KF-21 전투기 아이언버드

KF-X 시제 1호기는 초도 비행이 예정된 2022년까지 비행을 위한 각종 시스템 개발에도 박차를 가하고 있다. 성공적인 첫 비행을 위해서는 실제 비행 전 비행에 관련된 모든 시스템이 정상적으로 작동하는지를 사전에 검증하는 작업이 필수적이다. 비행에 관한한 모든 것을 지상에서 확인과 검증이 가능하게 만드는 장비가 바로 아이언버드다.

전자식 비행제어 검증 장비 아이언버드

KF-X 시제 1호기의 출고식이 임박했다. 이미 최종조립 공정이 공개됐고, 도색이 완료된 완제기 형태의 KF-X의 모습 역시 각종 그래픽과 목업을 통해 확인된 바 있다. 그간 KF-X가 걸어왔던 기나긴 여정의 진정한 첫 시험무대가 바로 내년에 계획된 첫 비행이다. 첫 비행은 설계대로 비행제어가 이루어지는지, 안전성에는 이상이 없는지, 변수가 발생했을 때 항공기의 비행제어시스템이 통제가능한 범위 내에서 대응하는지 등 실제 비행을 통해 확인하는 절차다.

그러나 이론적 데이터와 지상에서의 시험 데이터만으로 하늘에 시제 1호기를 띄워야 하므로 이는 안전 측면에서 대단히 큰 부담을 짊어지게 되는 것이다. 아무리 훌륭한 성능과 시스템을 갖춘 전투기라 할지라도 비행 안전과 높은 신뢰도를 확보하지 못한다면 그 의미는 크게 퇴색될 수밖에 없다. 따라서 첫 비행에 돌입하기 전 비행에 모든 것을 확인해야 한다.

이와 같이 기술적 결함과 일정지연, 비용 상승 등 다양한 리스크를 크게 완화시키는 데에 반드시 필요한 개발 장비가 바로 아이언버드(Ironbird)다. 아이언버드는 우리말로 번역하면 ‘철로 만든 새’ 정도로 해석된다. 이런 이름이 붙은 이유는 항공기 형상 구조물에 비행제어에 필요한 모든 유압 및 전기·전자 부품들을 넣어, 마치 실제 비행하는 시제기와 유사한 데이터를 얻을 수 있기 때문이다.

전자식 비행제어시스템 개발의 필수장비

현대 항공기는 디지털 비행제어 시스템 채용이 보편화되어 있다. 컴퓨터에 의존하는 많은 시스템들이 개입하여 비행을 제어하게 되므로 이에 대한 철저한 검증이 이루어지지 않으면 시제기의 반복된 시험비행 간 안전에 치명적인 결과를 초래할 수 있다.

미국에서도 1970년대 항공기에 디지털 플라이바이와이어(Fly-By-Wire)가 본격 도입된 F-15와 F-16 개발 당시 아이언버드를 함께 개발해 시험 및 검증에 활용하기 시작했다. 그 이후로는 아이언버드를 활용해 비행제어계통과 유압 및 전기계통이 연동되는 디지털 전자식 비행제어시스템을 개발하는 데에 필수적인 시험장비로 자리매김하고 있다. KF-X의 경우 디지털 비행제어 시스템을 채용한 첫 국산 전투기여서 아이언버드 개발은 필수적이었다.

본래는 무그(Moog)사가 아이언버드 개발에 필요한 기술을 FA-50의 절충교역의 일부로 이전하도록 협의됐으나, 실제로 기술이전은 이루어지지 않아 자체개발로 선회했다. 이에 따라 KAI는 2016년 4월부터 독자 개발에 착수했고 아이언버드를 성공적으로 개발함으로써 KF-X가 시험 비행에서 직면하게 될 최대한 비슷한 동적 시험 환경을 모사할 수 있는 여건을 갖췄다.

KF-X 아이언버드의 구조와 특징

KF-X 아이언버드는 항공기 형상을 모사한 기골 구조물을 중심으로 유압장비실, 통합제어실, 아이언버드실, 그리고 조종성 분석 시뮬레이터인 HQS 등 크게 네 종류의 섹션을 배치하여 구성된다. 기골 구조물은 KF-X의 실형상에 가깝게 제작된다. 지상 기골 구조물 안에 탑재되는 각종 비행제어·유압·전기 계통 부품들을 시제기에 실제로 탑재되는 위치에 장착하여 최대한 실 항공기와 유사한 시험환경을 제공하기 위해서다.

