국뽕으로 알아보는 KF-21
(ft. 슈퍼크루즈의 징조)
 
여전히 KF-21은 국내에서는 4.5 세대의 전투기라고 얘기하지만 해외에서는 5세대라고 보는 시각이 다분하다. 물론 국내외를 막론하고 이견이 없는 부분은 KF-21이 5세대 전투기 동체 형상을 띠고 있다는 것이다. 실제 베이비 랩터라 불리울 만큼 외관은 분명 미국의 5세대 전투기인 F-22이와 매우 흡사하다.
 
@스텔스 형상과 스텔스 성능

하지만 5세대 전투기를 규정짓는 몇가지 요소가 있는데 가장 큰 특징은 스텔스 성능이다. 즉, 비행체가 레이더에 아주 작은 물체로 보이게 해하여 적을 속이는 하이테크 기술이다. 비록 KF-21이 기체 형상은 레이더 전파의 반사를 최소화할 수 있게 설계됐다고 하지만 스텔스 성능을 내기 위해서는 레이더 반사면적(RCS) 값을 낮춰야하는데 기체의 스텔스 형상만으로는 부족하다.

비행기의 정면에서 전파가 날아오면, 전파를 가장 많이 반사시키는 공기흡입구를 안쪽에 위치한 덕트을 S자형태로 만들어야 하고, 캐노피 내부로 전파가 아예 못 들어오도록 일체형 캐노피를 적용하고 여기에 금속코팅을 하기도 한다. 또 항공기 측면에서 날아온 전파는 주로 날카로운 면이나 전파에 수직으로 위치한 면에 부딪혀서 적 레이더로 되돌아가기 때문에 F-22, F-35 등의 항공기들은 거대한 반사판이나 마찬가지인 수직꼬리날개를 일부러 30도 전후로 기울이는 형태로 설계하는데 (심지어 B-2는 아예 꼬리날개를 없애버리기도 함) KF-21은 이상의 요소들을 모두 적용하고 있다.

다만 항공역학적으로 문제를 가질 수 있는 표면을 톱날 처리(SawTooth)하는 방식은 적용하지 않은 걸로 알려졌다. 또한  미사일 및 폭탄과 같은 무장을 수납하는 내무 무장창은 적용되지 않아 KF-21의 RCS면적은 햔재 0.5㎡로
 미 공군의 F-22(0.0001㎡), F-35(0.001㎡) 수준에는 크게 못 미친다고 알려졌다.

그러나, 전파 흡수 물질(Radiation-absorbent material, RAM)의 경우에는 레이더의 전파가 이 흡수물질에 닿으면 빠져나가지 못하고 낮은 열에너지 형태로 변환되어 적용되는 비행체, 선박, 차량 심지어 건물 등의 형상을 바꾸지 않고도 쉽게 스텔스성을 달성하기 쉬운 방법도 개발되고 있다.

사실 미국의 스텔스기가 탁구공만 하거나 벌레만 한 크기로 레이더에 보이는 것도 이러한 RAM 기술이 적용되었기 때문이고 이것은 주로 페인트 형태로 기체 전체를 도포 또는 코팅을 한다.
 
그런데 이 가격이 만만치 않고 매번 출격 때 마다 새로 코팅을 해야하기 때문에 스텔스 전투기 운영에 막대한 비용이 투자되어 천조국 미국조차 전량 5세대 전투기로 바꾼다는 계획을 멈춰 세운 장본이기도 한다.

또한 현재까지 기술로는 적 레이더 전파를 전부 흡수해버린다는 것은 불가능하다. 그리고 X밴드 이상의 주파수에서는 램도료가 두꺼워지기 때문에 그 이상의 주파수 대역에 대한 스텔스 적용에 대한 현재까지는 그 한계가 존재한다.

그런데 작년(2021년 5월) 한국의 국가과학기술연구회(NST)가 개발한 Ti3CN 맥신(MXene) 전자파 흡수 소재를 개발 완료한 바 있다. 이는 KF-21을 포함한 주요 무기들의 스텔스 성능을 별도의 기술 개발ㆍ성능 개선 등이 없이 단순히 얇은 시트지를 붙이거나 코팅 만으로 대폭 향상시킬 수 있다는 평가를 받고 있다.

자연에 없는 새로운 성질의 물질을 원자 단위로 설계해서 만든 일종의 '메타물질'이다. 전기가 통하는 금속(티타늄)과 탄소(C), 질소(N)를 나노미터(nm) 두께에 마이크로미터(μm) 크기를 가지는 2차원 평판 구조로 합성한 후 열처리를 통해 전자파 흡수 능력이 뛰어난 데다 심지어 머리카락의 50만분의1 두께로 얇게 시트지나 페인트로도 가공 가능하여 여러번 적층해 두께 및 투과도, 표면저항을 자유롭게 제어할 수 있다. 특히 이 필름을 55mm 두께로 적층하면 99% 이상 전자파 차단이 가능했다. 이는 현재까지 보고된 어떤 전자파 차단 소재보다 우수한 성능이다.

