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F-16 전투기는 고기동성의 다목적 단발 전투기로, 제4세대 전투기의 전형이라고 할 수 있다. F-16은 애초에 양산을 염두에 두고 만들었으므로 저렴하고도 뛰어난 성능을 자랑하며, 최첨단 공기역학 기술과 항전장비를 적용하여 과거 미국이 실전배치한 어떤 전투기보다도 가볍고 날렵하다. 추력대중량비를 1:1을 넘어 강력한 추력으로 수직상승이 가능하고 마하 2를 넘는 속도로 비행할 수 있다.

F-16은 플라이-바이-와이어(FBW, Fly-By-Wire) 비행제어 시스템을 채택하여 섬세한 기동이 가능할 뿐만 아니라, 미 공군 전투기 최초로 9G 기동을 가능하게 한 기종이기도 하다. 이외에도 프레임 없는 버블 캐노피(frameless bubble canopy)를 채택하여 넓은 시계를 확보했고, 조종석에 경사를 주어 조종사에게 가해지는 G포스를 경감시켰으며, 사이드 스틱(side stick)을 채택하여 고G기동 중에도 확실한 조종이 가능하도록 했다. 한마디로 F-16은 공대공 전투에 특화된 전투기의 모범이라고 할 수 있다.

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공대공에 특화된 기체 형상

F-16은 잘라낸 삼각익(cropped delta wing)이 동체와 융합된 블렌디드 윙 바디(blended wing body) 형상이 특징이다. 잘라낸 삼각익이란 삼각익의 양쪽 끝부분을 짧게 잘라낸 것으로, 이를 채용하면 높은 받음각(AOA, Angle Of Attack)에서 삼각익의 날개 끝단에 유동박리(flow separation)가 발생하는 것을 방지하고 양력을 유지할 수 있는 장점이 있다. F-16은 앞전(leading edge)의 각도가 40도인 잘라낸 삼각익을 채용함으로써 초음속 비행에 적합한 후퇴익과 삼각익의 장점을 동시에 구현했다. 한편 F-16은 공기흡입구가 동체 아래 있어서 급기동 중에도 공기유입이 잘 되는 장점이 있다.

주익은 동체와 융합되어 블렌디드 윙 바디 형상을 하고 있는데, 주익의 앞전과 동체는 앞전연장(LERX, Leading Edge Root eXtension)으로 전방에 길게 내어 붙인 스트레이크(strake: 곁날개)로 연결되어 있다. 이렇게 스트레이크를 채용함으로써 공기저항은 감소시키고 동체 앞부분의 양력은 증가시켜 고받음각에서도 안정된 비행이 가능하다. 특히 비교적 넓은 면적의 주익에 스트레이크까지 결합됨으로써 F-16은 다른 전투기들보다 선회 성능이 우수하다.

주익은 기동성을 높이기 위해 가변 캠버(variable camber) 방식을 채택했다. 앞전과 뒷전의 플래퍼론(flaperon)을 조절함으로써 캠버(camber: 날개의 단면 중심선의 휨 정도)의 크기를 변환할 수 있다. 캠버가 클수록 양력이 증가하는 반면 공기저항도 늘어나며, 작으면 공기저항이 주는 대신 양력도 감소한다. 고속비행에서는 공기저항이 작아야 하고 저속비행에서는 양력이 커야 하는데, 디지털 조종계통이 비행 특성에 따라 이를 판단한 뒤 플래퍼론을 조작하여 캠버의 크기를 변환함으로써 양력과 공기저항을 조절한다.

F-16은 수직미익과 수평미익을 갖추고 있다. 특히 수평미익은 주익의 선상에서 약간 아래에 위치시켜 주익에서 발생하는 와류의 간섭을 받지 않도록 했다. 수직미익은 1개로 스트레이크에서 발생하는 와류의 간섭을 최소화시켰다. 수직미익의 뿌리 부분은 도살핀(dorsal fin)을 장착해 두꺼워졌는데, 이 또한 스트레이크처럼 공기저항을 감소시키고 와류를 방지하는 역할을 한다. 또한 도살핀 내부에는 ECM(Electronic Countermeasure: 전자전대책) 장비나 드래그슈트(drag chute)가 장착된다. 동체 아래에는 벤트럴핀(ventral fin)이 2개 장착되어 급기동에도 안정성을 높이는 역할을 한다.