유압장비실의 유압장치들은 기체의 시제기와 동일한 특성을 가지는 링크와 토션바를 이용하여 각 조종면과 연결되어 있다. 따라서 조종사가 기동을 위해 조종장치를 움직이면 비행 조건과 조작 유형에 맞게 조종면을 작동시킨다.

통합 제어실은 부하 시스템 작동을 포함한 자체진단시험을 수행해 실시간으로 데이터를 획득하고 아이언버드 작동을 관리하는 역할을 한다. 이와 함께 통합시험장비는 컴퓨터로 입력되는 모든 하드웨어 신호의 연동과 신호를 생성하고, 하드웨어 결함 모의 및 시험에 필요한 각종 부가 기능을 제공한다.

아이언버드실은 항공기와 유사한 형태로 제작된 기골 구조물이 중심이다. 기골에는 KF-X에 탑재될 전자장비들이 실기와 가장 유사한 위치에 설치될 수 있도록 기골 전반적으로 브라켓이 달려 있다. 또한 비행 조건을 모사할 수 있는 공력부하 장치 및 관성장치, 실기와 유사한 유압장치들과 유압장치를 모니터링 할 수 있는 CCTV등으로 구성된다. HQS는 KF-X의 조종성 평가를 수행하고 실제 항공기의 비행환경에 가깝게 시스템 환경을 모사한다. KAI는 KF-X 개발을 위해 4대의 HQS를 개발했으며 3대는 비행제어 시험에 투입되고, 1대는 비행제어, 유압계통, 전기계통 통합 환경을 구현해 초도 비행 전 감항기준을 입증하고 설계검증에 활용하는 아이언버드 시험장비용이다.

지상에서의 시험 데이터만으로 시제 1호기를 띄우는 것은 안전 측면에서 대단히 큰 부담이다. 아무리 훌륭한 성능과 시스템을 갖춘 전투기라 할지라도 높은 안전성과 신뢰성을 확보하지 못한다면 그 의미는 크게 퇴색될 수밖에 없다. 따라서 첫 비행에 돌입하기 전 비행에 관련된 모든 것을 확인해야 한다. 이 확인절차 전반을 책임지는 것이 바로 개발 장비가 바로 아이언버드(Ironbird)다. 이를 통해 아이언버드는 첫 비행 전후로 기술적 결함과 일정지연, 비용 상승 등 다양한 리스크를 크게 완화시키는 데에 반드시 필요한 장비라 할 수 있다.

​아이언버드, 말 그대로 해석하면 철로 만든 새, 철새다. 항공기의 모든 것을 다 재현할 수 있기에 그렇게 이름 붙여졌다. 날지만 못할 뿐, 더 많은 시험을 진행해 보다 안전하고, 보다 완벽한 항공기를 만들어 낼 수 있다. 이 때문에 항공기 개발 과정에서 아이언버드는 필수처럼 여겨진다. KAI 역시 KF-X의 개발을 위해 아이언버드 개발 및 제작에 성공했다. 국내 최초 독자 개발 아이언버드의 주역인 비행시험제어팀 서성조 책임을 만나 보았다.

국내 최초 개발 KF-X 아이언버드

“KF-X의 개발에 착수하게 되면서 가장 먼저 생각한 것이 바로 우리 기술로 만드는 아이언버드였습니다.”

항공기 통합시스템의 고장 및 비상모의는 아이언버드를 통해서만 가능하다. 실제 항공기에서 이 같은 부담을 걸고 시험할 수는 없기 때문이다. 물론 해외 전투기들도 개발 프로그램에 아이언버드가 필수적으로 활용되었다.

“아이언버드 규모의 시험 장비를 개발하는 것은 국내 최초였습니다. 항공기란 최첨단 기술의 집합체입니다. 당연히 이런 기술이 모두 들어가 있는 아이언버드는 해외 기술 지원을 받는 것도 어려웠습니다. KAI는 물론 10여개의 협력 업체들이 힘을 모아야 했죠.”

최초라는 것은 기준을 처음으로 만든다는 것이다. 국내에서 처음으로 아이언버드를 개발하기로 마음 먹고 나서 가장 힘든 것은 자료를 찾는 일이었다. 국내외 전문가와 전문업체들을 방문해서 견학하면서 기술을 확보했고, 논문을 찾아보았다.

