F-35 엔진은 산업계에 수십억 달러가 달린 기로에 서있어

미 국방부과 업계는 F-35 엔진의 개선이 필요하다는 데 동의한다. 그러나 수년간의 개발과 논쟁에도 불구하고, 앞으로 나아갈 길은 아직 분명하지 않다.

5세대 전투기의 미사일 능력, 전자전, 조준시스템 등이 당초 구상했던 수준을 뛰어넘는 진일보한 데다 미 공군이 중국과의 전쟁 가능성을 우려해 F-35에 전력과 냉각 능력을 더 얹어주겠다는 전략이다.

하지만 그곳에 가는 방법에는 여러 가지 선택지가 있다. 한 가지 접근 방식은 F-35 엔진 강화 프로그램을 통해 현재 F-35를 구동하고 있는 프랫 앤 휘트니 사의 F135 엔진에 대한 일련의 업그레이드를 하는 것이다.

또 다른 잠재적 경로로는 연료 효율과 추력을 향상시키기 위해 제3의 공기 흐름과 같은 최첨단 기술을 사용하는 완전히 새로운 대체 엔진이다. 프랫 앤 휘트니와 제너럴 일렉트릭 항공은 각각 AETP로 알려진 적응형 엔진 전환 프로그램의 일부로 경쟁 버전을 개발했다.

공군과 국방부 관계자들은 지금까지 F-35가 새로운 적응 엔진을 받을지 아니면 업그레이드된 F135를 받을지 결정하지 못했다. 하지만 내년 안에, 그 회사들은 군의 미래 계획이 초점을 맞출 것으로 기대하고 있다.

군의 결정은 수십억 달러의 국방비가 궁극적으로 어디로 갈지는 말할 것도 없고 공군 전투기의 주춧돌의 미래 전력과 추진 능력을 결정할 것이다.

GE에비에이션은 적응형 엔진이 F-35에 적합한지에 대해 서로 다른 견해를 가지고 있다. GE 에비에이션에 따르면 XA100은 제트기의 추력, 속도, 항속거리 및 열 관리를 획기적으로 향상시켜 보다 발전된 시스템을 다룰 수 있는 능력을 제공할 것이라고 한다.

그러나 프랫 앤 휘트니는 XA101의 적응형 엔진에 대한 연구를 계속하고 있지만, 심지어 그것이 공군의 개발 중인 차세대 제공 우세 플랫폼에 동력을 공급할 것이라고 상상하고 있지만, 회사 관계자들은 단일 엔진 전투기에 완전히 새로운 엔진을 장착한 것은 실수라고 주장한다.

프랫 앤 휘트니는 단발 엔진인 F-35의 새로운 적응형 엔진이 공중에서 고장 날 경우 비행기와 조종사가 위험에 처할 수 있다고 말한다. 그리고 만약 지상에서 문제가 발견되면, 그 회사는 그것이 해결방안이 마련될 때까지 공군 전투기의 중요한 부분을 옆으로 비켜서 전투태세에 타격을 줄 수 있다고 경고한다.

프랫 앤 휘트니는 기존 엔진에 대한 업그레이드는 더 적은 새로운 요소와 더 적은 위험을 수반할 것이며, 강화된 버전은 추가 출력, 추력, 범위 및 냉각을 제공하기 위해 여전히 개선된 코어를 가질 것이라고 말한다.

그러나 정부 감독 프로젝트의 군사 분석가이자 프로그램 비평가인 댄 그라지어는 디펜스 뉴스와의 인터뷰에서 F-35를 담당하는 관리들은 어떻게든 결정을 내려야 한다"고 말했다.

그라지어는  "이러한 결정이 오래 지연될수록, 이 엔진들을 다루기 위해 더 많은 F-35가 만들어질 것입니다"라고 말했다. "이 문제에 대해 더 빨리 결정을 내릴수록 모든 사람이 더 잘 살게 될 것입니다. 어떤 지연도 미래의 비용을 증가시킬 것이기 때문입니다."

