공중급유 방식의 구분

항공기 공중급유은 아래 표1과 같이 크게 프로브-드로그 방식(Probe-Drogue)과 붐-리셉터클(Boom-Receptacle) 방식으로 구분할 수 있다. 이 두 가지 공중급유 방식은 급유를 위한 조작사 여부에 차이가 있으며, 붐-리셉터클 방식은 급유기(Tanker)에서 붐 조작사(Operator)가 수유기(Receiver) 리셉터클에 연결하기 위해 붐을 조종(Control)하는 방식이다. 반면에, 프로브-드로그 방식은 급유기의 드로그(Drogue)에 수유기의 프로브(Probe)를 연결하는 방식으로 수유기 조종사가 수유기 내 설치된 프로브를 드로그에 연결시키는 방식이다. 붐-리셉터클 방식은 급유 속도가 매우 신속하고 수유기에 리셉터클을 설치하는 설계가 비교적 간단한 장점이 있으며, 시스템이 무겁고 단일 급유만 가능하다는 단점이 있다. 프로브-드로그 방식은 헬기 급유 및 동시에 여러 수유기에 멀티 급유가 가능하며, 시스템이 단순한 장점이 있으나, 급유속도가 느리며, 드로그 연결을 위한 조작에 수유기 조종사의 업무 부하가 높은 단점이다. 전 세계적으로 운용되는 대표적 전투기인 F-16/F-15 같은 경우 붐-리셉터클 방식으로 공중급유를 하고 있고, 유럽의 라팔(Rafal)과 F-35B는 프로브-드로그 방식을 채택하여 운용 중이다.

표 1. 공중급유 방식의 구분

붐-리셉터클 방식	드로그–프로브 방식
장점: 급유 신속, 설계 간단 단점: 시스템이 무겁고, 단일 급유만 가능	장점: 다중 급유 가능, 헬기 급유 가능, 시스템 단순 단점: 급유 느림, 연결 조작 난이도 높음, 수유기 시스템의 복작성

표 1. 공중급유 방식의 구분

공중급유 기능 개조

우리 군은 지난 2017년부터 공중급유기(MRTT, Multi-Role Tanker Transport)를 도입하면서 국가 전력을 한 차원 높이고 발전해 나가려는 움직임을 보였다. Airbus 사의 A330-200 기종을 기반으로 개조하여 총 0대의 공중급유기를 도입하였으며 0대는 붐-리셉터클 방식의 공중급유기로 F-15K, KF-16, F-35A가 공중급유 대상이고, 향후 전력화 예정인 KF-21 보라매가 여기에 포함될 예정이다. 나머지 0대는 드로그-앤 프로브 방식이 추가 장착된 공중급유기로 F-35B의 도입과 F-18 등 한·미 연합작전을 대비한 것으로 전해진다.

군 작전 범위 및 항공기 운용능력을 확장하기 위하여 군용항공기에 공중 급유 기능이 필요하며, 이 공중 급유 기능을 보유한 군용항공기는 수출에 유리할 수 있다. 이에 따라 현재 우리나라 공군에 전력화되어 운용 중인 경공격기 FA-50에 공중급유 기능을 추가하는 개조·개량 사업을 국가 차원에서 장려하고 있고 국내 항공 무기체계의 해외 수출 경쟁력으로 이어지도록 노력하고 있다. FA-50은 과거 미 공군 훈련기 사업(APT, Advanced Pilot Training) 수주를 위해 한 차례 공중급유 형상으로 개조를 수행한 적이 있다. 미 공군 훈련기의 요구사항을 충족하기 위하여 FA-50 동체 상부 중앙 부위에 추가 연료탱크를 부착한 붐-리셉터클 방식으로 임시개조가 되었다.

최근 FA-50 항공기가 유럽국가인 폴란드로 수출 수주를 되었으며 폴란드 군 당국은 프로브-드로그 방식의 공중급유 기능을 요구하였다. 이에 본 고에서는 기존 운영 항공기에 프로브-드로그 방식의 공중급유 기능이 추가 되면서 이에 따르는 비행안전 영향성 평가를 수행하기 위한 감항인증기준 선정과 적합성 입증방법에 대해 서술하고자 한다.

