4세대 전투기는 1970년대 이후 개발된 전투기들을 통칭하며, 3세대 전투기보다 기동성, 항공전자 장비, 무장 능력이 향상되었다. 베트남 전쟁의 교훈을 바탕으로 기관포 탑재와 기동성을 강화하고, 추력 대 중량비가 큰 터보팬 엔진, LERX, 카나드 등의 공력 장치를 통해 도그파이트 능력과 항속 거리를 확보했다. 4세대 전투기는 F-14, F-15, F-16, MiG-29, Su-27 등이 있으며, 1990년대 이후에는 5세대 전투기의 일부 기능을 갖춘 4.5세대 전투기가 등장했다. 4.5세대 전투기는 AESA 레이더, IRST, 데이터 링크 등을 통합하고 스텔스 기술을 일부 적용하며, F-15E, F-16V, F/A-18E/F, KF-21 등이 해당된다.
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4세대 전투기
개요
수호이 Su-27(배경)과 제너럴 다이내믹스 F-16 파이팅 팔콘(전경), 각각 소련 공군과 미국 공군에서 사용된 4세대 전투기
1958년 대만 해협에서 일어난 킨먼 포격전에서 F-86 전투기가 사이드와인더를 장착하고 공중전에서 큰 성과를 거둔 사례를 바탕으로, "미사일 만능론"이 주류가 되었다. 이에 따라 공대공 무장으로서의 기관포는 경시되었다. 또한, 전쟁은 핵무기를 탑재한 초음속 폭격기가 주류가 될 것으로 예상되어, 신규 개발은 제공 전투기에서 요격 전투기나 F-105와 같은 전투 폭격기로 옮겨갔다. F-100, F-101, F-104 등도 기동성을 경시한 사양으로 제작되었다.
그러나 베트남 전쟁에서 미사일의 신뢰성 및 기동성 부족, 록온 가능 범위의 협소함, 기관포 부재, 미사일 회피 기동의 필요성, 아군 오사 등의 문제로 인해, MiG-17 및 MiG-21과의 근접전에서 어려움을 겪었다. 로버트 맥나마라 국방 장관의 기종 통일 정책으로 도입한 F-4가 비교적 기동성이 우수하여 베트남 전쟁을 넘길 수 있었다. 또한, 핵 공격 수단이 ICBM로 이행하면서 초음속 요격기의 필요성도 감소했다.
이러한 교훈을 바탕으로, 기관포 탑재와 기동성이 뛰어난 전투기가 요구되었고, 에너지 기동성 이론을 바탕으로 애프터버너가 장착된 터보팬 엔진이 사용되었다. 추력 향상, 경량화, 주익 면적 확대, LERX 및 카나드 등의 공력 장치 추가를 통해 도그파이트 능력뿐만 아니라 제공 및 지상 공격에도 사용할 수 있는 긴 항속 성능을 달성했다. 또한, 다목적 대응을 위한 고기능 전자 장비 탑재, 무기 탑재량 및 종류 증가로 진정한 의미의 다목적성을 획득했다. 이러한 변화는 서방 진영뿐만 아니라 소련을 비롯한 동구권 진영에도 영향을 미쳤다.
전투기의 기동성 및 속도 성능과 같은 근접전 능력은 4세대 전투기를 통해 유인 항공기 발전의 한 정점에 도달했으며, 제5세대 제트 전투기는 여기에 스텔스성을 부여하는 형태로 발전하고 있다.
2. 1. 개발 동기
F-4 팬텀과 같은 다목적(Multi-Role) 전투기들의 성공은 4세대 전투기 개발에 큰 영향을 미쳤다. 장거리 공대공 미사일의 효용성이 기대에 미치지 못하면서 근접 공중전(WVR)에서의 기동성이 중요해졌으며, 베트남 전쟁은 이러한 교훈을 명확히 보여주었다.[30][31]
존 보이드의 에너지 기동성 이론은 고추력 엔진과 기체 설계를 통한 기동성 향상의 중요성을 강조했다. 이러한 요구에 부응하기 위해, 이전 세대의 고추력 터보 제트 엔진보다 추력 대 중량비가 훨씬 큰 전술 항공기용 애프터버너가 장착된 터보팬 엔진이 사용되었다. 추력 향상, 엔진 및 기체 경량화, 주익 면적 확대, LERX 및 카나드 등 공력 장치 추가를 통해 도그파이트 능력뿐만 아니라 제공 및 지상 공격에도 사용할 수 있는 긴 항속 성능을 달성했다. 또한, 다목적 대응을 위한 고기능 전자 장비 탑재, 무기 탑재량 및 종류 증가로 진정한 의미의 다목적성을 획득했다.
