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그루먼 X-29

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목차

1. 개요

X-29는 그루먼사가 제작한 실험기로, 전진익 설계를 특징으로 한다. 제너럴 다이내믹스 F-16 파이팅 팰컨의 부품을 활용하여 제작되었으며, 탄소 섬유 복합재 기술을 통해 전진익의 항공역학적 문제를 해결했다. 이 항공기는 고기동성을 보였지만, 무게 중심과 공력 중심의 불일치로 인해 불안정한 특성을 가졌으며, 컴퓨터 비행 제어 시스템을 통해 안정성을 확보했다. 1984년부터 1991년까지 총 242회 비행했으며, 플라이 바이 와이어, 전진익, 공력 탄성 테일러링 등 여러 기술을 실증했다. 현재는 미국 국립 공군 박물관과 드라이덴 비행 연구 센터에 전시되어 있으며, 대중문화에서도 소재로 활용되었다.

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그루먼 X-29
기본 정보
그러먼 X-29 비행 중
그러먼 X-29 비행 중
종류실험기
제작 국가미국
제작사그러먼
최초 비행1984년 12월 14일
퇴역퇴역
운용미국 공군
기타 운용NASA
제작 대수2대

2. 설계와 개발

비행 중인 X-29


제너럴 다이내믹스 F-16 파이팅 팰컨과의 경쟁에서 이긴 후, 그루먼은 노스롭 F-5 프리덤 파이터 기체를 기반으로 두 대의 X-29A를 제작했다. X-29 설계에는 F-5A의 기수와 앞 착륙 장치, F-16의 조종익면과 주 착륙 장치가 사용되었다.[10] X-29 설계를 가능하게 한 주요 기술은 탄소 섬유 복합재였다. X-29의 주익은 흑연 에폭시 수지로 만들어졌고, 33도 이상 앞으로 꺾여 있었다. 그루먼 내부에서는 X-29를 "그러먼 712형" 또는 "G-712"로 불렀다.[11]

X-29A는 시험 비행에서 높은 기동성과 조종성을 보였으며, 최대 받음각은 67°에 달했다.[12] 이 기체는 형상과 무게 중심 위치 때문에 본질적으로 불안정했지만, 초당 40회 보정하는 컴퓨터화된 비행 제어 체계를 통해 안정성을 확보했다. 비행 제어 체계는 3중 디지털 컴퓨터와 3중 아날로그 컴퓨터로 구성되었다.[13]

X-29의 가장 큰 특징은 전진익과 카나드이다. 전진익은 익근이나 기체의 무게 중심 위치에서 실속이 시작되어도 익단에는 기류가 남아있어 원리적으로 실속 한계가 높다. 또한 횡활주 시 풍상측 날개가 양력이 작아지는 음의 상반각 효과를 일으키는 공기역학적 불안정성을 갖는다.

2. 1. 3면 설계와 불안정성

제너럴 다이내믹스 F-16 파이팅 팰컨과의 경쟁에서 이긴 후, 그루먼사는 노스롭 F-5 프리덤 파이터의 기체를 기반으로 두 대의 X-29A를 제작했다. X-29 설계는 F-5A의 기수와 앞 착륙 장치, F-16의 조종익면과 주 착륙 장치를 사용했다.[10] X-29를 가능하게 한 것은 탄소 섬유 복합재 기술의 발전이었다. X-29의 주익은 흑연 에폭시 수지로 만들어졌고, 33도 이상 앞으로 꺾여 있었다. 그러먼 내부에서는 X-29를 "그러먼 712형" 또는 "G-712"로 불렀다.[11]

