F-15SE 사일런트 이글 / 유용원의 군사세계

 

F-15SE 사일런트 이글

신선규 webmaster@chosun.com

 

F-X 3차 전투기 시리즈 - 1
글 : 신선규

 

 이스라엘 국방군(IDF) –항공군(IASF)은 다가오는 2016년 12월 이후 그들이 보유한 F-15 Baz 전투기를 F-22 랩터 전투기로 교체한다는 계획을 가지고 사전 연구를 진행중이다.
다만 2015년에 F-22 랩터의 해외수출 판매금지가 풀리지 않을 경우 다른 선택으로 유럽제 라팔 전투기나 유로파이터를 도입을 검토한다는 차선책을 가지고 있다.
그러나 이것조차 미국의 FMF 자금을 지원받는 이스라엘 처지에서 여의치 않을 것으로 예상된다. 최후의 선택은 F-15 Baz 전투기를 수명연장과 함께 성능 개량을 실시할 예정이다.
(출처 : Air International , Riccardo Niccoli ,2013,May)

미공군은 F-15E를 F-15SA 아니면 또다른 사양으로 업 그레이드하고 싶으나 미국방성의 F-35 정책으로 언급을 하지 않고 있으며 2013년 현재로는 스트라익 이글 개량형에 대한 내부적 논의와 단계적인 변화를 기다리고 있다.
(출처 : Combat Aircraft, Robert F.Dorr , 2013, September)
   

 1. CWB(Conformal Weapon Bay)

 사일런트 이글에서 가장 주목받고 있는 부분은 바로 스텔스 성능, 정확히는 “F-15E를 기반으로 개발되는 플랫폼에 어떻게 스텔스 성능을 구현할 것인가” 이다. 사일런트 이글의 스텔스 성능과 관련된 부분 중 가장 먼저 개발이 시작된 것이 각종 무장을 내장 탑재할 수 있는 CWB(Conformal Weapon Bay)이다.
공대공 미사일과 이를 탑재하는 파일런은 크기가 작지만 다수가 외부에 노출된 상태에서는 폭이 좁고 에너지 밀도가 높은 신호에 대해 반사 면적을 형성하며 특히 전투기 등에 탑재되는 I 밴드/ J 밴드 레이더에 대해서는 RCS와 관계된 기하학적 반사 면적을 더욱 증가시킨다.
따라서 F-22와 F-35, PAK FA등과 같은 스텔스 전투기들은 모두 무장을 외부에 노출시키지 않고 탑재할 수 있도록 내부 무장 탑재 공간을 갖도록 설계되었다. F-22A의 경우 AIM-120등과 같은 공대공 미사일을 내부 무장 베이에 탑재할 수 있으며, 공대지 유도 무기 중에서는 SDB와 같이 크기가 작으면서 공대공 미사일 수준의 작은 종횡비를 갖는 무기도 내부 무장 베이에 내장할 수 있다. F-35의 경우에는 무장 베이에 비교적 부피가 큰 2,000 파운드급 JDAM의 탑재도 가능하다.

사일런트 이글의 경우, F-15E의 형상을 바탕 설계 때문에 동체에 내부 무장 탑재 체계를 통합하는 것이 거의 불가능하다. F-15E는 처음부터 스텔스 성능을 전혀 염두에 두지 않고 설계되었기 때문에 이를 기반으로 항공기를 설계하면서 내부 무장 탑재 공간을 도입하려 할 경우 연료 탑재 공간을 포함한 항공기 내부를 다시 설계해야 하며, 여기에 맞추어 중량 해석을 다시 하고 형상도 광범위하게 재설계 한다.
이는 F-15E 업그레이드에 적용 가능한 개발을 염두에 둔(다시 말해서 기존의 F-15E 운용국들을 대상으로 하는 업그레이드 마케팅도 염두에 둔 개발) 개발 목표에 부합할 수 없는 것이다. 또한 이럴 경우 개념 연구에서 개발 방향까지 전면적으로 수정해야 한다. 따라서 이러한 한계 안에서 무장 내장 탑재 문제를 해결하기 위해 F-15E의 측면에 밀착 탑재되는 컨포멀 연료 탱크인 FAST 팩(Fuel And Sensor Tactical Package)을 바탕으로 공대공 미사일과 JDAM등을 내장 탑재할 수 있는 CWB를 개발 한 것이다.

  CWB 개발과 통합은 사일런트 이글 관련 개발 중에서 가장 초기에 이루어졌다.
F-15E의 FAST 팩에 공대공/공대지 무장을 탑재할 수 있는 무장 스테이션이 존재하며 이들은 무장 제어 컴퓨터와 데이터 버스로 연결되어 있다. 미 공군의 F-15E의 FAST 팩의 경우 하부에 위치한 스테이션에 MIL-STD-1760 데이터 버스가 연결되어 있으며 측하부에 위치한 스테이션에는 MIL-STD-1553 데이터 버스가 연결되어 있다.

한국 공군과 싱가포르 공군이 도입한 F-15K/SG의 FAST 팩의 경우 측하방의 스테이션에도 MIL-STD-1760 데이터 버스가 연결되어 있다. 이와 같은 링크를 CWB의 내부 무장 스테이션에 연결하여 내부에 탑재된 무장을 제어할 수 있도록 하기 위한 체계 개발이 진행되었다.

사일런트 이글의 무장 제어 컴퓨터는 내부 무장 스테이션과의 링크를 통해 BIT(Built-In-Test)를 이용한 무장의 발사 가능 여부를 확인할 수 있으며, 선택된 무장이 탑재되어 있는 스테이션을 확인하고, 각 스테이션들의 순서를 결정하여 이 순서에 따라 내부 무장 스테이션에서 발사 무장을 이격시키게 된다.

