고 볼 수 있는 그것도 제대로 개발이 된 경우에 강매 형식으로 공군에 100 대 가량 납품할 수있는  초음속 훈련기에 초점을 맞출 수밖에 없던 것이었다. 

 

92년도 후반기에 삼성항공 연구소를 중심으로 일단의 군용기 팀연구원들이 국방과학 연구소 요원들과 함께 미국 텍사스 델라스 포트워스에 위치한 록히드 마틴사를 방문하여 2년간 개념설계 연수를 진행했었다. 개념설계 단계에서 이미 공기역학적 성능 설계의 대부분이 이루어졌고, 개발 방향이 정해진 초음속 훈련기의 아웃라인은 무난한 편이었으나 공군 측의 무리한 경량의 중량 목표 요구로 인해 상세설계 단계에서 감량을 위한 설계 압박이 대단히 심했었다. 지나친 감량 요구는 세부계통 조립공정의 난이도를 크게 높였으나 맥도널드 더글러스사에서 항공전자 및 세부계통 인테그레이션 작업에 경험이 풍부했던 옥이사라는 분이 계셔 많은 공헌을 하여 가까스로 해결이 되긴하였다. 이 작업에서 고난도의 어려움을 부가했던 시스템이 바로 엔진 고열에 의해 열변형이 극심한 ECS(Environmental Control System: 공조제어 덕트 시스템)  덕트 계통이었다. 

 

개념 설계 단계에서는 다양한 경험 및 통계 자료를 활용하여 tradeout 스터디를 통해 개발하려는 항공기의 아웃라인을 설정하는 단계이다. Roscam 교수나 Raymer 교수의 개념설계 책을 참고할 필요가 있다. 개념설계가 완성된 후 보다 구체적인 항공기 구조를 구체화 해야 하는 단계가 바로 기본설계(preliminary design)단계로서 그 후에 상세설계가 이루어진다. 특히 기본설계 리뷰우가 완료되면 상세설계 단계로 넘어가게 된다. 따라서 이러한 기본설계 리뷰우를 CDR(Critical Design Review)이라고 하며 이후로는 설계 변경이 불가능해진다.

 

한편 92년도 중반에는 대전에 위치한 개발센터에 우리나라 교포출신으로 알려진 새뮤얼 신이라는 분이 방문을 했었다. 항공기 설계사로서 터보프롭 항공기 CNN-235 를 개발 중인 인도네시아에 고용되어 활동하던 분으로서 뭔가 인도네시아가 개발하는 항공기 수출의 물꼬를 트고자 하는 노력의 일환으로 방문을 했었다. 이는 결국 T-50 개발 이후 해외시장 수출이 불가능했던 상황에서 CN-235 와 물물교환 차원에서의 거래로 이루어진듯하다. 

 

이 초음속 군용 고등 훈련기 사업은 국방과학 연구소가 주관하고자 시도하였으나 정부출연연구소라는 한계로 인해 외주 즉 아웃소싱에 의해서는 제대로된 시제기 제작도 어렵다는 점을 국방과학연구조가 주관했었던 터보프롭형 군용기 KT-1 에서 생생히 겪었기때문에  적어도 품질보증체계가 확립되어 있는 산업계의 항공기 제작사가 주관이 되어야 한다는 논리에 의해 주계약업체 삼성항공산업으로 프로젝트가 넘어가게된 배경이 있다. 초기의 개념설계 단계 개발을 강력하게 추진했던 전영훈 대령이 정확한 판단을 했었던 것으로 판단된다.

 

터보프롭 군용항공기 KT-1  사례만 하더라도 항공기 안정성( stability) 분야의 기본설계 실패로 인해 1993년 경에 이미 민간제트 항공기 개발 성공으로  대한민국 보다는 개발 경험을 확보했던 브라질 엠브레이어사 출신 항공기술자를 고용하여 상당히 무식한 수준의 방법으로 항공기 날개 각도를 수정 변경하여 시제작이 이루어졌던 사례가 있다. 

