개발의 역사

1971년 7월, 미 대통령 직속 블루 리본 국방 패널(Blue Ribbon Defense Panel)은 당시 리처드 닉슨(Richard M. Nixon) 행정부에 보고서를 제출하면서 국방부의 무기 획득체계를 개선해야 할 필요성을 제기했다. 특히 이 보고서는 주요 무기체계를 도입할 때 이들 제품의 능력이나 요구도를 충족할 수 있는지의 여부를 확인하지 않고 실용 개발(FSD: Full-Scale Development) 단계로 진입하는 당시 획득 체계에 문제가 있다고 지적하면서 시제기 개발부터 치열하게 업체 간 경쟁을 시키는 개혁이 필요하다고 역설했다. 이에 따라 미 국방부는 고등 시제기 개발 사업을 추진하면서 미 공군으로 하여금 미래 미 공군의 작전적 필요성을 충족할 수 있는 사업을 두 개 가량을 구상할 것을 요구했다. 미 공군은 1972년부터 시제기 연구단을 구성했으며, 연구단은 우선 레이더 피 탐지 면적(RCS: Radar Crossing Section) 감소 기술 시연기를 우선적으로 선정했다. 이 사업은 곧 “해브 블루(Have Blue)” 사업으로 추진되어 스텔스 기술의 개발로 이어졌다. 향후 이 기술 시연기는 1977년부터 본격적으로 비행을 시작하면서 스텔스 기술의 완성으로 이어져 F-117A 나이트호크(Nighthawk)가 탄생했다.

미 공군이 선택한 두 번째 사업은 경량형 전투기 사업(LWF: Lightweight Fighter Program)으로, 이 사업은 가볍고 작지만 고성능을 발휘하면서 가격이 낮은 기체 개발을 목표로 삼았다. LWF 사업은 1972년 부로 승인되었으며, 미 공군은 두 업체를 선정하여 제네럴 다이내믹스(General Dynamics)의 YF-16과 노스롭(Northrop)의 YF-17을 평가하게 되었다. 결국 이 사업은 1975년 1월 13일 자로 종료됐으며, 미 공군성의 존 맥 루카스(John Luther McLucas, 1920~2002) 장관은 경량형 전투기 도입 사업(LWF: Lightweight Fighter Program) 승자로 제네럴 다이내믹스(General Dynamics) 사의 YF-16을 선정했다고 발표했다. 이 사업에 참여한 두 기체는 모두 미래의 베스트셀러 기체가 됐다는 점에서 큰 의미를 갖는다. YF-16은 서방세계 제트기 사상 최고의 베스트셀러인 F-16 파이팅 팰콘(Fighting Falcon)이 되었고, YF-17은 훗날의 F/A-18 호넷(Hornet)으로 이어졌기 때문이다.

한편 미 공군은 1980년대에 들어서면서부터 애프터버너(Afterburner)를 사용하지 않고 항공기가 서서히 속도를 올려 음속을 돌파하는 초음속 순항(Supercruise) 기술에 특별히 관심을 갖기 시작했다. 그 이유는 1980년대에 들어서면서부터 기총으로 싸움을 벌이는 일명 “도그 파이트(Dog fight)” 양상이 거의 사라진 반면, 장거리 고성능 레이더 및 미사일 기술이 발달함에 따라 중장거리에서 먼저 적을 발견하는 쪽이 사실상 전투에서 승리하는 환경이 되었기 때문이다. 이에 따라 중고도~고고도로 비행하며 적 영공을 돌파한 후 파이어-앤-포겟(Fire-and-Forget) 무장으로 전투를 수행할 수 있는 전투기가 새로운 미 공군 공중전 전술의 핵심이 되었다. 미 공군의 새로운 전술 환경에서 가장 중요하게 떠오른 무장은 55km 이상 사거리(A/B형 기준)를 자랑하는 AIM-120 고급 중거리 공대공미사일, 일명 암람(AMRAAM)이었으며, 미 공군은 이 새로운 전술에 부합하여 고급 공대공 미사일을 운용할 수 있는 기체를 필요로 하게 되었던 것이다.

