플로리다 주의 8월 날씨는 가마솥 같은 열대의 더위다. UPS 운전사들은 축축해진 두건으로 이마의 땀을 닦는다. 아무도 찾지 않는 해적 테마의 미니 골프 공원들이 신기루처럼 일렁거린다. 그러나 플로리다만 해안에 모텔과 쇼핑몰에서 불과 몇 킬로미터 떨어진 곳에서는 커크 패리시 같은 엔지니어들이 인생 최악의 눈보라를 경험하고 있다. 무려 영하 40도의 기온 속에서 파카를 껴입고 픽업트럭에 시동을 걸고 모든 것을 새하얗게 가려 버리는 눈보라를 뚫고 달리는 것이다. 그것도 실내에서!
패리시는 “실내에서 눈보라라니, 이걸 보면 정말 제정신이 아닌 기분이다”고 말한다. 포드 자동차 회사의 디젤 엔제니어인 그의 일은 프루도 만 같이 추운 곳에서도 F-150 자동차가 시동이 확실히 걸려 작동하게 하는 것이다. 이를 위해 그는 매년 여름마다 에글린 공군 기지의 맥킨리 기후 연구소를 찾아온다. 여러 개 동을 사용하고 있는 이 연구소는 세계에서 제일 큰 실내 기후 시험 시설로서, 거의 모든 기상 재난을 재현할 수 있다. 눈보라, 안개, 비(시간당 강우량 최대 68cm), 섭씨 74도의 고온, 정글 속 같은 습기, 시속 64km의 모래 바람도 재현할 수 있다.
이 연구소는 지난 1947년에 문을 열었다.
당시 미 육군항공군(현 미 공군)의 군용기 성능 평가를 위해서였다.
몇 년 후에는 공군 뿐 아니라 육군과 해군도 이 시설을 사용할 수 있게 되었고, 1980년대 후반부터는 민간 기업에게도 문호가 개방되었다.
이후 이 시설은 모든 소비재의 시험장 역할을 하고 있다.
포드 트럭, 굿이어 스노우 타이어, 구글 인터넷 전송 프로젝트 룬 기구 등도 이 곳에서 테스트를 받았다.
FAA 인증을 받으려는 대부분의 민간용 제트기의 마지막 관문이기도 하다.
이 연구소는 미군이 보유한 거의 모든 군용기를 시험했다.
그 중에는 노스롭 그루먼 B-2 폭격기, 록히드 마틴의 C-5 갤럭시 수송기(너무 커서 비행기 맨 위와 연구소 천정이 닿을락말락했다), F-35 합동 타격 전투기도 있다.
연구소장 드웨인 벨은 이렇게 말한다.
“이 곳을 거치지 않은 군용기도 과연 있는지 모르겠다.”
그는 26년 동안 이 곳에서 근무하면서 수백 종류의 제트기를 시험했다.
4월 중순의 어느 날, 벨은 다양한 크기와 형상의 제품 10여 종의 입출고 계획을 짜느라 여념이 없었다. 이 다양한 제품들을 어떻게든 이 곳에서 시험을 받게 해야 한다. 올 하반기에는 봄바디어 글로벌 7000이 올 거라고 예상하고 있다. 신형 초장거리 비즈니스 제트기다. 그는 이렇게 말한다. “우리는 모든 요청을 다 받는다. 해양 시추 장비제작사와도 상담한다. 어제 같은 경우에는 그 제품을 제설기 안에서 실험하고 싶다는 전화를 받았다.”
신발, 텐트, 장갑, 비행기, 배, 트럭 등 가혹한 자연 환경 속에서 견뎌야 하는 제품들은 많다. 그러나 그런 가혹한 기상 상황이 올 때까지 기다리는 것, 그리고 그런 기상 상황을 쉽게 접할 수 있는 극지나 아마존 같은 곳으로 시제품을 실어 나르는 데는 시간이 엄청나게 많이 든다. 시간 뿐 아니라 연구개발 예산도 엄청나게 많이 든다. 게다가 실험 결과를 정확하게 측정하고 가혹한 조건 하에서 생기는 문제를 파악하기도 힘들다. 똑같은 조건의 실험을 반복하기도 어렵다. 그러니 이런 방법은 과학적 방식이라고 볼 수 없다. 실험 조건을 반복할 수 있어야 과학적이지 않은가. 그래야 비판하는 사람들에게도 가혹한 조건 하에서 제품이 작동한다는 것을 확실히 보여줄 수 있지 않은가?
