방산 기업 탐구: 한국항공우주산업 (2) - KF-X, KF-21

2.4. 대한민국 차세대 전투기 사업 (KF-X)

 

차세대 한국형 전투기 개발사업(Korea Fighter eXperimental, 일명 "보라매사업")은 현재 한국공군의 주력기종인 F-4/F-5 노후화에 따른 대체를 위해 사업이 계획되었으며, '13.12월 체계개발예산 편성 확정을 바탕으로 F-16+@ 개발 계획으로 추진 되고 있다. KF-X는 향후 우리 공군의 주력전투기로 사용될 예정으로 2014년 이후 우리 공군의 작전능력 및 항공산업 발전 등 다양한 측면을 고려하여 개발 추진중이다.

KAI KF-21 보라매(영어: KAI KF-21 Boramae) 또는 인도네시아 명칭 IAe F-33 파이팅호크(영어: IAe F-33 Fighting Hawk)는 차세대 대한민국 공군 및 인도네시아 공군이 참여하는 전투기 개발사업이다. 보라매의 성능은 4.5세대 전투기(공대공 반매립 운용)로 시작되어 향후 내부무장창 장착 등의 추가 개량으로 5세대 전투기나 6세대 전투기의 전투능력을 목표로 지향한다.

 

역사

2001년 3월, 김대중 대통령은 공군사관학교 졸업식에서 “최신예 국산 전투기를 개발하겠다”고 선언했다. 하지만, 이후 상황은 검토와 중단이 반복된 굴곡진 과정이었다. 개발비만 8조 8천여억 원이 드는 단군 이래 최대의 무기 개발 사업이다 보니, 비용에 대한 우려와 개발 가능성에 대한 회의, 그리고 수출가능성에 대한 불신 등으로 사업추진은 거의 진척이 없었다.

그렇게 국민의정부와 참여정부가 지나가고 이명박정부에 이르러 탐색 개발이 시작됐지만, 경제성 논란으로 사업은 좀처럼 탄력이 붙지 않았다. 게다가 2015년, AESA레이더를 비롯한 적외선탐지추적장치(IRST), 전자광학 표적추적장비(EO TGP), 전자파방해장비(RF재머) 등 4가지 핵심기술 이전에 대한 미국의 승인 거부 사실이 알려지면서 KFX사업은 중단 위기에 직면한다.

AESA Radar, 출처: https://blog.naver.com/orangeshirts/222056458327

안그래도 강력 반대하던 새누리당 유승민,정두언 의원은 KFX사업 전면 백지화를 주장하며 예산 통과 자체를 반대했다. 민주당의 전신인 새정치민주연합 대표였던, 문재인 대통령은 ‘국정조사와 외교안보라인 문책’ 그리고 ‘사업 전면 재검토를 요구하였고, 새정치민주연합은 ‘재정낭비’운운하며 파상공세를 퍼부었다.

그러나 이러한 비관론을 뚫고 KFX사업을 회생시킨 건 다름 아닌 박근혜 대통령이었다. 2015년 국정감사(10.23)와 운영위(10.28) 속기록을 보면 잘 드러난다. 박근혜 대통령은 ‘매우 중요한 사업이니 차질없이 완수하도록 하라’고 명확하게 지침을 내렸고, 김관진 안보실장은 사업을 반대하는 새정치민주연합 의원들에게 “정확히 2025년도까지 6대의 시제기가 다 나올 예정이고, 2021년도부터 항공기에 탑재해서 시험평가를 할 것”이라며 “앞으로 10년 후에 충분히 개발이 가능하고, 리스크 관리를 위해 제3국에 있는 국가와 기술협력도 추진하겠다”고 다짐을 했다.

그렇게 해서 가까스로 2016년 체계개발 사업예산, 670억 원을 확보하게 된다. 방사청이 요구한 1,618억 원의 절반도 안되는 수준이지만 이 예산마저 없었다면 한국형 전투기 사업은 역사 속으로 사라졌을지도 모른다. 그러므로 실질적인 KFX계획의 시작은 박근혜정부이다.