 CWB는 공대공 미사일과 500 파운드 / 1,000 파운드급 JDAM 등을 내장할 수 있도록 개발되었다. CWB와 공대공 유도탄의 통합 운용을 위한 개발이 먼저 선행되어 2010년  7월에 FAST 팩을 개조한 CWB를 테스트베드에 탑재한 상태에서 비행 시험과 AIM-120 암람(AMRAAM) 중거리 공대공 미사일 발사 시험에 착수하였다. 당시 테스트베드로 사용된 F-15E1은 보잉사가 미 공군에서 임대한 F-15E를 사일런트 이글의 테스트베드로 개조한 항공기였다. 먼저 F-15E1에 탑재된 CWB의 무장베이를 비행 중에 개방하는 시험을 거친 후 7월 14일에 CWB에 내장 탑재된 AIM-120을 발사하는 시험을 거쳤다.

 사일런트 이글의 CWB는 공대공 미사일과 함께 1,000 파운드급의 JDAM과 JSOW 등의 공대지 유도 무기도 내장 탑재할 수 있다. 공대공 미사일의 경우 CWB의 측면에 위치한 개폐 입구를 통해 발사되며, JSOW와 같은 공대지 유도 무기는 CWB의 하부 해치를 개방한 후 투하된다.

현재  CWB의 개발이 지속되고 있으며, 개발이 진행됨에 따라 수용 가능한 무장 범위를 공대공 무장에서 공대지 무장으로 확장시키기 위한 체계 개발과 다양한 무장의 투하 테스트가 이루어질 예정이다. 이를 위해 공대공 유도탄을 CWB 내부에서 외부로 이격시키기 위한 구동 ARM과 함께 공대지 무장의 탑재가 가능한 구동 ARM과 무장 연결 체계 역시 개발 중이며, 이들을 이용하여 여러 비행 조건(3차원적인 속력과 가속력, 고도, 하중배수 등)에서 투하 시험을 통해 이격 가능 여부와 투하 제한 영역을 확인하게 된다.
또한 다양한 비행조건이 투하 무장에 어떠한 역학적 영향으로 작용하게 되는지에 대한 방대한 데이터를 축적함으로써 CWB에 내장 가능한 각 공대지 유도 무기의 사거리 등이 비행 조건에 따라 어떻게 변화하는지를 입체적으로 예측하는데 필요한 알고리즘과 데이터 베이스를 무장 제어 컴퓨터에 통합하게 된다. 이를 통해 투하 모드가 결정되면 획득한 표적 데이터를 바탕으로 선택된 무장의 사거리와 무장 투하 시점, 투하를 위한 상승 고도(또는 하강 고도)와 자세 등을 무장 제어 컴퓨터가 산출하게 된다.

 연료 탑재량이 감소한다는 것은 CWB의 단점이라 할 수 있다. 이는 대량의 연료 탑재가 가능한 대형 컨포멀 연료탱크, 즉 FAST 팩 대신 CWB를 탑재함으로써 최대 연료 탑재량이 F-15E보다 감소하기 때문이다. F-15E의 Type.4 컨포멀 연료 탱크의 경우 1기당 4,676 파운드의 연료를 탑재할 수 있으며 따라서 컨포멀 연료 탱크를 탑재한 F-15E는 내부 연료탱크에 탑재되는 약 1만 3천 파운드 가량의 연료와 함께 총 22,350 파운드 가량의 연료를 내부 연료로 갖게 된다.
물론 컨포멀 연료 탱크는 내부 연료 탱크와 구별되는 연료 탑재 체계이며 컨포멀 연료 탱크에 내장되는 연료는 엄연히 F-15E의 내부 연료 탱크에 탑재된 연료와 구분된다. 그러나 제티슨(Jettison)이 가능한 보조 연료 탱크와 달리 컨포멀 연료 탱크는 비행 중 탈착이 불가능하며 따라서 전술 구사 시에 버릴 수 있는 보조 연료 탱크와 달리 컨포멀 연료 탱크 연료는 내부 연료 탱크 연료와 마찬가지로 교전 시에도 항공기가 갖고 있어야 하는 연료다(어느 정도 배출은 가능하다). 또한 F-15E 계열 전투기는 컨포멀 연료 탱크를 기지에서도 탈착하는 일이 거의 없다. 다시 말해서 임무에 따라 어떠한 configuration을 구성하더라도 거의 대부분 컨포멀 연료 탱트가 포함된다.
 F-15E 계열 전투기는 컨포멀 연료 탱크의 연료를 배제한 상태에서 작전하는 경우가 거의 없다는 뜻이다. 따라서 컨포멀 연료 탱크를 CWB로 대체하는 것은 사실상 내부 연료가 감소하는  것과 같은 효과를 만들게 된다.

 F-16등의 컨포멀 연료 탱크와 달리 F-15E의 컨포멀 연료 탱크는 항력은 비교적 큰 편이다. 이는 F-15E의 기수에서 발생하는 와류가 주된 이유이다. F-15E를 개발할 당시 테스트베드로 활용되었던 AFCD(F-15B와 F-15D를 개조하여 제작한 테스트베드. F-15E 개발에 사용되었다)의 경우에는 F-15C/D의 측면에 탑재되는 것보다 더욱 부피가 큰 F-15E의 컨포멀 연료 탱크를 탑재했을 때, 기수에서 발생하는 와류의 영향으로 양쪽 컨포멀 연료 탱크에서 발생하는 불안정한 양력이 발생하였다. 이로 인해 불필요한 에너지 손실이 발생하였으며 이를 만회하기 위한 에너지 회복 과정에서 연료 소모율이 증가하였다. 이는 항력 증가와 같은 효과라고 할 수 있으며, F-15E를 개발할 때 비행제어계통의 소프트웨어를 재설계함으로써 이 문제를 해결하였지만 F-15C/D의 컨포멀 연료탱크보다 좀 더 증가한 부피로 인한 형상 항력 증가는 해결할 수 없었다. 이 때문에 F-15E의 FAST 팩은 F-16에 채용된 컨포멀 연료 탱크보다 연료 증가 효율성은 떨어지는 편이다. 그러나 FAST 팩의 연료 탑재량은 여타 컨포멀 연료 탱크의 그것보다 월등히 크며 비교적 높은 항력에도 불구하고 F-15E의 행동 반경을 크게 향상시키는 요인이 되었다.

