F-35C 테일후크 시험 평가

• F-35C는 미 해군 CATOBAR 항공모함 운용을 위해 착함 때 테일후크가 어레스팅 와이어를 확실히 잡아야 했지만, 2011년 Lakehurst NAS 초기 시험에서 설계가 실패함
• 후크 위치와 기체 내부 공간 제약은 이미 빡빡했고, 실제 와이어 거동을 맞히지 못한 와이어 동역학 모델이 실패를 키움
• 타이어가 와이어를 먼저 눌러 갑판에 낮게 깔리자 후크는 와이어를 잡지 못하고 넘어갔으며, 예상보다 큰 각가속도로 튀어 올라 계측 장비까지 손상됨
• 재설계는 더 강한 damper, 개선된 lateral limiter, 견고한 계측 장비, 낮은 와이어를 퍼올리듯 잡는 scoop 형태 hook shoe로 이어짐
• 2016년 외부 무장 상태의 오프센터 어레스팅 시험에서는 FLOLS 설정 문제로 고침하율 착륙이 발생했고, 이후 프로그램은 오프센터 및 wire-only 어레스팅 추적을 공식 중단함

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F-35C와 초기 테일후크 실패

• F-35C는 미 해군이 운용하는 CATOBAR 항공모함용 F-35 Joint Strike Fighter 변형임
  • CATOBAR는 Catapult Assisted TakeOff, Barrier Assisted Recovery를 뜻함
  • 이 방식에서는 항공기가 증기식 또는 전자기식 캐터펄트로 발함하고, 착함 때 테일후크로 어레스팅 와이어를 잡음
• 후크는 비행 중 clamshell door가 덮는 베이 안에 수납됨
  • 전자적으로 제어되고 유압으로 움직임
  • 초기 설계는 실제 시험에서 요구한 방식으로 동작하지 않음
• 본격적인 carrier suitability 시험은 2011년 여름 Lakehurst NAS에서 시작됨
  • Jet Blast Deflector 호환성 시험 뒤 테일후크 시험으로 넘어감
  • Tony “Brick” Wilson은 Lakehurst에서 대부분의 시험을 지켜봤지만 후크가 와이어를 잡는 장면은 보지 못함

왜 후크가 와이어를 놓쳤나

• 한 계측 기술자는 2010년 11월 6일 CF-01이 Pax에 도착한 날, 후크가 짧고 바퀴에 너무 가까우며 hook shoe 형상이 부적절해 bolter가 날 것이라고 예측함
• 후크 포인트는 주 착륙장치 축 중심에서 약 7피트 조금 넘는 거리에 있었음
  • 기체 내부 공간이 매우 빡빡해 설계자가 조정할 수 있는 여유가 제한적이었음
• 설계는 어레스팅 와이어 거동을 시뮬레이션하는 컴퓨터 모델에 맞춰졌지만, 실제 시험에서는 그 예측이 맞지 않음
  • 이후 F-35 시뮬레이션 검증·검증(V&V) 업무 중 해군이 제공한 와이어 동역학 모델이 제대로 V&V되지 않았다는 말을 들었지만, 확실히 아는 것은 아니라고 밝힘
  • 결과적으로 해당 모델은 작동하지 않는 설계로 이어짐

실제 시험에서 드러난 와이어 거동

• 어레스팅 착륙에서는 항공기의 주 착륙장치 또는 노즈 기어 타이어가 먼저 와이어를 침
  • 이 충격으로 와이어에 파동이 생기고, 파동은 타이어에서 멀어지는 방향으로 이동함
  • 항공기가 앞으로 계속 움직이는 동안 파동은 와이어 양방향으로 전파되고, 와이어는 대체로 갑판에 납작하게 깔림
• 모델은 다음 단계에서 와이어가 갑판에서 반동해 올라올 것으로 예측함
  • 실제 와이어는 계속 낮게 머물렀고, 후크는 와이어 위를 건너뜀
  • 후크가 기체 쪽으로 되튀는 속도가 너무 커서 시험팀은 hook up-swing 가속도계 고장을 의심했지만, 장비는 정상으로 확인됨
• Lakehurst 시험팀은 속도를 점점 낮춘 roll-in arrestment를 반복했지만 성공하지 못함
  • IPP 문제로 비행이 금지된 날에도 느린 속도에서 시도를 이어감
  • 후크는 계속 큰 각가속도로 튀어 올랐고, 취약한 테일후크 계측 장비가 손상됨
• 2011년 8월에는 손상된 배선을 정리하고 테일후크 회전 위치 센서를 반복 교정하는 작업이 늦은 밤까지 이어짐
  • Hurricane Irene이 Lakehurst로 향한 뒤 항공기는 PAX로 돌아갔고, 그 시기의 좌절스러운 시험도 끝남

