X-50

X-50은 카나드-로터-윙(Canard-Rotor-Wing, 줄여서 CRW) 형태를 실험하기 위해 개발된 X 실험기 시리즈중 하나다.

1 개발목적

DARPA는 1980년대에 뜨고 내리거나 정지비행하는 것은 헬리콥터처럼 쉽게 하면서도, 고속으로 비행할 때는 일반 제트 비행기처럼 비행할 수 있는 비행기를 개발하고자 하였다. 물론 이 시기에 틸트로터 기술이 이미 구체화 되어가고 있었으나, 틸트로터는 프로펠러 항공기라는 한계 때문에 최대속도에 여전히 제한이 있었다. 처음 DARPA가 시도한 컨셉은 X-wing이었으나 이 방식은 S-72 항목에서 확인할 수 있는 것과 같이 현시창.

이후 절치부심한 DARPA가 내놓은 컨셉이 카나드-로터-윙 타입의 X-50이다. 실제 항공기의 설계 및 제작은 보잉이 맡았으며, 예산은 이례적으로 보잉도 기술투자 차원에서 절반가량 부담하였다.

2 특징

카나드-로터-윙(이하 CRW)라는 컨셉은 헬리콥터 모드에서는 로터를 돌려 수직이착륙 및 공중정지 비행을 하고, 고정익기 모드에서는 로터를 날개처럼 고정시켜 카나드 및 윙과 함께 로터 역시 고정날개로 사용하여 양력을 얻는 다는 개념이다.

이 개념이 나온 이유는 이전의 X-wing 연구과정에서 나온 몇 가지 문제점 때문이다. 일단 X-wing은 메인로터 바로 아래에 큰 날개가 있다보니 헬리콥터 모드에서 이 날개가 로터의 후류를 수직으로 내리 받는다. 덕분에 날개부근에서 불필요하게 기체를 아래로 찍어 누르는 힘이 생겨버린다. 또한 헬리콥터 모드에서 고정익 모드로 변환시 날개와 꼬리날개만으로는 안정적인 양력을 만들어내기 어렵기 때문에, 전환 단계에서 더 많은 양력을 만들어줄 날개가 필요하였고, 그 결과 큰 카나드와 날개를 달 되, 이를 메인로터에서 가급적 멀리 떨어트려 놓았다.

X-50는 메인로터를 돌리는 힘은 X-wing과 마찬가지로 팁제트(Tip Jet)방식을 사용하여 얻었다. 이 방식은 메인로터 끝부분으로 고속의 제트를 분사하여 메인로터가 일정방향으로 회전하도록 하는 것이다. 만약 일반 헬리콥터처럼 구동축을 직접 연결하면 반동으로 인해 동체가 반대로 돌아가게 된다. 그러면 헬리콥터와 마찬가지로 꼬리로터가 별도로 필요하거나, 기타 반동억제를 위하여 추가적인 설계가 필요하므로 이를 미연에 방지하기 위하여 팁제트 방식을 사용한 것이다. 물론 이 방식은 소음이 심한데다가 비효율적이지만 X-50처럼 헬리콥터모드만 중요한 경우가 아니라면 별도의 반동제어 장치를 다는 것 보다는 이득이었다.

X-wing은 헬리콥터 모드일때나 고정익모드일때나 로터의 각도등은 전혀 변화가 없던 것과 달리, X-50은 헬리콥터 모드일 때는 로터부분이 일정 각도로 꺾여서(feathering) 받음각이 생기므로 상대적으로 헬리콥터 모드일 때의 효율이 좋아졌다. 다만 고정익기 모드일때와 헬리콥터 모드일 때 필요한 날개 앞뒤 방향이 각각 다르므로 별 수 없이 날개 모양 자체는 흔히 타원형 익형(airforil)이라고 부르는 앞뒤상하 대칭형인 로터 형상을 사용하였다. 대신 로터 한쪽의 작은 틈새로 공기를 내뿜어 공기흐름을 비대칭으로 만들어 로터의 앞뒤, 어느쪽으로 바람이 불어와도 양력을 만들 수 있도록 하였다.

헬리콥터는 공중에서의 자세제어를 메인로터의 기울기와 꼬리로터의 출력을 이용하는것과 달리 X-50은 기체 각 방향에 있는 작은 분사구로 제트를 내뿜는 방식을 택하였다. 여러모로 여기저기 제트가 뿜어져 나오는 구멍이 있는 셈.

엔진은 작은 터보팬 엔진 1개를 사용하며, 여러 밸브등을 통해 여기서 발생한 고압/고속의 공기를 로터로 보내거나, 자세제어용 노즐로 보내거나, 혹은 추진을 위해 뒤로 그냥 분사하거나 한다.