X-29 조종석


X-29A는 비행 시험에서 높은 기동성과 조종성을 보였으며, 최대 받음각은 67°에 달했다.[12] 기체 형상과 무게 중심이 공력 중심에서 많이 벗어났기 때문에, 이 기체는 본질적으로 불안정했다. 안정성은 초당 40회씩 보정하는 컴퓨터화된 비행 제어 체계로 확보되었다. 비행 제어 체계는 3중 디지털 컴퓨터와 3중 아날로그 컴퓨터로 구성되어, 하나만으로도 비행이 가능했지만, 여유분을 통해 오류를 확인했다. 셋은 각각 측정치에 "투표"를 하고, 오작동을 감지했다. 이 체계의 총합적 실패는 통상적인 비행기의 기계적인 파손만큼이나 드물 것으로 여겨졌다.[13]

X-29는 카나드, 전진익, 후방 스트레이크 제어면을 갖춘 세 면 항공기로 묘사되며, 세 면 종방향 제어를 사용한다.[3] 카나드와 날개는 항력 및 파동 항력을 감소시키는 반면, 무게 중심이 벗어난 상황에서 스트레이크를 사용하면 카나드에 의존하는 것보다 트림 항력이 적다.

이러한 구성은 무게 중심이 공력 중심에서 멀리 뒤에 위치하여 본질적으로 불안정하게 만들었다. 안정성은 초당 40번 보정을 수행하는 컴퓨터 비행 제어 시스템에 의해 제공되었다. 비행 제어 시스템은 세 개의 중복 디지털 컴퓨터와 세 개의 중복 아날로그 컴퓨터로 구성되었으며, 이 중 어느 것이든 단독으로 비행할 수 있었지만, 중복성을 통해 오류를 확인할 수 있었다. 세 개 각각 측정값을 "투표"하여 하나라도 오작동하는 경우 감지할 수 있었다. 시스템의 완전한 고장은 기존의 배열을 가진 항공기에서 기계적 고장이 발생할 확률만큼 낮을 것으로 추정되었다.[3] 만약 비행 중 모든 비행 컴퓨터가 고장 나면 조종사가 안정성을 유지하거나 심지어 탈출하기도 전에 공기 탄성력으로 인해 항공기가 붕괴되었을 것이다.[4]

높은 피치 불안정성은 극심한 기동성에 대한 예측으로 이어졌지만, 비행 테스트는 이러한 기대를 뒷받침하지 못했다. 비행 제어 시스템이 전체 시스템을 안정적으로 유지하기 위해 기동을 조절해야 했기 때문이다. 비행 제어 시스템은 피칭 회전을 멈추고 항공기가 통제 불능 상태로 벗어나는 것을 방지하도록 프로그래밍되었다. 그 결과, 전체 시스템은 특별히 향상된 민첩성을 갖는다고 특징지을 수 없었다. 더 빠른 제어면 액추에이터 및/또는 더 큰 제어면을 가졌다면 민첩성이 향상되었을 수 있다고 결론지었다.

전진익은 익근 또는 기체의 무게 중심 위치에서 실속이 시작되어도 익단에는 기류가 남아있기 때문에 원리적으로 실속 한계가 높고, 횡활주 시 풍상측 날개가 양력이 작아지는 음의 상반각 효과를 일으키는 공기역학적 불안정성을 갖는다. 이 때문에 플라이 바이 와이어를 사용한 비행 제어 정보에 의한 수정을 최대 1 초에 40회나 필요로 한다. 이러한 불안정성 때문에 뛰어난 선회 성능이 기대되었다 (CCV 기법 중 하나). 또한 양력과 받음각의 상호 확대 결과로 날개를 파괴해 버리는 다이버전스 대책으로 충분한 강성을 가진 날개를 경량으로 만들기 위해 진보적인 복합재 성형 기술 (공기 탄성 테일러링)도 필요했다.

그루먼은 비용 절감을 위해 전방 동체는 F-5, 착륙 장치는 F-16, 엔진은 F/A-18, 유압 계통은 A-6에서 가져와 제작했다. 1985년 12월 13일, X-29A 중 한 대가 전진익 항공기로는 최초로 초음속 수평 비행을 달성했다. X-29A는 받음각 45도까지 훌륭한 조종성과 기동성을 보여주었다.

