1. 개요
Thrust Vector Control라는 단어의 약어. 항공시 엔진 추력의 방향과 크기[1]를 조절하여 비행체의 조종면에 부가적인 역할을 해주거나, 항공기의 실속같은 조종 불능 상황에서 기체의 방향을 제어할 수 있도록 해주거나[2], 수직/단거리 이착륙 항공기 또는 조종면이 존재하지 않는 비행체에 사용되기도 한다.이는 노즐뿐만 아니라 엔진 자체의 방향을 바꾸는 것도 포함하며, 역시 틸트로터를 사용한 오스프리같은 항공기도 포함하게 된다.
공기중에서의 양력과 관련한 급기동과 관계 없이 공기가 거의 없거나, 혹은 아예 없는 우주 공간을 비행해야 하는 탄도 미사일이나 우주왕복선 등 진공 환경을 고려한 상황을 상정한 경우에도 추력 편향 노즐을 사용중이다.
사실 대기권내라면 추력 편향 노즐로 얻을 수 있는 힘 자체는 그리 큰 힘이라 말할 수 없다. 항공기나 미사일은 기본적으로 선회시 날개에서 얻는 양력을 이용하는 편이 더 효과적이다. 실제로 대기권내에서 이들 비행체는 날개 및 꼬리날개에서 얻는 양력으로 자세제어 및 선회를 한다.
그럼에도 전투기나 미사일에 추력 편향 노즐을 사용하는 것은 날개/꼬리 날개가 양력을 낼 수 없는 비행 구간, 즉 매우 높은 고고도나 혹은 아주 느린 저속에서도 힘을 낼 수 있으며, 기존 조종면과 동시에 이용할 경우 기동성을 크게 향상시킨다. 양력은 기본적으로 속도/공기밀도가 일정수준 이상 되어야 생기지만 엔진의 추력은 여기에 영향을 덜 받기 때문(제트 엔진도 연소 과정에서 산소가 필요한 만큼 영향을 받긴 한다).
자세 제어를 위한 꼬리 날개를 없애고, 추력 편향을 사용하면 무게 절감 효과가 크기 때문에 거의 모든 우주 비행용 발사체는 추력 편향 기능을 부착한다. 엔진이 한 단에 1개만 있는 경우는 보통 터빈 배기 노즐로 롤링을 해결한다.
달착륙선 하강단 및 아폴로 사령선도 추력 편향 기능을 부착했는데, 이러한 우주 공간에서만 사용되는 우주선의 추력편향 장치는 대부분 기동성보단 추력 중심을 맞추기 위함이다.
지구에서 달 착륙선의 비행을 재현하여 훈련하기 위해, Lunar landing research vehicle라는 기체가 제작되었는데, 엔진이 2축 짐벌에 고정되어 엔진이 기울어지며 달 착륙선의 기동을 재현하였다. 이쪽은 엔진은 자세 제어에 관여하지 않고 16개의 과산화수소 로켓이 자세를 조절한다.
실험기로는 X-31가 대표적으로 있었다. 목적이 추력편향 능력을 시험하기 위한 기체였다.
그래서 추력 편향 노즐을 사용하는 전투기들의 경우 실속 직전, 혹은 실속 이후에도 급기동이 가능하며,[3] 극단적인 경우를 예를 들자면 전통적인 방식으로 원을 그리며 선회할 필요 없이 기수만 갑작스럽게 확 비틀어 적에게 미사일을 쏘는 것도 가능하다.
미사일 역시 발사 직후 아직 속도가 느린 상태에서는 날개를 제대로 쓰기 어려워서 기동성이 제한되는데, TVC 기술을 접목하면 발사 즉시, 아주 작은 선회 반경으로 급선회가 가능하기에 최신예 단거리 공대공 미사일은 상당수가 추력 편향 노즐을 사용중이다. 특히 러시아의 R-73 미사일이 등장하자, 이 미사일이 거의 발사 직후 방향을 바꾸는 데다가 헬멧 연동 조준 장치 덕분에 조준 조차도 빨라 전통적인 도그파이팅과 다른 양상으로 공중전이 벌어질 것을 직감한 서방의 군대들이 앞다퉈 신형이든 개량형이든 추력 편향 노즐을 달았다.
