'항공기'의 미래

과학(Science)/공학 (Engineering)

'항공기'의 미래

SURPRISER - Tistory 2024. 1. 30. 14:00

'항공공학(Aeronautical Engineering)' 분야에는 지금 큰 변화의 물결이 밀려오고 있다. 항공기는 앞으로 어떻게 변화될지 알아보고, 진화하는 세계의 항공기를 살펴보자.

0. 목차

항공기가 하늘을 나는 원리
더 빠른 항공기를 위하여
항공기의 새로운 형태
지속 가능한 항공 연료(SFA)
추진기의 전동화
수소 항공기
하늘을 나는 자동차
'항공기'의 미래 갤러리

1. 항공기가 하늘을 나는 원리

여객기는 무게가 수백 톤이나 되는 거대한 구조물이다. 이렇게 무거운 물체가 어떻게 하늘을 날 수 있는 걸까? 요컨대 항공기는 '주날개(Main Wing)'와 '꼬리 날개(Tail Wing)'의 '양력(Lift)'으로 기체를 들어 올린다.

거대한 기체를 중력에 거슬러 들어 올리는 힘이 날개에 작용하는 '양력(Lift)'이다. '양력'은 기체 앞쪽에서 오는 바람을 날개가 받음으로써 바람의 흐름에 대해 수직 작용으로 작용한다. 기체를 들어 올리는 양력은 주로 '주날개(Main Wing)'에 의해 생성된다. '주날개'는 독자적인 형태를 하고 있으며, 주날개 위쪽을 흐르는 공기는 아래쪽을 흐르는 공기보다 빠르게 흐른다. 공기의 흐름이 빠른 곳은 느린 곳에 비해 기압이 낮아지는데, 이것을 '베르누이의 정리(Bernoulli's theorem)'라고 한다. 그러면 날개 윗면과 아랫면의 기압차로 인해 날개는 아래에서 위로 밀리며, 이 위쪽 방향 양력이 기체를 들어 올린다. '이륙(비행기 따위가 날기 위하여 땅에서 떠오름)'할 때, '제트 엔진(jet engine)'에 의해 기체는 앞쪽으로 가속한다. 그러면 주날개에 걸리는 양력이 속도의 제곱에 비례해 강해진다. 일정 속도를 넘어, 기체에 걸리는 중력을 이길 정도로 양력이 강해지면, 기체는 이륙할 수 있게 된다.

여기서 기체를 부드럽게 이륙시킬 수 있는 묘책이 하나 있다. '수평 꼬리 날개(비행기 동체의 꼬리 부분의 좌우에 수평으로 달아 놓은 날개)'에 있는 '승강키(Elevator)'의 역할이다. '승강키(Elevator)'는 상하로 움직일 수 있는 날개로, 승강키의 방향에 따라 '꼬리 날개(Tail Wing)'에 걸리는 양력의 방향과 강도가 변한다. 이륙할 때, 속도가 '기수 상승 개시 속도(시속 약 300km)'에 도달하면, 조종사는 수평 꼬리 날개의 승강키를 위로 올림으로써, 꼬리 날개에 아래 방향의 양력을 발생시킨다. 승강키가 위로 향하면 '수평 꼬리 날개'에 아래 방향으로 양력이 작용하고, 기수가 들리면서 부드럽게 이륙할 수 있다.

2. 더 빠른 항공기를 위하여

2024년 기준, 운행 중인 제트기의 순항 속도는 대략 마하 0.8이다. '마하(Mach)'는 '유체(Fluid)' 속에서 움직이는 물체의 속력을 나타내는 단위이다. '마하 1'은 음속과 같은 속도로, 지상에서는 시속 약 1225km이다. 이것은 배와 철도에 비해 압도적으로 빠르며, 비행기 덕분에 멀리까지 쉽게 여행할 수 있는 세상이 되었다. 따라서 비행기의 속도를 더 빠르게 하고 싶다는 생각은 자연스러운 것이다. 그러나 거기에는 '음속(시속 1235km)'이라는 큰 장벽이 존재한다.

