장기적인 발전 가능성이 높은 EJ-200 엔진

  EJ200 엔진 2기를 탑재한 유러파이터는 최대 4만 4천 파운드(Mil Power는 2만 7천 파운드)의 추력을 보유한다.

 이 때문에 각종 임무 장비 운용에 필요한 전력 생성면에서 더욱 큰 여유를 갖는 플랫폼이 된다. 이는 추후 성능 개량 시에 새로운 임무 장비를 수용할 수 있는 여유가 더 크다는 뜻이다.

 현재 5세대 전투기들(F-35, PAK FA 등)을 보면 전력 수요가 큰 임무 장비들이 대거 통합되어 있음을 알 수 있다.

예를 들어 PAK FA의 경우 RCS가 작은 항공기를 원거리에서 탐지하기 위해 기수에 통합된 I/J 밴드 AESA 레이더와 별도로 주 날개의 앞전(Leading edge)에 L 밴드 AESA가 통합된다.

표적과 탐지 시점, 위치 관계(Aspect angle, Angle-off)가 동일한 경우, X 밴드를 기준으로 하는 RCS보다 L 밴드를 기준으로 하는 RCS가 더 크다. 또한 탐지거리는 RF 신호 파장과 비례한다. 따라서 이는 RCS가 작은 항공기에 대한 솔루션의 성격이 강하다고 할 수 있다.

 AESA는 대량의 T/R 소자에 전력을 공급해야 하며, 발열량이 큰 AESA의 열 부하를 완화하기 위한 ECS(Environment Control System) 등도 지속적인 전력 소요가 발생한다.

요컨데 AESA는 전력 요구도가 큰 장비이며, 이를 추가로 통합하는 것은 장비 운용을 위한 전력 수요가 크게 증가함을 의미한다.

 F-22A 또한 기수에 통합된 APG-77 레이더 이외에 기수 측면에 컨포멀 어레이 AESA를 추가로 통합하는 업그레이드가 계획된 적이 있다.

F-35는 APG-81 AESA와 6개의 IR 영상 센서를 통합 운용 하는 EO-DAS 시스템, EOTS, ASQ-239, 그리고 위상배열방식의 MADL 등 다종, 다수의 임무 장비 통합 운용으로 인해 전력 요구도가 높다.

이러한 사례들을 보면 5 세대 전투기에서 전력 수요가 높은 것은 필연적이라는 사실을 알 수 있다.

 우리의 KFX도 이와 같이 장기적인 운용 과정에서 추가적인 임무 장비 통합으로 인한 전력 수요 증가가 발생할 것으로 보인다.

전력 요구도 수용 여유 자체도 크지만, 장기적으로 전력 요구 마진 증가까지 요구 할 수 있다.

 우선 EJ200 엔진은 현재 해면고도 Mil Power / 최대추력을 기준으로 각각 30% 가량 추력 향상이 가능하도록 설계되었다.

  EJ200 엔진은 연소실의 내열성이 높아서(최대 TeT : 1,525℃) Mil Power 증대가 가능하다.

각 Blade의 유입 기류 받음각을 일일히 맞춰주는 체계가 아니라 처음부터 다양한 비행 조건에서 기류 유입을 해석, 시뮬레이트하여 얻은 최적화된 블레이드 형상과 제어 알고리즘을 갖기 때문에 압축 효율이 높아서 5개의 고압 컴프레서만을 보유하고 있다.

 압축 터빈의 경우에는 저압 터빈과 고압 터빈을 각각 1기씩 보유하고 있다.

 이 때문에 EJ200 엔진은 추가적인 추력 증대를 위한 기계적인 여유를 가지고 있다. 그리고 단계별로 추력을 증대시키는 방안이 이미 성능 향상 프로그램의 일환으로 존재하기 때문에 추후에 별도로 개발 비용을 부담하지 않는다.