재설계와 남은 신뢰성 문제

• 후크 재설계는 피할 수 없는 일이 됨
  • 훨씬 강한 hold down damper가 적용됨
  • upstroke용 새 damper가 추가됨
  • lateral limiter가 개선됨
  • 매 어레스팅마다 망가지지 않는 계측 장비가 들어감
• hook shoe도 낮게 깔린 와이어를 잡기 쉬운 형상으로 바뀜
  • 새 형상은 와이어를 퍼올리는 scoop에 가까웠음
  • 기존 hook profile은 파란색, 새 profile은 빨간색, 어레스팅 케이블은 보라색으로 비교됨
• 2013년에는 후크가 작동하는 장면이 있었지만, 문제는 거기서 끝나지 않음
  • 현장 엔지니어는 개인 사정으로 2012년 중반 F-35 프로그램을 떠났다가 2년이 조금 안 되어 같은 업무로 복귀했기 때문에, 2013년 장면은 직접 보지 못함
• 이후 pitch pivot pin이 들어가는 bearing에서도 문제가 이어짐
  • pin은 최소 25회 어레스팅을 버텨야 했지만, pin sleeve가 galling으로 1~2회 만에 손상되는 일이 발생함
  • galling은 금속끼리 미끄러질 때 마찰로 한 표면의 재료가 다른 표면으로 옮겨가는 마모임
  • 해당 pin/sleeve 안에는 시험 중 후크 각도 위치를 control room에 직접 알려주는 위치 센서가 있었고, 잦은 교체 때문에 CF-03 테일후크 작업 시간이 크게 늘어남
• 야간조 엔지니어링은 회의보다 비행 지원, 문제 해결, 다음 날 시험을 위한 계측 사전 점검이 중심이었음
  • CF-03의 테일후크, launch bar, landing gear 계측은 관리가 많이 필요해 한 명이 CF-03만 맡는 경우가 많았음
  • pitch pivot pin을 교체해도 synchro 회전 위치 센서 교정을 다시 하지 않아도 되는 방법을 마련함
  • 새 교정은 새 계측 프로젝트와 display check를 요구해 며칠이 걸렸기 때문임

2016년 오프센터 어레스팅과 시험 종료

• 2016년 CF-03는 Lakehurst에서 가장 까다로운 테일후크 시험을 수행함
  • 외부 무장을 모두 단 상태의 시험이었지만, 외측 날개 스테이션의 AIM-9X는 날개 구조 수정이 필요해 제외됨
  • 시험 목표에는 off-center arrestment가 포함됨
• 2016년 5월 흐린 날, 가능한 한 centerline에서 멀리 벗어난 어레스팅을 시도함
  • 현장 엔지니어는 Navy가 만든 이동식 미니 control room인 MITS(Mobile Instrumentation/Telemetry System) 안에서 계측 상태 화면, 시험 음성, 비디오를 보고 있었음
  • F-35C는 보통 착륙 때 기수가 약 11~13도 들린 상태로 들어옴
• 해당 접근에서는 항공기가 거의 평평하게 들어오며 빠르게 가라앉고 있었음
  • 지상에서 Landing Signal Officer 역할을 하던 동료 조종사의 “WAVE OFF” 호출이 예상됐지만 들리지 않음
  • F-35는 세 바퀴가 동시에 지면에 닿고 활주로에서 튀어 오른 뒤 다시 활주로에 닿음
  • 조종사는 통제를 유지해 다시 공중으로 올라갔고, radio로 “Lightning seven three is airborne, going back around”라고 말함
• 데이터 검토 결과, 착륙은 F-35C를 20피트 높이에서 떨어뜨린 것과 같은 고침하율로 확인됨
  • 거의 완전히 평평하게 닿았고, 받음각은 2도에 불과했음
  • 원인은 사용 중이던 FLOLS(Fresnel Lens Optical Landing System)가 제대로 설정되지 않은 것이었음
  • 조종사는 glide slope 위를 날고 있다고 생각했지만 실제로는 너무 가파른 경로였고, LSO는 너무 늦게 알아차림
• 항공기는 crew chief에 의해 impound됐고, formal inspection criteria가 만들어질 때까지 작업이 금지됨
  • 다음 날 계측 하드웨어에만 적용되는 200개 이상 단계의 검사 항목이 이메일로 도착함
  • 다른 정비사와 엔지니어들도 각자의 두꺼운 검사 목록을 받음
  • 검사는 3일이 걸렸고, 새 landing gear가 필요하다는 점이 확인됨
  • Lakehurst에서는 교체할 수 없었지만 한 번 더 이륙·착륙할 정도는 지탱할 수 있어 항공기는 PAX로 돌아감
• 프로그램은 off-center arrestment와 wire-only arrestment를 계속 추적하는 것을 공식 중단했고, 이로써 테일후크 시험도 마무리됨

