캐터펄트

1 공성무기 캐터펄트

캐터펄트, 즉 사출기는 원래 화약 등의 폭발력 대신 장력을 이용하여 물체를 멀리 날리는 데에 쓰던 고대의 공성무기 중의 하나이다. 투석기, 발석거 등의 다른 표현도 있다. 이 표현은 그리스어로 아래로를 뜻하는 kata와 작은 원형 방패인 pultos의 합성어인 katapultos이며, 고대 그리스에서 쓰이던 철갑무기의 이름이기도 하다.

캐터펄트에 대한 자세한 설명은 투석기 항목 참조.

2 항공기 사출 장치 캐터펄트

캐터펄트로 사출되는 F-14
갑판요원 시점에서 본 F/A-18E/F 슈퍼호넷의 사출.

영어: Catapult
독일어: Flugzeugkatapult
한자: 射出機

역사상 최초의 항공기 캐터펄트는 1903년 새뮤얼 랭글리(Samuel Langley)가 발명한 탄성식 사출기였다. 그는 탄성식 캐터펄트를 설치한 선박을 포토맥 강에 띄워 놓은 후, 그가 발명한 유인 내연기관 탑재 비행기인 에어로드롬(Aerodrome)을 이륙시키려 했다. 그러나 1896년에 만든 증기기관 탑재의 무인기였던 5번기가 90초간 24~30m의 고도로 800m 가량 자력비행에 성공하고 이후의 6번기도 1,500m 가량 날았던 데에 비해 유인 실험기는 실패하고 말았고, 이후 랭글리는 더 이상 항공기 실험을 하지 못했으며, 높으신 분들과 언론은 그의 실패를 까기 바빴다.[1]

이렇게 실패한 초기 캐터펄트 이륙장치는 그 실패로부터 9년 뒤 미 해군에서 성공하였다. 미 해군은 압축공기로 비행기를 이륙시키려고 실험을 했고, 그 실험기에는 당시 27세였던 미 해군 장교 시어도어 G. 엘리슨(Theodore G. Ellyson) 대위가 탑승했다. 그런데 7월 31일의 첫 실험에서 비행기가 사출되자마자 옆바람이 불어 그대로 물에 빠져 버렸고, 잘못하면 익사할 뻔 했다. 그러나 같은 해 정지상태의 석탄바지선 위에 설치된 캐터펄트에서 실시된 11월 12일 실험에서는 이륙에 성공하였고, 그는 역사 속에 미 해군 조종사 제1호로 기록되는 영예를 안게 되었다. 움직이는 배 위에서의 캐터펄트 이륙은 약 3년 뒤인 1915년 11월 5일 머스틴(H. C. Mustin) 중령이 탑승한 비행기로 달성되었다.

제1차 세계대전 이후 많은 군함들이 정찰을 위해 수상기나 비행정을 장비하게 되었는데, 항공모함같이 긴 비행갑판이 없었기 때문에 최단거리에서 이함시켜야 할 필요가 대두되었다. 그 이유는 수상기나 비행정은 수면을 이용해서 이함이 가능하긴 했으나, 수면이 거칠어지면 이함이 불가능해지고, 이런 방식의 이함을 하려면 수상기나 비행정을 크레인으로 수면 위에 내려놓아야 하므로 빠른 대응이 어려워지기 때문이다. 이에 비해서 착함은 일단 항공기의 목적을 달성한 후에 벌어지기 때문에 상대적으로 여유가 있었으므로 수상기나 비행정이 군함 근처의 수면에 앉으면 군함이 크레인으로 건져 올리는 방식을 채용했다. 그래서 영국 해군은 프린스 오브 웨일스 같은 전함에는 캐터펄트를 1기 장비하고 정찰 수상기나 비행정을 4대 배속하고, 더 작은 규모의 함선에는 수상기나 비행정을 1~2대 운용하거나 아예 크레인만 장비하여 비행정을 물 위에 내려놓고 자력으로 날도록 한 경우도 있었다.