2. TVC 방식
2.1. 추력 편향 노즐
F-22
Su-37
우주왕복선
스타쉽 부스터
Thrust Vectoring Nozzle
줄여서 TVN, 또는 짐벌이라고도 부른다.
가동 노즐(Movable Nozzle)라고도 불리우며, 노즐 자체가 움직이는 방식으로, 제트 엔진이나 로켓 엔진처럼 연소 가스를 분사해서 추진력을 만드는 엔진에는 분사구인 노즐(Nozzle)이 달려있는데, 이 노즐의 분사 방향을 기계적으로 조절 가능하게 만들어 비행체의 조종면과는 별도로 비행 방향(혹은 자세)을 제어하는 모멘트 힘을 만들어 준다.
가장 직관적인 방식이지만 생각보다 제작하기 어려운데, 노즐이 이리저리 움직이면서도 한편으로는 고온/고압의 가스가 새어나가지 않도록 설계해야 하기 때문이다. 일반적으로 전투기들은 노즐이 기본적으로 속도나 엔진추력에 따라 조리개마냥 출구 면적을 조절할 수 있는 방식이긴 한데 이것을 좀 더 복잡하게 만들어 여러방향으로 노즐이 움직이게 만들 수 있다. 이 경우 이론상 상하좌우 모든 방향으로 움직이는 것이 가능하다. F-22는 2차원 노즐이라 하여 사각형 노즐의 위,아래만 움직일 수 있는 방식을 택한다.[4]
물론 Su-37 처럼 조리개 방식 노즐을 응용하더라도 무조건 상하좌우 다 움직일 수 있는 것은 아니며 비용이나 효과등을 고려하여 상하로 움직이는 기능만 넣기도 한다.
로켓 엔진을 사용하는 미사일이나 우주 비행용 발사체는 조리개 형태의 노즐을 사용하지 않고, 그냥 하나의 직경이 고정된 노즐을 사용한다. 대신 이 노즐과 로켓 엔진 사이를 유연하면서도 고온에 견딜 수 있는 소재로 연결하거나, 혹은 일종의 볼 조인트(Ball Joint) 관절 구조를 응용하여 노즐을 설계한다. 또한 로켓 엔진 자체를 움직이는 방법도 있는데, 전자는 주로 소형 로켓에, 후자는 주로 대형 로켓에 사용한다.
재사용 로켓의 경우 로켓 상단 부분에도 측추력기를 부착해 그리드 핀의 활강 능력, 로켓 엔진 각도 조절로도 커버가 되지 않는 부분의 재돌입 단계의 균형 유지 기능을 보충하고 있다. 이러한 기술들이 종합적으로 적용되는 현재에 이르러서는 블루 오리진의 로켓은 착륙 직전 단계에서는 거의 호버링을 하는 수준으로 착륙을 제어하는 안정성을 보여주고 있으며 스페이스X의 스타십은 우주왕복선 오비터처럼 배면으로 낙하하는 로켓을 착륙 직전 들어올려서 다시 수직으로 균형을 맞춰 지면에 도착하는 수준의 묘기를 보여주고 있다.
2.2. 제트 베인
| AIM-9X 분사구의 제트 베인 작동 모습 |
엔진 노즐 안쪽에 제트 베인(Jet Vane)이라 불리는 작은 날개가 있어 이것이 움직이는 방식이다. 쉽게 말하면 자동차 에어컨/히터에 달린 그것을 기계식으로 만들었다 보면 된다. 현재는 단거리 공대공 미사일에서 주로 볼 수 있는 방식이지만, V2나 스커드 같은 초기형 대형 탄도 미사일에서도 사용된 바 있다.
제트 베인 방식의 TVC는 노즐 자체는 고정되어 있지만, 노즐 안쪽의 제트 베인이 움직여 노즐을 통해 분사되는 로켓/제트의 화염을 비틀어 추진 방향을 바꾼다. 이 방식은 가동노즐보다 상대적으로 설계가 더 간단하며, 제트베인이 움직이는 축 부분만 잘 틀어 막으면 되므로 추진 압력 분산 우려에 대해서도 더 자유롭다.