이 상황에서 앞선 LWF 사업을 통해 미 국방부의 새로운 획득 방식을 파악한 제네럴 다이내믹스의 ‘F-16의 아버지’ 해리 힐레이커(Harry Hilaker, 1941~2009)는 새 시대의 트렌드를 파악하면서 작지만 고성능을 자랑하는 F-16에 애프터버너(Afterburner) 사용 없이 초음속 돌파 기술을 접목하는 프로젝트를 구상하게 되었다. 그는 이 사업으로 F-16 SCAMP(Supersonic Cruise and Maneuver Prototype)로 명명한 신형 전투기 개발을 시작했으며, 기체의 고속 기동성을 향상시키기 위해 삼각익을 채택하기로 결정했다. 삼각익은 저속 비행에 불리하고 기체 안정성이 낮다는 단점이 발생하나, F-16은 기본적으로 디지털 비행 통제 체계, 일명 디지털 플라이-바이-와이어(Fly-by-Wire)가 설치되어 있어 기체 안정성을 확보할 수 있었으므로 문제가 되지 않을 것으로 예상했다. 특히 F-16 동체에 대형의 삼각익을 채택할 경우 양력과 연료 탑재량을 늘릴 수 있고, 무장 탑재 공간도 증가할 뿐 아니라 항속 거리도 증가한다는 장점이 있었다. 제네럴 다이내믹스는 2년 간 자체적으로 F-16을 연구했으며, 연구 끝에 톱니 형태의 크랭크드 애로우 윙(Cranked Arrow Wing)을 채택해 초음속 비행 시 항력을 줄일 뿐 아니라 아음속 비행 간 통제력과 기동성을 증가시킬 수 있는 설계를 내놓았다.

한편, 미 항공우주국(NASA)은 로이 해리스(Roy V. Harris, Jr., 1935~) 지휘 하에 초음속 순항 통합전투기 (SCIF: Supersonic Cruise Integrated Fighter) 사업을 진행하고 있었으며, 이에 따라 플랫폼으로 쓸 수 있는 다양한 잠재 기체를 물색하면서 테스트를 진행하고 있었다. 이때 유사한 연구 개발을 진행하고 있던 제네럴 다이내믹스 사를 발견하면서 함께 협업을 결정하여 F-16을 베이스로 한 기체에 크랭크드 애로우 윙을 적용하는 공동 연구를 시작했다. 그런 연유로 제네럴 다이내믹스는 NASA에서 풍동(風洞) 시험을 실시함과 동시에 거액의 사업 비용을 투자했으며, 이 두 기관의 협업이 본격화되자 미 공군도 F-16 파생형 개발 사업에 관심을 보여 시제기 개발을 위한 소량의 개발비를 지원했다. 두 기관은 NASA 시설에서 다양한 시험을 거친 끝에 F-16을 개량한 “모델 400(Model 400)”을 내놓았다. 모델 400은 전체 윙팁(wing tip)과 수직 미익이 움직이도록 설계했으며, F-16A에 설치된 것과 동일한 수평 미익을 설치했다. 하지만 수평 미익은 저속이나 고받음각에 필요한 통제력을 발휘하지 못했기 때문에 이후에 제거했다. 모델 400은 개량을 거듭하며 날개가 동체 전면부와 이어지도록 하여 고받음각에서의 기동 시 와류(vortex) 발생을 증가시켰으며, 아음속에서 발생하는 양력을 증가시키고 초음속에서 발생하는 항력을 감소시켰다. 일명 ‘이중 삼각익’을 채택하게 된 모델 400은 날개가 커짐에 따라 항속 거리와 비행 속도가 크게 증가했으며, 미 공군은 1980년에 제네럴 다이내믹스와 파트너 계약을 체결하며 기존에 보유 중이던 F-16 3번 기와 5번 기를 초음속 순항 항공기 개발을 위한 플랫폼으로 제공했다. 이에 따라 제네럴 다이내믹스는 각각 한 대의 단 좌식/복좌식 F-16XL 시제기를 제작했으며, 1982년 중순에 시험 비행에 성공했다.