제2차 세계대전 중에 활약한 다수 군함이 캐터펄트를 이용하여 해군 함재기의 운용에 대거 활용하였다. 미군의 경우는 유압식 캐터펄트를 항공모함에 널리 사용하였고, 일본군은 1928년 실용시험 성공 이후 전함, 수상기모함, 중순양함 등은 화약식 캐터펄트를 이용하였으며, 경순양함이나 잠수항모 I-400의 경우는 공기식 캐터펄트를 채택하였다. 대략 3~5톤의 사출능력을 지니고 있었다. 그러나 일본군은 유압식 캐터펄트를 실용화하지 못해서 가장 캐터펄트를 많이 필요로 하는 항공모함에는 캐터펄트를 채용하지 못했다.

이후 증기식 캐터펄트는 1950년 영국에서 본격적으로 실용화되어, 현행 정규 항공모함의 대부분이 증기식 캐터펄트를 운용하고 있다. 그러나 역설적이게도 영국 해군에서는 1979년에 정규 항공모함 아크 로열[2]이 퇴역한 이후로는 운용하는 사례가 없고, 오히려 미국에서 널리 쓰이고 있다.

미국의 항공모함은 그 크고 아름다운 규모에 걸맞게 재래식추진이든 핵추진이든 상관없이 풍부한 고온고압의 증기를 이용하여 함재기를 고속으로 쏘아 내는데, 2톤 무게의 캐딜락 승용차를 올려놓고 쏘면 2km를 날아가다 수면에 떨어진다는 비유로 그 위력을 짐작할 수 있다.

2011년 현재 증기식 캐터펄트를 장비한 항공모함은 미국 해군, 프랑스 해군, 브라질 해군만이 운용하고 있다.

전자기식 캐터펄트는 기존의 증기식을 대체하여 제럴드 R. 포드급 항공모함 및 퀸 엘리자베스급 항공모함, 중국의 항공모함에 채택될 예정으로, 증기식의 문제인 콜드 런치로 인한 함재기 가속미달 추락, 증기관 설치에 따른 신뢰성 문제 등을 해결할 방안으로 주목받고 있다. 단, 전기가 많이 드는 게 문제. 물론 최소 20년간 무제한적으로 전기를 끌어다 쓸수 있는 핵항모에게 있어 전기 수급문제는 그리 걱정할만한 문제는 아닐듯하다.

여담이지만 영화 에너미 라인스에서는 극 초반부에 주인공이 "역풍이 불 때 항공모함의 캐터펄트를 사용하여 럭비공을 높이 띄우면 다시 되돌아올까?" 라는 실험을 한 적이 있었는데 절반 정도 성공하기는 했지만 바다로 떨어진다. 이 때 주인공이 '윌슨!!!'이라고 외치는 장면이 나온다.

캐터펄트를 이용한 사출장면이 무척 멋지기 때문인지 건담이나 배틀스타 갤럭티카 등의 SF에서도 우주항모가 캐터펄트로 모빌슈트나 함재기 등을 쏴서 이함시키는 장면이 자주 등장한다. 물론 우주에서는 양력과 실속의 개념이 없지만, 달리는 배의 속도+캐터펄트의 속도가 더해져 이함한다면 초기 가속에 들어가는 에너지나 연료를 절약할 수 있으므로 영 뽀대만을 위한 장면은 아니다.

2.1 작동방식

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캐터펄트의 작동방식

캐터펄트는 작동방식에 따라 크게 공기식, 화약식, 유압식, 증기식, 전자기식으로 나뉘어진다.

2.1.1 공기식

최초로 성공한 캐터펄트에 사용된 방식. 압축공기를 이용하여 피스톤을 이동시키고, 그에 연결된 항공기를 급가속시킨다.

크기에 비해서는 성능이 미약해서 캐터펄트 방식으로는 빠르게 도태했으나, 소수의 함재기를 함체에 무리를 주지 않으면서 빠르게 날리는 목적에는 적합해서 일본군 해군의 경순양함이나 잠수 항모에서 사용했다. 이중 가장 큰 잠수 항모인 센토쿠급에는 5t의 사출능력을 가지고 1기의 함재기를 사출한 후, 압축공기를 재충전하는데 4분이 소요되는 공기식 캐터펄트를 사용했다고 한다.