타당성을 분석할 시기에 당시 대한민국 공군(ROKAF)의 수요물량으로는 타산을 맞출 수 없다는 우려가 있었으나 인도네시아의 사업 참여로 이 우려에 대한 부담은 다소 경감되었으며 그 결과 KF-X는 탐색개발과 체계 개발 등이 진행되고 있다. 게다가 대한민국과 파트너국인 인도네시아가 공동개발하는 사업이므로, 유로파이터와 그리펜 전투기의 사업추진 방식과 어느 정도 유사하다.

기술 부족 문제를 해결하기 위해 BLOCK 단계에 따라 국산화 비율을 늘려갈 계획이다. 현재 엔진과 소수의 핵심부품을 제외한 모든 부분이 국산화가 되어있다. BLOCK 최종단계에서는 엔진도 국산화 될 것으로 보인다. 대한민국 해군의 KD-1, KD-2, KD-3프로젝트도 이런 식으로 진행되어 최종적으론 세계적 수준을 자랑하는 이지스함 세종대왕급 구축함을 가지게 되었다.

KD-1

KD-2

진행 상황으로는 2014년부터 200억원을 시작으로 2021년까지 8조여 원을 투입해 한국형 전투기 180여대 양산을 목표로 개발하고 있다. KF-X사업은 2018년 기본설계(PDR)를 마무리하고 2019년까지 상세설계(CDR)를 진행해 2021년 시제1호기 출고, 2022년 초도비행을 목표로 하고 있고 2025년 양산을 시작하여 2026년부터 실전배치가 될 예정이다.

2011년 7월 26일 KAI와 ADD가 KF-X 탐색개발 계약을 체결했다. 탐색개발은 체계개발(본개발)을 위한 준비단계로 연구개발 대상 무기체계에 대한 기술개발 업무를 수행하고 시뮬레이션 또는 모형 제작·시험 또는 시제품의 제작·시험 등을 통해 기술을 입증하게 된다. KF-X 탐색개발 사업은 2011년 2월 ADD가 제안 요청서를 공고하여, 2011년 4월 KAI가 우선협상 대상자로 선정되었고 2012년 12월 탐색개발을 종료하였다.

2014년 8~9월에 방위사업추진위원회에서 체계개발 기본계획과 KF-X사업의 입찰공고가 이루어 졌으며, 2014년 말에 체계 개발 주체로 KAI한국항공우주산업(주)이 선정되었다.

2016년 6월 22일 KF-X의 기체 형상 설계를 위한 풍동시험에 착수했다 KF-X 풍동시험은 형상 최적화를 위한 1단계 저속풍동시험(2016~2017년)과 형상확정을 위한 2단계(2017~2018년), 확정형상에 대한 상세 데이터 확보를 위한 3단계(2018~2020년) 과정으로 국내외 전문기관에서 진행되며 총 1만3,000여 시간 동안 저속·고속풍동, 강제진동, 흡입구 풍동 등의 세부 시험을 수행하게 된다.

기체형상은 1~2단계 풍동시험이 완료되는 2018년 중반 확정된다.(한국형 전투기 첫 풍동시험 전 과정 풀영상 공개! 기체 형상 디자인 본격화 / KAI 제공)

2020년 9월 3일, 시제 1호기가 최종조립단계에 들어갔다고 KAI가 대대적으로 홍보하였다. 행사는 코로나19 때문에 취소되었다. 2015년 12월말부터 본격적인 개발을 시작한지 5년여 만이다.

KF-X 시제기 1호기

문재인 대통령이 2015년 미국이 핵심기술 4가지를 이전 거부할때, 재검토후 다시 계획을 짜고 예산을 편성 해야 되는 것이 아니냐고 문제 제기했지만 사실 2015년 그 당시에도 우리나라 고유기술로도 가능했었던 일이기 때문에 큰문제 없이 진행되었다.

2021년 4월 9일, KAI 사천공장에서 KF-X 시제 1호기의 출고식이 열렸고, 대한민국 정부·군 주요 관계자와 공동 개발국인 인도네시아의 프라보워 국방장관 등이 참석하였다.

2022년 7월 19일 오후 3시 39분 이륙하며 초도비행에 성공했다. 시속 약 400km/h 정도로 대략 34분간 비행하였다.