  CWB를 탑재할 경우 사일런트 이글의 전투 행동반경이 감소하는 단점이 있다.
물론 연료 탑재량뿐만 아니라 중량도 감소하기 때문에 행동반경에 중요한 영향을 미치는 Fuel fraction의 감소폭 자체가 연료 탑재량 감소 만큼 큰 것은 아니다.
그러나 컨포멀 연료 탱크를 탑재하지 않은 상태의 F-15E와 비교하면 CWB의 탑재로 인해 중량은 증가하면서 연료 중량은 변함이 없기 때문에 Fuel fraction이 오히려 감소하여 컨포멀 연료 탱크가 없는 상태의 F-15E보다 행동 반경이 더욱 감소할 수 있다.
 F100-P&W-229 엔진을 탑재한 F-15E가 컨포멀 연료 탱크와 3기의 보조연료탱크(610 갤런)를 탑재한 상태에서 CAP 미션 최대 전투행동반경이 약 1,400Km이며, F110-GE-129 엔진 탑재는 같은 미션에서 최대 1,500Km의 행동 반경을 갖는다.
반면, CWB를 탑재할 경우 사일런트 이글의 CAP 미션 행동반경은 동일 엔진(F110-GE-129)을 탑재한 F-15E 계열 전투기(F-15K, F-15SG 등)의 그것과 비교할 때 약 300Km 정도 더 감소하게 된다. 
F100 엔진을 탑재한 F-15E가 컨포멀 연료 탱크를 탑재하지 않은 상태에서 작전 공역에서의 체공 시간을 24분으로 할 때 행동반경이 약 1,080Km이며(F110 엔진을 탑재할 경우 동일 행동 반경에서 30분 초계) 최대 1,200Km 가량의 CAP 행동 반경을 기록한다는 점을 감안하면 앞서 언급한 바와 같이 CWB 탑재 사일런트 이글은 컨포멀 연료 탱크가 탑재되지 않은 상태의 F-15E보다 행동 반경이 짧다.

 사일런트 이글은 CWB를 탑재할 수 있도록 하면서 동시에 기존의 FAST 팩도 탑재할 수 있도록 하고 있다. 이 또한 CWB의 단점을 극복하면서 동시에 임무에 따라 최적화된 Configuration을 조합할 수 있도록 하여 좀 더 폭넓은 임무 수용성과 임무 수행 효율을 제고하기 위해서다.
예를 들어 전쟁 초기에 적대적인 방공 세력이 건재한 상태에서 공대지 공격 임무를 수행할 경우에는 CWB를 탑재하고 외부에 무장과 보조연료탱크를 탑재하지 않으며 대신 저고도 침투에 대한 의존도를 최소화해야 한다. 반면, 보다 긴 전투 행동 반경을 필요로 할 때는 CWB 대신 기존의 F-15E와 마찬가지로 FAST 팩을 탑재할 수 있다.

 2. 사일런트 이글의 스텔스 성능

  F-15E를 기반으로 개발되는 항공기에 스텔스 성능을 부여하기 위해 적용되는 장치로 CWB와 함께 레이더 블로커와 V형 경사 미익 등이 F-15E를 기반으로 하는 형상의 변경과 함께  새로운 제어 시스템과 소프트웨어의 개발을 필요로 하며, 이러한 설계 변화에 수반되는 항공기의 성능 변화에 대응해야 하기 때문에 단기간의 개발이 어려운 반면, CWB는 기존의 FAST 팩을 대체하는 시스템이며 그 자체로 FAST 팩을 바탕으로 설계되는 시스템이기 때문에 개발 난이도가 상대적으로 낮고 또한 테스트베드인 F-15E1의 형상 변화 없이 CWB를 항공기에 연결하고 이를 무장제어계통에 통합하기 위한 개조만으로도 항공 운용 테스트를 포함한 각종 테스트가 가능하기 때문이다.
따라서 비교적 단기간에 개발 완료가 가능하며, 사일런트 이글뿐만 아니라 기존의 F-15E에 대한 업그레이드 상품으로도 시장성이 있기 때문에 개발이 선행되는 것이다.

 사일런트 이글의 스텔스 성능과 관련하여 비교적 개발 난이도가 높은 부분은 V형 경사 미익과 레이더 블로커의 설치, 그리고 표면처리 등이다. 레이더 블로커는 헤드-온 RCS(Head-On RCS), 즉 항공기 전면에서 반사되는 RF 신호의 반사 단면적을 감소시키기 위한 장치이며, 경사 미익은 주로 전면을 벗어난 방향에서 반사되는 신호의 주 입사 방향에 대한 Gain을 떨어뜨리기 위한 장치이다. 여기에 더해서 표면 처리의 경우에는 주로 PRF가 큰 신호를 반사시킬 수 있는 부분을 최소화하고 항공기 표면을 따라 흐르는 RF 신호의 에너지를 감쇄시킴으로써 RCS를 낮추기 위한 설계를 총체적으로 포함한다.

