[Flight] Basic Fighter Maneuvers

참고 자료: Wikipedia - Basic fighter maneuvers

Basic Fighter Maneuvers란?

BFM(Basic Fighter Maneuvers)는 전투기가 근접 공중전, 즉 dogfight 상황에서 위치 우위를 얻기 위해 사용하는 기본 기동이다.

전투기 maneuver의 핵심은 단순히 멋있게 회전하는 것이 아니라, 상대보다 좋은 위치와 에너지 상태를 만드는 것이다.

좋은 위치란 보통 다음 조건을 의미한다.

상대 후방 또는 후상방에 있다.
무장 사용 거리 안에 있다.
상대보다 먼저 nose pointing을 만들 수 있다.
overshoot 없이 추적을 유지할 수 있다.

BFM은 크게 다음 요소가 섞여 있다.

기하학: 상대와 나의 위치, 각도, 선회 원
에너지: 속도와 고도
공력 한계: stall, g-limit, turn rate, turn radius
전술 판단: 공격, 방어, 이탈

왜 3차원 기동인가?

자동차 추격전은 거의 2차원 평면 문제이다. 하지만 전투기 공중전은 수평면, 수직면, 사선면을 모두 사용한다.

Wikipedia의 Basic fighter maneuvers 설명에서도 BFM은 단순한 2차원 turn이 아니라 3차원 공간에서 속도와 고도를 교환하며 수행되는 기동으로 설명된다.

이미지 출처: Wikimedia Commons - F-22 and F-15 air maneuvers

전투기는 다음 두 가지 에너지를 계속 교환한다.

예를 들어 고도를 잃으면서 dive하면 속도를 얻는다. 반대로 climb하면 속도를 잃지만 고도를 얻는다.

전투기 maneuver는 결국 속도와 고도를 서로 바꾸면서 상대보다 유리한 기하학을 만드는 과정이다.

기본 용어

BFM을 이해하려면 먼저 몇 가지 용어가 필요하다.

이 중에서 가장 중요한 것은 closure rate와 overshoot이다. 공격자가 너무 느리면 사격 위치에 들어가지 못하고, 너무 빠르면 상대를 지나쳐 방어자에게 역공 기회를 준다.

Pursuit Curves

공중전에서 추적은 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

lead pursuit
pure pursuit
lag pursuit

이미지 출처: Wikimedia Commons - Pursuit curves in air combat

Lead Pursuit

lead pursuit은 공격기의 nose가 상대의 현재 위치보다 앞을 향하는 추적이다.

상대가 앞으로 갈 위치를 미리 겨냥한다.
closure rate가 빠르다.
gun solution을 만들 때 중요하다.
overshoot 위험이 커진다.

기관포는 탄이 날아가는 시간이 있기 때문에 상대의 현재 위치가 아니라 미래 위치를 겨냥해야 한다. 그래서 gun attack에서는 lead pursuit이 중요하다.

단점은 상대가 급선회하면 공격자가 너무 안쪽으로 말려 들어가 overshoot하기 쉽다는 점이다.

Pure Pursuit

pure pursuit은 공격기의 nose가 상대의 현재 위치를 직접 향하는 추적이다.

상대를 직접 조준하는 느낌이다.
lead pursuit보다 closure가 덜 공격적이다.
missile lock을 잡는 상황과 연결해서 이해하기 쉽다.

단순하고 직관적이지만, 상대가 기동하면 계속 뒤따라가기만 하다가 각도 우위를 만들지 못할 수 있다.

Lag Pursuit

lag pursuit은 공격기의 nose가 상대의 뒤쪽을 향하는 추적이다.

상대 turn circle 바깥쪽을 따라간다.
closure rate를 줄인다.
overshoot를 방지한다.
에너지를 유지하기 쉽다.