추진 배경

대한민국의 F-4, F-5 및 F-16 전투기의 생산 단종 및 노후화로 인해 도태 시기가 급속히 도래되고 있었고, 향후 이를 대체할 만한 F-16+α급 기종이 세계 어느 국가에서도 생산이 되지 않고 있어, 공군의 전투력 향상을 위해 추진하게 되었다.

또한 대한민국 국군의 예산이 충분치 못해 직도입사업과 라이센스 생산을 통해 장비를 도입하는 방식으로는 필요한 공군 수요를 맞추기 힘들었다. 일본이 F-35를 100대 이상 도입한 것에 비해 한국은 60대밖에 도입하지 못했다. 그 결과 단종되어 부품수급이 어려운 F-4, F-5를 2025년까지 사용해야하는 지경에 이를 정도로 전력 부족이 심화되었다.

국산제품을 생산한다면 우리가 마음대로 개량해볼 수 있는 막대한 장점이 생기고, 전시에 공급과 정비가 쉬우며, 부품을 국내에서 생산할 수 있어 전력 가동율 향상에 큰 도움이 될 뿐만 아니라, 외화유출도 막을 수 있어 국가경제에도 큰 도움이 된다. 그 예로 FA-50은 국내 최초의 초음속 경공격기로, 국내개발 제품이라 전력 가동율이 90% 이상으로 매우 높으며, 공군에서도 선호하는 목소리가 커 한때 20대를 추가 양산한다는 기사가 돌아다니기도 했다.

더욱이 수백대를 생산하는 전투기사업을 직접 진행함으로써 아직 걸음마 단계인 한국항공산업의 기술 발전과 수출시장 개척 또한 꾀할 수 있다.

한국의 차세대 전투기, KFX

F-35는 단발엔진 4.3만 파운드 추력, 최대이륙중량 7만 파운드인데, KFX는 쌍발엔진 4.4만 파운드 추력, 최대이륙중량 5.4만 파운드이다. 엔진 출력이 F-35 보다 크고, 추력향상모델(F414-EE) 적용 가능성과 단계별 성능개량 일정 때문에, 추후에 최대이륙중량이 더 늘어날 수도 있다.

한국의 KFX는 F-4D, F-5E와 같은 공군의 노후화된 전투기를 교체하는 4.5세대 미들급 전투기로 개발된다. 이후 지속적인 개량을 통해 5세대 이상의 성능 확보를 목표로 한다.

기체형상 선정

 

KFX 엔진형상은 쌍발형상과 단발형상중 검토 결과 2014년 7월 18일 국방부, 방위사업청, 공군이 참여한 KFX TF팀에서 최종 쌍발로 진행하기로 결정하였고, 기체형상은 수직미익인 일반형과 델타익을 포함 모두 검토하였으나 최종적으로 향후 개발될 KFX는 쌍발엔진에 스텔스 형상(매립식 내부무장창 컨셉)의 기운 수직미익기를 채택하여 개발될 예정이다.

쌍발엔진 장점

 

쌍발 엔진을 사용하는 기체로는 F-15, MIG-29, 수호이27, 유로파이터 등이 있다. 쌍발전투기는 단발전투기보다 귀환율이 높다. 엔진 하나를 잃더라도 남은 한 개의 엔진으로도 무사귀환이 가능하기 때문이다. 교전시에 엔진의 반을 잃고도 무사히 적으로부터 도주가 가능하겠냐는 의견도 타당성이 있지만, 전투기 손실 중 대부분은 추락으로 인한 것이었고 이는 대부분 전시가 아닌 평시에 벌어진 일이었다.

F-15

 

SU-27

MIG-29

육성하는 데에 몇 억이 투입되는 조종사와 이보다 몇십배 비싼 기체의 전력 보존을 위해서라도 높은 귀환성을 무시할 순 없다. 더불어 엔진의 출력이 높기 때문에 많은 무장량을 갖출 수가 있다. 쌍발전투기의 기본적인 동체 자체는 크기 때문에 엔진간 거리를 넓힐 경우 두 엔진 사이 즉, 기체 가운데에 위치한 매립식 내부무장창을 쉽게 확보하기에 용이하다.