달아오르고 있다!

F-35의 열관리 요구사항은 현재의 F135 추진시스템이 설계된 초기부터 상당히 증가해왔다. 전투기가 블록 4의 기능을 모두 갖추게 되면(현재 정부회계관리국은 2029년에 이를 것으로 예상), 더 높은 냉각 능력을 필요로 하는 더 뜨겁게 달구게 될 것이다.

F-35의 냉각 수요를 증가시키는 블록 4의 업그레이드에는 첨단 전자전 능력, 향상된 표적 인식 및 더 많은 미사일을 탑재할 수 있는 기능 등이 포함될 것이다.

프랭크 켄달 공군 장관은 하원 군사위원회 청문회에서 AETP 엔진이 완전한 개발까지는 아직 몇 년이 걸리지만 성능에서 20-25%의 향상과 상당한 비용 절감을 가져올 수 있다고 말했다.

켄달은 "현재의 능력에 비해 상당한 개선이 될 것"이라고 말했다. "AETP 엔진은 F-35의 현대화를 계속하면서 필요한 출력을 높여줄 것입니다. 그리고 F-35의 매우 큰 재고를 보유하게 될 것입니다. 따라서 이 엔진을 통해 달성할 수 있는 연료 절감 효과는 상당히 클 것입니다."

미 국방부 기자들과의 6월 말 원탁회의에서 앤드루 헌터 공군 획득 위원장은 GE와 프랫 앤 휘트니가 적응형 엔진에 대해 이룬 진보를 칭찬하며 초기 시험 결과가 "매우 고무적인 것"이라고 설명했다.

헌터는 "우리가 찾던 전력, 열관리, 연비 등의 장점이 테스트 프로그램에서 입증되고 있다"고 말했다.

헌터 위원장은 AETP가 원래 제공하고자 했던 기능들 - 예를 들어, 첨단 전자 장치를 작동시키면서 더 나은 고온 관리를 할 수 있는 기능들 - 이 F-35가 중국과의 싸움에서 정확히 필요한 것으로 밝혀지고 있다고 덧붙였다.

바이든 행정부의 가장 최근의 국방 전략은 극초음속 무기처럼 현대화된 군사력과 첨단 능력을 갖춘 중국을 미국이 직면한 가장 큰 위협으로 계속 열거하고 있으며, 기밀 문서의 공개 요약에서 중국을 "우리의 가장 중요한 전략적 경쟁자"라고 부르고 있다. 이 보고서는 또한 러시아가 "급격한 위협"을 가하고 있다고 명시하고 있다.

F-35의 미래 엔진에서 전진 경로를 결정하는 데 도움이 되는 두 가지 핵심 연구가 진행 중이다. F-35 합동 프로그램 사무소는 공군, 해군, 해병대의 도움을 받아 원하는 냉각 기능을 제공할 수 있는 사용 가능한 엔진 및 동력 열 관리 시스템 옵션을 검토하는 비즈니스 사례 평가를 수행하고 있다.

8월까지 마무리될 것으로 예상되는 이 연구는 미국 서비스 리더들과 F-35를 운항하는 파트너 국가의 관계자들이 결정을 내릴 수 있도록 각 옵션의 비용, 일정, 성능 및 기술적 위험을 평가할 것이다.

F-35 공동계획 사무소의 대변인인 매튜 올레이는 추진 프로그램 관리 사무소가 올가을 전투기 합동 운영위원회에 연구 결과를 브리핑할 것이라고 말했다. 그러나 그는 최종 결정이 언제 내려질지는 아직 확실하지 않다고 말했다.

공군은 또한 실제 전투 상황에서 이러한 다른 해결책들이 어떻게 작용하는지 알아보기 위해 광범위한 연구를 수행하기 위한 보완적인 작전 평가를 수행하고 있다. 공군은 5월에 관계자들에게 이 연구의 초기 발견에 대해 설명했고, 9월에 결론을 내릴 것으로 예상된다.