그리고 공기식 캐터펄트의 원리는 잠수함에서 어뢰를 발사할 때 쓰인다. 이 방식을 사용하지 않는 어뢰발사방식은 은밀성을 위해 어뢰를 처음부터 스스로 움직이게 해서 어뢰발사관을 빠져나가게 만드는 자주식 어뢰 발사방식이다.

2.1.2 화약식

1930년대에 등장한 후 주로 일본군 해군의 전함 및 중순양함, 수상기 모함등의 군함에서 사용했던 방식. 말 그대로 화약을 추진력으로 사용하는 발사방식으로 내연식이라고도 한다.

구조가 간단하고 좁은 공간에도 장비가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 화약을 추진력으로 사용한다는 특성상 발사시 급격한 중력가속도가 붙기 때문에 기체와 탑승자에게 큰 부담을 주는데다가, 실용적인 사출능력은 5t 정도가 한계였다. 그 이상으로 사출능력을 늘리는 것은 이론적으로 가능했지만, 화약의 폭발력이 통제가 힘들어질 정도로 커져서 사고가 발생하면 캐터펄트와 기체는 물론이거니와 함체에도 타격을 줄 수 있는데다가 급가속이 너무 심하게 일어나므로 실용적이지 못했다. 게다가 1회 발사시마다 화약을 소모하기 때문에 화약을 재충전하는 과정이 들어가야 하므로 항공기를 연속으로 발사하는 일이 매우 힘들어지며, 화약의 폭발로 인한 충격 때문에 일정 회수 이상 사용하면 캐터펄트의 레일 등 중요 부위를 교체해야 한다. 이런 이유로 인해 정작 캐터펄트가 가장 많이 필요한 일본군의 항공모함에는 캐터펄트를 도입할 수 없었다[3].

2.1.3 유압식

제2차 세계대전의 연합군 군함에서 널리 이용되었다. 압축 공기와 유압 장치를 이용해서 발사하는 방식으로 자동차의 브레이크 시스템을 생각하면 이해가 쉽다. 1934년도에 이미 초기형이 항공모함 레인저나 요크타운급 항공모함에 설치된 적이 있으며, 에식스급 항공모함에는 좀더 발전된 개량형을 사용했다.

구조가 복잡하며 캐터펄트의 자체 크기 또한 상당한 대형이며, 캐터펄트의 길이가 짧으면 출력이 크게 감소하는 단점이 있다. 그러나 화약식보다 강력한 7-8t의 사출능력을 보유하는데다가 급격한 가속을 하지 않기 때문에 발사시의 중력가속도도 화약식보다 오히려 줄어들게 되므로 기체와 탑승자의 부담이 줄어든다. 그리고 항공기의 연속사출도 가능하며, 정비나 교체, 충전을 받지 않고 항공기를 사출할 수 있는 횟수도 많다.

전쟁이 끝난 후에는 서서히 사라지게 되는데, 이는 함재기의 중량이 늘어나서 유압식으로는 감당하기 힘들 수준까지 도달한데다가 증기식 캐터펄트가 사출능력과 연속발사능력이 더 좋았기 때문에 대체제로 작용했기 때문이다.

2.1.4 증기식

21세기 시점으로 대형 항공모함에서 주로 사용하는 방식. 재래식 보일러 또는 원자로에서 만들어진 고온 고압의 증기를 이용하여 내부의 피스톤을 이동시켜 그에 연결된 항공기를 급가속시켜 날게끔 한다.

증기식 캐터펄트의 실험이나 도입 자체는 여러 나라에서 진행되었다. 일례로 1933년에 도이체 루프트 한자(Deutsche Luft Hansa)가[4] 수상기모함에서 증기 캐터펄트를 사용하고 있었다.