한편, 미 공군은 한 해 전인 1981년 3월에 기존에 운용하던 F-111 아드바크(Aardvark)를 대체하기 위한 고급 전술 전투기(Enhanced Tactical Fighter, ETF) 도입 사업을 시작했다. ETF 사업의 중점은 지원기나 전자전기의 도움 없이 적지 종심 차단 임무를 수행할 수 있는 항공기 도입에 두었다. 제네럴 다이내믹스는 이 사업에 통칭 ‘F-16XL’로 명명한 모델 400을 제안했으며, 경쟁업체로는 맥도넬-더글러스(McDonnell-Douglas, 現 보잉)가 참여하면서 복좌식 F-15D를 개조해 후방석 조종사가 지상 공격 지원을 할 수 있도록 개량한 F-15B(훗날의 F-15E)를 제안했다. 제네럴 다이내믹스 측은 공군과 별도로 접촉하며 F-16XL이 꼭 F-15와 경쟁해야만 할 이유가 없다고 설득을 시도했으나, 예산을 쥐고 있던 미 의회는 두 기종 중 단 하나에 대해서만 예산을 지원하겠다는 의사를 분명히 했다. 특히 당시에는 “해브 블루” 사업이 종료되면서 F-117 스텔스 기가 양산 단계로 넘어가고 있었고, 미 공군 또한 1983년부터 향후에 진행할 고등 전술 전투기 사업(ATF: Advanced Tactical Fighter Program: F-22가 선정) 준비를 하고 있었기 때문에 예산에 제약이 컸던 상황이었다. 미 공군은 1982년부터 1983년까지 두 기종을 캘리포니아 주 에드워즈(Edwards) 공군기지에서 시험 평가를 실시했으며, 빠른 속도로 사업을 진행하여 F-16XL은 1983년 5월 15일까지 369 소티를 소화했다. F-16XL은 탑재 중량, 항속 거리, 초음속 특성 면에서 기존 F-16의 성능을 크게 상회했으나, 당초 설계목표였던 애프터버너를 사용하지 않는 초음속 순항은 성공하지 못했다. 또한 이착륙 거리도 짧은 편이긴 했지만 미 공군이 원하는 거리보다 길었을 뿐 아니라 전반적으로 비행 통제력에서 여러 가지 문제점이 발견됐다. F-16 XL은 추력 대비 중량도 낮았기 때문에 아음속에서 높은 중력 가속도를 유지하는 기동을 실시할 경우 갑작스럽게 대기 속도가 떨어지는 문제까지 발견됐다. 이런 상황에서 입찰이 시작되자 F-16XL의 개발비와 개발 기간마저 심각한 문제로 지적됐다. F-16XL은 F-16을 기반으로 삼은 전투기인 것은 맞지만, 실제로는 기체의 구조나 항공역학적 차이에 있어 완전하게 다른 항공기였으므로 F-16XL이 실용 개발로 들어가기 위해선 F-15E에 비해 긴 개발 기간과 개발 비용이 필요했다. 결정적으로 단발 엔진인 F-16XL에 비해 쌍발 엔진을 채택한 F-15E는 탑재 중량 면에서 유리할 수밖에 없었고, 출력 또한 F-16XL을 크게 상회했다. 무엇보다 ETF 사업으로 도입할 전투기는 적 영공으로 들어가 방공포나 지대공미사일을 피해 다녀야 했기 때문에 피격 당할 경우 단발 엔진보다는 쌍발 엔진의 기체가 상대적으로 안전하다는 평가가 나왔다. 

결국 미 공군은 1984년 1월 자로 ETF 사업 승자로 F-15E 스트라이크 이글(Strike Eagle)을 선정한 뒤 맥도넬-더글러스와 양산 계약을 체결했으며, 순전히 자비로 F-16XL을 개발하면서 비용 부담을 안아온 제네럴 다이내믹스는 1985년 중순에 X-16XL의 모든 개발을 포기하기로 결정했다. 제네럴 다이내믹스는 GE 사가 개발한 F110 터보팬(turbofan) 엔진 테스트 용도로 F-16XL을 1985년 10월까지 운용했으나 이 두 기체는 마지막 비행 전까지 도합 800회 이상의 비행을 소화한 상태였다. 만약 미 공군이 ETF 사업에서 F-16XL을 최종 선정했다면, 해당 기체는 각각 F-16E(단좌형)와 F-16F(복좌형)로 명명할 예정이었다.

