세계 최초로 카나드를 사용한 동력항공기는 무엇이었을까요.
바로 라이트 형제의 Flyer 1 입니다. 간혹 이 항공기 주날개쪽이 앞방향인것으로
아는 분들도 있는데 (저도 어렸을때 그랬지만) 사실 카나드 있는 쪽이 앞방향입니다.
카나드를 사용하면 항공기가 불안정해지기 때문에 제어가 어렵게 됩니다. 그럼에도
라이트 형제가 카나드를 사용했던 이유는 오토 릴리엔탈이란 글라이더계의 선구자의
죽음 탓입니다. 오토 릴리엔탈은 매우 많은 글라이더 시험을 통해 19세기에 이미 각종
항공역학의 이론을 정립해 놓은 사람이었습니다. (만화 R.O.D에서도 나오지요) 그는
1000회가 넘는 비행을 해왔지만 결국 마지막에 비행사고로 죽고 맙니다. 글라이더를
시험하기 위해 절벽에서 뛰어 내렸는데, 하필 때마침 돌풍이 불어와 추락하고 만 것
이지요. 당시 그의 글라이더는 한쪽 날개만 부러지는, 비교적 경미한 손상을 입었지만
릴리엔탈은 목벼가 부러져 다음날 숨졌습니다. 그의 글라이더는 조종자 앞 부분에 아무
런 구조물이 없는 구조였기에, 글라이더가 추락하면 바로 조종사가 말 그대로 맨땅에
헤딩하는 구조였지요.
라이트 형제는 그의 사고를 분석하여 조종하기 너무 어려워, 항공기의 "안정성"이 떨
어져도, 조종사의 "안전성"을 고려, 카나드-윙 방식의 항공기를 제작하였습니다. 이 항
공기는 사실 조종한게 신기할 정도로 불안정한 항공기였다고 합니다. 라이트 형제는 동
력비행에 앞서 같은 구조의 글라이더로 몇 년에 걸쳐 비행연습을 해왔기에 겨우 조종이
가능했다 하더군요. 그래서 나중에 다른 사람들이 라이트 형제의 Flyer 조종법을 배울
때도 굉장히 힘들었다고 합니다...
카나드 날개는 이 처럼 불안정하기 때문에, 항공기들은 다시 "평범한" 주익-꼬리날개
형태의 항공기들이 널리 사용되게 됩니다. 그러던 것이 전투기들에게 다시 카나드의 잇
점이 부각되고 있지요. 불안정하단 말은 바꾸어 말하면 기동성이 좋다는 말이 됩니다.
요컨데 바닥이 마구 흔들리는 곳에서 두 사람이 서 있다고 생각합니다. 여기서 한 명은
몸을 밧줄로 묶어서 바닥에 고정시켜 놨고, 한 명은 그냥 서 있다고 가정합니다. 그럼
몸을 밧줄로 고정시킨 사람은 바닥이 마구 흔들려도 안정되게 서있을 수 있겠지요. 반
면 그냥 맨몸으로 있는 사람은 균형을 잡느라고 무진 애를 써야 합니다. 그러나 정면
에서 마구 돌이 날아온다고 가정하지요. 그럼 몸을 밧줄로 묶은 사람은 이리저리 피하고
싶어도, 자신을 안정하게 고정시켜주던 밧줄이 방해하므로 쉽게 맘대로 움직일 수 없습
니다. 반면 그냥 있던 사람은 재주껏 몸을 놀려 피할 수 있겠지요.
항공기 역시 마찬가지여서, 안정성이 뛰어난 항공기는 반대로 조종성이 나뻐집니다.
즉 돌풍등을 만나도 항공기가 흔들림이 적고, 흔들려도 곧 본래의 자세로 돌아오는 것
까진 좋지만, 반대로 맘대로 항공기를 휙휙 돌리는 것이 불가능 하지요. 요컨데 기동성
이 나뻐지는 것입니다. 반대로 기동성을 좋게 만들면 안정성이 떨어지므로 저런 외부에서
불어 닥치는 외란에 취약하게 됩니다. 그래서 "안정성이 뛰어나면서도 기동성이 좋은 전
투기" 란 것은 항공기에게 있어서 모순이었습니다...