현재 KF-21에도 비행기 도색이라는 명명하에 1, 호기부터 6호기까지 조금씩 다른색이 도색되어 있는데 어찌되었던 최근까지 T-50등에 스텔스 도료가 테스트 되어진 사례들을 미루어 보건대 스텔스 코팅 또는 더 진보적 기술로 개발된 나노닷 스텔스 시트지나 도료가 블록 1부터 적용되는 것으로 보이고, 현재 반매립된 미디어공대공 미사일 4대만 장착한 상태라면 그 스텔스 기능이 대폭 향상될 것으로 보인다(50cm²보다 훨씬 작은).

@AESA레이더와 항전장비

스텔스 성능 이외에도 5세대 전투기가 갖춰야 할 조건으로는 발달된 수준의 센서, 고급 항공전자장비 그리고 높은 기동성 등이 있다고 전문가들은 얘기한다.

사실 전투기의 중요 센서인 AESA 레이더와 항공전자장비는 전투기의 생존과 관련된 핵심 기능이고 그래서 미국 정부가 한국 차세대 전투기 선정시 록히드 마틴이 약속했던 4대 전자장비인 AESA 레이더, 전자광학 표적추적장비(EO TGP), 적외선 탐색추적장비(IRST), 전자파 방해장비(RF재머)에 대한 기술 이전을 거절한 까닭이다. 

그러나 전자와 반도체 강국 한국은 이들은 전투기의 4대 핵심장비로 불리는 이것들을 모두 개발하는데 성공 하였으며 그 덕분에 KF-21 보라매는 자체 강화는 물론이고 적국의 5세대 스텔스기에 대한 대응능력을 높일 수 있게 됐다.

살펴보면, ‘전투기의 눈’으로 불리는 AESA 레이더는 하나의 안테나로만 작동하는 기존 기계식 레이더와 달리 1,000여 개의 소형 송수신 모듈을 독립적으로 움직여 목표물을 탐지하며 정보처리 속도가 기존 대비 천 배 이상 빠르고 동시에 20개의 목표를 추적할 수 있는 게 특징이다. 이번에 개발에 AESA에는 한국의 반도체 기술이 잡약된 GaN(질화갈륨) 반도체 전력 증폭소자(세계 최고 수준의 300와트(W)급 S대역 질화갈륨(GaN) 전력 소자 기술을 후속으로 개발 완료)를 사용하여 하드웨어적으로는 미국산 보다 더 뛰어나다는 평가가 있으며, 비 공식적으로 F-35에 적용된 1500개 소자가 있는 AESA 탐지거리 270km에 버금 간다는 평가도 있다. 실제 AESA 개발 후 이스라엘과의 초기 평가가 완료된 시점에서 모 군사전문 기자가 한화시스템에 방문하여 개발책임자가 인터뷰를 하였는데 이때 탐지거리를 200km 이상으로 언급한바 있다.

적외선 탐색추적장비(IRST)는 항공기와 미사일로부터 방출되는 열 신호를 감지하며 악천후에도 목표물을 찾을 수 있다.

전자광학 표적추적장비(EO TGP)는 영상 신호로 적을 탐지, 추적하고 고출력 레이저로 지상의 목표물을 정밀 조준할 수 있다.

전자 방패라 불리는 RF재머(전자파 방해장비)를 기반으로 개발한 통합전자전체계(EW SUITE)는 미사일 탐색기의 신호를 탐지·분석하고, 전자방해 전파 송신, 채프·플레어 등의 전자전탄 살포 등을 통해 적의 위협을 교란한다. 이는 이미 미국의 기술도용 논란속에 개발하여 그들을 놀라게 하며 KF-16전투기와 RF-4C 정찰기에 탑재된 전투기 자기 방어용 전자방해장비 ALQ-200K의 원천 기술을 발전시켜 더 강력한 통합전자전체계를 KF-21에 내장형으로 적용하였다.

@ 엔진과 슈퍼크루즈

끝으로 5세대 전투기는 높은 기동성을 또한 특징으로 갖고 있는데 이는 제트 엔진과 관련이 높다. 이 부분을 아직 우리가 국산화하지 못하고 미국 제너럴일렉트릭의 F-414 기반의 엔진 증 F-18 슈퍼호넷과 EA-18G그라울러가 장착한 F-414-400으로 알려져 있다.

그러나 미국 출고시 GE측 담당자의 인터뷰에서도 그랬고 한화 에어로스페이스의 엔진 담당 역시 K-21의 F-414 엔진은 맞춤형이라는 언급이 있었다.

