XQ-58A 발키리 무인전투기

미 공군, AI 무인 전투기 개발

 

 

그 누구보다 충성스러운 인공지능 윙맨 XQ-58A 

 

2019년 3월 5일, 애리조나주 유마(Yuma) 시험장에서 초도 비행 중인 XQ-58A (출처: Senior Airman Joshua Hoskins/USAF)

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개발의 역사

무인항공기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)의 역사는 항공기의 역사만큼 오래되었으나, 무인항공기가 본격적으로 전장 위에 등장해 항공력의 한 축을 차지하기 시작한 것은 80년대부터였다. 미군은 2차 세계대전 당시 최대 30만 대가 넘는 항공기를 운용했으나 현재에는 13,400대가량 밖에 운용하지 않는다. 이는 기술의 발달에 기인하는 바가 큰데, 항공기의 성능과 역할의 폭이 커지면서 한 대의 항공기로도 기존 구식 전투기 수십, 수백 대의 역할을 수행할 수 있게 되었기 때문이다. 이 때문에 2차 세계대전 당시 미 육군항공대(오늘날의 공군)의 방침은 "수적 압박을 통한 제공권 달성"이었으며, 이는 어마어마한 인명 손실을 통해 달성할 수 있었던 것이다. 반면 오늘날은 기술의 발달을 통해 "수"보다는 "질"로 목적을 달성할 수 있게 되었는데, 이것이 2차대전 시기의 미 공군과 오늘날 미 공군의 가장 큰 차이이다.

현대적 공군은 항공기 1대도 기존 구식전투기 수십~수백 대의 역할을 수행할 수 있게 되어 그 숫자가 줄었다. <출처: 미 공군>

미국은 냉전에서 승리하며 사실상 지구 유일의 "초강대국" 지위를 얻었지만, 2000년대에 들어서면서부터 새롭게 떠오른 군사 강국인 중국의 도전을 받기 시작했고, 소비에트 연방 해산의 충격에서 어느 정도 헤어 나오기 시작한 러시아까지 등장하면서 다시 복잡한 도전을 받는 상황이다. 이 상황에서 미 측의 전투기는 8~9천만 달러를 호가하므로 한 대 한 대의 피해가 경제적으로 큰 피해일 수밖에 없다. 이 때문에 미국은 무인항공기에 주목하게 된 것이다. 그러나 UAV가 전장 위의 주역이 되기 시작한 계기는 2001년에 발생한 '테러와의 전쟁'이었다. 산악 지역이나 도심지에 은닉하여 게릴라전을 펼치는 적을 탐지하기 위해서는 지속적으로 공역에서 머물면서 적을 파악하는 무인항공기가 적합했기 때문이다. 특히 아프가니스탄 전선 등에서는 테러 단체의 지도부를 정밀 타격하여 제거하기 위한 용도로 무인항공기를 다수 투입했으며, 오바마 행정부 시기에는 국가 간 군사적 충돌의 위험 수위를 낮추는 한편 은밀하게 적을 제거하기 위한 용도로 무인항공기 활용을 늘렸다. 특히 오바마 행정부는 앞선 부시 행정부가 이라크 누적 전사자 문제로 역풍을 맞는 모습을 보았으므로 이를 피하기 위해 최대한 무인항공기를 활용한 ‘드론 타격(drone strike)’을 실시했으며, 부시 행정부 시절 8년 동안 44회 밖에 실시하지 않은 드론 타격을 오바마 행정부 첫 임기인 2009년~2012년 기간 중에만 239회를 사용할 정도로 빈번하게 운용했다.