랜딩기어(landing gear)는 3개로, 전방 공기흡입구 아래에 1개, 주익 뿌리 부분에 2개가 장착된다. 윙 바디 페어링의 끝부분에는 좌우로 스피드브레이크(speedbrake)가 장착되며, 동체 아랫부분에는 테일후크(tailhook)도 달려 있다. 버블 형태의 캐노피 뒷부분에는 붐 방식의 공중급유를 위한 주유구가 장착되어 있다.

동체는 80%가 항공용 알루미늄 합금이며, 강철 8%, 복합소재 3%, 티타늄 1.5% 등으로 구성되었다. 앞전 플랩이나 벤트럴핀 등은 알루미늄 허니컴 접합구조로 그라파이트 에폭시(graphite epoxy)를 중층 코팅(lamination coating)하여 만들었다. F-16에는 모두 228개의 엑세스 패널을 두어 정비성을 높이는 한편, 윤활유 주입부, 연료관 배선, 교체모듈수를 이전의 전투기들보다 현저히 줄였다. 엑세스 패널도 80%가 받침대 없이 작업이 가능하도록 배치했다.

경전투기 사업을 실시하면서 미 공군은 구조수명 4,000시간에 80% 내부연료 탑재 시 7.33G까지 기동이 가능하도록 요구했다. 그런데 F-16은 구조수명 8,000시간에 내부연료를 100% 탑재하고도 9G 기동이 가능하도록 만들어졌다. 이로 인해 F-16은 공대공 임무 전용 기체에서 다목적 임무를 수행할 수 있는 기체로 전환될 수 있었다. 그러나 다목적 기체로 전환됨에 따라 부가장비가 탑재되고 무장 탑재중량이 증가함에 따라 기골강화가 요구되기도 했다.

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불가능을 극복한 플라이-바이-와이어
 
F-16은 민첩한 조종이 가능하도록 항공기를 의도적으로 불안정(unstable)하게 설계하는 정안정성 완화(RSS, Relaxed Static Stability) 개념을 채택했다. 대부분의 항공기들은 양성 정안정성(positive static stability) 개념으로 설계되어 직선 수평비행으로 돌아오려는 경향이 있는데, 이로 인해 기동성을 추구하는 항공기에게는 안정성이 오히려 방해가 된다. 반면 음성 정안정성(negative static stability) 개념으로 설계된 항공기는 제어된 비행에서 이탈하려는 경향이 있어 기동성이 높아진다. 한편 초음속에서 F-16은 항공역학적 특성의 변화로 안정성을 회복한다.

제어된 비행에서 벗어나려는 경향에서 벗어나고 조종사가 끊임없는 보정조타를 할 필요가 없도록 하기 위해 F-16은 디지털 플라이-바이-와이어(FBW, Flight-By-Wire) 비행제어 시스템(FLCS, FLight Control System)을 채용하고 있다. 조종사의 스틱과 러더 조타를 비행제어 컴퓨터(FLCC, FLight Control Computer)가 해석하여 조종사의 의도에 따라 항공기가 제어되도록 끊임없이 조타를 보정한다. 이에 따라 FLCC는 초당 수천 회의 조정값을 항공기로 보내어 자동으로 조종사가 설정한 항로에서 벗어나지 않도록 한다. 한편 FBW FLCC가 고장 나면 항공기는 제어불능 상태에 빠지므로, FLCC는 4채널로 4중으로 백업 시스템을 갖추고 있다.