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 글쓴이임. 이 글이 HN에 올라올 줄은 전혀 몰랐고, 그냥 공유했던 엔지니어링 실전담이었음

  • 정말 흥미로움. 이 프로그램이 90년대 후반에 시작됐는데, F-35 전력이 이제야 원래 명시된 작전 능력에 도달했다는 게 놀라움
    그 사이에 고등학교를 졸업하고, 학위를 받고, 결혼까지 했을 정도라 기간이 아득함. 그렇게 긴 시간 동안 연속성을 어떻게 유지하는지도 궁금함. 소프트웨어에서는 프로젝트가 6개월만 넘어도 버리고 다시 쓰는 느낌임
  • F-35 착륙을 물리적으로 시뮬레이션하는 시험 장치를 만들자는 검토는 없었는지 궁금함. EMALS가 받는 “사하중” 시험 같은 걸 반대로 하는 식으로. 아무튼 아주 재미있게 읽었음
  • 왜 굳이 테일훅을 다시 설계했는지 궁금함. 다른 여러 항공기 중 하나의 것을 약간 수정해서 쓰면 되지 않았나 싶음
    아니면 그런 테일훅들이 전부 이유가 있어서 맞춤 설계인 건가?
  • “ham-peas”라는 이름이 익숙할 수도 있겠음. 그렇다면 요즘 어떻게 지내는지 궁금함. 정말 오랜만임
  • 블로그에 RSS 피드를 추가해줄 수 있는지 궁금함

• 이런 엔지니어링 난제 이야기를 듣는 게 좋음. 언론은 이런 설계 반복을 F-35가 과대평가됐거나 기존 전투기보다 못하다는 증거처럼 다루기 좋아하지만, 내가 보기엔 혁신과 새로운 시도임
  때로 실패하더라도 결국 놀라운 전투기를 만들어내는 과정임. 다만 새 전투기가 필요 없는 세상에서 이런 시간과 노력을 평화적인 일에 투자할 수 있으면 좋겠다는 아쉬움은 있음

