항공모함 사출기는 에너지원에 따라 분류하며, 발전 역사에 따라 작동방식은 아래와 같이 5가지로 구분한다.
1) 공기식
최초의 Catapult에 사용된 방식이며, 압축공기를 가득 채워 피스톤을 밀어내고, 피스톤이 밀려가는 만큼 레일에 장착된 걸쇠가 함께 밀려 항공기를 가속시킨다.
오래된 방식으로 크기에 비해 성능이 그다지 좋지 않아 빠르게 도태되었다.
하지만, 소수의 함재기에 대해서는 모함에 큰 하중이 전달되지 않으면서 가속시키는 것이 가능했기 때문에 2차 대전 중 일본의 경순양함, 잠수항모에서 활용되었다.
2차 대전 중 활동한 가장 큰 잠수항모인 센토쿠급 사출기는 5톤의 사출능력을 가지고 있었다고 하며, 압축공기 재충전에는 4분 정도 소요된다고 알려져 있다.
2) 화약식
실용 사출능력은 5톤 정도이며, 무장이 탑재된 뇌격기와 같은 전투기 발진은 불가했고, 수상정찰기 발진 정도에 활용했다.
구조가 간단하며, 좁은 공간에서 장비운용이 가능하다는 장점이 있지만, 화약발사 시 급가속으로 인해 항공기동체와 파일럿에게 큰 불편함을 주는 단점이 있었다.
화약용량을 늘려 사출능력을 높이는 방법도 있지만, 화약통제가 어렵고, 사고 시 항공기뿐만 아니라 모함에도 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 실용성 측면에서는 좋지 않았다.
1회 발사 시마다 화약을 재충전해줘야 하기 때문에, 연속발사가 어렵고, 일정기간 사용 시 교체해야 하는 부분이 많았다.
3) 유압식
2차 대전 운용한 미국 항모인 요크타운, 레인저, 에식스급 항공모함에 설치되어 운용되었으며, 운용원리는 압축공기와 유압장치를 이용해 발사하는 방식이었다.
장비자체가 대형이고, 구조가 복잡하며 장비의 특성상 출력이 늦게 나오는 특성이 있어, 길이가 짧으면 출력이 크게 감소하는 단점이 있었다.
7~8톤가량의 사출능력을 가지고 급가속을 하지 않기 때문에, 항공기 동체와 파일럿에 가해지는 물리적 부담이 적었다.
연속사출이 가능한 장점이 있고, 이전 방식의 사출기에 비해 적은 정비 및 교체/충전으로 함재기를 사출 할 수 있었다.
2차 대전 이후 함재기의 대형화로 인해 사출능력의 미달로 점점 도태되었다.
4) 증기식
2차 대전 이후 제트기형 함재기가 등장하면서 현대까지 사용하는 방식이다.
보통 원자력 추진 항공모함에서 보일러를 이용하여 고온/고압의 증기를 만들고 이 에너지원으로 피스톤을 밀어서 항공기를 가속하는 원리이다.
현재까지 개발된 가장 복잡하고 가장 크고 무거운 사출기이며, 증기가 모자라거나(Cold CAT) 혹은 너무 과도할 때(Hot CAT) 발생하는 문제가 있다.
+ Cold CAT
증기압이나 온도가 부족한 상태로 사출기가 작동되는 상태
사출능력 미달로 함재기가 정상 이함을 못하거나, 실속으로 인해 바다로 추락하는 상황 발생
+Hot CAT
증기압이 과도한 상태로 사출기가 작동되는 상태
항공기 Nose Gear가 파손되거나 Launching Bridle이 파손되는 상황 발생
이후 상황 발생 시, 자동으로 Launching Bridle (70년대 이후 Launch Bar 적용)이 풀리도록 설계하여 사고예방
추가로, 1)증기누출 등의 증기 관련 사고가 발생할 수 있고, 2)정비 시 다수의 인원 및 물자가 소요되며, 3)소음과 진동이 심한 단점이 있다.
하지만, 최대 40톤의 사출능력과, 37초당 1기의 항공기 사출 능력, 동시사출능력 우수 등으로 미루어 볼 때, 이를 완전하게 대체할 사출기는 이제 갓 운용 중인 전자기식 사출기밖에 없다.
이러한 장점으로 증기식 사출기는 현재까지 초대형 항공모함에서 주력으로 운용되고 있다.
5) 전자기식
선형 유도 전동기를 이용하여 사출기의 셔틀을 직접 가속하며, 유압식/증기식 등에서 발생하던 유체로 인한 문제가 없다.
전력량만 충분하면 장비 운용에 문제가 없고, 장비 자체도 증기식에 비해 작고, 콤팩트하여 공간활용 측면에서도 유리하다.
유압식/증기식 방식의 사출기는 물리적인 힘을 이용하여 작동하는 방식이기 때문에, 사출 초기 높은 압력을 장비가 견뎌야 하는 단점이 있는데, 이로 인해 장비 피로도가 높고 자주 정비해줘야 하는 단점이 있다. 하지만, 전자기식 사출기는 사출시점에서 종료까지 균일한 가속이 가능한 장점이 있고, 이로 인해 장비 및 모함구조의 피로도가 낮아지는 장점이 있다.
전자기식 사출기의 많은 장점에도 불구하고, 치명적인 요구조건이 있는데 그건 바로 충분한 전력량이 필요하다는 점이다.
이러한 요구조건 때문에, 핵추진 항공모함을 제외한 다른 함정에서는 사용이 거의 불가능하다.
현재 Gerald R. Ford급 항모에 탑재되어 있고, 프랑스 차기항모인 PANG에 탑재 예정이다. 이외에 중국에서는 자체 개발한 전자기식 사출기를 003형에 탑재하였다.
중국에서 개발한 전자기식 사출기는 향후 운용 실태를 파악해 봐야겠지만, 미국을 제외한 국가에서 유일하게 개발해 냈다는 점은 상당한 의미를 부여할 수 있을 것 같다.
<참고자료>
https://namu.wiki/w/%EC%BA%90%ED%84%B0%ED%8E%84%ED%8A%B8
캐터펄트 - 나무위키
항공모함에서 운용하는 항공기들만 기재되어 있다. 미국E-1 트레이서F-4 팬텀 II - 해군/해병대 모델인 B, J, K[27], N, S형이 해당 벨라토 종족만이 사용할 수 있는 기갑으로, 근접형 기갑인 골리앗과
namu.wiki
https://navalmarinearchive.com/research/docs/steam_catapults.html
Steam Catapults
The Steam Catapult Commander (E) W. R. Stewart, A.M.I.Mech.E., M.I.Mar.E., R.N. Introduction As readers of this Journal will be aware, the catapult has, in recent years, become of ever greater importance in the operation of aircraft from carriers and, unle
navalmarinearchive.com
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