2-1. '콩코드'가 퇴역한 이유

'초음속(Supersonic Speed)'은 '음속을 넘는 속도'를 말한다. 지금까지 상업 운행한 항공기 가운데 유일하게 '초음속'으로 날았던 항공기는 '콩코드(Concorde)'뿐이다. '콩코드(Concorde)'는 영국과 프랑스 기업이 공동으로 개발해, 1976년에 운용을 시작한 초음속 여객기이다. '콩코드'는 고도 약 18km를 마하 2.0으로 비행하며, 보통 8시간 걸리는 런던-뉴욕을 3시간 반 만에 이동할 수 있었다. 그러나 '콩코드'는 '소음'과 '연비' 문제 때문에 2003년에 퇴역했다.

소음 문제: 먼저 콩코드는 저속으로 비행하는 이착륙 시에 소음이 크다는 문제가 있었다. 비행기의 속도가 음속에 가까워지면, 기체 주변에는 '충격파'가 발생한다. '충격파(Shock wave)'는 급격한 압력의 변화가 공기 중에서 파동으로 전달되는 현상이다. '충격파'가 지표에 도달하면, 그것이 폭음이 되어 들리는 '음속 폭음(Sonic boom, 소닉 붐)' 현상이 일어난다. '음속 폭음(Sonic boom)'에 의한 소음 때문에, '콩코드'는 육지 상공에서는 초음속 비행이 금지되어 있었다.
연비 문제: 게다가 충격파로 인해 기체에는 '조파 저항(Wave making Resistance)'이라는 공기 저항이 생긴다. '조파 저항'이란 충격파를 만든 반작용으로 인해, 기체가 주위의 공기로부터 받는 저항을 말한다. '조파 저항'에 대항하기 위해서는 강력한 엔진이 필요하다. '콩코드'는 초음속까지 가속하기 위해 엔진에 '애프터 버너(After Burner)'라는 장치를 탑재했었다. 그러나 '애프터 버너'는 연료를 대량으로 소비하기 때문에 연비가 나빴고, 그에 따라 가격은 운임이 가장 싼 항공권의 약 30배나 되었다.

2-2. 초음속기의 과제가 해결되고 있다.

'콩코드(Concorde)'가 퇴역한지 20년 정도 지나자, 기술의 진보 덕분에 '초음속기(Supersonic Aircraft)'의 과제가 해결되고 있다. 이에 따라 '소음'과 '연비' 문제를 해결한 새로운 초음속기가 실현될 날이 가까워지고 있다. 먼저 엔진의 성능이 향상된 결과 '애프터 버너(After Burner)' 없이도 초음속까지 가속할 수 있어 연비가 크게 개선되었다. 또 컴퓨터 시뮬레이션의 발전으로 다양한 형태의 기체 형태를 검토할 수 있게 되어 '음속 폭음(Sonic boom)'이 잘 발생하지 않는 형태의 기체가 만들어졌다.

최근 여객기에 채용되는 '탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic)'도 초음속기에 적합한 재료이다. '탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic)'는 단단하면서, 금속보다 가볍고, 더구나 금속보다 자유롭게 형태를 가공할 수 있다. '충격파(Shock Wave)'는 기체가 가늘고 길수록, 그리고 중량이 가벼울수록 작아진다. 때문에 '탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)'를 사용하면 충격파를 줄이는 데 효과적이다.

오버추어(Overture): 미국의 기업 '붐 테크놀로지(Boom Technology)'가 개발 중인 '오버추어(Overture)'는 '애프터 버너(After Burner)' 없이 마하 1.7로 운행할 수 있는 초음속기이다. 64~80인승이며, 운임은 현행 비즈니스 클래스 정도를 예정하고 있다. 2023년 8월에 시험기가 '미국 연방항공국(Federal Aviation Administration)'의 비행 허가를 취득했으며, 머지않아 시험이 시작될 예정이다.
X-59 Quesst: '미국 항공우주국(NASA)'와 '록히드 마틴(Lockheed Martin)'도 '음속 폭음(Sonic boom)'을 줄인 초음속 실험기 'X-59 Quesst'를 개발하고 있다. 충격파가 발생하기 어려운 기체의 형태를 갖춘 것이 특징으로, 지상의 소음을 종전의 1000분의 1로 억제하는 것이 목표이다. 기수를 최적의 형태로 유지하기 위해 조종사가 '조종석(Cockpit)'에서 눈으로 앞쪽을 보지 못하고, 기수에 부착한 카메라의 영상을 보면서 조종하는 'XVS(eXternal Vision System)'를 채용했다.
X-59: '일본 우주항공연구개발 기구(JAXA: The Japan Aerospace Exploration Agency)'도 '음속 폭음(Sonic boom)'을 줄인 초음속 여객기를 연구하고 있다. 독자적인 기체 설계를 통해 공기 저항을 줄여, '음속 폭음(Sonic boom)'에 의한 음압을 '콩코드(Concorde)'의 절반 정도로 줄일 수 있게 되었다. 또 JAXA는 '미국 항공우주국(NASA)', '보잉(Boeing)'사와 공동으로 X-59의 설계 검증도 하고 있다.