그러던 것이 Fly-by-wire라는, 항공안정성에 있어선 "사기 같은 마법의 기술"이 개발
되었지요. 이 기술은 매우 불안정항 항공기도 컴퓨터가 항상 자세를 감시, 조종면을 조종
사가 손도 대지 않은 상태에서 일초에도 수십번씩 미세하게 조정하여 안정성을 유지해주
는 기술입니다. F-16이 최초로 아날로그 방식의 Fly-by-wire 시스템을 갖췄었지요. (처음
엔 wire라 해서 왠 철사로 항공기를 조종하나..했는데, 전선이란 뜻이더군요. 요컨데 조종
간과 항공기 조종면이 유압시스템으로 연결되어 있지 않고 전선으로 연결되어 있단 뜻입
니다. 간단하게 생각하면, PC에서 사용하는 조이스틱 같은 것이지요.)
스컹크웍스란 책의 저자 벤 리치 (F-117 설계를 담당한 사람)는 "우리는 이 시스템을
이용해 자유의 여신상도 날릴 수 있다." 라 농담 하지요. 실제로 F-117은 온몸이 각잡힌
항공기여서 매우 불안정합니다. 만약 Fly-by-wire 시스템이 없었다면 이 항공기는 비행할
수 없었겠지요. F-117 개발시 골칫 덩이중 하나가 피톳튜브등의 공기데이터 수집장치들
이었다고 합니다. 이 장치들이 만약 기능을 상실하면, 비행제어 컴퓨터는 외부의 상태를
알 수 없으므로 적절하게 항공기를 제어해주지 못하게 되고, 이내 F-117은 비행불능 상
태에 빠지게 되는 것이지요. 저런 공기수집장치들 앞에 얼음이 얼게 되면 제기능을 못하
므로 대부분 이런 것들은 가열소재등을 이용, 방빙장치를 둡니다. 문제는 소재들이 열을
받으면 레이더 반사를 훨씬 잘하게 되는 특성이 있어서 잘못하면 스텔스성을 상실할 위험
이 있는 것이지요. 그래서 이 부분이 얼지 않게 방빙장치를 하면서도, 스텔스성을 확보하
기 위해 꽤 고생했다고 합니다.
이야기가 다른곳으로 샜는데, 요컨데 세상은 충분히 카나드가 달린, 불안정한 항공기를
안정성 있게 날릴 수 있는 시대가 왔습니다. 물론 Fly-by-wire 시스템이 없던 시절에도
카나드가 달린 항공기가 아주 없던 것은 아니지만, 최근들어 특히 유럽쪽을 중심으로 카나
드-델타 윙을 많이 선호하게 된 것이지요.
카나드를 달면 좋은가? 물론 좋기야 좋습니다. 특히 델타윙의 항공기는 카나드를 닮으로
서 여러 잇점을 얻을 수 있습니다.
델타윙 항공기의 최대 단점은 동급의 일반 후퇴익 항공기에 비해 기동성이 떨어
진다는 문제점이 있었습니다. 델타윙은 고속비행에 적합해, 요격기엔 안성맞춤이지만 독
파이팅을 벌여야 하는 전투기에게 있어선 "글쎄.." 였지요. 미라지 2000 처럼 델타윙이면
서도 수준급의 기동성을 보이는 전투기도 등장하긴 했지만, 아무래도 한계가 있는 법이지요.
그러나 카나드를 달아주면 기동성이 매우 향상됩니다. 일단 앞서 말한 불안정함에서 오는
것도 있고, 아무래도 조종면이 하나라도 더 생기다 보니 훨씬 쉽게 움직이게되는 것이지요.
그래서 전통적으로 델타윙을 많이 써온 유럽쪽에선 카나드-델타윙 항공기를 많이 쓰게된
것입니다.
반면 미국쪽은 카나드에 대해 여러가지 연구를 거듭했지만, 결국 카나드 보다는 추력
편향노즐 쪽으로 가게 되었지요. 항공기의 설계란 것이 분명 "기호"란 것도 존재
하므로, 대체로 델타익을 선호하지 않던 미국측으로선 굳이 카나드 까지 달면서 기동성을
확보할 필요는 없었던 듯 합니다. 또 카나드란 것을 외부에 달면 그만큼 스텔스성을 저해
하는 요소로도 작용 했을 테니까요. 대신 F-22를 보면 수평미익이 상당히 크단 느낌을 받
는데, 추력편향 노즐과 이 수평미익의 조합으로 원하는 기동성을 대신 얻는 듯 합니다.
또 카나드를 달면 이륙특성도 좋게 하는 잇점이 있습니다. 항공기가 고 받음각에
들어가도 실속을 지연시켜주는 효과도 있지요.
이처럼 이런저런 좋은 점도 존재하지만, 안 좋은 점도 존재하지요.