이에 따라 FLCC는 자세·대기속도(airspeed)·받음각의 세 가지 축을 중심으로 비행을 제어한다. 이에 따라 FLCC는 슬립(slip: 강한 구심력으로 안쪽으로 밀리는 현상)이나 스키드(skid: 강한 원심력으로 바깥쪽으로 밀리는 현상)를 방지하고, 실속(stall)이 일어나는 고받음각을 방지하며, 9G 이상의 하중이 걸리지 않도록 한다. FLCC가 기능을 상실하면 FLCS 자체가 작동하지 않으므로 FLCC도 3중 백업 시스템을 갖추었다.

경전투기 사업의 경쟁기종인 YF-17은 유압-기계식 제어 시스템을 FBW의 백업으로 채용했지만, F-16은 기계적 백업이 없이 오직 컨트롤 스틱과 러더 페달과 비행조종면을 디지털 시스템으로 직접 연결했다. 데이터의 전송은 MIL-STD-1553 규격에 따라 이루어지고 있다. FBW를 채용함에 따라 케이블이나 기타 기계적 기구가 생략되어 경전투기로서 중량을 다소 줄일 수 있었다. 애초에 FLCC는 아날로그 시스템으로 개발되었지만, F-16C/D 블록 40부터는 디지털 비행제어컴퓨터가 채용되었다. 이와 함께 F-16C/D부터는 임무컴퓨터도 디지털 컴퓨터인 레이시온(Raytheon) 사의 모듈러 미션 컴퓨터(Modular Mission Computer)를 채용했다. 하지만 F-16의 제어장치들은 약 70~80%가 정전기 방전(ESD, ElectroStatic Discharge)에 취약하다는 단점이 있다.

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진화를 거듭하는 사통 레이더

F-16A/B형은 초기에 웨스팅하우스(Westinghouse) 사의 AN/APG-66 사격통제 레이더를 탑재했었다. 이 레이더의 특징은 F-16의 작은 노즈콘(nose cone) 안에 들어갈 수 있을 정도로 작은 평면배열 안테나를 채택했다는 점이다. APG-66 레이더는 X밴드 범위에서 네 가지 주파수를 사용하며, 4개의 공대공 모드와 7개의 공대지 모드를 채택하여 야간이나 악천후에도 작동할 수 있다. F-16 블록 15부터 채택한 APG-66(V)2 레이더는 더욱 강력한 신호처리 능력과 강한 출력을 바탕으로 전파교란 환경 속에서도 더욱 먼 거리를 더 높은 신뢰성으로 탐지할 수 있다. 중기수명연장(MLU, Mid-Life Update) 사업에서는 개량형인 APG-66(V)2A가 장착되어 처리속도와 메모리 용량이 증가했다.

한편 F-16C/D의 시작형인 블록 25부터는 APG-66을 대신하여 APG-68 레이더가 탑재되었다. APG-68은 탐지거리가 증가하고 분해능이 촘촘해졌다. 뿐만 아니라 APG-68은 지면탐색(ground-mapping), 도플러 빔 정밀주사(Doppler beam-sharpening), 지상이동표적탐색(ground moving target indication), 해상표적탐색(sea target), 탐지간추적(TWS, Track While Scan) 등 모두 25개의 작동 모드를 활용하며 최대 10개의 표적을 추적할 수 있다.

블록 40/42부터는 APG-68(V)1이 장착되어 랜턴(LANTIRN, Low-Altitude Navigation and Targeting Infra-Red for Night) 포드와 통합되었다. 또한 펄스도플러 추적 모드를 장착하여 AIM-7 스패로우(Sparrow)와 같은 세미액티브 레이더호밍(SARH, semi-active radar-homing) 미사일을 표적까지 연속파로 조사(illumination)할 수 있는 기능을 갖췄다.

블록 50/52부터는 APG-68(V)5 레이더가 장착되면서 신뢰성은 더욱 높아졌다. 이는 초고속 집적회로(VHSIC, Very-High-Speed Integrated Circuits) 기술이 적용된 신호처리기가 장착된 덕분이다. 더욱 개량된 블록 50+/52+부터는 APG-68(V)9 레이더가 장착되어, 공대공 탐지거리가 30% 가량 증가되었고, 고해상도 지면탐색과 표적탐지가 가능하도록 합성개구레이더(SAR, synthetic aperture radar) 모드가 채택되었다. 한편 2004년부터는 APG-68 레이더가 (V)10 사양으로 업그레이드되면서 전천후 자동탐지, GPS 정밀유도 무장관제, 지형추적(TF, Terrain-Following) 레이더 모드 등이 추가되었다.