2. 2. 주요 특징
4세대 전투기는 3세대 제트 전투기에 비해 향상된 기동성을 가지도록 설계되었다. 이러한 기동성 향상에는 다음과 같은 주요 특징들이 기여했다.
고성능 엔진: 터보팬 엔진의 발전으로 추력 대 중량비가 크게 향상되어, 더 빠른 가속, 상승, 선회 능력을 얻게 되었다. 이는 곧 기동성과 항속 거리 증가로 이어졌다.[10]
향상된 기동성: 정적 안정성 완화(RSS)와 플라이 바이 와이어(FBW) 기술은 전투기의 기동성을 획기적으로 향상시켰다. FBW는 비행 제어 표면을 컴퓨터로 자동화하여 조종사의 조작 부담을 줄이고, 더 정밀하고 민첩한 기동을 가능하게 했다.[10]
플라이 바이 와이어 제어를 보여주는 F/A-18 호넷 (위에 거꾸로 뒤집힌 형상)
추력 편향: 일부 4세대 전투기는 추력 편향 기술을 적용하여 기동성을 더욱 강화했다. 수호이 Su-27은 피치 방향 추력 편향을 선보인 최초의 항공기였으며, 3차원 TVC 노즐이 장착된 수호이 Su-30MKI는 더욱 향상된 선회 능력을 가졌다.[11]
미그-29OVT 전방위 추력 편향 엔진
수퍼크루즈: 일부 4세대 전투기는 애프터버너 없이 초음속 순항이 가능한 수퍼크루즈 능력을 갖추고 있다. 유로파이터 타이푼은 애프터버너 없이 마하 1.2로 순항할 수 있다.[14][15][16]
* 첨단 항공전자 장비: AESA 레이더, IRST, 데이터 링크 등 첨단 항공전자 장비는 상황 인식 능력을 향상시키고, 네트워크 중심전을 가능하게 했다. 미국의 F-15C는 AN/APG-63(V)2 AESA 레이더를 장착한 최초의 개량형이었다.[18]
주크-AE 능동 전자 주사식 배열(AESA) 레이더
OLS-30은 결합된 IRST/레이저 거리 측정기 장치이다.
제한적인 스텔스 기술 도입: 일부 4세대 전투기는 레이더 반사 면적(RCS) 감소를 위한 설계 및 전파 흡수 재료를 적용하여 생존성을 높였다.
유로파이터 타이푼은 제트 공기 흡입구를 사용하여 제트 엔진 전면(강력한 레이더 표적)을 레이더로부터 숨긴다.
3. 세대 구분 논란 및 4.5세대 전투기
4.5세대 전투기는 1990년대부터 등장한 용어로, 5세대 전투기의 일부 기능을 통합했지만 스텔스 성능 등 일부 기능은 부족한 신형 또는 개량형 전투기를 말한다.[20] 4.5세대 전투기는 4세대 전투기보다 훨씬 뛰어난 성능을 가지면서도, 5세대 전투기보다는 저렴하고 개발 기간이 짧다.
4.5세대 전투기는 AESA 레이더, IRST, 초음속 순항, 수퍼 기동성, 다목적 능력, 레이더 반사 면적 감소 등 발전된 성능을 갖는다.[20] 다쏘 라팔은 ''optronique secteur frontal'' 통합 IRST를, 유로파이터 타이푼은 PIRATE-IRST를 탑재했다.[21][22]보잉 F/A-18E/F 슈퍼 호넷도 IRST를 장착했지만, 기체에 통합되지 않고 포드 형태로 장착한다.[23]
4.5세대 전투기는 발전된 스텔스 소재 및 설계 방식을 통해 일부 저피탐 기능을 통합한다. 파키스탄/중국의 JF-17 썬더와 중국의 청두 J-10B/C는 무유도 초음속 흡입구를, 인도의 HAL 테자스는 탄소 섬유 강화 폴리머를 사용한다.[24]IAI 라비는 S-덕트 공기 흡입구를 사용했는데, 이는 전면 RCS를 줄이기 위한 5세대 전투기의 중요한 특징이다.[25][26]
KAI KF-21 보라매는 한국과 인도네시아가 공동 개발하는 전투기로, 블록 1 모델(최초 비행 시험 시제기)은 '4.5세대'로 평가받는다.