전 F-35 합동 프로그램 책임자인 에릭 픽 중장은 하원 군사위원회 위원회에 출석한 지난 4월 또 다른 청문회에서 공군의 작전 평가에 대해  "만약 솔루션이 추가적인 범위, 내구성 또는 페이로드를 제공한다면, 질문은 다음과 같습니다. 전쟁에서 그것이 실제로 무엇을 의미합니까?" 말했다. "아태 지역에서 실제로 이 시스템을 전투에 사용할 때 실제로 어떤 의미가 있습니까?"

공군은 또한 올해 F-35에 적응형 엔진을 채택하기 위한 토대를 마련할 수 있는 정보를 수집하려고 노력했다. 지난 1월 F-35 엔진 교체 프로그램에 대한 정보를 요청했으며, 2028년 저율 초도 생산에 들어가는 것을 목표로 하고 있다.

이 RFI는 잠재적 공급업체들에게 제트기에 새로운 적응형 엔진을 어떻게 제공할 것인지를 물었다. 제출 서류는 잠재적인 공급망 장애, 잠재적인 위험을 처리하는 방법, 주요 비용 요인 및 계약업체가 비용을 절감하는 방법을 식별해야 했다.

그러나 켄달은 하원 의원들에게 공군이 AETP 루트를 채택할 경우 F135를 완전히 대체할 것이며 이는 F-35A의 재고품에는 2차 엔진 타입이 없다는 것을 의미한다고 말했다.

켄달은 AETP를 완전히 개발하고 생산에 들어가는 비용이 60억 달러를 넘을 수 있다고 말했다.

프랫 앤 휘트니는 F135에 대한 향상된 엔진 업그레이드가 AETP의 개발 비용의 약 3분의 1로 훨씬 저렴한 비용으로 작업을 완료할 수 있다고 말했습니다. 회사는 업그레이드된 엔진이 F135와 같은 비용이 들 것이며 수명주기 비용을 최대 400억 달러까지 절감할 수 있을 것으로 예측하고 있다.

 

 

산업계의 노력

프랫 앤 휘트니의 F135 엔진 프로그램 담당 부사장인 젠 라트카는 이 전투기의 엔진 미래에 대한 단서를 찾기 위해 올 가을 F-35 합동 조종 위원회의 다음 회의를 지켜볼 것이라고 말했다.

라트카는 6월 6일 디펜스 뉴스와의 인터뷰에서 "미래년 국방계획 지출 전망에 대한 결정은 비교적 짧은 시간 내에 내려질 필요가 있다"며 "이것에 대해 우리가 필요로 하는 것이 늦기 때문"이라고 말했다. 예산 내에서 구축되어야 합니다."

GE 에비에이션의 D.C. 사무소에서 6월 21일 가진 인터뷰에서, 고급 전투 엔진 프로그램 부사장은 내년 2024 회계 예산안이 발표될 때 이를 말해 줄 것이라고 말했다.

데이브 트위디는 디펜스 뉴스와의 인터뷰에서 "이 문서는 공군이 어디로 가고자 하는지, 그리고 국방장관실이 어디로 가고자 하는지를 알 수 있는 매우 중요한 문서가 될 것"이라고 말했다.

두 회사 모두 자신들이 선호하는 추진 시스템이 제공할 것으로 예상되는 개선을 선전하고 있다.

프랫 앤 휘트니는 F135를 업그레이드 할 수 있는 향상된 엔진 프로그램에 대한 접근 방식이 블록 4의 기능을 완전히 허용하고, 추력과 사거리를 10% 이상 증가시키며, 열용량을 50% 이상 향상시킬 수 있다고 말했다.