“찾는 것조차 쉬운 일이 아니었습니다. 보여주겠다고 선뜻 허락하는 업체도 없었지요. 이리저리 발품을 팔고 자료를 모으고 협조를 구해서 저희 만의 아이언버드 윤곽을 구성해 나가기 시작했습니다.”

5년의 개발 기간, 드디어 완성된 KF-X의 아이언버드

서성조 책임을 비롯한 KAI직원들과 협력업체의 노력으로 2020년 11월 KF-X의 아이언버드가 세상에 나올 수 있었다. 2016년부터 5년 동안 밤낮을 가리지 않고 노력해 온 결과다.

“KF-X의 아이언버드는 조종 및 비행 특성에 영향을 미치는 비행제어, 유압, 전기, 항전계통 항공기 탑재 구성품 적용, 비행 시뮬레이션 데이터를 통한 지상 및 비행 상황 모사, 결함 모사, 실시간 데이터 획득 등 다양한 임무를 수행할 수 있습니다. 현재로서는 실제로 날지만 않을 뿐 KF-X와 가장 유사하다고 할 수 있지요.”

KF-X의 아이언버드는 항공기의 지상시험에 필요한 모든 상황을 모사할 수 있다. 지상시험을 한 번 진행하기 위해서는 많은 인력과 시간, 비용이 소요되는 만큼 정확도는 높이면서 비용과 시간을 줄일 수 있다.

“실제 항공기에서는 수행할 수 없는 다양한 시험도 가능합니다. 예를 들어 엔진이 하나 작동이 안 되는 상황에서 항공기가 어떻게 움직이는지를 시험할 수 있는 것이죠. 이런 극한의 상황은 실제 항공기에서 검증하기는 불가합니다.”

아이언버드로 얻게 된 세 가지 효과

KF-X 아이언버드는 항공기 재현, 항공기 모사, 시험장비로 구성된 10여개의 서브시스템을 통합했다. 아이언버드는 항공기와 똑 같은 방식으로 움직이면서 어떤 부분이 문제인지 사전에 찾아낼 수 있다. 서성조 책임은 아이언버드로 인한 효과를 크게 세 가지로 설명한다.

“첫 번째 시스템 신뢰성 확보, 두 번째 항공기 안전성 확보, 세 번째 항공기 개조 개발 및 성능 개량 시 성공확률 증대입니다.” 아이언버드로 군용 감항기준 및 비행 안전성을 입증할 수 있는 것이 가장 크다. 이는 현재 전투기 개발에서는 거의 필수적으로 필요한 요소이기 때문이다.

또한 아이언버드의 원래 목적인 실제 항공기에서는 불가능한 다양한 시험 조건 및 결함 조건 등 발생할 수 있는 모든 요소들을 사전에 검증할 수 있기에 안전성이 크게 올라간다. 아이언버드의 작동이 실제 항공기와 같기 때문에 이상현상에 따른 고장 탐구가 신속히 이루어질 수 있다. 이러한 데이터가 모여지면 차후 KF-X를 개조하거나 성능을 개량할 때 중요한 자산이 된다.

무궁무진한 가능성을 가지고 있는 아이언버드

현재 아이언버드는 KF-X를 위해 개발되었다. 현재의 목표는 KF-X의 체계개발과 양산에 이르기까지 무사히 완료하는 것이다. 서성조 책임은 아이언버드의 무궁무진한 가능성을 좀 더 활용하고 싶다는 소망도 내비쳤다.

“아이언버드를 활용해 항공기 개조개발 및 성능개량, 비행 중 발생 이상 현상 탐구/재현/데이터 획득 및 원인분석, 조종사 훈련 및 비상절차 개발, 국산화 개발 지원, 선진 기술 개발 시 개발 지원 등 활용 범위가 무궁무진할 것으로 예상하고 있습니다. 또한, 아이언버드를 통한 고신뢰성 항공기 계통 모델화로 멀지 않은 미래에는 Virtual Ironbird가 구축될 수 있을 것입니다.”

국내 최초 독자 개발 아이언버드가 계속해서 힘찬 움직임을 유지할 수 있도록 서성조 책임도 전력을 다할 생각이다. 아이언버드의 활약이 더욱 기대된다.

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