 F-15를 설계할 당시에 대량의 흡입량을 확보하고 또한 흡입 기류의 에너지 손실 방지와 함께 불필요한 경계류의 흡입을 차단하기 위한 설계와 대추력의 엔진(F100 엔진)을 조합함으로써 높은 추력을 얻고자 하였다.
또한 대기 밀도와 속력, 하중배수에 따른 흡입량 변화에 대응함으로써 추력의 저하를 최소화하고 고받음각에서 안정적으로 공기를 흡입함으로써 비교적 큰 비행임계영역을 갖고, 지속 선회가 가능한 영역 범위를 크게 확보하려 하였다(F-15가 설계될 당시에는 지속 선회와 관련된 성능이 지금보다 더욱 중요하였다).

최초의 F-15A/B는 공대공 전투 성능에 중점을 두고 설계된 전투기이다. 이에 따라 F-15 전투기는 대형 가변식 공기 흡입구와 함께 엔진의 터빈 블레이드가 흡입구 정면에 노출되는 형상을 갖게 되었으며, 또한 비교적 큰 경계층 분리(Boundary layer partition) 공간을 갖게 되었다. 이는 물론 F-15를 발군의 에너지 파이터로 만드는데 긍정적으로 기여하는 장점이 되었지만 동시에 스텔스 성능에는 좋지 않은 영향을 주는 단점이기도 하다.
따라서 F-15E를 바탕으로 형상을 설계할 때 이 부분은 새로운 설계로 대체하면서 기존의 설계가 갖는 장점을 상당 부분 흡수할 수 있도록 해야 하지만, 문제는 이와 같은 수준의 설계 변경을 하려면 적지 않은 개발 비용과 시간을 필요로 한다는 점이다. 단순히 국지적인 형상 변화에 그치는 것이 아니라 거기에 따르는 각종 부수적인 개발과 테스트가 수반되어야 하며, 또한 전면의 형상 변화에 따른 성능 변화를 보완하기 위한 개발도 연계되어야 하기 때문이다. 이는 사실상 F-15를 바탕으로 전투기를 새롭게 개발하는 것이나 다름없는 수준의 개발이 진행되어야 가능하다. 스텔스  성능과 관련하여 문제가 되는 부분이 전면 형상에만 집중된 것이 아니라는 점을 감안하면 그렇다.
이는 현재 세인트 루이스에 위치한 F-15E 전투기 조립 라인을 장차 사일런트 이글 최종 조립 라인으로 연속적으로 연결하려는 마스터 플랜을 갖고 있는 보잉 입장에서 받아들일 수 없는 것이다. 보잉은 사일런트 이글의 판로 확보와 함께, 사일런트 이글에 적용되는 주요 옵션 대부분을 기존의 F-15E 업그레이드 상품으로 만들고자 하고 있으며, 사일런트 이글에 적용하려는 옵션은 기존의 F-15E에도 적용 가능하도록 개발되고 있다. 이 또한 새로운 전면 형상 도입을 불가능하게 하는 이유가 된다. 여기에 더해서, 기존의 전면 형상을 스텔스 성능 때문에 새로운 형상으로 대체할 경우, 기존의 형상이 갖는 장점을 대부분 포기해야 하는 부분도 있다는 점(가변 흡입구가 대표적인 예) 역시 전면적인 형상 변경을 어렵게 만드는 요인이 될 것이다.

 새로운 형상의 도입은 사일런트 이글의 개발이 처해있는 현실과 설계 상의 한계와 절충하여 이루어질 수밖에 없다. 때문에 PRT가 큰 빔에 대한 대책보다 흡입구 내부로 들어오는 신호의 에너지를 감소시키고 터빈 블레이드의 노출을 피하는 방안에 중점을 두고 설계가 이루어질 수 밖에 없다. 가변 흡입구 형상과 경계층 분리 공간은 그대로 둔 상태에서 레이더 블로커가 흡입구 내부에 설치된다는 뜻이다. 경계층 분리 공간의 경우 주로 PRT가 작은 신호를 반사시키며 이와 같이 신호를 밀도 높게 반사시키는 부분에 대해서는 입사 신호의 에너지를 감쇄하기 위한 코팅이 적용될 예정이다. 이에 따라 주익과 미익의 앞전, 그리고 경계층 분리 공간 등에 스텔스 코팅이 도입될 전망이다. 전면에 그대로 노출되어 있는 터빈 블레이드의 반사 면적과 Power density가 F-15의 전면 RCS에서 적지 않은 비중을 차지하기 때문에 이 부분의 감소는 사일런트 이글의 전면 RCS를 F-15E의 것보다 크게 감소시키게 될 것이다.
 
 그러나 흡입구의 Leading edge 형상이 그대로이기 때문에 장거리 조기경보 목적 등르로 쓰이는 L 밴드 대역 등에 대해서는 거의 RCS 감소 효과가 없을 것으로 보인다. 물론 이와 같은 부분은 X 밴드 대역의 신호에 대해서도 반사율이 높기 때문에 어느 정도 반사 신호 감쇄를 위한 대책이 적용될 것이지만 문제는 이는 X 밴드 대역과 같이 주파수가 큰 신호에 대해서는 감쇄 효과가 있지만 PRT가 크면서 투과성이 높은 신호에 대해서는 거의 감쇄 효과가 없다는 점이다.
또한 인테이크와 함께 날개의 앞전 등의 모서리가 진행성이 강한 신호의 반사를 국지적으로 집중시킬 수 있도록 정렬이 되지 않은 상태이다. 따라서 주익과 미익의 앞전에 신호 감쇄를 위한 스텔스 코팅 등 제한적인 표면 처리는 이루어질 것으로 보이지만, 이는 코팅 처리된 앞전 표면을 따라 진행되는 신호에 대한 감쇄 효과는 있어도 L 밴드나 S 밴드, UHF 밴드 등에 대해서는 거의 RCS 감소 효과를 기대하기 어렵다. 이는 앞서 언급했듯이 F-15E의 형상 한계 안에서 스텔스 성능 개발을 해야 하기 때문이다.