무명의 미 육군 항공군 지휘관이었던 애슐리 맥킨리 중령 역시 그 점을 재빠르게 눈치챘다. 조종사 출신인 그는 1928년과 1929년 미국 탐험가 리처드 버드의 남극 탐험 사진을 촬영하기도 했다. 그는 알래스카 주 래드 기지에 주둔하면서 육군 한냉 기후 시험 파견대를 지휘했다. 제2차 세계대전이 진행되면서 미군은 북극의 툰드라에서부터 극동의 우림지대에 이르는 여러 극한환경에서 작전해야 했다. 맥킨리는 물자들을 알래스카까지 가져와서 시험을 받게 하는 데는 비용이 많이 드는 것을 알았다. 게다가 통제가 안 되는 자연환경 속에서의 실험 결과는 빈틈이 많았다. 그는 인공적으로 극한 기후를 만들어 실험하면 비용을 1/10로 줄이고도 더욱 효율적으로 실험할 수 있음을 알아냈다. 그래서 1943년 9월, 한냉 기후 시험 프로그램은 더 쉽게 찾아갈 수 있는 플로리다만 서북부 해안의 에글린 항공 기지로 자리를 옮겼다. 4년 후, 새로 건설된 주연구소에서 첫 항공기를 시험하기 시작했고, 이후 50년간 300종의 항공기와 2,000여종의 기타 장비(폭탄, 미사일, 야포, 험비 등)를 이 곳에서 시험했다.
1990년대 초반, 이 연구소의 엔지니어, 용접공, 전기공들은 1억 달러 규모의 연구소 개축 공사를 시작했다. 더 큰 항공기를 시험할 수 있고 더욱 발전된 냉각 및 가열기기 및 전기, 증기 기기를 설치하는 것이 공사 목표였다. 개축 공사가 1997년에 완료되자 민간 기업들도 이 시설을 이용할 수 있게 되었다. 군 장비가 갈수록 정교해 지면서 시험에 걸리는 시간도 늘어났다. 그리고 벨의 말에 따르면 민간 기업이 시험비로 내는 돈이 군 장비의 시험에도 도움이 된다고 한다.
현재 이 연구소에는 6개의 실험실이 있다. 가장 지독한 환경을 만들어내는 실험실은 세계 곳곳으로 파견되는 미군의 수요에 맞추기 위해 지난 1970년대 초반에 지어졌다. 염분 실험실은 15×5×5m 규모로, 여기서 기술자들은 금속을 갉아먹는 염화나트륨을 살포해 장비의 내부식성을 시험할 수 있다. 태양, 바람, 강수, 먼지 실험실은 15×15×9m 규모로, 시속 64km의 모래폭풍을 만들어낼 수 있다. 유튜브에서 볼 수 있는, 아프가니스탄에 파견된 미군이 당하는 모래 폭풍과 똑같은 수준이다. 그리고 중동지역 환경을 더욱 실감나게 재현하기 위해, 열 램프를 작동시켜 기온을 섭씨 74도로 높여 전차, 레이더 체계, 미사일 발사기, 항공기 견인차, 수송 트럭 등을 구워버릴 수도 있다. 요즘은 군부대가 텐트를 쳐 놓고 주둔할 때 고압 공기, 환기, 전력을 얻기 위해 사용하는 군용 발전기를 시험하고 있다.
그러나 맥킨리의 가장 큰 구경거리는 바로 주 실험실이다. 폭 75m, 깊이 78m, 높이는 가장 높은 곳 기준으로 21m다. 때문에 아무리 큰 비행기라도 들어올 수 있다. 이곳의 200톤짜리 문으로 들어온 항공기 중에는 보잉 787 드림라이너(2010년에 이 곳에서 시험을 받음), 그리고 록히드 마틴의 C-5M 갤럭시 수송기(미군에서 가장 큰 항공기)도 있다.
주 실험실은 고온 모드 및 저온 모드 등 두 가지 주요 모드로 움직인다. 고열 실험 때 조작사들은 램프를 사용해 피험체를 굽기도 하고, 수증기 발생장치를 사용해 습도를 높일 수도 있다. 이 램프는 하루 동안의 태양의 움직임을 모방할 수 있다. 아침에 해가 떠서 낮에는 최대 섭씨 60도까지 가열되다가 해가 기울어짐에 따라 온도가 점점 낮아지는 것이다. 엔지니어들은 이런 상황에서 항공기의 전자장비와 통신장비가 견딜 수 있는지도 점검한다. 보잉사의 연구개발 이사였으며 787 항공기의 비행시험부장을 역임한 톰 샌더슨은 “대부분의 전기 장비는 온도가 차가울 때는 괜찮지만, 뜨거워지면 괜찮지 못하다”고 말한다.