지금까지는 MQ-9 등 중고도 저속으로 비행하는 무인정찰공격기가 주류였지만, 전쟁의 양상 변화에 따라 무인기의 개발방향도 달라지고 있다. <출처 : 미 공군>

하지만 순차적으로 이라크 자유작전(OIF: Operation Iraqi Freedom)과 항구적 자유작전(OEF: Operation Enduring Freedom)을 종료하면서 다시 잠정적으로 국가 간 전쟁 양상으로 돌아갈 움직임이 보이자 미국의 무인항공기 개발 방향은 이전과 다르게 변화했다. 유인기에 비해 제작 단가가 낮고, 아군 인명 피해 가능성을 최소화할 수 있으므로 순전히 물량으로만 밀어붙여 적 방공망을 제압하는 방안으로 무인항공기 개발이 추진된 것이다. 또한 무인기 제작 기술이 안정됨에 따라 정찰 이상의 역할까지 확장 가능하다는 의견이 제시되면서 공중 급유, 수색·감시·추적, 제한적인 폭격과 공격뿐 아니라 전투 임무까지 영역을 넓히기 위한 시도가 본격적으로 시작됐다.

2020년 5월 호주공군용 XQ-58A 발키리의 롤아웃 장면 <출처: Boeing>

미 공군은 이에 따라 2010년대 중반부터 첨단 유인 스텔스 전투기에 비해 생산단가는 낮되 성능은 크게 밀리지 않는 무인항공기 개발을 목표로 한 저가(低價) 소모성 공격기 기술시연사업(LCASD: Low-cost Attritable Strike Demonstrator)을 추진했다. 이 사업을 통해 개발할 무인전투기(UCAV: Unmanned Combat Aerial Vehicle)는 XQ-222로 잠정 제식 번호를 붙였으며, 개발 시간과 비용 절감을 위해 최대한 컴퓨터를 활용한 3D 설계 기법을 적용할 뿐 아니라 민수용 기체 양산 절차를 활용하였다. 미 공군은 제안서 평가 후 2016년경 크레이토스(Kratos)사의 제안서를 채택해 기술시연기 개발 계약을 체결했으며, 해당 기체의 제식 번호를 XQ-58A로 변경했다. 또한 기체의 별칭으로는 북유럽 신화에서 용맹스럽게 싸우다 패배하여 쓰러진 용사들을 신들의 왕국인 발할라(Valhalla)까지 안내한다는 여전사들의 이름인 ‘발키리(Valkyrie)’를 부여했다. XQ-58의 초도 비행은 시연기 계약으로부터 2년 반 뒤인 2019년 3월 5일에 실시했으며, 총 5회 비행을 실시하면서 기체 성능, 항공역학성, 이륙 및 착륙 체계 등을 점검했다. XQ-58A의 시험 비행은 2020년 현재 진행 중에 있다.

XQ-58의 제조사인 크레이토스 국방안보솔루션 주식회사(Kratos Defense and Security Solutions)는 캘리포니아주 샌디에이고에 본사를 둔 방산 제조업체로, 직접에너지(direct-energy) 무기나 무인항공기, 위성통신체계, 사이버 보안, 고주파 무기, 미사일 방어, 훈련 교육 서비스를 실시하고 있다. 2004년에 창업한 네트워크 인프라 전문 업체인 WFI(Wireless Facility Incorporated)가 모체이며, 주로 미 정부 및 국방부 관련 사업을 수주하면서 서서히 사세를 키우다가 2007년에 크레이토스로 변경하면서 제조업 분야까지 확장하게 됐다. 크레이토스는 미 국방부와 협업으로 미래 무기 개발에서 두각을 나타내고 있는데, XQ-58A 발키리 외에도 함대 방어용 근거리 레이저 무기인 AN/SEQ-3 LaWS(Laser Weapon System) 등으로 관심을 받는 중이니 향후 눈여겨볼 기업으로 보인다.

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특징

2019년 유마 시험장에서 시험 비행 중 촬영된 XQ-58A 발키리. 스텔스 능력을 최대한 발휘하기 위해 V자 미익 및 V자 배면 설계를 적용한 것이 특징적이다. (2nd Lt. Randolph Abaya, 586 Flight Test Sq./USAF)

XQ-58은 시험용 스텔스 무인전투기(UAV)로, 전투 목적으로 개발되어 유인기와 팀을 이루게끔 설계한 "윙맨 (wingman)" UAV이다. XQ-58A 발키리는 미 공군이 추진 중인 "로열 윙맨(Loyal Wingman)" 콘셉트에 맞춰서 개발한 무인기로, 이는 무인항공기 조종사가 호위전투기("윙맨") 개념으로 발키리를 조종하면서 정찰 임무나 적에 대한 공격 지원을 실시하는 개념이다. 물론 반드시 유인기와 팀을 짜야 할 필요는 없으며, 무인기끼리 만으로 팀을 묶어 운용이 가능하다.