  • 맞음. 그리고 다른 대부분의 항공기도 비슷한 초기 결함을 겪는다는 점을 자주 잊는 것 같음
    글이 잘 보여주듯, 훅처럼 단순해 보이는 것에도 엄청난 작업이 들어감. 다른 요소들은 해결하기 훨씬 복잡할 수 있음. 기억이 맞다면 F-35의 통합 동력 패키지[1]도 꽤 많은 문제의 원인이었음. 하지만 그런 개발 덕분에 기체 중량을 통제할 수 있었고, 결과적으로 F-35B 같은 초음속 STOVL 전투기가 가능해짐
    해설자들이 “그건 멍청하다, 그냥 이렇게 하면 되잖아!”라고 말할 때마다 거슬림. 그렇게 쉬웠다면 애초에 문제가 아니었을 것임
    새 전투기가 필요하다는 현실에 대한 감정은 이해함. 최소한 이런 엔지니어링 발전 중 일부는 민간 분야에도 도움이 됨. 좋은 예가 C-5 Galaxy인데, 개발 과정은 고통스러웠지만 혁신적인 TF-39 엔진 개발로 이어졌고, 이후 CF6가 되어 성공적인 여객기들을 오래 구동함
    [1] https://www.defenseadvancement.com/feature/3-aircraft-system...
  • “혁신과 새로운 시도”로 보는 긍정적인 태도는 좋음. 다만 상식으로 피했어야 할 엔지니어링 부족도 있었다고 봄
    예를 들어 원래 훅은 슈가 너무 위로 향해 있어서 와이어를 잡지 못했음. 엔지니어들은 결함 있는 시뮬레이션 모델을 바탕으로 설계했고, 현장 시험 인력은 보자마자 안 될 걸 알았음. 심지어 비엔지니어인 내 파트너에게 사진을 보여줬더니 첫마디가 “방향이 맞지 않네”였음
    https://the-engi-nerd.github.io/posts/welcome/images/clipboa...
    원래 설계(파란색)와 수정 설계(빨간색)를 볼 수 있음
    https://the-engi-nerd.github.io/posts/welcome/images/clipboa...
  • 언론에서 그렇게 미움받고 비판받았는데도 지금은 세계 최고의 전투기라는 게 놀라움. 그 비판은 실제 결과도 낳았음. 캐나다에서는 예상 비용 때문에 F-35가 금기이자 밈이 되어버려서, 훨씬 낮은 능력의 대안을 더 비싸게 사게 되는 1970년대급 물건에 사실상 묶였음
  • 새로운 실험적 전투기 설계를 만드는 건 좋음. 반대하는 건 그 설계가 실제로 동작하는지 확인하기도 전에 수천 대 구매와 비용 지불을 확정하는 부분임
  • 스스로를 무장하는 것이 평화를 추구하는 길이라고 볼 사람도 있음

• “프로그램은 중심선에서 벗어난 어레스팅과 와이어만 잡는 어레스팅을 더 이상 추적하지 않기로 공식 결정했다”는 게 무슨 뜻인지 궁금함
  F-35C는 거의 중심에 가깝게 착륙해야만 제대로 훅을 걸 수 있다는 뜻인가? 그리고 “wire only”는 뭔가? 항공모함의 어레스티드 랜딩은 전부 와이어만 쓰는 것 아닌가?

  • 이 시험들의 전체 목적은 어레스팅 장비를 가장 가혹한 방식으로 몰아붙이는 것이었음
    보통 그 방법 중 하나가 중심선에서 크게 벗어난 위치에서 어레스팅을 시도하는 것임. 이 경우 제동력이 한쪽에 훨씬 강하게 걸림. 또 하나는 기체 바퀴가 아직 갑판 위에 떠 있는 동안 훅이 와이어를 잡게 하는 것인데, 이러면 항공기가 아주 세게 갑판으로 내리꽂힘
    이 사고 이후 시험 계획의 의도는 충분히 달성했다고 판단했음
    게다가 어레스팅이 가능한 계측 항공기가 부족했음. 프로그램에는 두 대뿐이었고, 그중 한 대를 한계까지 밀어붙였음
  • 항공기가 테일훅을 잃었을 때 쓸 수 있는 그물도 있다고 생각했음

• 모든 엔지니어는 고장 난 시험 장비 때문에 한 번쯤 데이고, 모든 시니어 엔지니어는 제대로 동작하는 시험 장비를 믿지 않아서 한 번쯤 데인다고 봄
  즐겁게 읽었음

• 재미있게 읽었고 다음 글도 기대됨. 예전에 Harrier 정비사였는데, 2002~2007년 복무 중 F-35B 정비를 배우게 될 거라는 말을 정말 자주 들었지만 당연히 실제로는 일어나지 않았음
  그래서 전직 정비사이자 현직 엔지니어로서 개발 이야기를 더 듣고 싶음

  • Twitter에 F-35를 다룬 다른 스레드들이 있음

    https://twitter.com/the_engi_nerd/status/1758633498464952414 조종석에서 보이는 모든 것에 라벨 붙이기
    https://twitter.com/the_engi_nerd/status/1757243336941871159 비행 시험에서의 주 업무였던 항공기 계측에 대한 설명
    https://twitter.com/the_engi_nerd/status/1747803565987381495 Lockheed-Martin 직원들이 F-35 시스템 설계/개발 종료 시점에 쓴 논문 모음인 “F35: From Concept to Cockpit” 1장에 맞춰 풀어본 내용