이 연구소의 폐쇄회로 저온 모드는 반대로 화끈하게 추운 상황을 재현하기 위해 만들어졌다. 이 시스템의 작동 원리는 가정용 에어컨디셔너와 비슷하다. 액체 냉매를 냉각시킨 다음에 코일로 보내고, 공기를 이 코일에 통과시킨다. 그 다음 이렇게 해서 차가워진 공기를 재순환시켜 온도를 더욱 더 낮추는 방식이다. 그러나 여기에는 실외기는 없다. 1,200마력의 힘으로(부가티와 동급) 작동하는 맥킨리의 초대형 컴프레서가 실외기를 대체하고 있다. 3m 높이의 냉각 코일 6개의 주 냉각 코일의 높이는 3m이며, 100마력 정도의 덕티드 팬이 분당 2,222m3의 공기를 움직인다.
저온 모드로 작동시켜서 기온을 영하 40도로 낮추려면 벨의 직원들이 12시간을 들러붙어야 한다. 영하 40도는 캐나다 북극권이나 시베리아 같은 곳의 공항에 항공기가 밤새 서 있을 때 노출될 수 있는 기온이다. 787 항공기를 이 정도 기온에 12시간 동안 노출시킨 후 보잉 엔지니어들은 교범에 따라 항공기 재시동을 시도했다. 유체를 배출하고 유압장치를 작동시키고 보조 동력 장치를 사용해 객실을 난방시키면서 승객을 태울 수 있는지 확인해 보았다.
시험은 맥킨리의 직원들이 직접 진행하는 것이 아니다. 그것은 협력업체 직원들과 테스트 파일럿의 몫이다. 여기 들어오는 기계들은 시제품이기 때문에 수천 개의 센서들로 연결되어 있고 30~40명의 엔지니어들이 들러붙어 있는 경우도 많다. 이 중 10여 명은 평가 중 항공기 내에 탑승하고 있다. 맥킨리는 항공기와 계기 부스를 케이블로 연결, 기술자들이 계기 부스에서 고객들을 위해 측정값을 읽게 해 준다. 벨은 이렇게 말한다. “우리에게 이건 그냥 1차 데이터에 불과하다. 그냥 숫자일 뿐이지 실패했는지 성공했는지도 모른다.”
주 실험실 내에서 항공기가 엔진을 시동 걸 때가 정말 재미있는 공학적 순간이다. 공기 압축의 물리학에 따르면 밀폐된 건물 안에서 제트 엔진을 작동시키면 건물은 물론 그 속의 모든 것이 박살이 난다고 한다. 제트 엔진은 초당 450kg의 공기를 흡입한다. 주의를 기울이지 않으면 격납고의 벽을 무너뜨릴 수도 있는 힘이다. 때문에 벨의 팀은 제트 엔진이 작동될 때는 엔진이 공기를 흡입하는 속도와 똑같은 속도로 외부 공기를 실내로 유입한다. 이와 동시에 원하는 온도를 유지하는 것이야말로 공조 체계의 마술이다.
저온 시험에서 엔지니어들은 R30이라는 이름의 강력한 냉매 염화메틸렌을 영하 56도 이하로 급랭시킨다. 그리고 이 냉매를 코일로 보낸다. 팬이 코일에 뿜은 신선한 공기는 덕트를 통해 강력한 바람이 되어 뿜어져 나오고, 이 바람은 표적 온도인 영하 40도를 좀 밑도는 온도로 주 실험실로 들어간다. 그러면 제트 엔진은 이 공기를 빨아들인 다음 배기구로 뿜어내는 것이다.
벨의 주장이다. “이 시스템은 자동화되어 있지 않다. 냉각장치는 공조 조작사가 조작하고, 항공기의 조종석에도 조종사가 앉는다. 두 사람은 헤드세트를 통해 통화한다. 조종사가 스로틀을 열면 공조 조작사에게 진행 허가를 구한다. 그러면 공조 조작사는 공조 팬의 속도를 높여 공기의 흐름량을 높이고, 밸브를 조작해 냉매의 유출입량을 조절해 온도를 유지한다.”
맥킨리의 가장 혹독한 시험은 2014년 9월 24일에 시작되었다. 이 날 주 실험실에 들어온 록히드 마틴의 F-35B 항공기는 무려 6개월 간의 가혹한 기후 시험을 거치게 되었던 것이다. 벨은 “우리 시설 입장에서도 정말 큰일이었다. 평소와 같은 것을 준비해야 했지만 이제는 훨씬 더 큰 규모로 준비해야 했다”고 말한다.
