XF9

1. 개요

XF9는 IHI가 개발한 전투기용 터보팬 엔진이다. 1995년부터 XF5 엔진 연구 개발을 시작으로, 2015년부터 2019년까지 전투기용 엔진 시스템에 관한 연구를 통해 개발되었다. XF9-1은 2018년에 방위장비청에 납품되었으며, 2020년까지 성능 확인 시험이 진행되었다. XF9는 1,800℃ 이상의 터빈 입구 온도와 360kW의 발전 능력을 갖추어 차세대 항공 전자 장치에 대응할 수 있으며, XVN3-1 3차원 추력 편향 노즐을 사용하여 기동성을 향상시킬 수 있다.

2. 개발

XF9는 ATLA의 "전투기 엔진 시스템 연구"(2015–2019) 프로젝트 결과물이다. 이 프로젝트는 XF5 터보팬 엔진(1995–2008) 개발 이후 시작되었으며, 미쓰비시 F-2 전투기 후속 기종이나 일본의 미래 전투기 프로그램을 위한 예비 작업이었다.

"슬림하고 고출력" 엔진을 만들어 스텔스 전투기 동체 내부에 연료와 무기를 수용할 수 있는 공간을 늘려 레이더 단면적을 줄이는 것이 기본 개념이었다. "고출력 슬림 엔진" 개념은 i³ FIGHTER로 불리는 개념적인 일본 미래 전투기의 동력 장치로서 방위성의 "미래 전투기 연구 개발 비전"(2010) 보고서에도 나타난다.

XF9-1 프로토타입은 XF5보다 크기가 커져 제너럴 일렉트릭 F110에 가깝고, 추력은 프랫 & 휘트니 F119와 유사하다. 2,073K(1,800°C)급 터빈 입구 온도를 견디는 코어를 통해, XF9-1은 연비를 향상시키면서 높은 추력을 낸다. 2018년 프로토타입의 공식 추력 수준은 군용 추력에서 "11톤(107 kN / 24,000 lbf) 이상", 애프터버너 사용 시 "15톤(147 kN / 33,000 lbf) 이상"이다. XF9는 요구에 따라 더 높거나 낮은 추력 수준에 적응할 수 있도록 설계되었으며, 미래 전투기 엔진 프로그램은 ATLA 기술 심포지엄 2018에서 공개된 최대 추력 20톤(196 kN / 44,000 lbf)을 목표로 한다.

연구 개발은 여러 단계로 나누어 진행되었다.



XF9-1 프로토타입 엔진은 2018년 6월 방위장비청에 납품되었고, 2020년 7월까지 성능 확인 시험이 실시되었다. 2019년 4월 10일 최대 추력 확인 시험 영상이 공개되었다.

2.1. IHI 제조사의 군용기용 엔진

* 日本^일본어 - XF3 : T-4 훈련기
* 日本^일본어 - XF5 : 미쓰비시 X-2 스텔스기
* 日本^일본어 - XF7 : P-1 초계기
* 日本^일본어 - XF9 : 미쓰비시 F-3 전투기

3. 기술적 특징

XF9-1은 이중 여압식 터보팬 엔진으로, 3단 팬, 6단 고압 압축기, 환형 연소기, 1단 고압 터빈, 1단 저압 터빈, 애프터버너, 수렴-발산 노즐로 구성된 이중 중복 FADEC을 갖추고 있다. 미쓰비시 F-2에 탑재된 GE F110에 비해 단위 단면적당 추력이 약 30% 더 높다. 1,800°C급의 높은 연소 온도를 통해 이러한 높은 추력을 달성했으며, 이를 위해 첨단 재료, 제조, 냉각 및 유체 분석 기술이 적용되었다.

각 로터는 블리스크로 무게 감소와 소형화에 기여한다. 연소기는 안정적인 연소와 균일한 열 분배를 위해 특허받은 광각 스월러를 장착했다. 고압 터빈 디스크는 단조 기술로 제조되었으며, NIMS에서 개발한 니켈-코발트계 초합금 TMW-24가 사용되었다. 터빈 블레이드는 일본산 5세대 니켈계 단결정 초합금으로 제작되어 디스크에 마찰 용접되었으며, 세라믹 매트릭스 복합재료 슈라우드로 덮여 있다. 애프터버너는 효율 향상을 위해 새로운 유형이 적용되었다.

XF9-1은 180kW를 출력하는 시동 발전기를 탑재하여, 쌍발 엔진 전투기에서 최대 360kW의 전력을 공급할 수 있다. 이는 보잉 F-15E(76kW), 록히드 마틴 F-22(130kW), 록히드 마틴 F-35(160kW)와 같은 기존 전투기들에 비해 상당히 큰 용량으로, 차세대 항공 전자 장비 및 기타 전력 소비가 많은 장비 운용에 유리하다.

기본적인 컨셉은 "슬림화"와 "고출력"이며, 연료, 병장 등을 위한 기내 용적 확보에 유리하다. 이 컨셉은 "하이파워·슬림 엔진"이라고 불리며, i3 FIGHTER의 엔진으로도 언급되었다.

3.1. 크기와 추력

XF5는 소형 엔진이었지만, XF9-1 프로토타입은 크기 면에서 제너럴 일렉트릭 F110에 가깝고, 추력 측면에서는 프랫 & 휘트니 F119와 유사하다. 2,073K(1,800°C)급 터빈 입구 온도를 견디는 코어를 통해, XF9-1은 높은 추력을 내면서 동시에 연비를 향상시킨다. 2018년 현재, 프로토타입의 공식적으로 공개된 추력 수준은 군용 추력에서 "11톤(107 kN / 24,000 lbf) 이상"이며, 애프터버너 사용 시 "15톤(147 kN / 33,000 lbf) 이상"이다. XF9는 요구 사항에 따라 더 높거나 낮은 광범위한 추력 수준에 적응할 수 있도록 설계되었으며, 미래 전투기 엔진 프로그램은 ATLA 기술 심포지엄 2018에서 공개된 20톤(196 kN / 44,000 lbf)의 최대 추력을 목표로 진행되고 있다.