한편 F-16E/F 블록 60 이후로는 노스럽 그러먼(Northrop Grumman) 사의 AN/APG-83 레이더가 탑재되고 있다. APG-83은 전자주사식(AESA, active electronically scanned array) 레이더로, 고속빔 레이더(SABR, Scalable Agile Beam Radar)라는 이름으로 불린다. 한편 APG-83에 대항하여 레이시온(Raytheon) 사에서는 RACR(Raytheon Advanced Combat Radar)라는 AESA 레이더를 발매했다.

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인체공학을 고려한 조종석

F-16의 조종석은 여타 전투기와는 비교할 수 없을 정도로 파격적이었다. 우선 버블 캐노피를 채택하여 넓은 시계를 자랑한다. 캐노피는 단일성형방식으로 프레임을 없앰으로써 시야를 더욱 넓게 확보하여 360도의 시계를 확보했고, 기체 측면으로는 40도, 노즈로는 15도 아래를 내려다볼 수 있도록 했다. 한편 단일성형에도 불구하고 강성을 확보하기 위해 폴리카보네이트(polycarbonate) 소재를 채용했는데, 이로써 초음속 비행을 버틸 수 있음은 물론이고 버드 스트라이크(bird strike: 조류가 항공기와 충돌하는 사고)에도 버틸 수 있도록 했다. 또한 조종석으로 적의 탐지전파가 들어오지 않도록 하기 위해 금속 코팅을 적용했는데, 이로 인해 캐노피는 금색을 띄고 있다.

시야를 확보하기 위해 조종석도 바뀌었다. 조종석의 위치가 약간 높아졌으며, 각도를 30도 뒤로 눕혔다. 특히 각도를 뒤로 눕힘으로써 고G기동 시에도 조종사의 혈액순환이 좀 더 용이하도록 하여 블랙아웃(black out: 급상승 시, 피가 아래로 쏠려 시야가 흐려지는 현상)을 방지했다. 통상 전투기의 조종석이 13~15도의 각도를 채택하고 있음에 비하면 이는 급격한 변화다. 조종석 좌석은 ACES II 제로제로 사출좌석을 채용했다. 한편 캐노피가 너무도 단단하여 사출 시 캐노피를 깨는 것이 불가능하므로, 사출에 앞서 캐노피 전체가 사출되도록 했다.

조타 방식도 특이하다. 조종석 가운데 스틱이 달린 통상의 전투기와는 달리, F-16은 조종석 오른쪽에 스틱이 장착되었다. 이는 급격한 G기동에도 조종사가 무리 없이 조작이 가능하도록 하기 위함이다. 특히 조작을 최소화하기 위해 HOTAS(Hands On Throttle-And-Stick) 컨트롤 장치를 스틱과 스로틀에 장착했고, 스틱에 압력센서를 장착하여 조종간을 미는 세기에 따라 기동하는 정도를 조절할 수 있도록 했다. 최초에 사이드 스틱은 아예 움직이지 않도록 설계되었지만, 조종사들이 감을 잡지 못하고 과다하게 조타하는 경우가 종종 발생함에 따라 움직이도록 설계되었다. F-16의 HOTAS 컨트롤 방식은 이후 등장하는 현대적 전투기의 표준이 되었다.