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특징

F-16XL은 기본적으로 F-16 설계에 기반하고 있으나 주익과 후방 동체의 수평통제면을 모두 제거하고 기존 주익보다 120% 큰 크랭크드 애로우 윙을 설치한 것이 특징이다. 새롭게 설치한 주익은 광범위하게 탄소 복합재를 사용했기 때문에 중량은 오히려 270kg 가량 줄어들었으나 F-16XL의 전체 중량은 F-16에 비해 1,300kg 가량 증가했다. 이는 동체 접합부를 두 칸 가량 늘려 약 1.4m 가량의 길이가 늘어나면서 구조물이 증가했기 때문이다. 주익을 교체하면서 후방 동체도 약 3도 가량 각도가 올라갔으며, 이착륙 간 지면과 충돌하는 상황을 피하기 위해 동체 하부의 배면 핀(ventral fin)도 제거됐다. F-16XL은 초음속 비행 간 최대 양항비가 25%, 아음속 비행 간 11%가량 향상됐으며, 고속 비행 및 저고도 비행에서 통제력이 획기적으로 높아졌다. 이 때문에 F-16XL의 이륙 거리도 줄어들어 F-16A의 약 2/3 정도 길이 활주로만 확보되면 이륙이 가능하다.

F-16XL이 F-16과 비교할 때 가장 두드러지게 개선된 점은 최대 항속 거리와 폭장량이 크게 증가했다는 점이다. F-16XL은 주익 면적이 넓어짐에 따라 연료 탑재 공간 역시 82% 증가했으며, 하드 포인트도 무려 27개로 늘어나 F-16 대비 두 배에 달하는 무장을 탑재할 수 있었다. F-16XL에는 16개의 주익 하부 하드포인트(각 340kg 장착 가능), 4개의 동체 하부 무장 거치대(AIM-120 AMRAAM 장착 가능), 1개의 동체 하부 중앙 거치대, 2개의 중무장 거치대, 그리고 저고도 항법 및 야간 표적획득용 적외선 포드(LANTIRN) 거치대가 확보되어 있다. F-16XL은 해수면 기준으로 F-16A보다 90노트(약 166km/h) 이상 더 빨랐으며, 동일한 중량의 무장을 장착했을 시 최대 125% 이상 항속 거리가 증가했다.

F-16XL은 프랫 앤 위트니(Pratt & Whitney) 사의 23,830 파운드 급 100-PW-100 엔진을 채택했으며, 아날로그식 플라이-바이-와이어 비행통제 체계를 장착했다. XL의 설계 상 최고 속도는 마하 1.8이었으며, 중력 한계 또한 최대 9G까지 견딜 수 있었다. F-16XL은 초음속 순항이 가능하도록 설계했으나 정작 미 공군 주관 사업 기간 중에는 한 번도 이를 성공하지 못했지만, 사업이 종료되고 나서 초음속 순항에 성공한 사례가 있었기 때문에 결과적으로는 초음속 순항 가능 기체로 분류된다. 전반적인 평가에 있어 F-16XL은 여러 측면에서 시대를 앞서 간 선구자적인 기체였지만, 이런 유의 항공기 상당 수가 전철을 밟았듯 그 운명은 순탄하지 못하게 끝났다. F-16은 제네럴 다이내믹스가 사업을 포기한 후에도 NASA로 이관되어 몇 차례 부활할 기회를 얻었지만 끝끝내 재기하지 못했다.

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운용 현황

제네럴 다이내믹스가 F-16XL 사업을 완전히 포기한 지 3년 후인 1988년, NASA는 고속 연구(HSR: High-Speed Research) 사업을 실시하면서 초음속 층류 제어(Supersonic Laminar Flow Control: SLFC) 능력을 테스트하기 위해 후퇴각이 큰 크랭크드 애로우 윙 기체를 필요로 하게 되었다. 이에 따라 이미 기 개발되어 있던 F-16XL을 후보로 고려했고, 이들 기체의 테스트를 위해 텍사스 주 포트 워스(Fort Worth) 제네럴 다이내믹스 사 창고에 보관 중이던 F-16XL 시제기 두 대를 NASA 드라이든(Dryden) 비행 연구센터로 이송했다. NASA는 초고속 민항기(HSCT: High-Speed Civil Transport) 개발에 적용하기 위한 초음속 층류 제어 기술을 연구하면서 F-16XL이 SLFC 사업용 테스트베드(testbed) 기체로 적합하다는 결론을 내렸으며, 이에 따라 1번 기는 좌측 주익에 티타늄 재질의 ‘글러브(glove)’를 덧댔다. 이 글러브는 노스 아메리칸 항공(North American Aviation; 現 보잉)에서 제작한 것으로, 티타늄 판에 0.0635mm 지름의 구멍을 레이저로 여러 개 뚫어 놓은 구조였다. 글러브는 주익의 0.5㎡를 덮어 난류 공기 흐름을 빨아들이도록 했으며, 이를 통해 초음속 층류를 회복하고 항력을 줄이게끔 설계했다.