일단 무게의 증가가 가장 큰 단점입니다. 항공기의 설계는 무게와의 싸움입니다. 1g이라
도 더 줄일 수록 좋은 것이지요. 실제로 항공기 설계시 가장 먼저 행해지는 것은, 항공기
의 예상 무게와 필요 연료무게 추산입니다. 무게가 무겁다는 것은 그만큼 띄우기 힘들고,
자재가 많이 들고, 효율이 나쁘며, 비싸단 이야기입니다. 물론 여객기건 전투기건 일정
한 주어진 임무를 수행하기 위해선 필연적으로 무게가 늘어날 수 밖에 없지만, 같은 성능
의 항공기라면 무게가 가벼운 쪽이 훨씬 좋은 항공기인 셈이지요. 카나드를 달면 성능은
분명 좋아지지만, 이 처럼 무게가 증가하게 됨으로 반드시 좋다고만은 못하는 것입니다.
또 한가지 문제로 앞서 말한 스텔스성이 있겠지요. 본래 항공기에서 가장 레이더에 잘
걸리는 것이 조종면인데, 카나드를 달면 이역시 RCS를 늘리는데 한 몫하게 되는 것이지요.
또한 카나드에서 발생하는 후류의 문제도 있습니다. 주 날개 앞에 어떠한 물체가 있어서
공기를 흐뜨려 놓으면 날개의 효율이 떨어지게 됩니다. 그래서 꼬리날개가 달린 항공기들
도 살펴보면 가급적 꼬리날개가 주날개보다 아래쪽에 위치하게 하여, 일반적인 순항상태는
물론, 고받음각 시에도 꼬리날개가 주날개의 후류에 잠기지 않게 노력합니다. (F-22는 그
런면에 있어서 상당히 특이한 녀석입니다. 꼬리날개가 주날개와 일직선상에 있다 못해 겹쳐
져 있지요. 아마 스텔스 성을 위해 후류문제를 감수하더라도 Fly-by-wire로 제어 하는듯 합
니다...) SAAB JAS-37 비겐의 날개를 보면 특이하게 날개 뿌리 부근이 더 후퇴각이 더 작습
니다. 일반적으로 날개 중간에 후퇴각이 변할 경우엔 날개 끝 부분쪽이 더 후퇴각을 크게 만
들지요. (대표적으로 콩코드) 이는 카나드에서 발생하는 후류가 날개 뿌리 부근을 지나기 때
문에, 뿌리 부분에서 실속이 발생할 수 있어서 취한 조치라고 합니다. 그래서 위에서 보면
꽤나 기묘한 형태의 비행기가 된 것이지요.
그렇다면 원론적인 이야기로 돌아갈 수 있습니다. 카나드-델타윙이 좋은가, 일반적인 주익-
미익 형태가 좋은 가.. 그것도 아니면 카나드,주익,미익 다 달아 놓는 것이 좋은가...
결론적으론 상황에 따라 다르다 입니다. 공력특성만 따진다면야 카나드,주익,미익 다 다는
것이 가장 좋겠지만, 앞서 말씀드린 대로 스텔스성이 떨어지고, 무게가 늘어나는 문제가 있
습니다. 그래서 Su-33,35 처럼 특이한 경우가 아닌 이상 보통 카나드-델타나 주익-미익형태
가 많이 보이는 것이지요. 이 두 형태는 서로 장단점이 있기 때무에 어느게 더 좋다고 하진
못한다고 합니다. 보기엔 카나드-델타 쪽이 훨씬 미래적으로 보이지만, 실질적인 성능은 별
차이가 없다고 하더군요. 사실 이것을 결정하는것은 거의 그간 만들어온 노하우와, "기호"에
기인한다고 합니다...
그리고 잡담입니다만, 제가 저번에 항공기 설계수업시 저희 팀은 카나드-델타윙 형태의 항공
기를 설계했었습니다. 그런데 문제가, 이런 카나드-델타윙에 대한 특성을 자세히 기술해 놓은
책이 없다는 것이었습니다. 대체로 항공기 설계에 관련해서 출판된 대학용 교재들은 미국책들
을 번역해 놓은 경우가 많은데, 미국쪽은 카나드-델타윙 항공기가 없으니까요.. 그래서 공력
해석 부분은 상당히 얼랑뚱땅 넘아가게 되어버렸었습니다... (사실 학부생들이 개념설계라곤 해
도 항공기 설계하는데엔 한계가 있다보니 많은 부분을 얼랑뚱땅 넘어가게 되었습니다 - -;)
작성일 : 13-07-06 14:20
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