XQ-58은 반드시 유인기와 팀을 짜야 할 필요는 없으며, 무인기끼리 만으로 팀을 묶어 운용이 가능하다. <출처 : Boeing>

XQ-58은 본격적으로 스텔스 기술을 적용한 무인항공기로, 동체 하부에는 레이더 반사를 위한 V형 설계를 적용했을 뿐 아니라 전체 동체 설계도 마름모꼴로 제작해 스텔스성을 높였다. 미익 역시 V자 형태로 제작하여 최대한의 레이더 피탐지 면적(RCS: Radar Crossing Section)을 줄였고, 열 신호 감소를 위해 엔진 흡기구도 S자로 제작해 외부에 노출되는 열을 최소화했다. 미 공군에 따르면 XQ-58A는 미 공군 시험 평가 목표 중 편대 비행 항목을 100%로 달성해 F-35나 F-22와 충분히 편대 비행을 하면서 임무를 수행할 수 있음을 증명했다. 무장은 아직 기술시연기 성격이기 때문에 확정되지 않았으나, 약 250kg 중량 내에서 무장을 선택할 수 있으며 내부 무장창 내에 두 줄로 4발의 무장을 통합할 예정이다. 통합이 가능할 것으로 보이는 폭탄은 합동정밀직격탄(JDAM: Joint Direct Attack Munitions), 소형 클러스터 폭탄류 등이다.

XQ-58A 발키리는 3,900km가 넘는 항속거리를 자랑하지만 공중급유도 가능하다. <출처: Public Domain>

XQ-58A "발키리"는 무엇보다 항속 거리가 3,900km를 넘기 때문에 운용 범위가 넓은 것이 유인기와 가장 뚜렷하게 대비되는 장점이다. 향후 국방부의 구상처럼 F-15EX나 F-35 같은 유인항공기와 팀으로 묶는 "스카이보그(Skyborg)" 프로그램이 성공할 경우 유인기 투입 전에 먼저 전장 정찰을 실시해 사전 정보를 수집하는 역할을 수행하며, 유인기가 공중 위협을 제거하면 XQ-58A가 내부에 장착한 폭탄으로 지상 목표를 제거하게 된다. 극단적인 경우 유인전투기로 적 미사일이 날아올 경우 대신 명중하게 하는 '육탄 방어'용 방패로도 활용할 수 있다.

윌리엄스 인터내셔널사의 FJ-33 엔진. 중량이 가벼워 주로 소형 항공기에 탑재하는 터보제트 엔진으로, 지름 353mm, 길이 1.22m, 추력은 1,000파운드~1,800파운드에 달한다. (출처: Christopher Blizzard)

미 공군은 XQ-58A의 제작비를 3백만 달러 이하로 유지하도록 양산 기준을 명시했으나, 크레이토스는 가급적 2백만 달러 이하로 낮춰 비용을 최소화하고자 노력 중이다. 낮은 도입 단가와 달리 성능과 탑재 장비는 어지간한 4~4.5세대 전투기에 준하게 될 예정인데, 토마호크 순항 미사일 한 발이 140만 달러이고, RQ-4 글로벌 호크는 1억 2천만 달러임을 생각한다면 발키리는 고성능을 자랑하지만 언제 상실해도 부담 없는 ‘소모성’ 항공기로 활용될 예정이다. 이는 향후 이들 ‘윙맨’ 무인기의 활용 범위와 가치를 높일 중요한 요소가 될 전망이다.

 

https://youtu.be/QJV_yMIKM1g

XQ-58A 발키리(Valkyrie) 시험비행 영상 (출처: 유튜브 채널)

 

 

크레이토스는 2019년 7월 말 기준으로 발키리가 초도 생산을 실시 중이라고 밝혔으며, 미래 고객의 양산 일정에 맞추기 위한 엔진을 주문한 상태라고 덧붙였다. 현재는 윌리엄스(Williams) 인터내셔널사의 FJ-33 엔진을 장착했으나, 아직까지는 양산 기체에도 동일 엔진을 장착할지 여부는 확정되지 않았다.