• “계측 프로젝트용 새 XML 형식을 만들기 싫다는 순수한 게으름만으로 프로그램의 시간과 돈을 아껴주는 엔지니어들. 세상의 진보란 대충 이런 식으로 이뤄지는 모양이다”라는 대목이 공감됨
  의료, 핀테크, 광고 분야에서 일해봤는데, 세 분야 모두에서 똑같은 일을 했음. 새 형식에 대한 합의를 얻지 않으려고 지금까지 20개 언어로 XML 파서를 작성하거나 디버깅한 것 같음

  • 우리는 무려 Excel에서 돌아가는 Visual Basic 스크립트로 XML을 만들었음. 여러 입력 문서를 소화해서 맵 템플릿을 생성하고, 그걸 손으로 조정한 뒤 또 다른 VB 스크립트로 XML로 바꾸는 방식이었음

• 훌륭한 글임. 그 시기에 신입 소프트웨어 엔지니어로 IFLOLS 작업을 했음
  정부를 떠나 여러 소프트웨어 스타트업에서 일한 뒤로는 이런 현실 세계의 엔지니어링이 그리움

  • “현실 세계의 엔지니어링”이 무슨 뜻인지 궁금함. 체감상 어떤 점이 다르다고 보는지?

• 새 항공모함에는 멋진 전자기식 캐터펄트가 있으니, 하이브리드 자동차처럼 회생 제동을 쓰면 어떨까 싶음. 캐터펄트 축압기를 다시 충전해서 에너지를 많이 아낄 수 있을 것임
  물론 농담임

  • 그 하이브리드 자동차들에 원자로만 달려 있었다면 복잡한 회생 장치도, 내연기관도 필요 없었을 것임 :)
  • 배가 공짜로 올바른 방향으로 살짝 밀리긴 함

• F-35C에 관한 흥미로운 여담이 있음. 주문·설계 당시에는 교체 엔진을 분해해도 항공모함으로 실어 나를 수 있는 항공기가 없었음. C-2 Greyhound에는 들어가지 않았는데, 꽤 이상한 간과처럼 보임
  Osprey의 CMV-22B 변형에는 들어가지만 현재는 비행 중지 상태고, CH-53K King Stallion에도 들어간다고 알고 있음. 하지만 그런 항공기들은 최근까지 존재하지 않았음
  정정하자면, C-2가 교체 엔진 일반을 못 실었다는 뜻이 아니라 F-35 엔진은 맞지 않아서 못 실었다는 뜻임

  • 바다 위에서 엔진 전체 교체를 자주 할 일이라고 꼭 기대하진 않음. 항해 중에 날개도 교체하나? 예비 엔진 여러 개를 보관해두고 정박할 때 보충해야 한다는 제약이 그렇게 최악 같지는 않음
  • 표현이 모호하고 부정확함
    우선 항공기에 교체 엔진을 전달할 수 있는 CTOL 항공기는 있음. 다만 F-35 교체 엔진은 큰 팬 블레이드 지름 때문에 안 되는 것임. 미 해군은 예전에 이런 임무에 C-2 Greyhound를 썼지만, 동체가 너무 작고 퇴역 중이었음. 퇴역한 S-3B 일부를 항모 수송기(COD)로 개조하면서 F135를 수용하도록 더 넓은 동체로 바꾸자는 얘기도 있었지만 추진되지는 않았음. https://archive.ph/20150209193642/http://www.defensenews.com...
    둘째, Boeing Sea Knight를 포함해 F-35 교체 엔진을 운반할 수 있는 헬기는 많음. https://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_Vertol_CH-46_Sea_Knight 미 해군이 재래식 헬기에 의존하고 싶어 하지 않았던 건 상대적으로 짧은 항속거리 때문이라고 봄

• 눈에 띈 점이 하나 있음. 이 서술대로라면 테일훅은 실제 조건에서 애초에 작동할 수 없었던 것 같음. 블로그는 제조사가 사용한 컴퓨터 모델이 틀렸다고 말함
  그렇다면 제조사들은 하드웨어를 현장 시험하지 않는다는 뜻인가? 그렇다면 무서운 일임

  • 그게 바로 비행 시험이었음. 어레스팅처럼 동적인 현상을 기체 전체 수준에서 시험하려면 실제로 제트기를 만들고 와이어를 잡아보는 것 말고는 방법을 모르겠음
  • 이게 그 하드웨어의 현장 시험임. 고객이 사실상 하나뿐이라면 고객이 현장 시험에 참여하거나 완전히 주도하는 게 말이 됨