뒤이어 인도된 복좌형 2번 기 역시 GE F110-129 엔진으로 교체했으며, 해당 기체는 정작 F-16XL의 설계 목표였지만 ETF 사업 땐 실현하지 못한 초음속 순항을 의도하지 않은 상황에서 달성해 고도 6,096m에서 마하 1.1까지 도달했다. 2번 기도 주익 우측에 초음속 흐름을 관찰하기 위해 능동형 유리섬유/발포고무 재질의 글러브를 장착했으며, 왼쪽 주익에는 티타늄 외장 위에 유리섬유와 발포고무를 씌운 능동형 글러브를 덮어 주익 면적의 75%와 리딩 에지의 60%를 차지하게 했다. 하지만 정작 초음속 층류 제어 기술 자체를 대형 민항기에 적용하기에는 경제적인 문제부터 시작해 현실적으로 어려운 부분이 많다는 사실이 발견되었고, 결국 사업 자체가 1999년 부로 취소되면서 두 대의 F-16XL 시제기는 NASA 드라이든 연구소 창고로 들어가 버렸다.

이후 2007년 경 NASA는 제네럴 다이내믹스 항공 부문을 인수한 록히드-마틴(Lockheed-Martin)에 F-16XL 1번 기를 비행 가능 상태로 되돌리는데 필요한 비용과 타당성 연구 의뢰를 했으며, 해당 기체의 항전장비를 비롯한 일부 장비를 F-16 블록 40형 수준으로 업그레이드하기를 희망했다. 이에 따라 F-16XL 1번 기는 드라이든에서 택시(taxi) 이동만 실시하며 시스템 체크까지만 실시했지만 2009년에 영구 퇴역이 결정되면서 미 공군으로 이송된 뒤 에드워즈 공군기지 내 창고에 영영 잠들게 되었다.

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파생형

F-16XL (S/N 75-0749): 시험용 단좌식 F-16XL 시제기 1번 기. 

F-16XL (S/N 75-0747): 시험용 복좌식 F-16XL 시제기 2번 기.

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제원

- 종류: 시험용 기술 시연기
- 제조사: 제네럴 다이내믹스(General Dynamics)
- 승무원: 1명 (1번 기) / 2명 (2번 기)
- 전장: 16.51m
- 전고: 5.36m
- 날개 면적: 60㎡
- 자체 중량: 9,980kg
- 탑재 중량: 21,800kg
- 최대 이륙 중량: 21,800kg
- 추진체계: GE F110-GE-100 터보팬 엔진(드라이 17,100 파운드/AB 28,900 파운드) x 1
- 최고 속도: 마하 2.05
- 순항 속도: 268m/s
- 항속 거리: 4,590km
- 실용 상승한도: 15,000m
- 상승률: 320m/s
- 기본 무장: 20mm M61 벌컨(개틀링) 기관포 x 1
- 하드포인트: 총 17개, 최대 6,800kg 탑재 
- 대 당 가격: 27,700,000 달러 (2016년 화폐 가치/100대 양산 시 예상 가격)

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저자 소개

윤상용 | 군사 칼럼니스트 

예비역 대위로 현재 한국국방안보 포럼(KODEF) 연구위원으로 활동하고 있다. 미국 마서스 버그 아카데미(Mercersburg Academy) 및 서강대학교 정치외교학과를 졸업했으며, 동 대학 국제대학원에서 국제관계학 석사학위를 받았다. 육군 통역 사관 2기로 임관하여 육군 제3야전군 사령부에서 군사령관 전속 통역장교로 근무했으며, 미 육군성에서 수여하는 육군 근무 유공훈장(Army Achievement Medal)을 수훈했다. 주간 경제지인 《이코노믹 리뷰》에 칼럼 ‘밀리터리 노트’를 연재 중이며, 역서로는 『명장의 코드』, 『영화 속의 국제정치』(공역), 『아메리칸 스나이퍼』(공역)가 있다.