2-3. 극초음속기

'초음속(Supersonic)'은 '마하 1' 이상을 말하지만, '극초음속(hypersonic)'은 '마하 5' 이상을 말한다. 사실 '초음속기'보다도 더 빠른 '극초음속기'를 개발하고 있다.

그러나 '극초음속'을 실현하기 위해서는 지금까지와는 전혀 다른 엔진이 필요하다. 왜냐하면 극초음속 세계에서는 충격파에 의한 압축으로 인해 공기가 고온이 되어, 현재의 '터보 제트 엔진(Turbo Jet Engine)'이 그 열에 견디지 못하기 때문이다. '터보 제트 엔진(Turbo Jet Engine)'은 연소실에 많은 공기를 공급할 목적으로 '압축기(Compressor)'를 통해 압축한 공기를 연소실로 보낸다. 그러나 초음속이 되면, 유입하는 공기를 막는 것만으로 충분한 압축이 가능하기 때문에, 압축기는 필요 없다. '램제트 엔진(Ramjet Engine)'은 전진 비행으로 인해 생긴 압력인 '랩압(Ram Pressure)'으로 공기를 압축하여 '압축기'가 없는 엔진이다. 그러나 속도가 더 빨라지면, 압축으로 인한 가열이 더 심해져, 산소 분자가 분해되기 시작하여 연소가 어려워진다. 이 문제를 해결한 것이 '스크램제트 엔진(Scramjet Engine)'이다.

'초음속기'를 실현하기 위해서는 이 엔진들을 속도에 따라 바꿔써야 한다. 구체적으로는 우선 이륙할 때는 '터보 제트 엔진'을 사용한다. 그리고 약 마하 3 이상이 된 순간에 '램제트 엔진(Ramjet Engine)'으로 바꾸고, 마하 5 이상에서는 '스크램제트 엔진(Scramjet Engine)'을 사용하는 형식이다. 이런 엔진을 '복합 사이클 엔진(Combined Cycle Engine)'이라고 한다.

'극초음속기'는 우주(고도 100km 이상)'에 갈 수 있다. 지상과 우주를 오갈 수 있으며, 기체의 재이용도 가능한 비행기형 탈것을 '우주 비행기(Space Plane)'이라고 한다. '우주 비행기'는 1986년에 미국이 개발 계획을 발표한 이래, 각국이 개발에 참여하고 있다. '우주 비행기' 개발 사례를 몇 가지 살펴보자.

한국 방위사업청: 한국 방위사업청은 재사용이 가능한 '무인 우주 비행기(Unmanned Space Plane)' 관련 기술을 개발하기 위해, 2022년 서울대학교에 '재사용 무인 우주 비행체 고도화 기술 특화연구센터'를 열었다. 연구센터는 2028년까지 약 353억 원을 투자하여, 재사용 무인 우주 비행체를 개발하고 운용하기 위한 기반 기술을 연구한다.
PD 에어로스페이스(PD AeroSpace): 일본의 'PD 에어로스페이스(PD AeroSpace)'사는 비행기형 기체 '페가수스'를 개발하고 있다고 알려졌다. 페가수스의 특징은 제트 모드와 로켓 모드를 전환할 수 있는 독자 개발한 엔진이다. 먼저 '궤도(Orbital)' 비행을 통해 몇 분 동안 우주 공간의 무중력을 체험하는 우주여행 서비스를 제공할 계획이라고 밝혔다.
스페이스 워커(SPACE WALKER): 일본의 '스페스 워커(SPACE WALKER)'사에서도 2030년대에 우주여행을 제공할 계획이라고 밝혔다. 이를 위해 로켓 엔진을 이용한, 날개가 있는 재사용형 로켓 '나가토모'를 개발하고 있다. 정원은 조종사 2명, 승객 6명이며, 2026~2027년에 소형 실험기의 비행 실증 실험을, 2028년에 무인기의 첫 비행을, 2030년에 최초 유인 비행을 목표로 하고 있다. 우주선을 더 경량화할 수 있는 연료 탱크도 개발 중이다.