 

엔진이 생성한 전력의 효율적인 운용

 엔진이 만들어낸 전력을 보다 효율적으로 쓸 수 있다는 점도 EJ200 엔진의 강점이라고 할 수 있다. EJ200 엔진의 IPP(Integrated Power Package. 통합파워패키지)는 개별 임무 장비의 요구 전력 변화를 네트워크로 관리하여 이에 대응할 수 있도록 설계되었다. 이 때문에 보다 유연하고 효율적인 전력 운용이 가능하다.

  예를 들어서 적대 레이더의 SNR(Signal to Noise ratio)를 낮출 목적으로 ECM을 사용하는 상황을 생각해보자. 이 때 전력 분배 제한을 일괄 적용하지 않고 적대 레이더의 출력과 주파수 변조 / 도약 특성에 맞춰 각 채널의 전력 할당량을 파악하여 이에 맞추어 엔진에서 생성한 전력을 운용하면 보다 효과적인 ECM 운용이 가능하게 된다.

EJ200 엔진의 IPP를 이용한 유연한 전력 운용 관리가 갖는 이점 중 하나라고 할 수 있다.

 

공대공 전투 임무에 최적화된 엔진

 전투기라는 것은 공중에서 적기를 격퇴하여 제공권을 장악하고 아군의 작전 세력과 자산을 방어하기 위한 무기 체계이다.

물론 전투기의 운용 목적이 공대공 전투에만 한정되는 경우는 오늘날에 와서는 드물게 되었지만, 전투기라는 무기체계가 존재하는 가장 대표적인 목적이 공대공 전투라는 것은 여전히 변함이 없다.

 면적법칙에 따라 항력은 큰 형상이라면 큰 추력으로 인해 5천 피트(ft) ~ 6천 피트(ft) 고도에서 BVR 교전에 필요한 천음속 영역에서의 가속 성능과 근접전 시에 신속한 에너지 회복을 위해 필요한 저속에서의 가속 성능 면에서 우세할 것으로 보인다.

 특히 이런 차이는 실전적인 조건에서 더욱 커질 것으로 보인다. IWB(Internal Weapon Bay)를 보유하면 공대공 미사일 탑재로 인한 항력 증가가 전무하다.

 EJ200 엔진은 압축비는 조금 낮아도(약 26 : 1), 바이패스가 낮다. 따라서 대기압이 낮은 고도에서 에너지 축적 성능과 측적된 에너지를 유지하며 무장 발사 위치를 선점하는데 필요한 기동성(천음속에서의 지속 선회성능) 면에서 EJ200 2기를 탑재하면 여유가 클 것으로 보인다.

 EJ200 엔진이 Single Crystal Blade의 IGV(Inlet Guided Vane)과 DECMU(Digital Engine Control & Monitoring Unit)의 디지털 제어 알고리즘으로 인하여 각 stage의 압축 효율이 높은 것도 이러한 격차를 만드는 요인이 된다.

상대적으로 더 적은 단계로 비슷한 수준의 압축율이 나오면서 바이패스는 더욱 작기 때문에 결과적으로 유입 기류와 방출 기류의 유동량 비율과 동압 비율 등을 보면 EJ200 엔진이 효율적이라는 사실을 알 수 있다.

 공대공 전투 임무 계획을 수립할 때 교전 시간에서 애프터 버너 사용 시간을 제한하는 경우가 많기 때문에 Mil Power에서의 퍼포먼스도 중요하다는 것을 감안 할 수 있겠다.

  추후 EJ200 엔진의 단계적인 성능 향상 프로그램을 패키지로 도입할 수 있다. EJ200 엔진의 성능 향상 프로그램에는 앞서 언급한 추력 향상뿐만 아니라 TVC(추력편향제어)도 포함되어 있다.

 TVC를 EJ200 엔진의 DECMU는 비행제어계통에 통합할 수 있게 되면 추력선의 제어를 통한 조파성능 완화 등으로 연료 소모율을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.

또한 익히 알려져 있는 것과 같이 고받음각에서 수평미익과 수직미익의 가동 효율이 크게 저하되는 상황에서 3 차원 추력편향노즐이 해당 기능을 대체할 수 있다. 이 때문에 저속에서 좁게 선회하는데 유리하다.