 따라서 사일런트 이글은 적대적인 AWACS와 장거리 조기경보레이더, 그리고 러시아제 지대공 미사일 체계의 장거리 탐색 레이더 등에 대해서는 여전히 원거리에서 노출되는 항공기가 될 것이다. 그러나 이들과 같은 장거리 조기경보/탐색 시스템으로 사일런트 이글을 원거리에서 발견해도, 최종적으로 사일런트 이글에 대응해야 하는 전투기의 레이더나 지대공 미사일의 추적 레이더와 같이 파장이 짧은 신호를 쓰는 레이더에 대해서는 상당한 RCS 감소 효과가 있을 것으로 보인다. 이와 같은 시스템에 대한 RCS 감소 대책으로 앞서 언급한 CWB, 레이더 블로커 등과 함께 돌출 부분을 최소화하는 등의 제한적인 표면 처리도 함께 고려되고 있다. 이를 위해 데이터 링크 시스템과 RWR, EWWS, 전자교란시스템 등의 안테나 돌출을 최소화하게 될 것이다. 물론 사일런트 이글의 표면 처리 역시 상당히 제한적으로 이루어질 것이다. 따라서 F-22/35와 같은 본격적인 스텔스 전투기와 달리 항공기 표면의 접합부와 연결부등에 집중되는 RF 신호가 표면에서 진행되면서 에너지를 손실하도록 만들기 위한 접합/연결부 형상 도입 등은 어려울 전망이다.

 사실 사일런트 이글은 F-15E를 기반으로 하는 한계 안에서 설계되어 본격적인 스텔스 전투기가 되긴 어려울 전망이다. 그러나 다양한 반사 각도에서 F-15E보다 낮은 RCS를 갖게 될 것이며 이에따라 생존성이 크게 향상될 것이다. 특히 전면과 그 주변의 RCS는 유러파이터 등과 같은 4.5 세대 전투기의 그것과 비교할 때 결코 떨어지지 않는다.

 사일런트 이글의 스텔스 성능과 관련된 개발은 적지 않은 시간을 필요로 할 것으로 보인다. 예를 들어 정면에서 벗어난 방향에서 입사되는 빔의 반사 방향을 틀어버림으로써 적 레이더로 들어가는 신호의 Gain을 떨어트리기 위해 기존의 대형 수직미익을 경사미익으로 대체하는 설계의 경우 여기에 맞춰서 비행제어 소프트웨어도 재설계하여 통합해야 한다.
기존의 F-15E와 달리 고속 비행 시에 후방에서도 양력이 발생함으로써 무게 중심과 양력의 관계에도 변화가 생기며 안정 제어를 위해 관련 조종면을 움직이는 것도 변하게 된다.
같은 비행 조건에서 조종사가 항공기의 기동을 제어하기 위해 비행 스틱 등을 조작하여 입력하는 제어값까지 같다고 하더라도 이를 항공기가 구현하기 위해 각 조종면을 어떻게 얼마나 움직여야 하는지에 대한 결과 도출은 달라지게 된다는 뜻이다. 
조종 계통에서 입력되는 정보와 대기 자료 컴퓨터로 산출한 데이터를 바탕으로 항공기의 기동과 비행을 제어하기 위한 소프트웨어도 변경되어야 한다.
이를 위해 항공기의 공력 특성 등을 해석하여 알고리즘을 설계하고 이에 맞추어 비행제어 소프트웨어를 설계하여 통합하는 과정을 거쳐야 한다. 또한 F-22A의 시험 비행 과정에서 예상치 못한 조파 특성을 찾아내어 비행제어 소프트웨어를 수정했던 것처럼 단계적으로 비행 영역을 확장하면서 테스트 비행하는 과정을 통해 획득한 데이터를 포함하는 결과를 바탕으로 수정하는 과정도 필요 하다. 

 레이더 블로커 설치 역시 문제가 간단한 것이 아니다. 동일 고도에서 같은 하중 배수라도 속력에 따라 잉여 추력이 변화하며, 동일 속력에서도 하중 배수의 변화에 따라 잉여 추력이 다르다. 하중 배수와 속력이 일정하더라도 고도가 다를 경우 필요로 하는 양력 계수가 다르며 이에 따라 잉여 추력도 변하게 된다. 결과적으로 전투기마다 고도에 따른 지속 선회 가능 영역과 코너 속력을 갖게 된다. F-15E도 이러한 고유 특성을 갖고 있는데, 블로커를 설치할 경우 조건에 따른 흡입량의 변화에 따라 이러한 F-15E 고유의 특성이 변하게 된다. 따라서 이러한 변화에 대응하고 성능 저하를 보완하기 위한 작업을 개발 과정에서 필요로 하게 된다.

 현재 진행 중인 개발 계획이 모두 적용된 사일런트 이글은 개발 완료까지 시간을 필요로 하게 될 것이다. 따라서 보잉에서는 사일런트 이글에 적용되는 주요 신규 개발 사항들 상당수를 선택적으로 적용할 수 있는 옵션으로 제안하고 있다.
또한 이들은 대부분 사일런트 이글뿐만 아니라 기존의 F-15E에도  개조를 통해 적용 가능한 옵션으로 개발되어 추후 미국과 한국, 이스라엘, 사우디 아라비아, 싱가포르에 F-15E 업그레이드 옵션으로 제안될 것으로 보인다.

 3. AESA와 DEWS

  AESA 레이더와 DEWS의 통합은 지금까지 기술한 사일런트 이글의 스텔스 성능이라는 측면에서도 중요하며, 또한 사일런트 이글이 21세기 전장 환경에 걸맞는 공대공/공대지 공격 능력을 갖기 위해서 역시 필수적인 요소라  할 수 있다. 