비행 제어 시스템은 3중 중복성을 갖춘 디지털 컴퓨터와 백업용 3중 아날로그 컴퓨터로 구성되었다. 시스템 전체의 고장 발생률은 일반 비행기의 기계적 고장 발생률과 거의 같을 정도로 낮다고 추정되었다.

2. 2. 항공탄성학적 고려

X-29 설계는 항공탄성학적 효과를 극복하기 위해 탄소 섬유 복합재의 굽힘과 비틀림 사이의 이방성 탄성 결합을 이용했다. 상대적으로 가벼운 복합재를 사용하더라도 무게 증가를 유발하는 매우 강성이 높은 날개를 사용하는 대신, 굽힘과 비틀림 사이의 결합을 생성하는 적층 구조를 사용했다. 양력이 증가함에 따라 굽힘 하중은 날개 끝단을 위로 구부리도록 한다. 비틀림 하중은 날개를 더 높은 받음각으로 비틀려고 하지만, 결합은 하중에 저항하여 앞전을 아래로 비틀어 날개 받음각과 양력을 감소시킨다. 양력이 감소하면 하중이 줄어들고 발산이 방지된다.[14]

전진익 형상에서, 항공역학적 양력은 날개 끝단을 위로 돌리려는 비틀림 힘이 생긴다. 이것은 높은 받음각을 만들어내고, 그로 인해 양력이 증가되고, 날개를 더 비틀게 된다. 이러한 항공탄성학적 분산은 곧바로 구조적인 파손으로 이어질 수 있다. 통상의 금속성 구조로는, 날개가 비틀림에 저항할 수 있을만큼 아주 뻣뻣해야 했다. 날개를 뻣뻣하게 만드는 것은 무게를 증가시키고, 설계 자체가 불가능할 수도 있었다.[14]

3. 운용 역사

1984년 12월 14일, 그루먼의 수석 시험 비행사 척 시웰(Chuck Sewell)이 조종한 첫 X-29가 에드워드 공군 기지에서 처음으로 비행했다.[10] 1985년 12월 13일, X-29는 수평 비행에서 초음속으로 비행한 최초의 전진익 항공기가 되었다. (그 이전에 전진익을 가진 첫 제트 항공기는 융커스 Ju 287이었다.)[2]

X-29는 첫 비행 후 4개월 만에 NASA의 시험 프로그램이 되었다. X-29는 신뢰성이 높았으며, 1986년 8월에는 3시간 이상 지속되는 연구 임무 비행에 참여하였다. 첫 번째 X-29는 스핀 회복 낙하산을 장착하지 않았는데, 스핀에 들어갈 예정이 아니었기 때문이었다. 두 번째 X-29는 스핀 회복 낙하산을 장착하고 고받음각 실험 프로그램에 참여하였다. NASA의 시험 프로그램은 1984년부터 1991년까지 계속되었다.[11] X-29 2호기는 일시적인 피치업 기동에서 최대 67°의 각도에 도달하여 약 25도의 받음각까지 기동이 가능했다.

NASA 드라이든 비행 연구 센터는 X-29가 "구조 발산을 제어하기 위한 공탄성 테일러링" 사용, 극심한 불안정성 동안의 항공기 제어 및 조작, 3면 종방향 제어, "초음속에서 이중 경첩 후연 플래퍼론", 효과적인 고받음각 제어, 와류 제어, 군사적 효용성 시연을 포함하여 여러 가지 새로운 기술과 기법, 기존 기술의 새로운 사용법을 시연했다고 보고했다.[3]

미국 공군 국립 박물관에 전시된 그루먼 X-29A


에드워드 공군 기지에 있는 그루먼 X-29

4. 전시 중인 항공기



X-29 1호기(82-003)는 오하이오주 데이턴 근처 라이트-패터슨 공군 기지에 있는 미국 국립 공군 박물관의 연구 개발 전시관에 전시되어 있다.[5] 다른 기체는 에드워드 공군 기지에 있는 닐 암스트롱 비행 연구 센터에 전시되어 있다.[16][6] 실물 크기 모형은 1989년부터 2011년까지 워싱턴 D.C.에 있는 국립 항공 우주 박물관의 내셔널 몰 건물에 전시되었다가,[6] 2011년 뉴욕주 가든 시티에 있는 항공 요람 박물관으로 옮겨졌다.