그런데 이보다 앞서 미국의 Defence Studies라는 매체가 자신들의 블로그에 KF-X(KF-21 명명전 프로젝트명)용의 414엔진이라며 신형이자 기존대비 20%이상 높은 26,400 파운드 추력의 414-EPE 엔진의 랜더링 사진을 게재했었다.

그러나 이 계열에서 가장 앞서는 모델인 414-MPE가 아니더라도 국내 전문가들은 KF-21의 슈퍼크루즈 가능성을 높게 보고 있다.
 
공군 전투기 조종사출신의 유튜버 '진격의 아재'가 KF-21의 슈퍼크루즈 가능성에 대해 분석한 내용을 보면 보통 3세대 이후 전투기가 3000PSI 유압을 사용하여 비행하며 3200PSI가 최대치라고 하는데 이에 비해 KF-21은 마하 1.0을 돌파하며 초음속 비행을 할 때 유압을 나타내는 계기판인 디지털 픽콕의 HYDRO 수치를 보면 3222~3229PSI 사이에서 비행이 이루어지는 것을 볼 수 있다.

그는 이것이 KF-21엔진의 잉여출력으로 본다고 언급했다. 만일 다른 전투기였다면 유압 수치의 최대치인 3200을 넘겨 엔진에 무리를 주어 비행이 취소되어야 했는데 KF-21은 이 수치를 넘겨 비행한다는 것이다. 즉, 이 잉여출력은 KF-21이 출력을 더 높여 속도를 더 낼 수 있고, 이 잉여출력 정도면 애프터 버너 없이 마하를 돌파하여 순항이 가능 할 것으로 보았다. 실제로는 그는 KAI의 본사가 있는 서천에서 KF-21의 시뮬레이터를 조정해 봤는데 KF-21이 추력 대 중량비에서 4세대에서도 기동성이 높다는 F-16과 비교해서 차원이 다르다는 것을 느꼈다고 언급하며 이상을 종합해 수퍼크루즈의 가능성을 긍정적으로 예측했다.

또한 소프트엔지리어링 출신 밀리터리 평론가 마성기는 KF-21에 사용된 F414엔진이 미국의 함재전투기인 F-18 슈퍼호넷에 들어가는 엔진과 동일한 엔진으로서 같은 추력을 낼지라도 KF-21이 슈퍼호넷 보다 1톤 이상 가볍고 유체역학적으로 더 날렵한 형태로서 항력이 적을 수 있다는 가정하에 슈퍼크루즈 가능성에 대해 설득력이 있어 보인다고 언급 했는데 이는 결국 추력 대 중량비에서 앞서는 KF-21의 장점을 전문가들이 지적하는 것이다.

추력 대 중량비란 전투기의 무게를(Weight) 엔진의 추력(Thrust)으로 나눴을 때 계산되는 값을 뜻한다. 이 추력 대 중량비는 전투기의 가속 성능을 나타내는 수치로써 전투기의 중량과 엔진의 파워에서 나오는 추력 수치만 가지고도 간단하게 구할 수 있다. 추력 대 중량비가 높을수록 기동성 측면에서는 유리하다.

한편, 이 엔진이 개량형이라는 증거가 사천에어쇼 2022에서 KF-21기술자와 인터뷰를 진행한 한 유튜버채널 기자가 인터뷰 내용을 분석하며 KF-21에 탑재된F-414엔진이 KF-21용으로 커스터마이징 및 성능개량이 됐다는 정황이 밝혔는데 그에 다르면 F-414-400엔진을 탑재한 슈퍼호넷과 KF-21의 제트엔진 노즐이 길이가 틀린데 이상은 것은 슈퍼호넷은 이미 많은 에어쇼와 심지어 사진 및 동영상으로 전투기 후면 노즐에서 엔진 안쪽까지 공개되어 있는데 KF-21은 엔진안을 볼 수 없도록 실물에 가림막을 설치했다는 것이다(동일하다면 구지 가릴 필요가 없음).

엔진 내부의 차이는 볼수 없지만 엔진노즐 길이만 보더라도 KF-21의 노즐이 F-18 슈퍼호넷 보다 길다는 것이다. 항공엔진 전문가들에 따르면 노즐길이가 길어져도 출력증가와 열차폐에 유리해지며 적외선(IR) 신호 저감에 유리하여 스텔스성이 높아진다고 한다. 그러나 일반적으로 동일 엔진에 노즐 길이만 길게 하지 않아 이들은 내부 성능 개량도 함께 이루어졌을 것으로 본다.