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운용 현황

XQ-58A는 총 5차례 시험 비행이 계획되었으며, 2019년 3월 5일에 1차(72분), 2019년 6월 11일에 2차(71분) 시험 비행을 소화했다. 하지만 3차 시험 비행인 2019년 10월 9일 비행 중 한차례 사고가 발생한 것으로 알려졌다. 미 공군 공식 발표에 따르면, 급작스럽게 불어온 지상풍 때문에 기체에 임시로 설치한 기체 회수 시스템이 오작동을 일으켜 착륙 시 기체가 일부 파손됐다. 하지만 2020년 1월 23일에 실시한 4차 시험은 성공적으로 완료했으며, 이후 F-22 및 F-35와 함께 편대 비행 시험을 실시 중인 것으로 알려졌다.

미 공군 F-22 랩터 및 F-35 라이트닝 II와 편대 비행 중인 XQ-58A. 2020년 12월 9일 시험 비행 중 촬영된 것으로, XQ-58A는 현재 유인기와 팀(team)을 이루는 '로열 윙맨' 사업에도 참여 중이다. (출처: USAF)

미 공군은 스카이보그 프로그램을 통해 "로열 윙맨 (loyal wingman)" 무인전투기를 2023년까지 실전 배치를 희망하고 있는데, 크레이토스는 이 사업을 수주하기 위해 XQ-58로 해당 사업에 참여 중인 상태다. 미 공군은 초기 소프트웨어 테스트를 2019년 7월 25일부터 실시한 상태이며, 미 공군 제412 시험비행단이 소형 무선조종 방식의 드론에 이 신형 비행통제 소프트웨어를 설치해 테스트 중에 있다. 미 공군은 2020년 7월 23일 자로 스카이보그(Skyborg) 사업을 개시하면서 크레이토스 외에 보잉(Boeing), 노스롭-그루먼(Northrop-Grumman), 제네럴 아토믹스(General Atomics)사가 제안요청서(RFP: Request for Proposal)에 응신해 제안서를 제출했으며, 현재 미 공군은 이들 업체와 모두 시제기 개발 계약을 체결한 상태이다. 2020년 12월 7일 자로 크레이토스, 보잉, 제네럴 아토믹스의 기체가 최종 후보로 올라갔으며, 미 공군은 2021년 5월까지 최종 계약자를 선정하여 2021년 7월부터 시험 비행에 들어갈 예정이다. 미 공군은 향후 "로열 윙맨" 개념의 무인전투기가 도입되면 F-35A와 업그레이드형 F-15에 "윙맨" 무인항공기를 통합시켜 운용할 계획이다. 이 '로열 윙맨' 개념이 실증을 통해 증명되면 미 공군은 '센서'와 '슈터(shooter)'를 분리시킬 것이며, 레이더를 비롯한 탐지 장비가 장착된 '센서' 탑재 항공기는 유인기 형태로 유지하고, ‘슈터’ 전투기는 이들 ‘로열 윙맨’ 무인전투기로 지정하여 센서 전투기가 지시한 대로 공격을 실시할 수 있게 하는 개념으로 갈 예정이다.

애리조나주 유마 시험장에서 이륙 중인 XQ-58A 발키리 (출처: Staff Sgt. Joshua King / USAF)

현재 다수의 국가가 유인기와 무인기를 팀으로 묶는 ‘로열 윙맨’ 관련 사업을 진행하고 있다. 오스트레일리아 공군은 항공력 팀 체계(Airpower Teaming System) 사업을 미국보다 먼저 시작했으며, 2019년 2월에 당 사업을 추진해 온 사실을 공개했다. 이 사업에서 오스트레일라 공군은 약 12m 길이의 제트 추진 무인기에 센서와 무장을 탑재하여 최대 3,200km까지 비행하면서 전투임무를 소화하되 기체 가격은 백만 달러 근처로 유지할 수 있는 무인항공기 도입을 추진 중이다. 크레이토스는 보잉 오스트레일리아 법인과 파트너 형태로 이 사업에 먼저 참여하여 XQ-58A를 제안했으며, 현재 사업은 진행 중에 있다. 중국은 2018년 중반에 약 10m 길이 정도의 무인항공기인 "안지안(暗剑, 음검)" UAV를 공개했고, 일본은 "2016년 말부터 "전투지원 무인항공기"사업으로 명명한 '윙맨 (Wingman)' 무인기 개발을 추진 중이다. 특히 일본은 F-2의 대체 기종으로 개발을 진행 중인 차기 전투기(F-3)에 '로열 윙맨' 콘셉트를 통합할 계획을 수립 중인 것으로 알려졌다.