감항인증 방안

감항은 견딜 감(堪)과 비행할 항(航)의 합성어로 ‘항공기가 안전하게 비행을 견딘다’는 의미를 가지고 있다. 감항인증은 항공기가 설계에서 도태까지의 전 수명주기 동안 비행 안전성이 있다는 걸 정부가 인증하는 제도이다. 이 제도는 ‘군용항공기 비행안전성 인증에 관한 법률’이 2009년 제정 이후 연구 개발, 구매, 개조·개량되는 군용항공기에 적용되고 있다.

FA-50 경공격기는 미 공군의 감항인증기준인 MIL-HDBK-516B를 기반으로 만들어진 우리 군 표준감항인증기준 Part 1(2009년 고시 기준)을 적용하여 형식인증서¹⁾(Type Certificate)를 획득했다. 형식인증 받은 항공기가 기존 형상 대비 개조 또는 개량되는 경우 사업범위 등을 고려하여 개조 사항에 대하여 영향을 미치는 감항인증기준의 식별을 통해 감항²⁾ 영향성을 평가해야 한다.(그림 1 참조) 이 과정에서 감항인증팀은 사업관리자(감항인증 신청자)와 항공기 개조에 따른 형상변경의 범위와 영향성을 사전에 검토하고, 감항성 평가를 위해 적용할 감항인증기준과 적합성 입증방법을 식별하여야 한다.

공중급유는 아래 그림 2와 같이 표준감항인증기준 Part 1 8장 세부계통 기술분야 중 8.7장 공중급유에서 다루고 있다.

적용 감항인증기준 선정

공중급유와 관련한 감항인증기준은 표준감항인증기준 제8장 세부계통의 8.7장에 명시되어 있으며 총 55개의 기준이 있다. 공중급유 감항인증기준에는 2가지 형태의 공중급유 방식이 모두 포함되어 있으며, 공중급유기(Tanker)에 대한 감항인증기준, 공중급유 사업 및 기종의 형태 등에 따라 감항인증기준의 조정(Tailoring)이 필요하다. FA-50의 공중급유를 위해 적용할 감항인증기준은 그림 3과 같다.

공중급유를 위한 FA-50 개조에 대한 감항성 평가를 위한 세부계통 분야의 감항인증기준은 31개이며, 해당 기준은 연료, 구조, 승무원, 비행기술, 전자기환경, 전기계통 등 6개 기술분야를 복합적으로 고려하여야 한다. 기준 조정 과정 중에 붐-리셉터클 방식, 급유기(Tanker), 프로브 영구 장착, 라디오 통신, 자체진단시험(Buit-In Test) 및 8.3장 연료계통 감항인증기준과 중복되는 기준은 제외하였다.

공중급유 감항인증기준은 연료계통 기술 분야뿐만 아닌 타 분야가 복합 적용된 기준으로 여러 기술 분야 전문가와 협업을 통해 감항인증기준을 수립하고 심사에 적용해야 한다. 특히 감항인증기준 수립(테일러링)하는 과정에서 매우 면밀하고 정확하게 기술 분야를 구분하고 인증 기준 결정해야 한다.

적합성 입증방법

적합성 입증방법(MOC, Method of Compliance)은 감항인증기준 선정 과정에 가장 중요한 요소라 할 수 있다. 그 이유는 감항인증기준의 입증을 위한 방법과 근거자료(산출물, Artifacts)를 결정해야 하기 때문이다.

그림 4는 공중급유 감항인증기준에 따르는 적합성 검증방법과 입증자료를 정리한 것으로 적합성 입증방법은 대표적으로 검사(I, Inspection), 분석(A, Analysis), 시범(D, Demonstration), 지상시험(GT, Ground Test), 비행시험(FT, Flight Test)으로 구분할 수 있다. 각 계통별로 대표성을 띄는 감항인증기준과 적합성 입증방법에 관한 내용은 아래에 기술한다.

연료계통

연료계통은 감항인증기준 8.3장의 연료계통과 유사하나 8.3장에서는 항공기 체계 내에서의 연료 관련된 인증기준을 다루고, 8.7장 공중급유에서 연료계통은 공중급유와 관계된 인터페이스, 적합성, 절차, 압력 초과 등을 다룬다. FA-50 항공기는 지상에서의 연료 급유에 대해서만 비행안전성이 입증되어 있으므로, 공중급유 상황에서 급유됨에 따른 항공기 무게중심의 영향성에 관한 해석과 비행시험이 필요하며 이를 입증해야 한다.