3. 항공기의 새로운 형태

비행기의 형태라고 하면, 보통 원통 모양의 동체에 '주날개(Main Wing)'와 '꼬리 날개(Tail Wing)'가 달린 모양을 떠올리는 사람이 많을 것이다. 그러나 최근 공기 저항을 줄이고 연비를 높이기 위해 다양한 형태의 기체가 제안되었다. 지금까지 항공기의 '연비 효율'을 개선하기 위해 기존 형태에서 다양한 개발이 이루어졌다. 그러나 기존 형태로는 더 이상의 대폭적인 개선은 어렵다고 판단되었다. 그런 가운데, 지금까지의 기체와는 전혀 다른 새로운 형태가 등장함으로써 '연비 효율 개선'이라는 벽을 무너뜨릴 것으로 큰 기대를 모으고 있다.

3-1. 동체-날개 일체형(BWB)

특징: 공기 저항을 줄이고 적하량도 늘림

아래 그림과 같은 '동체-날개 일체형(BWB: Blended Wing Body)'은 새로운 기체의 형태로서 많은 기대로 기대를 받고 있다. 비행기는 표면적이 작을수록 공기 저항도 줄어들기 때문에, 표면적이 최대한 작은 것이 유리하다. 같은 부피로 표면적이 가장 작은 형태는 '원(Circle)'이지만, 공 모양에서는 양력이 발생하지 않기 때문에 BWB기에서는 편평한 팬케이크 같은 형태를 채용한다. BWB기는 공기 저항을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 내부 공간이 넓다는 특징이 있다. 또 설계상의 자유도가 높아 '화물', '승객', '연료'를 보다 많이 실을 수 있다는 장점도 있다. 날개 위쪽에 엔진을 설치하면, 엔진 소음이 좀처럼 지상에 전달되지 않는 것도 장점이다.

한편, BWB기는 기본적으로 '꼬리 날개(Tail Wing)'를 갖지 않기 때문에, 기체를 안정시키기 힘들어 조종이 어렵다. 또 여객기가 비행하는 고도 1만 m 이상에서는 대기압이 지상의 4분의 1 이하가 되기 때문에, 기체 안은 바깥보다 기압이 높아진다. 원통 모양의 동체에서는 압력이 모든 둘레에 균등하게 걸리지만, BWB기에서는 위치에 따라 압력의 크기가 달라지므로, 기체를 충분히 튼튼하게 만들어야 한다.

'탈탄소(Decarbonize)'를 실현하기 위해 최근 개발되고 있는 '수소 비행기(Hydrogen-powered aircraft)'에도 BWB의 형태가 흔히 채용된다. 이것은 수소 연료는 화석 연료에 비해 부피가 커지기 때문이다. 프랑스의 '에어버스(Airbus)'사가 제안한 수소 비행기 'ZEROe'의 샘플기의 하나로 BWB가 채용되었다. 그리고 일본 JAXA의 하이브리드 전동 시스템 항공기와 NASA의 무인 시험기 'X-48B'에도 채용되는 등, 많은 기업과 연구기관에서 연구하고 있다.

아래의 그림은 JAXA가 제안한 150석 규모의 BWB형 전동 항공기이다. BWB는 현재의 주류 형태의 비행기에 비해 체적당 표면적이 작아 공기 저항이 줄어든다. 그리고 동체와 날개 전체에서 양력을 발생시키기 때문에 연비 효율이 높아진다. 이 기체는 액체 수소를 연소시켜 가스 터빈을 돌리고 거기서 발생한 전기로 모터를 움직여 난다. 발전한 전기는 전기 모터를 돌림과 동시에 '고체 산화물형 연료 전지(SOFC)'에 저장된다. 모터는 여러 개를 기체 상부에 분산해 배치한다.

3-2. 천음속 트러스 지지날개형(TTBW)

특징: 날개를 가늘고 길게 할수록 공기 저항이 줄어든다.