대신 노즐 내에 간섭물이 있는 것이니 추진 효율이 일부 저하되기 마련이며, 엔진 작동 내내 제트베인이 로켓모터/제트엔진의 분사 화염을 뒤집어쓰므로 수명이 길래야 길 수가 없다. 그래서 현재 제트베인은 일회용인 미사일에서만 볼 수 있으며, 제트 항공기나 다회/장시간 사용을 전제로 한 발사체에서는 보기 어려운 방식이다.
2.3. 제트 탭
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| R-73 분사구를 감싸는 제트 탭의 모습 |
단점은 제트 베인 방식보다 무게에서 불리하고, 분사 흐름을 바꾸는 정도가 아니라 아예 노즐 일부를 틀어막는 방식이므로 추력편향 가동 시의 추력 손실이 더 크다. 대표적으로 R-73 미사일이 이 방식의 TVC를 사용중이다.
2.4. 측면 가스 분사 방식
노즐 안쪽 벽면에 별도의 작은 구멍이 있어 제트 흐름 일부가 이쪽을 통해 나오게 하는 방식이다. 원래의 큰 제트 흐름은 이 구멍을 통해 나온 작은 제트 흐름에 간섭을 받아 비대칭이 된다. VTOL이라면 TVN과 더불어 쓰이는 경우가 많다.3. TVC를 사용하는 양산형 항공기
3.1. 제트 엔진
- F-22: 상하 방향으로만 가동할 수 있는 2차원 추력편향 노즐이다. 요(Yaw) 방향의 추력 편향은 되지 않지만 그래도 STOL에 어느 정도 용이하며, 가로로 펼쳐진 형상의 배기구는 RCS 수치 저감과 적외선 분출량 감소에 효율적이다. 사실 F-22는 Su-57보다 훨씬 오래 전에 실전 배치되었기에 2차원은 당연한 것이며 상기했듯이 특유의 형상 덕에 스텔스성에서는 3차원 노즐보다 우수하다. 정비성 또한 훨씬 양호한 편.
- F-15S/MTD: TVC 테스트용 실험용 기체이다. 초기형은 2차원, 후기형은 3차원 TVC 노즐을 사용한다.
- Su-37: TVC 테스트용 실험용 기체이다. 그래서 최신 수호이 시리즈와 달리 2차원 TVC 노즐을 사용한다.
- Su-57: Su-57용 스텔스 엔진인 Type-30 엔진 개발이 지연되어 실험기와 초기 양산형은 Su-35에 사용된 AF-41 엔진의 출력 강화형이 땜빵으로 탑재되어 있다. 때문에 기체의 크기치고는 엔진이 비교적 많이 돌출된 형태이며, Su-57는 엔진이 2개 탑재된 쌍발기이므로 돌출 면적이 더욱 넓어 경쟁 기종에 비해 스텔스 성능이 상당히 떨어진다고 보는 시각이 지배적이다. Type-30 엔진 장착형부터는 노즐이 톱니 처리가 되고 길이도 짧아져 기존보다 스텔스성이 보강되었다.
- Su-47: 양산형 S-22는 2차원 TVC 장착 AF-31 엔진이 탑재될 예정이였으나 결국 양산되지 못했다.
- AV-8 해리어/Yak-38: 엔진에 연결된 4개의 분사구가 0도부터 90도까지 움직여 수직이착륙을 가능하게 하며, 비행 중에도 분사각을 조정할 수 있어 VIFF 등 특이한 전투기동에 사용할 수도 있다.
3.2. 로켓 엔진
- R-73 단거리 공대공 미사일
- AIM-9X 단거리 공대공 미사일
- IRIS-T 단거리 공대공 미사일
- Python 5 단거리 공대공 미사일
- SRAAM[5](=Taildog) 단거리 공대공 미사일
- MICA 단거리/중거리 공대공 미사일
- BGM-109 토마호크 미사일의 로켓부스터 부분
- 우주왕복선: 오비터의 로켓 엔진 RS-25가 추력 편향 노즐을 사용 최대 짐벌각이 15°나 된다. 또한 양쪽의 부스터에도 짐벌이 있어서, 양력 비행체치고는 모양이 이상한(...) 우주왕복선이 제대로 날 수 있도록 도와준다.
- 대부분의 우주 발사체