하지만 제대로 된 실용화는 1950년 영국에서 이루어졌기 때문에 영국을 실질적인 개발국으로 본다. 그러나 영국은 1979년까지만 이 방식을 이용했고, 미국, 프랑스, 브라질 해군에서만 사용되는 방식.

2014년의 시점에서는 가장 복잡하고 캐터펄트의 크기 자체도 가장 크고 무거우며, 작동에 대량의 증기가 필요한 방식이다. 게다가 가끔 증기압이나 온도가 부족한 채 사출되는, 콜드 런치(cold launch) 사고가 나면 함재기는 수면에 꼴아박는다... 그리고 이 역도 존재하며, 핫 런치(Hot launch)가 그 예인데, 이 경우 랜딩기어의 런치바랑 캐터펄트 고리가 적정압 이상의 출력에 사출에 들어갈 경우 연결이 풀려버린다. 덤으로 증기 누출등의 사고가 일어날 수 있어서 정비소요도 높은 편이며 캐터펄트를 운용하는데 들어가는 인원도 많은 편이다. 그래서 일반적인 군함은 물론이거나와, 항공모함이라고 해도 중소형 항공모함에 채용하기에도 힘든 물건이다.

그러나 이 모든 단점을 강력한 사출능력으로 덮어버렸다. 최신형 증기식 캐터펄트는 사출능력이 40t에 육박하기 때문에 연료와 무기를 많이 탑재한 대형 함재기도 쉽게 사출이 가능하다. 그리고 증기만 충분히 공급되면 항공기 연속사출능력도 뛰어나기 때문에 최신형의 경우에는 37초에 1기씩 사출이 가능하다. 그래서 포레스탈급 항공모함 이후의 미국의 대형 항공모함은 증기식 캐터펄트를 사용한다.

증기를 위로 뿜어 힘있게 띄우는거 아니다

2.1.5 전자기식

2014년의 시점에서는 아직 개발중인 캐터펄트 방식. 리니어 유도전동기와 전자석을 이용하여 가속시키기 때문에 기존의 유체 작동식에서 벌어지는 신뢰성 문제가 없으며, 증기식 캐터펄트에서 가끔 일어나는 콜드 런치, 즉 증기압 미달로 인해 사출이 제대로 되지 않는 문제도 없다. 그리고 굵은 증기관을 길게 함수 부분에까지 끌고 올 필요가 없어서 증기배관 부근의 냉각대책 및 강도저하대책의 필요가 없어져 함선의 설계에도 그만큼 유리하다.

다만 전자기식 캐터펄트를 쓰려면 해당 군함의 발전능력이 좀 높아야 하며, 아직까지는 개발단계다. 그래서 미 해군의 제럴드 R. 포드급 항공모함과 중국 해군의 항공모함과 영국 해군의 퀸 엘리자베스급 항공모함이 채택할 예정이다.

2.2 어레스팅 기어

현대식 캐터펄트를 채택한 항공모함에서 빼 놓을 수 없는 것이 어레스팅 기어(Arresting gear), 즉 강제착함 시스템이다.

육상기지에 비해 극도로 짧은 항공모함 비행갑판은 자력으로 함재기가 뜰 수도 내릴 수도 없기 때문에 뜰 때에는 캐터펄트를 이용해서 고속으로 날려야 하고, 내릴 때는 비행갑판에 가로질러 놓은 와이어에 함재기에서 내린 갈고리(훅)가 걸리게 해서 강제로 잡아당겨 운동에너지를 흡수해 버려야 한다. 위의 사진에서 전폭기의 엔진 배기구 아래로 튀어나와 있는 훅에 걸려있는 와이어가 바로 어레스팅 기어의 주요 구성품인 어레스팅 와이어(arresting wire)이다.

위 사진에서 착함한 함재기가 애프터 버너를 켠 것이 보이는데, 함재기는 착함시 어레스팅 기어가 제대로 걸리지 않았거나, 다른 이유로 고 어라운드(착륙을 포기하는것)할것을 대비하고자 함이다. 워낙 활주 거리가 짧다보니 고 어라운드 하기가 힘들다고 한다. 따라서 비행 갑판에 랜딩기어가 닿는 순간 어레스트 훅에 와이어가 걸리든 안걸리든 무조건 출력을 올리고 본다. 훅이 제대로 걸렸다면 자연스럽게 감속이 될 것이고, 걸리지 않았다면 바로 터치 앤 고 하듯 재상승해야 하므로.