AESA의 발전 과정에서 나타나는 핵심적인 특징 중 하나는 통합적인 RF 신호 운용 체계로의 발전이라 할 수 있다.
과거에 레이더는 고유의 기능만을 갖고 있었지만, RF 신호 송신/수신 모듈을 다량으로 하나의 어레이로 통합하여 운용하는 AESA 레이더와 통합 전자전 시스템의 등장 이후에는 레이더의 기능 범위가 확장되기 시작하였다.
다수의 주파수를 동시에 운용하며 또한 다수의 RF 신호 송출원의 변조와 도약을 동시에 제어할 수 있는 AESA 레이더 고유의 특징을 이용함으로써 레이더를 이용한 데이터 링크와 전자 교란 등 여타 능동 RF 신호 운용 체계가 담당하는 기능까지 제한된 공간 범위 안에서 가능하게 되었다. 또한 AESA가 동시에 다양한 주파수의 신호를 수신할 수 있다는 점을 이용하여 데이터 링크의 수신 체계와 RWR 기능까지 망라하는 방향으로 개발이 진행되고 있다.
이와 같이 능동 RF 시스템들을 통합하고 수동 RF 수신 안테나들의 기능도 통합함으로써 결과적으로는 전투기에 통합되는 모든 RF 신호 운용 체계들을 통합하는 시스템을 구축할 수 있다.

현재 이 분야에서 단연 독보적인 국가는 미국이다. 미국은 이미 오래 전부터 AESA에 다양한 RF 신호 운용 체계의 기능을 통합 노력중이다.

여기에 더해서 AESA 레이더에 전자전 기능을 부여하기 위한 개발 역시 미국에서 오래 전부터 진행되어 왔다. F/A-18E/F에 통합되어 있는 APG-79 AESA 역시 이와 같은 기능을 갖도록 설계되었다. AESA를 이용한 전자교란기능은 역시 AESA의 빔 운용 가능 범위로 한정되지만, 대신 적대적인 RF 신호 송출 체계의 폭 넓은 주파수 변조와 도약에 대한 대응 능력이 더욱 우수하며, 전자적인 회피 성능이 더욱 기민하다.
 APG-79의 소프트웨어(빔 제어 소프트웨어, 신호 처리 소프트웨어 등)를 바탕으로 개발된 소프트웨어와 동 레이더의 액티브 어레이를 채용한 APG-82(V)1 레이더가 미 공군의 F-15E에 통합되고 있다. 이 AESA 레이더는 새로운 ECS(Environment Condition System)의 통합으로 인해 AESA의 단점 중 하나인 높은 발열성을 완화시켜 결과적으로 역시 APG-79의 하드웨어 구성품이 통합되어 있는 AESA인 APG-63(V)3 레이더보다 더욱 탐지 영역이 확장되었다.

 전술한 바와 같이 미국은 AESA를 통합적인 RF 신호 운용 체계로 개발하고 있으며 APG-82(V)1은 이러한 기술적인 트렌드에서 가장 선진적인 체계이다. APG-79의 액티브 어레이뿐만 아니라 빔 운용 소프트웨어까지 APG-82(V)1에 통합되었기 때문에 APG-79에 구현되는 주요 모드 상당 부분이 APG-82(V)1에도 구현되며 따라서 APG-79의 전자 공격 기능과 교란 기능도 APG-82(V)1에 통합된다. 1,500개가 넘는 RF 송신/수신 변위 모듈로 구성된 대규모 액티브 어레이가 배열된 시스템이기 때문에 레이더 안테나 면적에서 실제 사용 면적이 크고 사이드 로브가 작다. 여기에 더해서 전투기에 통합되는 전자전 시스템보다 더욱 큰 출력을 사용하면서 동시에 여러 대역의 교란 신호를 사용하여 표적 RF 신호 방사원의 신호 변화에 빠르게 대응할 수 있다. 따라서 레이더의 빔 운용 범위 내에 위치한 다수의 RF 신호 방사원에 동시에 대응할 수 있으면서 각각의 전자전 표적에 다수의 교란 신호를 신속하게 적용하며 높은 에너지를 유지할 수 있기 때문에 표적이 교란 신호를 식별할 수 있는 거리를 크게 축소시킬 수 있다.

APG-82(V)1에 부여되는 전자전 기능은 전자 공격 기능과 교란 기능에만 한정되는 것이 아니다. 액티브 어레이의 RF 신호 수신 기능을 이용하여 자체 송출 신호뿐만 아니라 타 방사원의 신호까지 수신할 수 있도록 하여 ESM으로서의 기능도 수행할 수 있게 개발된다. 기존의 전투기 탑재 ESM 체계는  방사원 식별과 위협 단계 분류, 방위 등의 정보를 조종사에게 제공한다. 이러한 기능에 필요한 다배열 RWR 안테나의 기능을 AESA의 액티브 어레이가 담당하게 되는 것이다. 이에 따라 APG-82(V)1은 레이더의 기능과 함께 전자 교란 시스템과 고압축펄스 공격 체계, 그리고 다배열 RWR의 기능까지 통합적으로 구현할 수 있게 되었다. 5세대급 전투기에 통합되는 다배열 RWR보다 더욱 규모가 큰 어레이를 이용하여 RF 신호를 수신함으로써 더욱 정밀하게 전자전 표적을 추적할 수 있다.
비록 RF 신호 수신 영역이 제한되어 있고 PRF가 큰 신호에 한정되기는 하지만, 제한된 영역 내에서는 기존의 RWR과 달리 전자 정보만으로 표적의 추적이 가능하기 때문에 PACS와 연계까지 가능하다면 RF 신호 송출 없이 전술 구사도 가능하다. 더욱이 RF 신호와 수신 가능 공간 제한 안에서는 5세대 전투기의 다배열 RWR보다 더욱 많은 수신 안테나 소자를 이용하여 더욱 정밀한 추적이 가능하다. 이 때문에 레이더를 이용하여 능동적으로 신호를 송출할 때에는 앞서 언급한 다양한 RF 수동 센서에 대한 스텔스 기법을 이용할 수 있으며, RF 신호 송출을 억제해야 할 때는 액티브 어레이를 RF 신호 수신 체계로 이용하여 표적을 추적함으로써 전자적인 스텔스 성능을 유지할 수 있다.