5. 제원 (X-29)

항목값
승무원1명
전장14.66 m
전폭8.29 m
전고4.3 m
공허 중량6170kg
최대 이륙 중량7990kg
엔진제너럴 일렉트릭 F404-GE-400 × 1
추력 (애프터버너 사용 시)71.3 kN (7,270 kgf)
최고 속도1,930 km/h (마하 1.6)
항속 시간약 1시간
상승 한계15240m (약 15240.00m)

[17][18][11][15]

6. X-29가 실증한 기술

X-29는 여러 가지 새로운 기술과 기법, 기존 기술의 새로운 사용법을 시연했다. 겉으로 봐도 알 수 있는 가장 큰 특징은 전진익과 카나드이다.[9]

전진익은 익근 (날개 뿌리) 또는 기체의 무게 중심 위치에서 실속이 시작되어도 익단 (날개 끝)에는 기류가 남아있기 때문에 원리적으로 실속 한계가 높다. 또한 횡활주 시 풍상측 날개가 풍향에 대해 익폭이 작아지기 때문에 양력이 작아지는 음의 상반각 효과를 일으키는 공기역학적 불안정성을 갖는다. 이 때문에 플라이 바이 와이어를 사용한 비행 제어 정보에 의한 수정을 최대 1초에 40회나 필요로 한다. 이러한 불안정성 덕분에 뛰어난 선회 성능이 기대되었다 (CCV 기법 중 하나).[3]

뒤쪽 제어면이 편향된 X-29


양력과 받음각의 상호 확대 결과로 날개를 파괴해 버리는 다이버전스 대책으로 충분한 강성을 가진 날개를 경량으로 만들기 위해 진보적인 복합재 성형 기술 (공기 탄성 테일러링)도 필요했다.[14] X-29 설계는 탄소 섬유 복합재의 휘어짐과 비틀림 사이의 비등방성 탄성 상쇄를 이용했다. 양력이 증가하면, 휨 하중이 날개 끝을 위로 휘게 한다. 비틀림 하중은 날개를 높은 받음각으로 비틀려고 하지만, 상쇄에 의해 그 하중에 저항하게 되고, 끝단을 위로 비틀어 날개의 받음각과 양력을 감소시킨다. 양력이 감소되면, 하중은 줄어들고 발산을 피할 수 있다.[14]

X-29의 비행 제어 시스템은 3중 중복성을 갖춘 디지털 컴퓨터에 의한 것이며, 백업으로 3중의 아날로그 컴퓨터를 갖추고 있었다. 시스템 전체의 고장 발생률은, 보통 비행기의 기계적인 고장 발생률과 거의 같을 정도로 작다고 추정되었다.[13]

X-29는 다음의 기술들을 실증했다:[3]

7. 대중 문화

1989년 비행 시뮬레이터 게임 ''F29 리탈리에이터''는 X-29를 기반으로 제작되었으며, 이 기체가 양산형 전투기로 개발되어 다양한 첨단 무기를 장착한 미래를 그렸다.


  • '''만화·애니메이션'''
  • ''AREA 88'' : 스토리 최종반에서 주인공 카자마 신이 이 기체를 입수하여, 실전 가능한 상태로 개조하여 전투에 사용하지만, 장시간의 전투 끝에 연료가 바닥나 기체를 포기하게 된다.
  • '''게임'''
  • ''에이스 컴뱃 시리즈'' : ''에이스 컴뱃 2'', ''5'', ''ZERO'', ''X'', ''X2'', ''3D''에서 플레이어 기체로 사용 가능하다.
  • ''사이드와인더 시리즈'' : ''사이드와인더 2''에서 플레이어 기체로 사용 가능하다. ''사이드와인더 V''에는 "X-29Z"라는 본기를 모델로 한 가상 기체가 등장하여 사용 가능하다. 외형은 X-29이지만 매우 가속 능력이 뛰어나, 적 에이스 부대인 "질 팔콘"(정식 명칭 "AGL 제7 요격 비행대")의 "제이크 러셀"이 게임 후반에 탑승한다.
  • ''F29 RETALIATOR'' : 근미래에서의 활약을 기대하는 전투기 록히드 YF-22A와 그루먼 X-29의 플라이트 시뮬레이션. "YF-29"로 등장한다.