XF9-1은 F-15에 탑재된 프랫 & 휘트니사의 F100 엔진과 동급의 크기로, 전투기 엔진으로는 대형에 속한다. 추력은 F-22 전투기에 탑재된 F119 엔진에 필적하며, 단면적당 추력은 F-2 전투기에 채용된 제너럴 일렉트릭 F110에 비해 30% 상회한다. 또한, XF9-1으로 최대 추력에 도달하는 시간과 수고는, F3 엔진의 초기형 XF3-1의 10% 정도로 단축되었다.

3.2. 터빈 입구 온도

XF9의 터빈 입구 온도는 1,800℃에 달한다. 이는 니켈계 초합금의 융점 1,400℃를 크게 초과하는 것이다. 일반적으로 이 온도가 높을수록 고성능 엔진으로 간주되며, 세계적으로도 최고 수준의 반열에 오른다. 이러한 높은 온도를 달성하기 위해 다음과 같은 기술들이 적용되었다.

* 재료 기술:
* 니켈-코발트 기의 국산 용해 단조 디스크재를 사용한 고압 터빈 디스크
* 국산 제5세대 니켈 단결정 초합금제 터빈 블레이드
* 터빈 슈라우드에 신소재 CMC(세라믹 기지 복합재료)・내환경성 코팅 채용
* 유체 해석 기술:
* 블레이드의 공기 구멍에 의한 보호층 형성

이러한 재료 기술과 유체 해석 기술이 높은 터빈 입구 온도를 가능하게 했다.

3.3. 발전 능력

XF9-1은 이중 여압식 터보팬 엔진으로, 3단 팬, 6단 고압 압축기, 환형 연소기, 1단 고압 터빈, 1단 저압 터빈, 애프터버너, 수렴-발산 노즐로 구성된 이중 중복 FADEC을 갖추고 있다. 미쓰비시 F-2가 장착한 GE F110에 비해 단위 단면적당 추력이 약 30% 더 높다.

각 로터는 무게 감소와 소형화에 기여하는 블리스크이다. 연소기는 안정적인 연소와 출구에서의 보다 균일한 열 분배를 용이하게 하기 위해 특허받은 신형 버너인 광각 스월러를 장착했다. 고압 터빈 디스크는 단조 기술로 제조되었으며, 재료는 NIMS에서 개발한 니켈-코발트계 초합금 TMW-24이다. 일본산 5세대 니켈계 단결정 초합금으로 제작된 터빈 블레이드는 디스크에 마찰 용접되어 블리스크를 형성하며, 이 블리스크는 세라믹 매트릭스 복합재료로 만들어진 슈라우드에 덮여 있다. 애프터버너는 기존의 환형 화염 유지기를 제거하여 효율을 향상시킨 새로운 유형이다.

XF9-1은 180kW를 출력하는 시동 발전기를 탑재하고 있어, 이 엔진을 장착한 쌍발 엔진 전투기는 엔진만으로 최대 360kW의 전력을 공급받을 수 있다. 이는 보잉 F-15E(76kW), 록히드 마틴 F-22(130kW), 록히드 마틴 F-35(160kW)와 같은 기존 전투기에 비해 상당히 크다.

XF9-1은 XVN3-1 3차원 추력 편향 노즐을 사용할 수 있으며, 이 노즐은 모든 원주 방향에서 최대 20도까지 추력을 편향시킬 수 있다.

스타터와 제네레이터를 일체화한 신개발 스타터 제네레이터는 180kW의 발전 용량을 가지고 있으며, 센서, 사격 통제, 정보 연계, 전자전 등 큰 전력 소비가 예상되는 미래의 전투기에 대응할 수 있다.

3.4. 추력 편향

2016년부터 2020년까지 엔진 개발과 병행하여 추력 편향 제어 및 고장 처리 기술을 시연하기 위한 연구가 수행되었다. 이 연구는 스텔스 항공기에 유리한 더 높은 기동성과 더 작은 제어 표면을 달성하는 것을 목표로 한다. XF9-1의 경우 XVN3-1 3차원 추력 편향 노즐을 사용할 수 있으며, 이 노즐은 모든 원주 방향에서 최대 20도까지 추력을 편향시킬 수 있다.

2016년부터 2020년까지 추력 편향 노즐을 사용한 고운동성, 스텔스성 확보 등을 목적으로 하는 "추력 편향 노즐에 관한 연구"도 진행되었다. 이 연구에서는 XF9-1의 추력 전주 20도의 편향과 노즐의 고장 대응 기술을 주로 실증한다. 이 노즐은 XVN3-1이라고 불린다.

4. 제원 (XF9-1)

일반적 특성
* 형식: 애프터버너 부착 저 바이패스비 터보팬 엔진
* 공기 흡입구 직경: 약 1m
* 축 길이: 약 4.8m

구성 요소
* 압축기: 3단 저압 · 6단 고압
* 연소기: 아눌러형
* 터빈: 1단 고압 · 1단 저압

성능
* 추력:
108kN 이상 (드라이)
147kN 이상 (애프터버너 사용 시)
* 터빈 입구 온도: 1,800도 이상