트위디는 GE의 XA100 엔진은 현재 F135보다 25% 더 많은 연비를 제공할 수 있어 F-35의 사거리를 30% 늘릴 수 있을 것이라고 말했다. 그는 또한 추력을 10-20% 더 제공할 수 있어 가속도가 25-40% 더 높아지고 열 관리가 두 배가 될 것이라고 말했다.

트위디는 "앞으로 몇 년, 몇 십 년 동안 운영상 관련성이 있는 혁신 기능을 제공할 수 있는 제품을 원하십니까?"라고 말했다. "향후 5년간의 문제를 해결할 수 있는 점증주의적 접근 방식만이 아닐까요?

트위디는 XA100 엔진에 이러한 기능을 구현할 수 있는 세 가지 요소가 있다고 말했다. 하나는 주어진 상황에 가장 많은 추력과 효율성을 제공하는 구성에 대해 "심리스하게 유연"할 수 있도록 하는 적응형 사이클이다.

그것은 또한 엔진과 제트 모두를 냉각시키는 역할을 하는 세 번째 공기 흐름을 가지고 있는데, 이것은 이전에 항공기 엔진에 존재하지 않았던 특징이다.

그리고 마지막으로, GE의 적응형 엔진은 새로운 첨단 재료와 제조 기술을 사용한다. 엔진은 전통적인 니켈 기반 초합금에서 벗어나 대신 터빈과 이러한 엔진이 작동하는 수천 도를 견딜 수 있는 다른 부품에 세라믹 매트릭스 복합체를 사용한다.

이 복합 재료들은 전통적인 합금의 3분의 1 무게이며, 수백 도 이상을 견딜 수 있다고 트위디는 말했다.

트위디는 "엔진을 더 뜨겁게 작동시키면 엔진에서 더 많은 성능을 얻을 수 있다"고 말했다. "하지만 동시에 이러한 고온과 고성능에서 [복합 재료는] 니켈 기반 합금보다 향상된 내구성을 제공합니다."

트위디는 또한 이 엔진이 적층 제조 또는 3D 인쇄를 더 많이 사용한다고 말했는데, 이는 엔지니어들이 전통적인 제조 기술로는 만들 수 없었던 부품을 만들 수 있게 해준다고 말했다.

프랫앤 휘트니는 세라믹 매트릭스 복합체와 같은 진보에 가치가 있을 수 있다는 것을 인정하지만, F-35에 아주 다른 재료를 도입하는 것은 올바른 조치라고 생각하지 않는다.

라트카는 "현장에 가면 엔진뿐만 아니라 어떤 새로운 기술에 대해서도 배우게 될 것"이라고 말했다. "엔진을 사용할 때, 공중에서 그 물건을 작동시키기 때문에 무언가를 배우는 것은 문제가 됩니다. 단발엔진 전투기가 있으면 안전기준이 달라진다. 엔진이 딸꾹질을 하고 꺼지면 항공기를 잃고 조종사를 위험에 빠뜨리기 때문입니다."

비용 및 변종에 대한 우려 사항

라트카는 또한 단일 엔진 F-35에 새로운 적응형 엔진을 장착할 때 비용과 지속성을 고려해야 한다고 지적했다.

그는 "두 가지 엔진 구성이 있다면 이를 지원하기 위한 두 가지 지속적 인프라가 필요하다"고 말했다. "이는 단순히 시설만 의미하는 것이 아닙니다. 창고와 지원 장비도 다릅니다. 또한 여러 구성을 관리하므로 두 개의 서로 다른 지속성 엔지니어링 조직을 의미합니다. 즉, 툴링, 지원 장비, 교육, 수리 등 어느 정도 중복되어야 합니다."

트위디는 GE의 적응형 엔진이 F-35의 유지비용을 억제하는 데 도움이 될 것이라고 말했다. "25%의 연료 연소율을 절약하고 내구성에 대한 바늘을 움직이기 시작하면 장기적으로 라이프사이클 비용을 절감할 수 있습니다."