'천음속 트러스 지지 날개(TTBW: Transonic Truss-Braced Wing)'형의 항공기도 제안되었다. '천음속(Transonic)'은 기류와 물체의 상대 속도가 음속에 가까워, 그 물제 주위의 흐름 속에 음속보다 느린 부분과 빠른 부분이 공존하는 속도의 범위를 말한다. '천음속 트러스 지지 날개(TTBW)'에서는 날개를 현재의 여객기보다 가늘고 길며 얇게 한다. 다만, 가늘고 길며 얇은 날개는 강도가 낮아진다. 또 날개 붙은 곳에 걸리는 힘도 커지기 때문에, 동체에서 나온 기둥으로 떠받친다.

아래의 그림은 NASA와 미국의 '보잉(Boeing)'사가 협력해 개발하는 천음속 트러스 지지 날개 비행기 'X-66A'의 그림이다. 비행기는 비행 중, 주날개 끝에 '날개 끝 소용돌이(Vortex)'라는 공기의 흐름이 생겨, 비행기의 진행을 방해하는 공기 저항이 된다. 날개를 가늘고 길게 할수록 날개 끝 소용돌이를 줄일 수 있어 연비 효율 향상을 기대할 수 있다. X-66A는 기존 여객기에 비해 연료 사용량을 약 30% 줄일 수 있다. 한편, 현재 사용되는 여객기보다 날개가 길어지기 때문에, 기둥으로 받쳐 강도를 유지한다. 또 비행장 안에서 이동하는 데 지장이 없도록 X-66A는 주날개를 접게 되어 있다.

4. 지속 가능한 항공 연료(SFA)

여객기는 한 번에 많은 사람과 화물을 멀리까지 나를 수 있는 편리한 탈것이다. 그러나 한편으로는 화석 연료를 많이 사용한다는 과제도 지적된다. 최근 유럽을 중심으로 '플라이트 셰임(Flight Shame)'이라는 단어가 화제가 되기도 했다. '플라이트 셰임(Flight Shame)'은 비행기는 대량의 이산화탄소를 배출해 환경 부담이 크기 때문에, 비행기를 이용하는 일이 부끄럽다는 것을 의미하는 것이다. 항공 수송 부분에서 배출되는 이산화탄소의 양은 인류의 활동에서 배출되는 전체 이산화탄소량의 2.5%를 차지한다. '국제민간항공기구(ICAO: International Civil Aviation Organization)'는 2050년까지 이산화탄소의 배출량을 실질적인 'Zero(0)'로 하는 장기 목표를 세웠다.

이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 지금 당장 할 수 있는 대책으로서 '지속 가능한 항공 연료(SFA: Sustainable Aviation Fuel)' 사용이 관심을 받고 있다. 현재 항공기 연료는 '케로신(Kerosene)'이다. '케로신'은 원유에서 분류한 성분의 하나로, 10~15개의 탄소 원자에 수소 원자가 결합한 '탄화수소(Hydrocarbon)'라는 화학 구조를 이룬다. SAF란 식물에서 유래한 원료인 '목재(Wood)'나 '곡물' 그리고 '폐유(Waste Oil)', '조류(Algae)' 등을 원료로, 인공적으로 합성한 탄소 수 10~15의 탄화수소이다. SAF는 탄화수소와 마찬가지로, 연소하면 이산화탄소를 배출한다. 그러나 배출된 이산화탄소는 원래 식물 등이 대기에서 흡수한 것이다. 석유 같은 화석 연료처럼 지하에 있던 것을 채굴한 것이 아니기 때문에, 공기 중의 이산화탄소 농도를 늘리지 않는 것으로 간주한다.

SAF의 화학 구조는 '케로신(Kerosene)'과 기본적으로 같다. 때문에 '기존의 엔진'에 대해 케로신과 SAF를 혼합한 연료를 사용할 수 있다. 2022년 10월에 미국의 GE사와 일본의 기업 '혼다(Honda)'가 공동으로 설립한 합작회사 'GE 혼다 에로(GE Honda Aero)'에서는 SAF를 100% 사용한 엔진을 시험해, 일반적인 제트 연료를 사용할 때와 같은 성능을 확인했다고 발표했다.