KF-X 미익 스텔스형상

쌍발에 기운 형상 수직미익은 우리 공군이 원하는 쌍발전투기 형태이다. 시뮬레이션 기술의 발달로 공력해석 및 형상의 컨셉은 적은 비용으로도 개발이 가능하고, 초기개발시 일반적인 수직미익기보다 개발비용 단가가 더 들더라도 전투기의 기본 형상 컨셉이 좋으면 개발 이후 꾸준히 업그레이드시 기체의 형상 변형이 적기 때문에 개발비용이 크게 절감되고 차세대 스텔스기체를 위한 업그레이드가 가능해진다.

하지만 스텔스 형상만을 적용한다고 해서 전투기가 스텔스기라는 명칭을 얻을 수 있는 것은 아니다. 단순한 기체형상 외에 엔진 블레이드의 난반사방지, 정찰포드의 매립, 캐노피코팅, 내부무장창 등 여러 가지 요인이 첨가되어 RCS를 획기적으로 줄여야만 스텔스기가 될 수 있다.

KF-X의 정확한 RCS는 공개된 적이 없지만, KAI 연구원의 비공식 발언에 따르면 block 1에서 (외부무장이 없을 시) 전면부 약 0.08~0.3^2m의 RCS를 가질 것이라고 한다.

스텔스 디자인

 

F-35와 동일한 스텔스 디자인 개념을 채택했다. 최대이륙중량 32톤 F-35는 20톤 F-16의 스텔스 후속 버전이다.
F-35는 다음과 같은 스텔스 설계를 했다. KFX도 동일하다.

1. 70년대 개발된 F-16은, 실제 작전 때는 거대한 외부연료탱크 2개를 장착해, 적의 대공 레이다에 크게 탐지되었다. F-35는 이러한 외부연료탱크를 기체 내부에 탑재했다.
2. F-35는 내부무장창에 천파운드 폭탄 2개와 중거리 공대공 미사일 2발을 탑재한다. 역시 기존의 F-16은 외부에 아무렇게나 장착해 적의 대공 레이다에 크게 탐지되었다.
3. 외부 형상을 깔끔하게 디자인하여 레이다 반사면적(RCS)을 줄였다.
4. 전투기 표면에 스텔스 페인트를 칠하여, X 밴드 레이다 전파를 흡수하게 했다. L 밴드 등 저주파 레이다에는 이 스텔스 도료가 효과가 없어서, F-16과 비슷하게 대공 레이다에 탐지된다. 그러나 전투기를 요격하기 위해 락온을 할 경우에는 미국과 러시아가 모두 X 밴드 레이다를 사용하기 때문에, L 밴드 등 저주파 레이다에 전투기가 잡히기는 하지만, 레이다 락온을 할 수가 없다.
5. F-16에는 외부에 장착하던 강력한 전자전 포드를 내부에 탑재해 모든 적의 대공 레이다를 교란해, 스텔스 성능을 끌어올렸다.

 

AESA 레이다

 

AESA 레이다는 기계식 레이다에 비해 레이다 탐지거리도 획기적으로 길고, 한번에 여럿의 목표물을 추적 탐색이 가능하며 훨씬 압도적인 전투 우위를 점하게 해준다. 기존 기계식 레이다를 갖춘 공군기로는 주변 강대국 러시아, 중국과 정상적인 경쟁이 불가능하다. AESA 레이다 개발에는 LIG가 참여를 했는데, 현재 핵심 4가지 기술 중 완성이 아직 안된게 바로 이 기술이다.

https://m.blog.naver.com/orangeshirts/222056458327

AESA(Active Electronically Scanned Array, 능동 전자 주사식 위상배열) 레이더

목표 이상치를 보자면 기존의 F-15, F-16 기체의 레이다보다는 뛰어나며 러시아 수호이 Su-35BM, 유럽의 유로파이터 등의 4.5세대 전투기와도 견주어도 될 정도로 초고도의 성능을 바라보고 있다. 즉, 국산 기술의 역량은 이미 선진국 4.5세대 수준 이상을 따라잡았다고 봐도 된다.

실제로 AESA가 한창 개발이 진행 중인 2016년 기준으로 국방과학연구소에서는 현재 한국의 AESA(다기능 위상배열 레이다) 기술은 미국 등 선진국의 80% 수준이라고 밝혔다. 앞으로 레이다를 전투기에 탑재할 수 있도록 소형화·경량화해야 하고 모듈에서 발생되는 열을 냉각수를 이용해 균일하게 식히는 기술 등을 개발해야 한다.