XQ-58A에 정비병이 급유 중인 모습. (출처: Staff Sgt. Joshua King/USAF)

이 '윙맨' 콘셉트가 실제 전장에 등장하면 그 파급 효과는 엄청날 것으로 예상된다. 이는 유인기와 속도를 맞추며 따라다닐 수 있는 무인기가 등장한다는 의미이며, 이 무인기는 인명 손실의 가능성이 있는 위험한 임무를 마다하지 않고 수행할 수 있으므로 클라우제비츠(Carl von Clausewitz)가 제창한 전장의 불확실성, 즉 "전장의 안개"에 구애받지 않을 것이기 때문이다. 즉, 격추 가능성 때문에 함부로 적지에 진입한다던가 하는 위험한 임무도 얼마든지 수행할 수 있게 되므로 임무의 수행 범위도 늘어나지만, 동시에 돌발성 분쟁 발발 가능성도 증가하게 될 것이다. 또한 향후 이들 ‘무인전투기’의 기술과 노하우가 축적되어 현재 유인기가 도맡고 있는 공대공 전투까지 영역이 확장된다면, 탑승 중인 조종사 때문에 발생하는 중력 한계의 구애를 받지 않게 될 것이므로 그 운동성은 어마어마하게 될 것이 분명하다. 물론 현재로서는 무인항공기가 공중전까지 모두 대체하는 데는 시일이 걸릴 것으로 예상되나, 무인항공기 자체의 발전 속도부터 기존의 예상을 뒤엎을 만큼 빠르게 진행되고 있으므로 유인기의 영역까지 무인기가 대체하는 날도 머지 않았다는 관측도 나오고 있다.

윙맨 컨셉트가 실제 전장에서 확립되면 무인기의 영역이 비약적으로 확장될 것으로 보인다. <출처: Boeing>

 

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파생형

XQ-58A 발키리(Valkyrie): 크레이토스사에서 제작한 유·무인기 결합형 무인전투기(UCAV)

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제원

제조사: 크레이토스 디펜스 앤 세큐리티 솔루션즈(Kratos Defense & Security Solutions)
용도: 무인전투기(UCAV)
상태: 개발 중
전장: 8.8m
날개 길이: 6.7m
건(乾) 중량: 907kg
최대 이륙 중량: 2,722kg
내부 탑재 중량: 272kg
최고 속도: 1,050km/h(마하 0.85)
순항 속도: 마하 0.72
추진체계: 윌리엄스 인터내셔널 FJ-33 트윈 스풀(Twin-spool) 터보팬 엔진
항속 거리: 3,941km
실용 상승 한도: 13,715m
하드포인트: 8개(내부 무장창 2개에 최대 250kg까지 4개 장착 가능)
무장: 합동정밀직격탄(JDAM), 소형 집속탄
대당 가격: 3백만 달러 이하(양산 가격 목표)

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저자 소개

윤상용 | 군사 칼럼니스트

예비역 대위로 현재 한국국방안보포럼(KODEF) 연구위원으로 활동하고 있다. 미국 머서스버그 아카데미(Mercersburg Academy) 및 서강대학교 정치외교학과를 졸업했으며, 동 대학 국제대학원에서 국제관계학 석사학위를 받았다. 육군 통역사관 2기로 임관하여 육군 제3야전군사령부에서 군사령관 전속 통역장교로 근무했으며, 미 육군성에서 수여하는 육군근무유공훈장(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), 『이런 전쟁』(공역)이 있다.