한편 X-50은 개발비 감소를 위한 소형화와 만에하나 발생할 사고등에 대비하여 기체는 무인기로 제작되었기에 승무원 탑승공간은 없으며, X-50 자체는 실험기로 제작되었기에 별도의 화물(무장이나 승객, 기타 말 그대로 화물)을 탑재하지는 않았다. 다만 이론상 90kg 가량의 화물을 탑재할 수 있기는 하였다.

무인 시스템은 뭔가 거창한 자동화 시스템이 도입된 것은 아니었으며, 기본적으로 지상의 조종사가 일일히 조종하는 방식이었다. 어차피 개발 목적이 무인기 개발에 초점이 맞춰진게 아니라 CRW라는 개념을 진짜로 구현할 수 있는지를 확인하는 것이 목적이었으니 뭐...

3 사업

본래 숫자 순서상 X-'50'이 될 차례가 아니었으나 "헬리콥터 50%, 비행기 50%"라는 점을 어필하려고 보잉등의 강력한 요청에 따라 숫자를 50으로 정했다는 카더라통신이 있다.

이 CRW는 만약 실용화만 된다면 틸트로터와는 비교도 되지않게 고속 비행이 가능하므로 특히 정찰용과 공격용으로 유용하였다. 실제로 미 해병대는 이 컨셉에 많은 관심을 가졌으며, 만약 성공한다면 실용화하여 AH-1 공격헬리콥터를 대체하는 무인 정찰/공격헬리콥터로 쓸 예정이었다.

DARPA와 보잉은 2000년대 초반부터 X-50의 설계 및 제작에 들어갔으며, 2003년에 첫 비행에 성공하여 헬리콥터처럼 수직으로 떠서 공중에 멈췄다가 다시 내려왔다. 그러나 2004년 3월 23일, 3번째 시험비행중 추락사고가 나서 시험기가 박살이 나버렸다. 원인은 제어시스템의 문제로, X-50 고유의 비행특성을 잘못 이해한 덕에 조종사가 원하는 것과는 엉뚱한 방향으로 움직이다 추락해버렸다.

이후 개발진은 비행제어 소프트웨어를 개량하는 등의 설계변경을 거쳐 2호기가 제작하였다. 2호기는 총 11회의 비행시험이 예정되었으나 2005년 4월, 2호기 역시 6번째 비행시험 도중 추락하였다. 원인은 동체부분으로 인하여 X-50이 공기역학적으로 위아래 움직임(피칭)이 지나치게 민감하였던 것이다. 이는 특정 공기속도에서 맞바람과 로터의 후류가 겹쳐서 불필요하게 동체 앞쪽 기수를 위로 들어 올려 버리는 문제가 생겼는데, X-50의 기본 제어 시스템만으로는 해결이 불가능하였다.

결국 2번이나 사고를 내버리자 사업 진행이 어려워졌고, 결과적으로 사업은 취소되고 말았다.

4 여담

우리나라의 스마트 무인기 사업도 초기에는 이 X-50의 영향을 받아 CRW 형상을 하는 것도 고려하였다. 그러나 기술적으로 어려움이 많아보였기에(아직 X-50이 실패하기 전의 일이다) 몇 가지 형상을 놓고 비교검토하였으며, 미국의 조지아 공과대학교과도 협동 연구하여 체계적(시스템 엔지니어링)으로 비교검토하여 CRW형상 보다는 현재의 틸트로터 형상이 우리 실정에 낫다는 결론을 내렸다. 그 결과 스마트 무인기 사업은 X-50 대신 미국의 이글아이를 닮은 무인 틸트로터 형태로 개발되었고, 결과적으로 X-50과는 다른 길을 걷게 된다.

아널드 슈워제네거 주연의 영화 '6번째 날'에 딱 이러한 방식을 모티브로 한 비행기가 나온다. 주인공이 작중 운영하는 민간 공항에서 스노우보더들을 인근 설산으로 운송하는 데 사용된다. 다만 이 비행기가 본 항목의 비행기와 아주 큰 다른 점이 있다. 이 비행기의 로터는 2개로, 고속 비행 모드시 로터가 정지 후 고정되어 주날개 역할을 한다.(!) 공중에서 로터를 멈추는데도 미동도 안하는 괴한 모습을 보이기도 한다. 배경이 미래라서 아놀드가 휴대용 조종기로 원격 조종을 하는 장면도 나온다. 맨 마지막에 실속에 빠졌는데 아놀드가 주인공 보정으로 구사일생으로 비행기를 원상복구시키는 장면이 나온다. ㅎㄷㄷ

5 관련항목

• 무인기
• S-72
• 틸트로터
• X 실험기 시리즈
• 스마트 무인기