특히 레이다를 시험용 항공기에 탑재해 비행시험을 하는게 중요한데 국방과학연구소는 이를 100회 이상 실시할 예정이다. 2022년부터 2025년까지는 KF-X 시제기에 독자개발한 AESA 레이다를 직접 장착해 시험비행을 하게 된다.

문제는 AESA 레이다(하드웨어) 자체보다 이를 항공기와 결합하는 체계통합 기술, 즉 소프트웨어 개발이 더 어렵다는 점이다. 방사청과 국방과학연구소는 2010년대 초반에 유럽 2개(프랑스 탈레스와 스웨덴 사브), 이스라엘 1개(엘타) 등 3개 업체와 체계통합 기술이전에 대한 협상을 벌여왔으며 조만간 이 중 1개 업체를 선정하고자 했고 그래서 프랑스의 탈레스, 스웨덴의 사브, 이스라엘의 엘타가 경쟁하여 최종적으로 엘타가 기술협력업체로 선정되었으며 이후 엘타 사에서 국방과학연구소에서 개발이 진행 중인 KF-21 AESA HW(하드웨어) 입증시제 테스트를 진행하여 2015년에 AESA 국산 독자개발이 가능하다고 결론이 나왔다.

유럽 2개 사 대신 엘타 사를 선정한 이유는 레이다 하드웨어 입증시제를 테스트 하는데 가장 저렴한 데다 EL/M-2032 기계식 레이다는 F/A-50에 탑재되어있다는 점을 고려하여 선정한 것으로 추측하고 있다. 물론 KF-X(KF-21)에 들어가는 AESA는 국산으로 독자개발된다. 이후 엘타 사 이외에도 스웨덴의 사브 사도 국산 AESA 독자개발과 관련하여 소프트웨어 기술 자문으로 참여하고 있다는 사실이 밝혀졌다.

당장 방위사업청은 2016년 4월20일 KF-X 체계개발사업 AESA 레이다 국내 시제 우선협상업체로 [[한화탈레스]]를 선정하고 본격적인 개발에 착수했으며 2016년 8월 10일 국방과학연구소(ADD)는 2020년 하반기에 한국형 전투기(KF-X) 탑재용 첫 능동위상배열(AESA) 레이다를 출고하겠다는 의지를 천명했다.

그래서 2020년 당시 국산 독자개발에 성공한 AESA 레이더 시제의 모듈은 일본 미쓰비시 F-2 전투기 AESA 레이더 보다 200개 이상 많은 1088개로 외산 AESA의 모듈 사례를 늘어놓자면 일본 미쓰비시 F-2 전투기 AESA 레이더 보다 200개 이상 많으며 미국 F-22 랩터에 들어가는 AN/APG-77은 1500개 모듈, 프랑스 다소 라팔은 900개 모듈이며 F-35 라이트닝 II에 들어가는 AN/APG-81은 1,200개의 모듈을 갖추고 있는 점으로 보아 시제 AESA 자체로도 하드웨어 상 성능은 선진국의 AESA와 비교해도 상당한 수준의 레이더가 될 가능성이 높다.

여기에 정부 소식통에 따르면 2022년에 비행시험에 착수할 KFX에는 이번에 선보인 AESA 레이더보다 20%가 크고 모듈도 1088개에서 1200개로 늘어난 레이더를 장착할 계획이라는 내용도 있어서 명확히 밝혀진건 없지만 일단 하드웨어 성능으로는 국산 AESA가 미국의 F-35 스텔스기에 들어가는 AN/APG-81(1,200개)와 대등할 것으로 예측되고 있다.

현 상황에서 KF-X의 AESA 레이더 탐지거리는 RCS 1 제곱미터 물체 기준으로 약 140km이고, block 1에서 T/R 모듈 개수가 1200개로 늘어나게 되면 약 170km가 될 것으로 예상하고 있으며, 지속적인 소프트웨어 개량으로 이 수치는 장기적으로 190~200km까지 높아진다고 한다.