3. 1. 4.5세대 전투기
4.5세대 전투기는 1990년대부터 등장한 용어로, 4세대 전투기를 기반으로 5세대 전투기의 일부 기능을 통합했지만, 본격적인 스텔스 성능은 갖추지 않은 전투기들을 말한다. 4+세대 전투기라고도 불린다.[20] 이들은 기존 4세대 전투기를 개량하거나, 4세대 전투기 설계를 기반으로 새롭게 개발되는 경우가 많다.
4.5세대 전투기는 AESA 레이더, IRST, 데이터 링크 등 첨단 센서 통합과 플라이 바이 와이어 및 CCV 설계, 스트레이크 대형화, 카나드 및 추력 편향 노즐 장착 등으로 도그파이트시 기동성을 향상시켰다. 또한, 스텔스 형상 및 소재를 사용하고, 항공전자 장비 등을 진보시켜, 다목적 전투기로 대지/대함 공격 능력을 강화하는 등의 노력을 기울였다.[20]
1958년대만 해협에서 일어난 킨먼 포격전에서 사이드와인더를 장착한 F-86 전투기가 공중전에서 전과를 올린 사례를 바탕으로, 전투기 간의 전투는 "원거리에서 사거리가 긴 미사일을 발사하여 상대를 격추하는 방식이 될 것이다"라는 "미사일 만능론"이 주류가 되었다. 이로 인해 공대공 무장으로서의 기관포는 경시되게 되었다.
베트남 전쟁에서 "미사일 만능론"의 문제점과 구식 MiG-17 및 MiG-21과의 근접전에서 고전한 경험을 바탕으로, 기관포 탑재와 기동성이 뛰어난 전투기가 요구되었다. 에너지 기동성 이론을 바탕으로 고추력 터보팬 엔진이 사용되었고, 추력 향상과 엔진 및 기체 무게 경감, 주익 면적 확대, LERX 및 카나드 등의 공력 장치 추가가 이루어졌다. 그 결과, 도그파이트 능력뿐만 아니라, 제공 및 지상 공격에도 사용할 수 있는 긴 항속 성능을 달성했으며, 다목적에 대응하는 고기능 항공 전자 장비 탑재가 가능해졌고, 무기 탑재량 및 종류 증가로 인해 진정한 의미의 다목적성을 획득했다.
4.5세대 전투기의 주요 센서는 레이더인데, 미국은 AN/APG-63(V)2 AESA 레이더를 장착한 F-15C를 배치했다.[18] 프랑스는 2012년 2월 라팔에 사용하기 위해 탈레스에서 제작한 최초의 자체 개발 AESA 레이더인 RBE2-AESA를 도입했다.[19] 유럽 컨소시엄 GTDAR는 타이푼에 향후 사용할 AESA 유로레이더 캡터 레이더를 개발하고 있다.
IRST는 표적의 적외선 복사를 측정하는 센서로, 러시아 항공기에 표준으로 장착되었다. 데이터 링크는 동맹 전투기 및 AWACS 항공기와 표적 데이터를 공유할 수 있는 기능이다.
스텔스 소재 및 설계 방식의 발전으로 더 매끄러운 기체가 가능해지면서, 4.5세대 전투기는 일부 저피탐 기능을 통합한다. KAI KF-21 보라매는 5세대 전투기로 간주되지는 않지만 다른 4세대 전투기보다 더 중요한 스텔스기 기술을 갖추고 있다.
러시아는 4.5세대보다 발전된 4++세대 전투기로 Su-35 (2세대)와 MiG-35를 분류한다.[30][31]
4. 1. 4세대 전투기
4세대 전투기는 3세대 제트 전투기가 기동성을 부차적으로 강조하며 요격기로 설계된 것과 달리, F-14 톰캣 및 F-15 이글과 같이 근접 공중전에서 높은 기동성을 유지하면서 가시거리 밖(BVR) 요격을 수행할 수 있도록 균형을 이루었다. 그러나 전투기 설계는 다시 BVR 교전, 발전하는 전장 환경 관리, 낮은 가시성으로 이동하며, 이는 근접 전투에서의 기동 능력 희생으로 이어질 수 있지만, 추력 편향의 적용으로 특히 저속에서 기동성을 유지할 수 있다.