그러나 적응형 엔진의 비용을 높일 수 있는 문제가 있다. 현재 제공되는 제품들은 세 가지 버전의 F-35 모두에 적합하지 않다.

GE와 프랫 앤 휘트니의 적응형 엔진은 공군이 비행하는 F-35A에 장착될 것이다. GE는 이 엔진이 해군과 해병대가 운용하는 F-35C 항공모함에도 장착될 것이라고 말했다. 그러나 이 엔진은 현재 해병대의 F-35B 단거리 이착륙기에서는 작동하지 않을 것이다.

프랫 앤 휘트니는 3개의 F-35 기종 모두 EEP(Enhanced Engine Program)에 따라 개량된 F135 기종을 채택할 수 있으며 통합에 필요한 테스트와 변경을 최소화할 수 있다고 말했다.

프랫 앤 휘트니를 소유하고 있는 레이시온 테크놀로지스 최고 경영자인 그레그 헤이스는 작년 가을, 공군이 변형 제한 사항을 고려할 때 적응형 엔진을 개발할 수 있을지 의문을 제기했다.

F-35는 F-35에 적응형 엔진을 탑재할 수 있을지 의문이다. F-35C에 장착하기 위해서는 AETP 엔진을 대폭 개조해야 한다며 F-35B의 경우 "완전히 논-스타터"라고 말했다.

하지만 트위디는 그것이 해결 가능한 문제라고 말했고, GE는 이제 F-35B에 들어갈 수 있는 적응형 엔진을 만드는 방법을 알아내려고 노력하고 있습니다. 그는 해병대와 함께 적응형 F-35B 엔진에 대한 공학적 연구가 진행 중이라며 올 가을까지 F-35B 엔진 성능이 향상되기를 바란다고 말했다.

트위디는 "이는 '우리가 할 수 있을까'라는 질문이 아니라 '우리가 얼마나 잘할 수 있을까'라는 질문"이라고 말했다.

프랫 앤 휘트니는 자사의 F135가 F-35의 Block 4 업그레이드에 필요한 전력을 처리할 수 있지만 냉각 기능은 원래 사양을 훨씬 능가할 것이라고 말했습니다. 라트카는 F135의 전력 열 관리 시스템이 현재 설계된 것보다 두 배 더 빠른 속도로 작동하고 있다고 말했다.

그리고 엔진이 더 많은 작업을 수행해야 할 경우, 엔진이 더 뜨겁게 작동하기 때문에 더 많은 유지 보수 요구와 수명 주기 비용이 발생합니다. "그 엔진은 조종사가 필요로 하는 모든 것을 하고 있습니다"라고 Latka는 말했다. "비용 문제이지, 기능 문제가 아닙니다."

라트카는 그것이 바로 F-35 프로그램의 초기 단계와 본질적으로 변함없는 F135가 EEP의 일부로서 현대화 작업이 필요한 이유라고 말했다.

그는 "미래의 위협에 대해 블록 4를 활성화하기 위해서는 [전력 열 관리 시스템]이 필요하다"고 말했다. "하지만 냉각 요건을 충족시키기 위해 새 엔진을 장착하지는 못할 것입니다. 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 훨씬 더 쉽고, 비용이 적게 들고, 운영 중단이 적은 솔루션이 있습니다."

그는 이 적응형 엔진의 세 번째 공기 흐름은 인상적인 기술이지만 F-35에서 더 많은 효율성을 창출하는 데 사용할 수 있는 유일한 기술은 아니라고 말했습니다. 그녀는 EEP의 개선된 코어는 F135에서 더 많은 연비를 발생시킨다고 말했다. 즉, 적응형 엔진만큼은 아니지만, 여전히 상당한 증가세를 보이고 있다.

그는 "우리는 이미 이 기술을 시장에 도입하기 위해 순조롭게 진행 중입니다."라고  덧붙였다.