승무원시스템

승무원시스템 분야에서는 조종석 내에서 공중급유 시스템 정상작동 여부 확인을 위한 계기 시현과 외부에 위치한 공중급유등이 확인 가능한지 여부 등을 입증해야 한다. 특히, 공중급유 기능 작동을 위한 제어기가 조종사가 조절하기 위한 적절한 위치에 있으며, 각종 계기 및 공중급유등이 조종사 야시영상계통(NVIS, Night Vision Imaging System)에 적합 여부를 지상 및 비행시험으로 입증해야 한다. 제어기 및 계기 시현과 관련한 조종석의 예시를 그림 5에 나타내었다.

구조

구조에서는 공중급유 인터페이스와 항공기 기체 구조 간 손상 여부에 대한 확인이 필요하며, 기체구조와 공중급유 인터페이스와 간섭에 따른 외부물질(FOD, Foreign Object Damage)이 생성되지 않음을 입증해야 한다. 특히, 공중급유 과정에서 발생하는 하중에 기체구조가 견딜 수 있음을 해석과 항공기 체계 수준의 하중 지상 시험을 통해 이를 입증해야 한다.

전기 계통 및 전자기 환경

전기계통은 공중급유계통 내 전기적 고장으로 인해 항공기 체계 수준의 전기계통에 악영향을 미치지 않음을 전기배선 도면 검사와 전기부하 해석을 통해 입증해야 한다.
전자기 환경 분야에서는 전기-연료계통 인터페이스의 적절성과 프로브 형태의 공중급유 장치가 돌출됨에 따른 낙뢰 영향성에 대해 위험 요소 분석 및 전자기 적합성 관련 지상시험 통해 감항에 영향이 없음을 입증해야 한다.

비행기술

비행기술은 감항인증기준 중에서도 조종사의 정성적인 판단이 필요한 매우 특수한 기술분야 이다. 조종 특성(Flying Quality)이라는 것은 항공기를 설계하여 제작된 이후 조종사만이 확인하고 평가할 수 있는 요소이므로, 공중급유의 비행제어 조종특성의 안전성에 대한 시험은 비행시험을 통해 입증해야 한다.

결론

본 고에서는 한국 군이 운용 중인 군용항공기인 FA-50 경공격기에 공중급유 기능이 추가될 경우 고려해야하는 감항인증기준과 적합성 입증방법 및 입증자료에 관해 기술하였다. 본 고에서 전달하고자 하는 시사점은 다음과 같다.

1) 공중급유 감항인증기준에는 다양한 기술 분야가 복합적으로 조합되어 있으므로 타 분야의 전문성을 복합적으로 고려하여야 한다.

2) 표준감항인증기준(MIL-HDBK-516B) 공중급유 기준에는 급유 방식에 대한 기준이 모두 포함돼 있으므로, 공중급유를 위한 사업적 조건과 목표에 따라 감항인증기준의 테일러링이 반드시 필요하다.

3) 기존 운용 항공기에 공중급유 기능 추가를 위해서 개조되는 사항에 대해서는 시제기 또는 가용한 동일형상의 운영 항공기를 확보하여, 선정된 감항인증기준에 따른 감항성의 입증이 필요하다. 이에 따라 공중급유 기능 추가에 따른 연료 배관, 기존 연료시스템과의 연동성, 구조 하중, 낙뢰 영향성, 조종특성, 조종실 확인 사항 등을 종합적으로 고려하여야 한다.

4) 붐-리셉터클 방식의 공중급유 감항인증기준과 적합성 입증방법의 선정 시 본 고의 내용을 참고하면 좋을 것이다. 특히, 현재 개발 중인 KF-21 보라매 항공기는 붐-리셉터클 방식의 공중급유 방식이고, MIL-HDBK-516C 기반으로 기종별 감항인증기준을 적용하므로 향후 차이점을 고려하여 감항성 평가에 참고자료로써 활용될 수 있을 것으로 판단된다.