4세대에서 향상된 기동성에 기여하는 주요 발전 사항은 높은 엔진 추력, 강력한 제어면, 정적 안정성 완화(RSS)이며, 이는 "플라이 바이 와이어" 컴퓨터 제어 안정성 향상을 통해 가능해졌다. 공중전 기동은 급변하는 비행 조건에서 속도와 고도를 유지하기 위한 에너지 관리를 포함한다.
추력 편향은 원래 수직 이착륙을 위해 호커 시들리 해리어에 처음 도입되었으며, 조종사들은 곧 기동성을 향상시키기 위해 "비핑"(viffing, 전진 비행 중 추력 편향) 기술을 개발했다. 수호이 Su-27은 피치 방향의 추력 편향을 공개적으로 선보인 최초의 항공기였다. 추력 대 중량비가 1 이상인 이 항공기는 실속 없이 고 받음각에서 거의 제로에 가까운 속도를 유지할 수 있었고, 푸가초프 코브라와 같은 새로운 곡예 비행을 수행할 수 있었다. 3차원 TVC 노즐이 장착된 수호이 Su-30MKI는 엔진의 종축에서 32° 바깥쪽(즉, 수평면)으로 장착되어 수직면에서 ±15° 편향될 수 있다. 이는 코르크 마개 효과를 내어 항공기의 선회 능력을 더욱 향상시킨다.[11] 미국은 이 기술을 F-16과 F-15에 장착하는 것을 연구했지만, 5세대 항공기가 등장할 때까지 도입하지 않았다.
항공전자 장비는 새로운 기술이 보급됨에 따라 교체될 수 있으며, 항공기의 수명 주기 동안 업그레이드되는 경우가 많다. 예를 들어, 1978년에 처음 생산된 F-15C 이글은 2007년에 AESA 레이더와 합동 헬멧 장착식 큐잉 시스템과 같은 업그레이드를 받았으며, 2040년까지 운용하기 위해 2040C 업그레이드를 받을 예정이다.
모든 현대 전투기의 주요 센서는 레이더이다. 미국은 AN/APG-63(V)2 AESA 레이더를 장착한 최초의 개량형 F-15C를 배치했다.[18] 이 레이더는 움직이는 부품이 없으며 훨씬 더 좁은 빔을 투사하고 더 빠르게 스캔할 수 있다. 이후 F/A-18E/F 슈퍼 호넷과 블록 60(수출형) F-16에도 도입되었으며, 향후 미국의 전투기에도 사용될 예정이다. 프랑스는 2012년 2월 라팔에 사용하기 위해 탈레스에서 제작한 최초의 자체 개발 AESA 레이더인 RBE2-AESA를 도입했다.[19]
미국이 레이더 회피 스텔스 설계를 점점 더 강조함에 따라 러시아는 대체 센서로 눈을 돌렸으며, 적외선 탐색 및 추적(IRST) 센서에 중점을 두었다. 이 센서는 표적의 적외선 복사를 측정한다. 수동 센서이므로 범위가 제한적이며 표적의 위치와 방향에 대한 고유한 데이터를 포함하지 않으므로, 캡처된 이미지에서 추론해야 한다. 이를 보완하기 위해 IRST 시스템은 레이저 거리 측정기를 통합하여 사격 통제 솔루션을 제공할 수 있다.
데이터 링크는 중요한 전술적 기능을 하는 컴퓨팅 기능이다. 모든 현대 유럽 및 미국 항공기는 동맹 전투기 및 AWACS 항공기와 표적 데이터를 공유할 수 있다(JTIDS 참조). 표적 및 센서 데이터 공유를 통해 조종사는 방사형의 가시적인 센서를 적군으로부터 더 멀리 배치하는 동시에 해당 데이터를 사용하여 침묵하는 전투기를 적을 향해 유도할 수 있다.
1960년대부터 레이더 탐지를 피하도록 항공기를 형상화하는 기본 원리가 알려져 있었지만, 전파 흡수 재료의 출현으로 레이더 반사 면적이 획기적으로 줄어든 항공기가 실용화될 수 있었다. 스텔스 기술은 또한 항공기의 적외선 신호, 시각적 신호 및 음향 신호를 감소시키려고 한다.
