항공기 Wing Rock 현상

최근 T-7A 고등훈련기의 양산 시점이 2022년 3분기에서 2023년 4분기로 미뤄졌다는 소식이 알려졌다. 코로나19로 인한 부품 납기지연 문제도 있으나, 항공기 시험비행 중 고받음각에서 윙락(Wing Rock) 현상이 발견된 것이 일정 지연의 주요 원인으로 지목되고 있다.

윙락(Wing Rock)은 고받음각 영역에서 발생하는 불안정한 롤(Roll) 특성으로, 종방향 기체축을 중심으로 스스로 진동하는 현상이다. 윙 드랍(Wing Drop)과 함께 갑작스럽게 발생하는 날개 실속 현상인 AWS(Abrupt Wing Stall) 현상 중 하나이다.

AWS는 전투기 양쪽 날개에 비대칭적으로 유동박리가 일어나 제어 불가능한 횡 방향 움직임을 야기하여 전투기의 조종안정성을 심각하게 저하시킨다. 전투기 개발이 완료된 상태에서 AWS 현상을 발견할 경우 이를 제거하기 위해 추가적인 형상 수정, 풍동시험, 비행시험 등을 필요로 하며, 막대한 비용 손실과 일정 지연을 야기한다. 따라서 AWS는 개발 초기부터 사전에 예측하고 설계 단계에서 대응할 필요가 있다.

윙락 현상의 주요 원인 중 하나는 전방동체 와류와 스트레이크 와류 간의 상호작용이다. 스트레이크의 기능은 실속 이후 고받음각 조건에서도 와류양력(Vortex Lift)를 지속적으로 발생시킴으로써 전체 항공기의 양력성능을 유지하는 것인데, 고받음각 비행 상황에서 전방동체에서 생성된 와류가 스트레이크를 지나면서 더욱 큰 와류를 형성하고, 이 와류가 좌측 · 우측 날개에서 지속적으로 붕괴되고 생성되면서 불안정한 롤링 현상이 발생하게 된다.

이러한 윙락 현상은 고받음각 비행 영역을 제한하고, 전투 기동 시 조준 성능을 약화시켜 전투기 기동성능 및 작전운용 성능을 크게 저하시키며, 급격하게 불안정해지는 비행 상황에 진입하게 될 수 있다. 따라서 항공기 형상과 FBW(Fly By Wire) 시스템의 비행제어기법을 수정하여 윙락 현상을 최소화하고 적절한 안정성을 보장해야 한다.

KF-21의 경우 C109 형상의 FTR(Free-To-Roll) 시험을 통해 윙락 현상에 대해 확인한 바 있다. FTR은 F-18E/F의 시제기에서 나타난 Wing Drop 현상을 자세하게 분석하기 위해 NASA와 미 국방부 주관 하에 착수된 AWS 프로그램에서 개발되었으며, 5년 간의 전산해석 및 비행시험과의 검증을 통해 신뢰성이 입증된 시험 기법이다.

기본형상에서 전방동체에 얇은 Chine을 적용한 형상, 뭉퉁한 형태의 Blunt nose, 전방동체 장착 각도를 Nose down하여 변형한 형상을 기본 C109 형상과 비교하였고, 시험 결과 기본 C109 형상에서 윙락 현상이 가장 약하게 발생하는 것으로 나타났다.

T-50의 경우 개발 단계에서는 수행하지 않았지만, FTR 시험을 통해 받음각 36°~48°에서 윙락 현상이 두드러지게 발생하는 것이 확인되었으며 Chine 형상을 적용한 결과 윙락 현상이 감소하는 결과를 확인하였다. Chine은 노즈까지 이어지는 전방동체에서 확장된 측면 라인으로, 항공기의 가로 안정성(Lateral Stability)과 방향 안정성(Directional Stability)을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 전방동체 와류의 움직임을 제한하기 위한 방안으로 도출되었는데, 시험 결과 윙락 현상을 감소시키는 데 효과적인 것으로 확인되었다.

T-50과 달리 KF-21은 형상에 가로/방향 안정성을 향상시키는 Chine 등의 설계 요소가 이미 반영되어 있고, 따라서 고받음각 비행 상황에서도 윙락과 같은 불안정 현상이 억제되는 것으로 나타났다.

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