프랫 앤 휘트니는 자사의 XA101 적응형 엔진 테스트를 2023년에 마칠 것으로 예상하고 있으며, 지금까지의 테스트 결과 이 기술이 성능 목표를 충족하고 있는 것으로 나타났다고 말했다.

트위디는 GE가 2020년 12월 말 신시내티 인근 오하이오주 에벤데일 공장에서 처음으로 시제품 XA100 엔진 2개를 만들어 시험했다고 밝혔다. 2021년 첫 3개월 동안 일부 해발고도에서의 엔진 테스트가 계속되었다.

GE는 2021년 8월 에벤데일 시설에서 다른 프로토타입에 대한 1단계 테스트를 시작했으며, 11월까지 진행되었다. 트위디는 "이는 주로 구조적, 기계적 테스트에 초점을 맞추고 엔진의 성능을 살펴보기 시작했다"고 말했다.

이 엔진은 현재 테네시주의 아놀드 공군 기지에 있는 아놀드 엔지니어링 개발 단지에서 두 번째 테스트 단계를 거치고 있는데, 이 곳에서 테스트는 GE의 자체 시설보다 비행 조건과 더 가깝고 더 정밀하게 결과를 측정한다. GE, 공군 라이프 사이클 관리 센터, 아놀드 AFB의 팀들이 참여한 그 시험들은 3월 25일에 시작되었고 여름 말까지 끝날 것으로 예상된다.

트위디는 현재의 시험들이 다양한 시나리오에서 어떻게 작동할지 결정하기 위해 비행 중에 마주칠 수 있는 여러 다른 조건들을 통해 엔진을 작동시킨다고 말했다. 그는 XA100이 연료 효율, 추력, 그리고 설계된 다른 성능 능력을 추가로 제공할 수 있다는 것을 이미 실험에서 증명했다고 말했다.

그는 "아놀드 AFB에서 진행 중인 보다 정밀한 연구는 시스템이 엔지니어링과 제조 개발 단계로 넘어갈 경우 설계 작업에 필요한 미세 조정된 데이터를 생산할 것"이라고 말했다.

트위디는 "근본적인 질문은 '이 기술이 효과가 있을까?' 입니다. 성숙했나?' 우리는 그 질문에 답했습니다"라고 말했다. "이러한 이유로 이 기술을 발전시키기 위한 다음 단계는 무엇인지에 대해 분명히 공개적이든 비공개적이든 훨씬 더 진지한 논의를 시작하는 것 같습니다."

트위디는 GE가 2023 회계연도에 2억8600만 달러를 지원 요청한 점을 들어 공군이 AETP와 함께 전진할 것으로 기대한다고 말했다.

그리고 의회는 그 노력 뒤에 수표책을 던져버렸다. FY22 지출법안에서, 국회의원들은 공군의 원래 AETP 자금지원 요청을 4억 6천만 달러까지 극적으로 증가시켜, 승인된 총 지출액을 약 5억 8천 4백만 달러로 증가시켰다.

그러나 그라지어에게 F-35 엔진을 둘러싼 여러 해 동안의 논란은 20여 년 전 JSF 개념이 설계되었을 때 내려진 "그 결정들의 직접적인 결과"를 보여준다.

그는 "F-35와 같은 공동 프로그램을 갖는 것에 반대하는 가장 좋은 주장 중 하나"라고 말했다. 그는 "서비스마다 전투기에 대한 임무와 요구가 다르다"며 "각자에게 적용되는 하나의 공통 비행체를 만들려는 노력은 프로그램의 복잡성과 비용을 획기적으로 증가시켰다"고 말했다.

그라지어는 "수백대, 수백대의 F-35를 구입하기 전에 시험기간 동안 이런 개념들이 충분히 검토됐더라면 좋았을 것"이라고 말했다. "우리는 1990년대에 뿌린 것을 수확하고 있습니다."