ICAO가 발표한, 2050년 이산화탄소 배출량 실질적 Zero를 달성하기 위한 시나리오에서는, 감소량의 절반 이상을 SAF가 담당할 것으로 추산된다. 2023년 기준, 케로신에 대한 SAF의 혼합 비율은 최대 50%만 인정된다. 앞으로 SAF의 비율을 50% 이상으로 올릴 수 있으면, 이산화탄소 배출량을 더 많이 줄일 수 있을 것으로 보인다. SAF의 과제는 '제조하는 데 비용이 든다는 점', '이미 다른 용도가 있는 원료인 경우에는 원료를 획득하기 위해 경쟁해야 한다는 점', '원료인 목재 등을 생산하기 위해 삼림 벌채 같은 새로운 환경 부담이 생길 수 있다는 점' 등을 들 수 있다. 2020년 기준, 세계에서 사용되는 항공 연료 가운데 SAF가 차지하는 비율은 0.03%에 지나지 않는다. 미래에 탄소 제로를 실현하기 위해서는 안정적으로 SAF를 생산해야 한다.

목재(Wood): 나무 부스러기에 열을 가해 일산화탄소를 만든 다음 촉매를 더해 수소와 반응시켜 '탄화수소'를 합성한다. 일산화탄소와 수소의 합성 반응을 '피셔-트롭시 공정(Fischer-Tropsch Process)'라고 한다. 삼림 자원을 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
곡물: 사탕수수와 옥수수 등에 식물에 포함된 당분을 효모를 이용해 발효시켜 증류함으로써 '에탄올'을 얻을 수 있다. '에탄올(Ethanol)'을 원료로 탄화수소를 합성하고, 이것을 항공기 연료로 이용한다.
폐유(Waste Oil): 가폐기된 식용유 같은 식물성이나 동물성 기름을 원료로 SAF를 만들 수 있다. 기름은 탄소가 연결된 '지방산 에스테르(fatty acid ester)'로 이루어진다. 여기에 수소와 촉매를 더해 열과 압력을 가해 분해한 다음, 그 안에서 케로신과 같은 성분을 추출한다. 이것을 'HEFA 공정(HEFA Process)'이라고 하며, 현재 가장 널리 보급된 방법이다.
조류(Algae): '조류'에서 추출한 기름을 원료로 SAF를 만든다. 일본 바이오 벤처 기업인 '유글레나(Euglena)'는 미세 조류인 연두벌레에서 추출한 기름을 원료로 연료를 만들고 있다.

5. 추진기의 전동화

여객기는 엔진의 대형화를 통해 '연비 효율'이 조금씩 향상되었다. 하지만 이제 엔진의 대형화는 한계에 이르렀다. 이산화탄소의 배출량을 더 많이 줄이기 위해서는 이전과는 전혀 다른 새로운 추진 방법을 개발해야 한다. 현재 진행적인 것은 '추진 시스템의 전동화'이다.

5-1. 배터리는 비행기를 날리기에는 너무 무겁다.

먼저 생각할 수 있는 것은 배터리로 전기를 공급하는 '완전 전동화'이다. 이 방식은 좌석이 적은 '소형 비행기'나 '하늘을 나는 자동차'에서 실용화되었다. 그러나 이산화탄소 배출의 대부분을 차지하는 중형·대형 여객기를 배터리만으로 운행하기는 어렵다. 왜냐하면 대형 비행기를 띄우기 위해서는 큰 힘이 필요한데, '출력이 큰 전동 모터'와 '대용량 배터리'는 여객기에 탑재할 수 없을 정도로 무겁기 때문이다.

그래서 주로 개발하는 것이 '가스 터빈(Gas Turbine)'과 '전기'의 하이브리드 방식이다. '지속 가능한 항공 연료(SFA: Sustainable Aviation Fuel)'나 '수소' 등의 청정 연료를 연소해 가스 터빈을 돌려 발전하고, 그 전기를 사용해 모터를 돌려 추진력을 얻을 수 있으면, 대기 중의 이산화탄소를 늘리지 않고 비행할 수 있다.

5-2. 가볍고 강력한 모터를 개발해야 한다.