내부무장창

 

5세대 스텔스 전투기의 핵심은 내부무장창이다. 폭탄과 미사일을 스텔스화 할 수는 없기에 내부에 숨겨야만 전투기의 RCS를 획기적으로 줄일 수 있다. 그러나, KF-21(KF-X)는 아직 내부 무장창을 갖추는 대신 미사일을 반쯤 외부에 노출하는 ‘반매립식 무장장착대’를 사용하는데, 내부 무장창 공간은 존재하지만 블록 2~3 단계에 이르러야만 내부무장창을 비롯한 각종 스텔스 요소가 실현될것으로 보인다. 당장 정광선 KF-X 개발사업단장은 "군의 요구에 따라 공간은 유지했으나 내부 무장창은 지금 단계(시제기 ~ 블록1 단계)에서 고려하지 않고 있다"고 말했다.

 

스텔스 도료

스텔스기는 표면에 레이더 전파를 흡수하는 페인트를 칠한다. 페인트의 무게가 많이 나가며, 가격도 비싸다. 무엇보다, 1회 출격하면 페인트의 일부가 벗겨지는데, 이런 부분을 찾아서 페인트를 칠해줘야 하므로 유지비가 매우 많이 든다.

2021년 8월 10일, 관련 소식통에 따르면 한국항공우주산업(KAI)이 한 민간업체에 위탁 연구용역을 맡긴 전파흡수 기능을 갖춘 도료(RAM 페인트)가 2019년 개발이 완료됐고, 이어진 평가에서 성능을 인정받았다. '이티엘'이라는 중소기업이 스텔스 도료를 개발했다.

미사일, 폭탄에도 스텔스 페인트를 칠하면 스텔스 기능이 생기지만, 칠하지 않는 이유는 불발탄이 떨어지면 적에게 스텔스 페인트가 유출되는 문제 때문이다. 한국군은 국산 스텔스 페인트를 KF-16 전투기에도 칠하면 좋아질 것처럼 보도하지만, 단순히 페인트를 사다가 바르고 끝이 아니라 1회 출격 때마다 기체를 점검해 스텔스 페인트가 떨어진 부분을 다시 칠해줘야 하고, 적에게 스텔스 페인트가 발라진 파편이 넘어가면 절대로 안된다. 따라서 무장을 전투기 외부에 장착하면 스텔스 성능이 사라지기 때문에, 내부무장창에 비스텔스 미사일, 폭탄을 장착하는 개념이다.

 

KF-X 적용엔진

 

미국(GE사) - F414-GE-400 : 1995년에 초도비행실시 애프터버너(재연소장치) 가동 시 최대 추력이 22,000파운드, 길이 3.92ｍ, 중량 1,151㎏, 누적 생산량은 약 1,500대

F414-GE-400

016년 5월 26일 방위사업청은 KF-X 체계 개발 주관업체인 한국항공우주산업이 F414-GE-400 엔진을 제안한 미국의 제너럴일렉트릭(GE)사를 KF-X 엔진 우선협상 대상업체로 선정하였다.

2022년까지 총 15기의 KF-X 용 엔진을 공급하게 된다. 현재 GE의 엔진은 미군 보잉사의 전투기 F/A-18E/F 슈퍼호넷, 전자전기 EA-18G, 스웨덴 사브의 전투기 그리펜 E/F, 인도 전투기 테자스 등이 장착하고 있다.

2016년 7월 12일 한국항공우주산업이 개발하는 KF-X의 엔진 국내공급업체인 한화테크윈이 영국 판보로 에어쇼에서 제너럴일렉트릭(GE) 에비에이션(Aviation)과 한국형전투기(KF-X) 엔진 부품 국산화를 위해 F-414 엔진 국산화용 부품 구매 및 기술협력에 대한 계약을 체결했다.

이 계약으로 한화테크윈은 KF-X 엔진 공급 장착 사업을 수행하게 된다. KF-X 엔진이 국산화되면 국내 생산설비를 활용 다빈도 교체 부품의 국산화 및 공급 체계 안정화 등으로 향후 전투력 최적화는 물론 운용비 절감이 용이해진다

 

출처: 위키피디아, 나무위키, 한국항공우주

뜨리스땅

 

 

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/340

방산 기업 탐구: 한국항공우주산업 (1)- 고등훈련기 T-50, 한국형헬기