실험 설정은 그야말로 엄청나게 어려웠다. 이 시설의 직원들은 F-35B를 실제 순항비행이나 제자리비행을 시키지 않은 상태에서, 그런 비행 상태와 똑같이 작동하고 있는 F-35B의 추력 18톤짜리 엔진을 극한 기후 상황에 몰아넣어야 했던 것이다.
F-35B의 배기관을 수직이착륙에 필요한 제자리비행 상태인 90도로 휘어지려면 기체를 지면으로부터 최소 4m 높이에 올려놓아야 했다. 맥킨리의 직원들은 이 항공기의 착륙장치에 파이프를 감아 항공기를 시멘트 바닥에 고정하고, 이 파이프는 I빔 프레임에 연결했다. 용접공들은 이 항공기의 배기가스를 모아 내보내는 특제 덕트 시스템을 만들었다.
엔지니어들이 많은 시간 극한의 온도 속에서 이 항공기를 시험 평가한 다음, 테스트 파일럿 빌 플린이 비행 시험을 위해 조종석에 앉았다. 누구도 아직 건물 안에서 F-35B의 엔진을 시동 건 적이 없었다. 플린이 비행전 점검사항을 확인하고 있는 동안 수십 명의 엔지니어와 정부 직원들은 항공기 날개 바로 옆에 있는 작은 방에 모여 수백 건의 데이터 피드를 확인하고 있었다. 플린의 말이다. “무서웠다고는 말하지 않겠다. 그러나 건물 안에서는 비상탈출할 수 없었다. 그런 곳에서 제트기의 시동을 건다는 것이 어떤 일일까 생각해보니 정말로 불안했다.” 371m2의 면적을 지닌 이 테스트 플랫폼은 맥킨리에 세워진 것 중 가장 컸다. 플린이 엔진을 시동 걸고 스로틀을 개방하자 평상시와 같이 항공기가 진동하는 것이 느껴졌지만, 항공기는 제자리에서 움직이지는 않았다.
그는 이렇게 말했다. “항공기의 진동은 느껴지는데 움직이지 않는다라... 정말 묘한 기분이다.”
플린은 며칠 동안 조종석 안에서 지내면서, 영하 40도나 되는 극지의 한기와 눈보라 속에서 엔진을 테스트했다. 그 눈보라는 높이가 6m나 되는 스프레이 바로 만들어낸 것으로, 각 스프레이바에는 300개의 수분 소립화 노즐이 달려 있다.
시험에 참가한 록히드 마틴사 엔지니어 마크 톰슨은 “실험실의 풍동에는 얼음이 생기지 않게 해야 했다. 풍동에 얼음이 생길 경우 그게 떨어져 항공기 쪽으로 날아오지 말라는 법이 없었기 때문이다”고 말했다. 이후 수개월 동안 F-35B의 체계 매개변수 수백 개를 수십 가지의 극한 기후 상황 속에서 시험했다. 엔지니어들은 추워지면 점도가 높아지는 오일이, 영하 40도에도 엔진에 확실히 들어가는지 점검했다.
또한 조종실의 디스플레이가 섭씨 49도에서도 고장이 나지 않고, 160km 떨어진 표적을 확실히 로크온 시킬 수 있는지도 점검했다.
대당 가격이 1억 달러나 되는 스텔스 전투기에 관련된 일을 하는 사람이라면, 자신이 아는 것을 숨기려 할 거라는 선입견을 갖기 쉽다. 그러나 플린과 톰슨은 자신들은 솔직하게 이야기하고 있다고 주장한다. 그리고 항공기는 기대 이상으로 훌륭하게 움직여 주었다고 한다. 톰슨은 “컴퓨터 모델은 정말 좋았다. 시험 중에 예상외의 문제를 일으킨 적이 없었다”고 말한다.
시험 비용은 일일 최대 25,000달러에 달한다. 하지만 플린은 더 나은 대안이 없다고 생각한다. 전 세계의 악천후만을 쫓아다니면서 최선의 실험을 진행할 수는 없으니 말이다. “이 곳은 모든 기후 조건을 마음대로 제어하고, 똑같은 조건을 몇 번이고 반복하면서 통제된 과학 실험을 할 수 있는 세계 유일의 장소다.”
어쩌면 그는 건물과 충돌하지 않고도 엔진을 실내에서 안전하게 조작할 수 있게 해 준 뛰어난 기술을 높이 평가하는 것인지도 모른다.
“이런 생각을 했던 게 기억난다. 여기서 뭔가 잘못된 일이 생겨 죽고 싶지는 않다고 말이다.”
서울경제 파퓰러사이언스 편집부 / by Kevin Gray
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