F-16은 헤드업 디스플레이(HUD, Head-Up Display)를 장착하여 주요 비행정보와 전투정보를 조종사에게 시현하고 있다. 기체와 관련된 세부 정보는 2개의 다기능 디스플레이(MFD, Multi-Function Displays) 장치에 시현된다. 좌측 MFD에는 주요 비행정보가 시현되며 통상 레이더와 지도가 표시된다. 우측 MFD에는 시스템 정보가 표시되어 엔진, 랜딩기어, 플랩 정보, 연료 및 무장 상태 등이 시현된다. F-16A/B 등 초기형에는 흑백 CRT(Cathode Ray Tube) 시현장치가 채택되었지만, 블록 50/52부터는 컬러 LCD(Liquid-Crystal Display)가 채용되었다. 중기수명연장(MLU) 업그레이드부터는 야시경을 쓰고도 각종 시현장치를 볼 수 있도록 개량되었다.

최근에는 보잉(Boeing) 사의 JHMCS(Joint Helmet Mounted Cueing System: 헬멧장착조준장치)가 블록 40부터 적용되고 있다. 특히 JHMCS는 AIM-9X 사이드와인더(Sidewinder) 미사일과 결합된다. 이에 따라 더 이상 HUD에 의존하지 않고도 조종사가 고개를 자유자재로 돌리면서 교전이 가능하게 되었다.

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엔진 대전쟁으로 발전을 거듭한 추진체계

F-16에는 초기형부터 블록 25까지 프랫 & 휘트니(PW, Pratt & Whitney) 사의 F100-PW-200 터보팬 엔진이 장착되었다. 이 엔진은 F-15에 장착되는 F100-PW-100 엔진을 개량한 것으로 23,830파운드의 추력을 낼 수 있었다. 애초에 미 공군이 F-16을 선정한 주요 이유 가운데 하나도 F-15에 사용되는 F100 엔진을 F-16에서도 사용함으로써 비용을 낮출 수 있었기 때문이다. 하지만 이 엔진은 안정된 추력을 내지 못하면서 문제를 일으켰고 이에 따라 개량형 엔진이 등장했다. 블록 32부터는 디지털 제어 기술을 채용하여 23,770파운드로 추력이 안정된 F100-PW-220 엔진이 장착되었다. 이후 초기형 기체들은 개량사업을 거쳐 성능이 향상된 F100-PW-220E 엔진을 장착하게 되었다.

PW 엔진이 문제를 일으키자, 미 공군은 대안을 찾기 시작했다. 이에 따라 미 공군은 전투기용 대체 엔진(AFE, Alternate Fighter Engine) 사업을 실시하여 제너럴 일렉트릭(GE, General Electric) 사로 하여금 F-16의 엔진을 생산하도록 했다. AFE 사업은 PW의 강한 반발을 불러일으키며 갈등이 증폭되었는데 이에 따라 AFE 사업은 PW와 GE 간의 ‘엔진 대전쟁(the Great Engine War)을 촉발시켰다.

GE는 F110-GE-100 터보팬 엔진을 선보이며 AFE 사업의 결과물을 도출했다. 그러나 F-16의 공기흡입구가 다소 작았기 때문에 F110 엔진은 충분한 성능을 발휘하지 못하고 25,735파운드의 추력에서 그쳐야만 했다. 이에 따라 F-16 블록 30부터는 공기흡입구를 개선하여 모듈러 공통 흡입구(modular common inlet duct)를 채용했고, 이로 인해 F110 엔진은 최대 28,984파운드의 추력을 과시하면서 모든 잠재력을 발휘할 수 있었다.

F-16의 엔진 개량사업은 이후에도 계속되어 IPE(Increased Performance Engine) 사업이 실시되었다. 이에 따라 F-16 블록 50에는 F110-GE-129 엔진(추력 29,588파운드)이, 블록 52에는 F100-PW-229 엔진(추력 29,160파운드)이 채택되었다. 실제로 출시된 F-16 최종형인 블록 60에는 최신형인 F110-GE-132 엔진이 장착되었는데, 추력은 무려 32,500파운드에 이른다.

엔진 대전쟁의 결과, GE 엔진을 장착한 기체는 블록 x0(예를 들어 블록 30·40·50 등)으로, PW는 블록 x2(32·42·52)로 분류되었다. AFE 사업 이후 미 공군은 F100 엔진을 556개, F110 엔진을 890개 구매함에 따라 엔진 대전쟁의 승자는 GE가 되었다. 그러나 블록 52를 채용한 대한민국의 경우처럼 비용 문제 등으로 인해 PW의 F100 엔진을 채택한 국가들도 많다.