실제 한화에어로스페이스의 내부 웬집 등을 보면 기존의 414엔진에서 공기흡입시 일어나는 정정기를 줄기이기 위한 인테이크의 개선과 공기를 압축해 주엔진의 시동을 걸고 전기와 유압 공급해 주는 신형 엔진보조동력 APU 개발과 엔진파워에 직접 영향을 주는 블레이드 개발 등 엔진 국산화만 39%에 이른다.

일부에서는 엔진이 면허생산이기 때문에 성능개선이 불가능하다고 하지만 실제 KAI 및 한화에어로페이스 관계자는 다음과 같은 인터뷰를 남긴 적이 있다.

“최초의 국산 초음속기 ‘T50’에 들어간 ‘F404’ 엔진은 국내 조립 라인에서만 만든 것입니다. 2006년 엔진 출고가 이뤄졌는데, 모든 부품을 국내에서 생산한 것은 당시가 처음이었습니다. 비록 GE 제품의 면허생산이었지만, 국내 생산이라는 이점 때문에 우리 기술진과 공군의 요구사항이 크게 반영됐습니다”.

아직 KAI측이 세세히 밝히고 있지는 않지만, 이상의 전문가평과 관련 엔지니어들과의 인터뷰를 보면 슈퍼크루즈의 가능성도 있어 보인다.  그렇다면 KF-21은 F-22랩터나 유로파이터(특정 조건하)만 가능한 슈퍼크루즈 기능도 갖췄다고 볼 수 있다.

또한 KF-21에 추력편향노즐이 달릴 것 같다는 의견이 있다. 추력편향노즐은 비행기의 추력의 방향을 변화시켜 기동성을 향상시키고 이륙거리를 짧게 해주는 기술이다. 하지만 이에 대한 공식적인 발표는 없다. 실물 기체를 본 일부 기자 사이에서 나온 이야기로 F-15K를 보면 기체와 엔진 노출 사이에 유격이 없는데 KF-21은  유격이 넓고,  같은 엔진을 채용한 F-18 슈퍼호넷 대비 노출 길이도 훨씬 길다는 것이 알려지면서 이 가능성이 제기되었다.  현재 추력편향노즐은 F-22와 F-35에만 적용되어 있다.
 
@ 맺음말

KF-21을 액면 그대로 4.5세대로 보는 시각도 있지만, 실질적인 5세대 전투기로 간주하는 전문가들도 많다. 미국이나 중국 등 외부의 견제를 의식해 대놓고 얘기하지 않을 뿐 이미 최첨단 항전장비(AESA 레이다 등)에 스텔스 기능까지 겸비한 5세대 전투기라고 분석하고 있는 것이다.

그러나, 제조사 KAI에서는 4.5세대를 고수하고 있다. 대신 강구영 KAI 사장은 지난달 17일 서울 영등포구 공군호텔에서 열린 기자간담회에서 KF-21을 성능개량 사업을 마무리한 후 오는 2031년부터 6세대 전투기 개발과 무인전투기 체계 개발에 박차를 가할 방침을 밝혔다. 얼핏 보면 5세대 없이 6세대로 가겠다는 허무맹랑한 소리로 들린다. 하지만 세부 계획을 보면 KF-21 성능개량 사업은 블록 I, II, III로 나뉘는데 블록 III에 가서 누구나 이견 없는 외형까지 완벽한 5세대가 출현한다. 하지만 이렇게 갈 수 있다는 것이 바로 KF-21은 5세대 전투기라는 것이다.

현재, KF-21은 단좌형 이외에 현재 복좌형도 제작되어 시험 비행 중에 있고 2000회 이상의 시험비행이 계획되어 있으며, 이미 중요한 초음속 비행, AESA레이더 테스트, 각종 무장 테스트를 성공하고 있다. 또한 함재기 KF-21N의 개발도 급물살을 타고 있다. 그리고 기체내 우수한 기본 전자전 기능을 바탕으로 더욱 보강하여 한국판 F-18G그라울러 KF-21G도 눈앞에 있다.

앞으로, KF-21을 기반으로 KF-XX를 통해 AI 에이비에이터 개발, 무인 소형 전투기의 운용, 인공위성 네트워크 기술 활용, 극초음속 미사일 및 레이저포 무장 개발 등 종합체계에 초점을 맞춰 6세대 전투기의 탄생도 기대해 본다.

지난해 매출 2조8000억원으로 세계 37위였던 KAI의 올해 매출은 3조8000억원, 수주 목표는 4조5000억원이다.

주주로써 필자는 "KAI의 6대 전략사업으로 퀀텀프를 통해 2050년 매출 40조원으로 명실상부한 글로벌 톱7 기업으로 도약하겠다"는 경영진의 언플 보다는 "세계의 땅과 바다를 삼성 · 현대 · 대우가 개척다면, 하늘과 우주는 KAI가 열어가겠다"는 직원들의 땀, 열정, 긍지가 더욱 큰 울림이 온다.