그러나 하이브리드 방식에도 과제는 있다. 대형 여객기를 띄울 수 있는 강력한 모터는 무게가 너무 무겁다는 문제이다. 그래서 현재 여러 회사가 다양한 방식으로 모터의 경량화와 대출력화에 힘을 쏟고 있다. 그 가운데 '초전도 모터(Superconductive Motor)'가 모터의 무게를 극적으로 줄일 수 있는 기술로 기대되고 있다.

'모터(Motor)'는 코일에 전류가 흘러 발생하는 자기계가 자석과 상호 작용을 함으로써 회전 운동을 만드는 장치이다. 모터의 출력을 크게 하는 방법이 코일에 흐르는 전류를 늘리는 것이다. 그러나 코일에 강한 전류가 흐르면, 구리선의 저항으로 인해 열이 발생한다. 따라서 흘릴 수 있는 전류에는 한계가 있다. 코일을 감는 수를 늘리거나, 철심을 더하는 방법도 있지만, 이렇게 하면 모터가 무거워진다.

'초전도(Superconductivity)'는 특수한 재료를 저온으로 하면 전기 저항이 0이 되어 전기가 흐르기 쉬워지는 현상이다. 모터의 코일을 초전도 상태로 만든 것이 '초전도 모터'이다. 모터의 코일을 초전도 상태로 만든 것이 '초전도 모터'이다. '초전도 코일'은 대용량의 전류를 흘려고 열이 발생하지 않는다. 따라서 감는 코일 수를 늘리거나 철심을 더할 필요 없이 소형이면서 강력한 모터가 된다. '초전도 모터(Superconducting Motor)'는 대형기의 전동화를 단번에 추진할 가능성이 있기 때문에, '미국 항공우주국(NASA)'와 '일본 우주항공연구개발 기구(JAXA)', 그리고 세계적인 항공기 메이커가 연구하고 있다.

그런데 2023년 6월, 일본 '규슈 대학교(Kyushu University)'에서 400kW급의 초전도 모터의 회전 시험에 성공했다. 기존 코일의 초전도화하면, 크기가 같을 때 무게를 10분의 1로, 출력을 2배로 할 수 있다. '초전도(Superconductivity)' 상태의 구리선에 '교류 전류(일정 주기로 방향이 바뀌는 전류)'를 흘리면, 초전도 특유의 전류 손실인 '교류 손실(AC loss)'이 발생한다. 연구팀은 '교류 손실(AC loss)'을 예측하고 줄이는 기술을 개발했다. 앞으로 액체 수소를 연료로 '가스 터빈'을 회전시키고 초전도 발전기로 발전해, 그 전기를 사용해 초전도 모터로 팬을 회전시키는 전기 추진 시스템을 개발할 예정이다.

6. 수소 항공기

'수소(Hydrogen)'를 연료로 하는 항공기 연구도 활발하다. 수소 연료는 물만 배출하기 때문에 청정 에너지라고 할 수 있어 '탈탄소'에 큰 공헌을 할 것으로 기대된다. '탈탄소(decarbonization)'에 대한 요구가 높아지는 가운데, 수소 제조·공급·저장 등의 기술이 축적되면서 수소 항공기가 주목받고 있다.

수소로 나는 항공기에는 '제트 엔진 방식'과 '연료 전지 방식'의 2종류의 방식이 있다. '제트 엔진 방식'은 '제트 엔진'으로 화석 연료 대신에 수소를 연소시키고, 가스 터빈을 돌려 추진력을 얻는 방식이다. 수소를 연소하는 '제트 엔진'은 화석 연료와 기본적으로 같은 구조이기 때문에, 가까운 미래에 실현될 것으로 생각된다. '연료 전지 방식'은 수소를 연료 전지의 연료로 사용하는 방식이다. '연료 전지'란 수소와 산소로 물을 만드는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 장치이다. 연료 전지로 발전한 전기를 이용해 모터를 회전시킨다. 그러나 '연료 전지'는 무게가 무거워서, 이 방법만으로 비행은 어렵다고 생각된다. 그래서 '제트 엔진 방식'과 '연료 전지 방식'의 '하이브리드 방식'을 검토 중이다.