 이와 같은 전자전 성능구현을 위해서 AESA와 디지털 통합 전자전 시스템의 연계 운용은 필수적이다. 전자전 시스템의 각 구성 요소와 레이더의 상호 운용 충돌을 방지하기 위한 통합 제어 과정에서 어떤 시스템을 중심으로 전자전 상황을 운용할 것인지에 따라, 핵심 시스템으로 선정된 체계를 제외한 나머지 체계는 성능이 제한될 수 밖에 없다. APG-82(V)1은 이러한 한계를 극복할 수 있도록 개발되는 시스템이다. 디지털 전자전 시스템은 AESA가 동시에 송출하는 다수의 RF 신호를 디지털 기법에 의해 동시에 필터링 처리할 수 있으며, 또한 앞서 언급한 바와 같이 레이더와 전자 교란 시스템은 함께 통합적인 핵심 시스템으로 운용되면서 한 시스템이 다른 시스템의 성능을 제약하지 않도록 RFTF가 통합되었다.

 이와 같이 기존의 APG-63 계열 AESA의 성능을 더욱 끌어 올리면서 보다 향상된 전자전 성능이 부여된 APG-82(V)1 시스템은 앞서 언급했듯이 미 공군의 F-15E에 먼저 통합될 예정이며, 미 공군은 이 시스템을 통합한 F-15E를 F-22A와 함께 장차전의 공중 우세 전력으로 운용할 예정이다. 특히 적대적인 스텔스 항공기에 대한 대응 체계로 운용된다.

현재 F-15SE 사일런트 이글의 AESA 레이더로 제안된 시스템은 APG-82(V)1 이다.

사일런트 이글은 F-15SA와 마찬가지로 DEWS가 통합된다. F-15K에도 통합되어 있는 ITEWS가 아닌 F-22에 탑재되는 전자전 시스템을 기반으로 개발된 디지털 전자전 시스템을 탑재하는 이유는 AESA와의 연계 운용성 때문이다.
레이더와 전자전 시스템의 연계 운용은 전자적인 충돌 억제가 핵심이다. 기존의 기계 주사식 레이더는 RF 신호 변화에 따라 시각이 다르며 따라서 전자전 시스템의 충돌 제어를 위해 시각에 따라 필터링 RF 신호 특성을 맞춰주면 된다. 그러나 AESA와 연계 운용할 때에는 전자전 시스템이 동시다발적인 각종 신호 변조와 도약에 맞출 수 있어야 한다. 그렇지 못할 경우 대량의 오경보가 발생하거나 또는 AESA의 성능을 크게 제한하여 전투기의 작전 능력과 생존성을 저하시킬 수밖에 없다. 이 때문에 RF 신호 수신과 처리가 디지털화된 시스템을 필요로 하는 것이다. 또한 이와 같은 디지털 신호 처리 기법을 이용하여 통합 전자전 시스템과 연동되어 있는 AESA를 교란 장비로 이용할 수 있다. 다수의 신호 정보를 통합 전자전 시스템의 코어 프로세서가 다수의 신호원에 대한 대응 체계 운용 정보를 산출하여 이를 AESA의 빔 제어 프로세서와 연계하게 된다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 AESA가 동시 다발적인 PRF 운용과 역시 동시 다수의 위상/주파수 변조 등이 가능하다는 특성과 결합함으로써 다수의 적대적 RF 신호에 기민하게 대응할 수 있게 된다.

 4. 정보 통합 체계

 사일런트 이글은 장차전에 대비하여 링크 16과 함께 정보 통합 체계를 갖게 된다. 사일런트 이글의 정보 통합 체계는 INS(관성항법시스템)와 GPS 등과 같은 항법 시스템과 레이더의 프로세서, 무장 제어 컴퓨터, 전자전 프로세서, 연료 보급/엔진 제어 계통 등과 연계되어 있다. 정보의 통합이 어느 정도 카테고리의 제한을 받는 4.5 세대 전투기의 데이터 통합 체계와 달리 사일런트 이글의 정보 통합 체계는 다수의 카테고리의 정보를 통합하여 시현하며, 이들을 이용하여 산출한 정보까지 포함하여 조종사가 필요로 하는 정보를 선택적으로 선별할 수 있도록 구성하게 된다. 이를 위해 정보 시현 시스템과 관련 프로세서도 여기에 맞춰서 기존의 시스템과 다른 새로운 시스템이 통합될 예정이다. 과거에는 레이더와 전자전 센서, IR 센서, 대기 정보 센서 등이 제각각의 프로세서와 연계되어 있었지만(물론 F-16이나 F-18, 미라지 2000같은 현 세대 전투기들은 일부 카테고리의 정보 통합이 가능하다) 대규모 정보 통합을 위해 사일런트 이글에는 다수의 카테고리의 정보를 통합적으로 처리할 수 있는 대용량 고속 프로세서가 통합된다.
개별적인 서브 프로세서와 통합 코어 프로세서가 연계되어 운용되며, 이들은 제각각 개별적으로 작업을 수행하는 것이 아니라 유기적으로 통합적인 작업을 하게 된다. 이러한 통합적인 프로세싱을 위한 전체적인 아키텍쳐를 필요로 하며 또한 상당한 수준의 공통화가 요구된다. 다만 F-35와 같은 수준의 대규모 공통화와 통합은 어려울 것이다.