공격자가 너무 빠르게 닫히고 있다면 lag pursuit으로 거리와 각도를 관리해야 한다.

lag pursuit은 당장 사격각을 만드는 방식은 아니지만, 공격자가 상대를 지나쳐버리지 않게 해준다. 좋은 공격자는 계속 lead만 당기는 것이 아니라 lead, pure, lag를 상황에 따라 바꾼다.

Turn Circle과 Control Zone

전투기가 선회하면 평면 위에서는 원에 가까운 궤적을 그린다. 이때 선회 원의 크기는 속도, g-load, 항공기 성능에 따라 달라진다.

속도가 너무 낮음 -> stall 위험
속도가 너무 높음 -> turn radius 증가
g를 많이 당김 -> turn rate 증가, energy 소모 증가

공격자의 목표는 방어자의 뒤쪽 control zone에 들어가는 것이다. 단순히 가까워지는 것만으로는 부족하다. 너무 빨리 접근하면 flight path overshoot나 wingline overshoot가 발생한다.

좋은 공격 위치:
상대 뒤쪽
적절한 거리
낮은 aspect angle
통제 가능한 closure rate

이 관점에서 BFM은 "상대에게 가까이 가는 기술"이 아니라 "상대 뒤쪽에서 거리와 각도를 유지하는 기술"에 가깝다.

Break Turn

break는 방어자가 공격자의 사격각을 깨기 위해 공격자의 flight path를 가로지르듯 급선회하는 방어 기동이다.

방어자: 공격자의 조준선을 빠르게 벗어난다.
공격자: 높은 crossing angle 때문에 사격 solution이 어려워진다.
결과: 공격자의 overshoot를 유도할 수 있다.

break turn은 수평면에서만 일어나는 것이 아니다. 상황에 따라 nose를 낮추거나 높이면서 에너지를 조절한다.

방어자 입장에서는 다음 trade-off가 있다.

따라서 break는 타이밍이 중요하다. 너무 빠르면 공격자가 수정할 시간이 있고, 너무 늦으면 이미 firing solution 안에 들어간다.

Barrel Roll Attack

barrel roll attack은 공격자가 방어자의 break에 대응해 3차원으로 경로를 늘리고, overshoot를 피하면서 다시 공격 위치를 잡는 기동이다.

이미지 출처: Wikimedia Commons - Barrel roll attack with instruction diagram

핵심은 다음과 같다.

공격자가 너무 빠르게 닫히고 있다.
그대로 따라가면 overshoot한다.
roll과 loop를 섞어 3차원 경로를 만든다.
경로 길이를 늘려 closure를 줄인다.
다시 defender의 뒤쪽으로 내려온다.

barrel roll attack은 단순한 roll이 아니다. roll과 pitch motion이 결합된 helical path를 사용한다. 이렇게 하면 공격자는 수평면에서만 급하게 꺾지 않고, 수직면을 활용해 위치를 재조정할 수 있다.

High Yo-Yo와 Low Yo-Yo

Yo-Yo 계열 기동은 에너지와 closure를 조절하는 대표적인 공격 maneuver이다.

Low Yo-Yo

low Yo-Yo는 nose를 낮추고 고도를 속도로 바꿔 빠르게 안쪽으로 파고드는 기동이다.

이미지 출처: Wikimedia Commons - Low Yo-Yo with instruction diagrams

상황: 공격자가 너무 느리거나 거리가 벌어짐
입력: nose low, slice turn
효과: 속도 증가, range 감소
위험: closure가 커져 overshoot 가능

low Yo-Yo는 상대 turn의 안쪽을 잘라 들어가는 느낌이다. 고도를 잃기 때문에 지면 여유와 회복할 에너지를 고려해야 한다.

High Yo-Yo

high Yo-Yo는 nose를 올려 속도를 고도로 바꾸고, closure를 늦추면서 다시 공격 위치로 내려오는 기동이다.