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진화를 거듭해온 무장

엔진 개량으로 인한 추력 증가 덕분에 F-16은 통상 7.8톤까지 무장과 연료를 탑재할 수 있으며, 이론상은 9.2톤까지도 탑재가 가능하다. 우선 F-16의 기본무장은 회전식 총열 6개를 장착하는 개틀링 건(Gatling gun)인 M61A1 20mm 발칸(Vulcan) 포를 채택하고 있다. M61A1은 조종석 왼편의 동체에 장착되며, 최대 511발을 장착할 수 있다.

F-16은 모두 9개의 외부 무장장착대를 장비하고 있다. 동체 중앙에 1개, 주익 양쪽에 각각 3개씩, 그리고 윙팁(wingtip: 주익 끝단)에 각 1개씩 총 9개로 구성된다. 윙팁에는 AIM-9 사이드와인더는 물론이고 AIM-7 스패로우와 AIM-120 암람(AMRAAM)을 장착할 수 있다. F-16 초기형에는 AIM-9 미사일 6발을 장착했지만, 본격 배치가 끝난 후부터는 9개의 무장장착대에 공대공 무장은 물론이고 각종 공대지·공대함 무장, ECM 포드, 증가연료탱크 등이 장착되었다.

한편 공기흡입구 아래 동체 좌우에는 항법 포드와 타게팅 포드 등이 장착될 수 있는 장착대가 모두 2개 있다. 통상 F-16은 AAQ-13 항법용 포드와 AAQ-14 조준용 포드를 장착할 수 있는데, 임무의 필요에 따라 이를 제거하고 비행할 수도 있다. 최근에는 조준용 포드로 AN/AAQ-33 ‘스나이퍼(Sniper)’ ATP(Advanced Targeting Pod)가 채용되었다. 스나이퍼 포드는 랜턴 타게팅 포드에 비해 정밀도는 열 배가 향상되었고, 운용고도가 두 배나 높아졌다. 이에 따라 스나이퍼 포드를 장착한 F-16은 최대 5만 피트에서 정밀유도무기를 투하할 수 있어 더욱 안전한 작전이 가능하게 되었다. 이외에도 적 방공망 제압 임무를 수행하는 경우에는 HTS(High-speed Anti-Radiation Missile Targeting System) 포드를 장착한다.

F-16은 애초에는 비유도방식의 범용폭탄을 운용하는 수준에 불과했지만, 타게팅 포드가 통합되면서 페이브웨이(Paveway) 레이저유도폭탄을 운용할 수 있게 되었다. 한편 1990년대 후반부터는 GPS 정밀유도폭탄인 합동직격탄(JDAM, Joint Direct Attack Munition)의 무장통합사업이 실시되어 2001년 아프가니스탄 공습에서부터 실전에 사용되기 시작했다. 또한 유사한 시기에 개발된 AGM-158 JASSM(Joint Air-to-Surface Standoff Missile) 순항미사일은 2005년에서야 F-16에서 시험발사에 성공하면서 2000년대 후반부터 운용이 가능하게 되었다.

* F-16의 운용 현황 및 실전 기록은 다음 회에 소개합니다.

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저자 소개

양욱 | 군사전문가
서울대학교 법대를 거쳐 국방대학교에서 군사전략을 공부했고, 줄곧 국방 분야에 종사해왔다. 중동지역에서 군 특수부대를 훈련시키기도 했고, 아덴만 지역에서 대(對)해적 업무를 수행하는 등 민간군사요원으로 활동했다. 현재는 한국국방안보포럼(KODEF) 수석연구위원 겸 WMD 대응센터장으로 재직하며, 국방부·합참·방위사업청 자문위원, 해·공·육군 정책자문위원으로 우리 국방의 나아갈 길에 대한 왕성한 정책제안활동을 하고 있다.