기존의 링크 16 규격 데이터 통신 체계를 탑재한 F-15E는 시간 단위에 맞춰진 Slot 단위의 정보를 수신하고 송출하게 된다. 링크 16을 통해 공유되는 항법 정보와 표적 정보 등도 이와 같은 방법으로 공유된다. 항법 정보의 경우 서로 다른 네트워크 가입자로부터 전송 받은 데이터를 기반으로 자체 항법 장비의 정확도를 파악하며 또한 항법 시스템과는 별개로 데이터 링크 체계 자체적인 항법 데이터를 산출한다. 이때 사용되는 항법 정보 산출 기법들 중 일부는 항법 정보를 데이터 링크로 제공하는 가입자를 둘 이상 필요로 한다. 이를 정보 통합 체계와 연계함으로써 자체 플랫폼에 부여된 접속 코드가 항법 정보 연결에 맞춰진 다수의 가입자의 데이터를 통합적으로 처리함으로써 더욱 정밀한 데이터 보정이 가능하게 되며, 결과적으로 F-15SE 사일런트 이글은 실시간으로 정교한 항법 정보 획득이 가능하게 된다. 이와 같은 데이터 통합을 이용한 정밀도 높은 데이터 확보는 항법 정보에만 국한되지 않고 표적 정보 공유 등에도 해당된다. 지상 매핑 영상을 링크할 수 있는 데이터 링크를 탑재하여 이를 정보 통합 체계와 연계할 경우 다수의 전술기가 획득한 매핑 영상 정보를 통합함으로써 펄스를 더욱 짧게 송출하여 개구비가 더욱 커지는 것과 같은 효과를 얻을 수 있게 된다. 이와 같은 매핑 영상 통합 효과는 Pave pace 정보 통합 체계와 MADL이 통합된 F-35와 같은 5세대 전투기에서 가능하게 될 것이다.
 사일런트 이글은 AESA와 정보 통합 체계를 연동함으로써 AESA의 장점을 극대화할 수 있다.

 5. 사일런트 이글의 미래

 페르시아만에서 이란의 위협이 강화되면서 사우디 아라비아를 비롯한 걸프 연안 국가들의 사일런트 이글에 대한 관심이 고조되고 있다. 먼저 사우리 아라비아와 쿠웨이트가 사일런트 이글에 관심을 보이고 있으며 사우디 아라비아는 사일런트 이글의 판매 허가를 요청한 바 있다. 그러나 정치적인 이유 때문에 사우디 아라비아에 대한 사일런트 이글의 판매는 허가되지 않았으며 대신 사일런트 이글에 통합되는 핵심적인 시스템 상당 부분을 F-15E에 통합한, F-15E와 사일런트 이글의 절충형인 F-15SA를 넘길 예정이다.
이를 통해 사일런트 이글을 사우디 아라비아에 제공하지 않음으로써 이스라엘에 과도한 위협을 초래하지 않으면서 동시에 사우디 아라비아에 사일런트 이글의 작전 능력을 어느 정도 구현할 수 있는 F-15E의 발전형을 제공하여 사우디 아라비아의 이란 견제라는 전략적인 목표도 함께 달성할 수 있게 되었다. 쿠웨이트와 UAE 등 사우디 아라비아와 함께 군사 동맹(반도의 방패)을 체결한 걸프 연안의 국가들도 사일런트 이글 도입에 관심을 갖고 있다.

 F-15 전투기 세력 현대화를 추진하는 이스라엘 역시 F-15SE 도입을 검토한 바 있으나 정치적인 문제와 함께, 이스라엘이 흡수해야 하는 초기 F-35A 프로그램 때문에 미국 정부는 이스라엘에 대한 F-15SE 판매와 관련 기술 제공을 허가하지 않았다. 대신 이스라엘 공군은 F-35A 적정 규모 배치 이전에 방공 능력을 현대화하는 주변국에 대한 항공 공격력을 유지하면서 추후 F-35A 배치 이후에 전투기 탑재 레이더 운용/교육 인프라의 일원화를 위해 F-15I의 레이더를 F-35A의 APG-81 AESA로 교체하는 업그레이드를 추진하는 한편, 2016년에 기존 F-15A/BC/D를 수명연장과 함께 F-15SA 사양으로의 업그레이드를 최종 선택으로 남겨 놓고 있다.

 무엇보다 F-15SE는 한국 공군의 F-X 3차 사업 후보 항공기이다. 기존의 F-15E와 비교할 때 어느 정도 성능 향상이 이루어졌으며 또한 F-15SE가 F-15K로는 불가능한 임무를 어느 정도 수용할 수 있는지, 그리고 현재 한국 공군의 주력 전투기로 자리 잡은 F-15K와 어느 정도 인프라의 공통성을 유지할 수 있는지 등에 중점을 두고 관련 정보 제공과 마케팅이 이루어졌다. F-15SE는 한국 공군의 F-X 사업뿐만 아니라 세계 각국의 차기 전투기 획득 사업에 참가하여 F-35A와 유럽의 전투기들과 경쟁하게 될 것이다.
특히 사우디 아라비아와 같이 강력한 방공망을 갖는 적대국에 대한 항공 공격 능력을 필요로 하면서 F-35A의 획득이 사실상 불가능한 나라들에게 유력한 대안 중 하나로 자리매김할 가능성이 높다. 또한 스텔스 전투기를 보유한 적대국에 대한 항공 방어 수단을 확보하려는 국가들에게도 F-15SE는 유력한 방어 제공 자산 중 하나로 어필하게 될 것이다.
 F-15SE에 통합되는 시스템들은 상당 부분이 기존의 F-15E 계열 전투기에도 통합 가능하며, 이에 따라 미공군은 F-15E가 미래 항공 전장 환경에 적합한 성능을 갖게 함으로써 장차전에서도 F-15E는 역시 중요한 항공 자산으로 운용될 수 있도록 할 것이다.

 

2013-08-16 09:05:13