 또한 상승각을 빠르게 크게 만들 수 있기 때문에 상승률을 높이는 데에도 보탬이 된다. 상승 시의 잉여파워는 상승각에 비례하기 때문이다.

 유입되는 기류에 대한 팬 블레이드의 받음각이 최적화되도록 하는 형상으로 만들어진 Inlet Guided Vane과 DECMU의 조합으로 EJ200 엔진은 중저속에서 높은 양력을 필요로할 때 높은 추력 중량비를 확보하는데 유리하다. EJ200 엔진을 탑재한 유러파이터 타이푼이 높은 최대지속선회율을 갖는 이유 중 하나이다.

 

낮은 수명주기 비용

 이와 같이 EJ200 엔진은 Blisk fan과 DECMU를 도입함으로써 엔진의 높은 효율뿐만 아니라 기계적인 신뢰성 면에서도 높은 평가를 받고 있다.

 기존의 3 세대 엔진은 팬 블레이드에 일일히 유입 기류에 대한 받음각을 제어하는 구동 Vane이 있다. EJ200 엔진은 이 부분이 배제되고 또한 컴프레서와 터빈 숫자가 기존 엔진보다 크게 줄어들었다. 때문에 전체 부품 숫자가 기존 세대 엔진의 그곳보다 더욱 적다. 일례로 토네이도(Tornado) 전투기의 엔진인 RB.199 엔진과 비교하면 EJ200의 부품숫자는 거의 절반 이하이다.

 기존의 엔진은 엔진을 분해, 정비하는 시간 간격을 일괄적으로 적용하였다. 반면 EJ200 엔진은 DECMU의 엔진 모니터링 기능을 통해 엔진 내부 환경과 각 구성품의 상태를 실시간으로 파악할 수 있다. 이 때문에 정비가 필요한 시기를 파악해서 정비를 할 수 있어서 일괄적인 정비 간격을 적용하는 것보다 정비 횟수가 줄어들게 된다. 이 또한 EJ200 엔진의 수명주기비용을 낮추는 요인이 된다.

 

안전성

 간과하기 쉬운 문제이지만 실제 전투기라는 무기 체계를 운용하는 당사자인 조종사 입장에서는 결코 간과할 수 없는 문제이다.

 단발 전투기의 경우 엔진의 고장은 그대로 항공기 손실로 이어지게 된다. 반면 쌍발 전투기의 경우 엔진 1기가 작동되지 않거나 혹은 파손되더라도 항공기를 기지로 귀환시킬 수 있는 가능성이 있다. 작동이 되는 나머지 1기의 엔진의 APU(Auxiliary Power Unit)를 가동하여 추력 손실을 어느 정도 상쇄하면서 ADC(Air Data Computer)를 통해 해석한 정보와 3 차원적인 항법 정보 해석으로 항공기의 이상 뱅크를 인식하여 이를 FLCS가 날개의 플랩(Flap)등을 제어하여 평형을 회복하여 기지로 귀환시킬 수 있다.

 물론 적기와 교전 시에는 엔진 1기의 추력 손실로 인한 기동성 저하로 인해 생존이 어렵다는 반론도 있을 수 있겠다. 그러나 엔진 관련 사고는 지난 KF-16의 사고 사례에서 나타나는 것처럼 평시에도 얼마든지 일어날 수 있는 일이다.

 또한 이는 조종사가 자신의 생명을 맡겨야 하는 전투기를 얼마나 신뢰할 수 있는지와도 직결되는 문제이다.

 엔진 1기가 사고가 발생했을 경우 이에 따른 이상 뱅크를 파악하여 이를 FLCS와 엔진 제어 차원에서 보정하기 위한 디지털 제어 알고리즘을 필요로 한다.

또한 1기의 엔진을 제어하는 것보다 2기의 엔진을 제어하기 위한 Logic이 더욱 복잡하고, 무엇보다 단발 엔진보다 2배 더 많은 예비 채널을 필요로 한다.

[디펜스투데이]