어레스팅 기어는 대체로 캐터펄트와 짝을 이루며, 이것을 Catapult Assisted Take Off But Arrested Recovery, 약칭 CATOBAR라고 한다. 그러나 러시아 해군의 어드미럴 쿠즈네초프급 항공모함의 STOBAR, 즉 캐터펄트 없이 스키점프로 이함시키고 어레스팅 기어로 착함시키는(Short take off but arrested recovery) 예외적인 경우도 있다.[5]

2.3 캐터펄트를 채용한 함선

굵은 글씨는 원자력추진 함선이다.

  • 영국
    • 오대이셔스급 항공모함 - 1979년 아크 로열을 마지막으로 퇴역
    • 퀸 엘리자베스급 항공모함 - 2012년 영국이 결국 F-35B를 도입하기로 결정함에 따라 다시 스키점프대 방식으로 회귀할 전망이다. 물론 함선 자체는 차후 캐터펄트로의 개조를 염두에 두고 설계되었긴 하지만......

2.4 캐터펄트로 사출가능한 항공기

  • 미국
    • A-1 스카이레이더
    • A-3 스카이워리어
    • A-4 스카이호크
    • A-5 비질란테
    • A-6 인트루더 및 파생형 EA-6B 프라울러
    • A-7 콜세어 II
    • C-1 트레이더
    • C-2 그레이하운드
    • E-1 트레이서
    • E-2 호크아이
    • F-4 팬텀 II - 해군/해병대 모델인 B, J, N, S형이 해당
    • F-6 스카이레이
    • F-8 크루세이더
    • F-11 타이거
    • F-14 톰캣
    • F/A-18 호넷 및 파생형 EA-18G 그라울러
    • F-35 라이트닝 II - C형이 해당
    • S-2 트래커
    • S-3 바이킹
    • T-45 고스호크

2.5 참조항목

3 배틀테크의 배틀메크

이쪽은 캐터펄트(배틀메크) 항목으로.
  1. ↑ 실패해서 까이긴 했지만 이후 랭글리의 이름은 좀 안습한 함생이긴 한데 그래도 미 해군의 첫번째 정규 항공모함인 CV-1 랭글리의 기원이 된다. 이후에는 경항공모함인 CVL-27 랭글리에도 계승된다.
  2. ↑ 인빈시블급의 3번함 아크 로열과는 다른 군함.
  3. ↑ 물론 일본 해군도 항공모함에 캐터펄트를 얹으려고 노력했으며 1941년경 카가에 실험적으로 유압식 캐터펄트를 장착하기도 했다. 문제는 이 캐터펄트 성능이 개발 명령이 내려진 당시의 주력기인 복엽기에 맞추어 졌기에 무거운 단엽기를 사출하기에는 버거웠다는 점으로, 결국 일본군은 급박한 전쟁 돌입 등의 사정으로 인해 더 이상 항모용 캐터펄트의 개발을 포기하고 말았다.
  4. ↑ 오늘날의 루프트한자와는 별개의 회사이긴 하지만, 현행 루프트한자가 이 회사의 이름과 로고를 매입하였다.
  5. ↑ 다만 이 경우는 함재기인 Su-33이 수직이착륙 기능이 없는 관계로 캐터펄트 방식에 비해 이함 시 최대중량이 더 제한받게 된다. 무슨 소린가 하면, 그만큼 무장이나 연료를 덜 탑재해야 한다는 소리다(...). 때문에 어드미럴 쿠즈네초프급은 차후 비행갑판을 확장하고 캐터펄트를 설치하는 등의 개수를 거쳐 PAK-FA와 MiG-29K를 탑재할 예정이다.
  6. ↑ 프랑스 해군의 클레망소급 2번함 포쉬.