8. 연표


  • 1931년: 전진익 글라이더의 풍동 실험
  • 1970년대: 복합 재료 사용 시작
  • 1977년: 방위고등연구계획국(DARPA)과 공군 비행 역학 연구소(현 라이트 연구소)가 전진익 개념 실증기 제안
  • 1981년 12월: 그루먼사 주 계약자 선정
  • 1984년 12월 14일: 1호기 첫 비행[10]
  • 1985년 12월 13일: X-29 중 하나가 초음속 수평 비행을 한 첫 전진익 항공기가 됨.
  • 1986년 8월: X-29는 세 시간 이상 지속되는 연구 임무 비행에 참여.
  • 1986년: 첫 X-29가 퇴역, 242회 비행.[11][15]
  • 1989년 5월 23일: 2호기 첫 비행
  • 1991년: NASA의 X-29 시험 프로그램 종료.[11]
  • 1992년 5월 - 8월: 2호기를 개조하여 60회에 걸친 VFC 시험 비행 실시
  • 1997년 9월 25일: 러시아의 전진익기 Su-47(당시 S-37) 첫 비행

참조

[1] 뉴스 X-29: NASA's ambitious 1980s fighter jet with inverted wings https://www.cnn.com/[...] 2019-07-12
[2] 웹사이트 The X-Planes: From X-1 to X-34 http://www.ais.org/~[...] 2009-09-01
[3] 웹사이트 Fact Sheet: X-29 Advanced Technology Demonstrator Aircraft http://www.nasa.gov/[...] NASA Armstrong Flight Research Center 2014-08-24
[4] 뉴스 X-29: NASA's ambitious 1980s fighter jet with inverted wings https://www.cnn.com/[...] 2019-07-12
[5] 웹사이트 Grumman X-29A http://www.nationalm[...] National Museum of the U.S. Air Force 2015-08-29
[6] 웹사이트 Beyond the Limits http://airandspace.s[...] National Air and Space Museum 2011-10-14
[7] 서적 Jane's All the World's Aircraft 1988-89 Jane's Information Group
[8] 웹사이트 The Incomplete Guide to Airfoil Usage https://m-selig.ae.i[...] 2019-04-16
[9] 웹사이트 グラマンＸ２９――前進翼を装備したあり得ない戦闘機 https://www.cnn.co.j[...] CNN 2019-11-04
[10] 웹사이트 The X-Planes: From X-1 to X-34. http://www.ais.org/~[...] ais.org 2009-09-01
[11] 서적 The Complete Encyclopedia of World Aircraft Barnes & Nobel Books
[12] 서적 Concept Aircraft: Prototypes, X-Planes, and Experimental Aircraft (The Aviation Factfile) Thunder Bay Press
[13] 웹사이트 X-29 fact sheet. http://www.nasa.gov/[...] NASA Dryden Flight Research Center 2009-09-01
[14] 간행물 Performance, Stability, Dynamics, and Control of Airplanes. 2nd Ed., Section 1.11. AIAA
[15] 문서 Winchester 2005, p. 262.
[16] 웹사이트 Exhibits on view. http://www.nasm.si.e[...] National Air and Space Museum 2007-05-06
[17] 간행물 SP-2003-4531: American X-Vehicles, An Inventory—X-1 to X-50. http://history.nasa.[...] NASA 2009-09-01
[18] 웹사이트 X-29 3-view. http://www.nasa.gov/[...] NASA/Dryden Flight Research Center 2010-07-14


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