4.5세대 전투기는 1990년대부터 등장한 개념으로, 5세대 전투기의 일부 기능을 갖추면서도 기존 4세대 전투기보다 향상된 성능을 가진 전투기를 말한다. 4세대 전투기의 개량형이거나, 5세대 전투기의 일부 기술을 적용하여 개발된 경우가 많다.[20]
4.5세대 전투기는 AESA 레이더, 수퍼크루즈, 수퍼 기동성, 저피탐 기술 등에서 5세대 전투기의 일부 특징을 보인다. 또한, 통합된 IRST 시스템을 갖추고 있어, 다쏘 라팔은 ''optronique secteur frontal'' 통합 IRST를, 유로파이터 타이푼은 PIRATE-IRST를 장착했다.[21][22] F/A-18E/F 슈퍼 호넷도 IRST를 포드 형태로 장착하여 운용한다.[23]
스텔스 소재 및 설계 방식의 발전으로, JF-17 썬더와 청두 J-10B/C는 무유도 초음속 흡입구를 사용하고, 인도의 HAL 테자스는 탄소 섬유 강화 폴리머를 사용한다.[24]IAI 라비는 S-덕트 공기 흡입구를 사용하여 전면 RCS를 줄였다.[25][26]
러시아에서는 4.5세대보다 더 발전된 전투기를 4++세대 전투기로 분류하며, Su-35 (2세대)와 MiG-35가 이에 해당한다.[30][31]
5. 한국의 4세대 및 4.5세대 전투기 개발
한국은 4세대 및 4.5세대 전투기 개발을 통해 자주국방 능력을 강화하고 있다. FA-50은 T-50 골든이글 초음속 훈련기를 기반으로 개발된 경공격기로, F-5를 대체한다. KF-21 보라매는 대한민국이 개발 중인 4.5세대 전투기로, AESA 레이더 등 첨단 장비를 탑재하고 일부 스텔스 기술을 적용하여 F-4, F-5 전투기를 대체할 예정이다.
5. 1. FA-50
FA-50은 T-50 골든이글 초음속 훈련기를 기반으로 개발된 경공격기이다. F-5를 대체하며, 제한적인 공대공/공대지 임무를 수행한다.
5. 2. KF-21 보라매
KF-21 보라매는 대한민국이 개발 중인 4.5세대 전투기이다. KF-21 보라매는 5세대 전투기로 분류되지는 않지만, 다른 4세대 전투기보다 스텔스기 기술을 더 많이 갖추고 있다.[28] AESA 레이더, IRST, 데이터 링크 등 첨단 장비를 탑재하고, 일부 스텔스 기술을 적용하여 F-4, F-5 전투기를 대체할 예정이다. KF-21 개발은 한국의 항공 기술 발전에 기여하고, 5세대 전투기 개발을 위한 기술적 기반을 마련하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
6. 성능 비교 및 평가
4세대 전투기의 성능 비교는 여러 요소를 고려해야 하기 때문에 복잡하다. 과거에는 전투기의 제원(스펙)을 통해 대략적인 성능을 파악할 수 있었지만, 현대 전투기는 기동성, 플라이 바이 와이어, 항공전자 장비, 스텔스성, 조종성 등 다양한 요소들이 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 단순 비교가 어렵다.[32][33]
이 때문에 특정 기종의 격추 수를 기준으로 성능을 평가하기도 하지만, 세대가 다르거나 교전 기록이 없는 전투기끼리는 비교가 어렵다. 예를 들어 F-15는 이스라엘 등의 정보에 따르면 격추된 기록이 없어 세계 최강의 전투기 중 하나로 꼽히지만, F-22 역시 격추 기록이 없다.
각국은 전투기 성능 평가를 위해 여러 기종으로 합동 훈련을 실시하기도 한다. 이는 비교적 신뢰할 수 있는 성능 비교 방법이지만, 훈련 결과는 제한적이며 실제 전장 환경과는 차이가 있을 수 있다.
1994년, 영국의 국방 평가 및 연구 기관(Defence Evaluation and Research Agency)은 Su-35를 기준으로 4.5세대 전투기 성능 평가를 진행했다. 이 평가는 실제 조종사들이 참여한 네트워크 시뮬레이션 대전 방식으로 이루어졌다. "성능 향상형 Su-27" (초대 Su-35)을 기준 1로 하여, 수치가 높을수록 성능이 높은 것으로 평가했다.
하지만 이 데이터는 30년 가까이 지난 자료이며, 최근 전투기들의 전자 장비 발전 등은 반영되지 않았다는 점을 유념해야 한다. 또한, F-15E는 전투 폭격기로 개발되어 공중전 성능은 F-15C보다 낮을 것으로 예상되지만, 평가 결과는 다르게 나타났다.
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