상황: 공격자가 너무 빠르게 접근함
입력: nose high, out-of-plane turn
효과: closure 감소, overshoot 방지
결과: 다시 defender 뒤쪽으로 재진입

high Yo-Yo는 빠른 공격자가 상대를 지나치지 않기 위해 사용하는 대표적인 에너지 관리 기동이다. 낮은 고도에서 무리하게 사용하면 회복 여유가 줄어든다.

Immelmann과 Split-S

Immelmann과 Split-S는 둘 다 180도 방향 전환과 수직면 에너지 교환을 포함한다.

이미지 출처: Wikimedia Commons - Immelmann turn

Immelmann

Immelmann은 반 loop로 상승한 뒤 roll을 통해 다시 수평 자세로 돌아오는 기동이다.

속도 -> 고도
방향 180도 전환
상승 후 반전

공격적으로는 높은 위치를 만들 수 있지만, 속도를 많이 잃는다. 방어 상황에서 잘못 쓰면 느린 표적이 될 수 있다.

Split-S

Split-S는 Immelmann의 반대 방향으로 생각할 수 있다. 먼저 inverted roll을 한 뒤 아래쪽 half loop로 내려오며 방향을 바꾼다.

고도 -> 속도
방향 180도 전환
하강하며 이탈

Split-S는 이탈이나 재공격 setup에 사용할 수 있지만, 고도 손실이 크다. 낮은 고도에서 사용하면 지면 충돌 위험이 커진다.

Scissors

scissors는 공격자와 방어자가 서로 overshoot를 유도하거나 방지하려고 turn reversal을 반복하는 기동이다.

이미지 출처: Wikimedia Commons - Flat scissors with instruction diagram symbols

flat scissors는 수평면에서 weaving pattern처럼 보인다.

방어자: 공격자를 앞으로 보내려고 한다.
공격자: 뒤쪽 위치를 유지하려고 한다.
두 기체: turn reversal 반복
승부: 더 낮은 속도에서 nose를 잘 돌리는 쪽이 유리

scissors는 속도 경쟁이 아니라 상대를 앞으로 보내는 geometry 싸움이다.

rolling scissors는 수직면이 섞인 scissors이다. 보통 high-speed overshoot 이후 수직 방향으로 말려 올라가며 발생한다. 이 경우 thrust-to-weight ratio, pitch authority, low-speed handling이 중요해진다.

전투기 maneuver를 제어 관점에서 보기

제어 관점에서는 BFM을 다음 문제로 볼 수 있다.

state:
  position
  velocity
  attitude
  angular velocity
  energy state

input:
  elevator
  aileron
  rudder
  throttle

objective:
  상대보다 좋은 relative geometry 확보
  energy 유지
  weapon envelope 진입
  overshoot 회피

일반적인 trajectory tracking 문제와 다른 점은 상대가 가만히 있지 않는다는 것이다. 상대도 내 움직임을 보고 반응한다. 따라서 BFM은 단순한 경로 추종이 아니라 상대 항공기와의 상대 운동을 다루는 feedback game에 가깝다.

내 기동 -> 상대 반응 -> 상대 위치 변화 -> 내 다음 기동

이 관점은 RL dogfight나 pursuit-evasion simulation과도 연결된다.

대표 maneuver 정리

정리

전투기 maneuver는 개별 기술 이름을 외우는 것보다 원리를 이해하는 것이 중요하다.

핵심은 다음 네 가지이다.

1. pursuit geometry를 관리한다.
2. closure rate를 통제한다.
3. 속도와 고도를 교환한다.
4. overshoot를 피하거나 유도한다.

BFM은 고정된 필살기 목록이 아니라, 상대 위치와 에너지 상태에 따라 계속 바뀌는 의사결정 문제이다.

그래서 같은 high Yo-Yo도 어떤 상황에서는 좋은 공격 correction이지만, 다른 상황에서는 에너지를 낭비하는 잘못된 선택이 될 수 있다. 결국 전투기 maneuver를 잘 이해하려면 기동 이름보다 상대 운동, 에너지 관리, weapon envelope을 함께 봐야 한다.