 

아울러 당시 창사이래 한번도 흑자를 내지 못했던 삼성항공산업 기체 사업부, 대우중공업 기체사업부 및 현대항공사업부를 구조조정하여 정부측에서 인건비를 비롯한 재정부담을 하도록 KAI 를 설립하게 되었다. 물론 아무리 재벌 기업들이라고는 하지만 십여년 이상 지속되는 적자를 견딜 수는 없었으며, 아울러 1990년대에 항공산업 자체를 국가안보차원에서 포기할 수도 없는 기간산업이므로 어쩔수 없는 필연적인 선택이었다. 아울러 F-16 조립생산을 통해 축적하였던 상세설계도를 포함하는 광파일 시스템을 비롯하여 모든 설비, 기술 자료및 경험과 기술인력을 사천 공장에 모으게 되었다.

 

당시 삼성항공산업 항공기 기체 사업 양산 공장에서는 벨헬리콥터의 부품 하청 생산 및 디헤빌랜드사 항공기 꼬리날개 하청생산 정도로서 인건비 조달조차 적자였던 상태였다. 대우나 현대 사업부도 마찬가지였으면 대한항공만 항공기 수입으로 인한 절충 무역 댓가로 충분한 제작 물량을 확보하고 있었으며 이로인해 항공업계 구조조정에서는 제외 대상이 되었다.

 

당시 보잉사에서 설계사로 활동하다가 삼성항공산업에 근무했던 이모 부장이 입수했던 비밀자료였던 보잉 777  개발 프로세스 메뉴얼에 따라 KAI 는 사천에 개빌센터와 조립공장을 두게되었으며, 1998년에 대전의 개발센터를 연구원들의 강한 반발에도 불구하고 모두 강제로 사천으로 옮기게 되었다.

 

필자는 수원 파견 근무중에 IMF 를 겪었고 이듬해 초에 백의 종군하는 심정으로 사천으로 돌아가서 stress 팀 리더로 활동하게 되었다. 엄청난 수의 모든 항공기 부품을 대상으로 명실 상부  하는 부품개발의 중요 업무이다. 그 중에서 여러 국내 및 록히트 마틴 엔지니어들이 도전했으나 실퍄햤던 프로젝트가 ECS 덕트 NASTRAN 모델링 이었다. 특히 기술적으로 부착된 장착용 브라켓 수가 너무 많은 즉 자유도가 너무나 커 거의 7만회에 달하는 해석이 필요한 난공불락의 기술적 장애로 남아 있었다. 컴퓨팅 횟수를 줄이기 위한 노력으로 브라켓 그룹을 정의하여 NASTRAN 분석을 진행했었다. 그 결과 12월 초에 수많은 브라켓들의 반력이 거의 발생하지 않는 최적 설계 결과를 도출했었고, 이를 기점으로 12월 말 부터 이미 개발 설계된 부품들을 대상으로 도면화 작업이 시작되었다.

 

1999년말 필자의 개인사정으로 인해 퇴사를 하게되었는데, 당시 대한항공을 비롯한 타사 출신 엔지니어들이 ECS덕트 시스템 분석 기술 이전을 원했기에 비공식적으로 모여 세미나를 열어 기술을 충분하게 이전하였다. 당시 인턴으로 와서 CAD , CAE, NASTRAN을 배워 엔지니어 생활을 시작했던 황명환 연구원이 2005년까지 근무 후 캐나다의 디해빌랜드사로 이민 이직하였으나 필자의 퇴작 전에 기술 이전이 충분히 되었으므로 큰 문제는 없었다고 판단된다.

 

필자의 퇴사 이후 작성된 상세설계 도면에 따라 제작된 부품 및 시스템을 조립하여 이미 F-16조립에서 기술력이 준비되었던 지상 시험과정으로 넘어갔으며, 2001년 말까지 거의 T-50 시제기가 완성되었다.

 

이와같은 경험을 바탕으로 최근 2022 ~2023년에 직무개발연구소에서 항공우주분야 취업 시험문제 출제 의뢰를 받았으며, 과거에 항공회사에서 중요한 역할을 했던 때를 생각하여 미래에 첨단 항공우주 분야에서 연구개발을 할 인력들에게 필요하다고 생각되는 내용을 5지 선다형으로 4회 출제하였다. 출제시 보안 서약으로 인해 문제를 오픈할 수는 없으나, 그러한 문제를 풀기 위한 백그라운드를 블로그에 분류전체보기로 아래와 같이 정리해 두었다. 이 내용들은 각론별로 대학에서 일부 수강할 수도 있겠으나 항공우주 실무와의 괴리가 있을수도 있으므로 주의깊게 살펴보면 큰 도움이 될 것이다.

 

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