수소 항공기를 실현하기 위해서는 다음과 같은 몇 가지 과제가 있다. 이런 문제 때문에 수소를 사용하는 항공기는 오랫동안 실현되지 못했다. 우선 수소는 부피를 줄이기 위해 액화해 운반하는데, 그러기 위해서는 -253℃까지 냉각해야 한다. 또 수소는 밀도가 낮기 때문에 현재의 비행기와 같은 거리를 비행하려고 하면, 연료 탱크의 용량이 화석 연료를 쓰는 항공기 연료의 4배가 된다. 수소는 분자가 작아 용기를 빠져나가기 쉽다. 때문에 용기에 사용할 수 있는 재료가 제한적이라는 것도 문제이다.

에어버스(Airbus): 유럽의 '에어버스(Airbus)'사는 수소 항공기 개발을 선도하는 회사 중 하나이다. '에어버스'사는 2020년에 수소를 동력원으로 한 '탄소 제로(Zero Carbon)' 항공기 'ZEROe'의 개념을 발표했다. 터보팬형인 120~200석의 기체, 터보프롭형 100석 이하의 기체, 터보팬형 200석 급의 BWB기 3종류이다. 모든 기체가 연료 전지를 탑재하고, 전기와 제트 엔진 양쪽을 사용하는 하이브리드 방식을 채용했다.
롤스로이스(ROLLS-ROYCE): 영국의 '롤스로이스(ROLLS-ROYCE)'에서는 2022년 11월, 자사의 항공용 제트 엔진을 개조해, 수소로 움직이는 데 성공했다. 근대적인 항공 엔진을 수소 연료로 움직이는데 성공한 것은 세계 최초이다. 이 시험에서는 풍력·조력 발전에 의한 전기로 만든 '청정 수소'를 사용했다. '청정 수소'란 태양광과 풍력 등의 재생 에너지로 물을 분해해 만든 수소를 말한다.
가와사키중공업, JAXA: 일본의 '가와사키중공업(Kawasaki Heavy Industries Ltd)'과 'JAXA'도 수소 항공기 관련 기술을 개발하는 데 몰두하고 있다. '가와사키중공업'은 항공기의 '수소 연소기', '액체 수소 탱크', '수소 공급 시스템', '수소 연료 공급 설비와 펌프'를 연구하고 있다.
현대차그룹: 한국의 '현대차그룹'에서는 2022년 5월, 수소 연료 전지와 배터리 기반의 멀티콥터 드론, '프로젝트 N'의 연구개발 성과를 공개했다. '프로젝트N' 기체는 수소 연료 시스템과 배터리를 동시에 이용함으로써 보다 먼 거리를 효율적으로 이동할 수 있도록 설계되었다. 현대차그룹은 이 기체에 대한 동력 테스트와 비행 시험을 실해해 수소 에너지를 활용한 기체 개발 가능성을 실증했다.

7. 하늘을 나는 자동차

'하늘을 나는 자동차'는 공중 이동을 보다 자유롭게 하는 새로운 형태의 탈것으로, '전기 수직 이착륙 항공기(eVTOL: electric Vertical Take-off and Landing aircraft)' 또는 '도심 항공 이동 수단(UAM: Urban Air Mobility)'이라고 한다. 2~6인 정도가 탈 수 있고 '전동' 또는 '전동과 엔진의 하이브리드'이며, 수직 이착륙이 가능하다는 특징이 있다. 또한 비행기와 헬리콥터보다 크기가 작으며, 수직 이착륙이 가능하기 때문에 활주로가 필요 없어 이착륙하는 장소가 확대된다. 전동이기 때문에 소음이 적다.

현재 개발 중인 기체의 형태는 드론과 마찬가지로 지면과 수평이 되도록 여러 개의 회전 날개를 단 '멀티콥터형'과 '비행기의 날개와 회전날개를 결합한 형태'가 주류이다. '멀티콥터형'은 소형으로 작은 회전 반경을 돌 수 있다. 반면 '비행기의 날개와 회전날개를 결합한 형태'는 멀리 날 수 있지만, 기체는 커진다. '하늘을 나는 자동차'는 전 세계의 많은 스타트업에서 개발이 이루어지고 있으며 폭발적으로 진화하고 있다. 그 배경으로 '드론(Drone)'이 보급되면서 멀티콥터형의 제어 기술이 발전한 점과 배터리가 가벼워지고 소형화됐다는 점을 들 수 있다.

사회에서 인정받아 일반적인 형태가 된 디자인을 '지배적 디자인(Dominant Design)'이라고 한다. 예컨대 '지상을 달리는 자동차'의 경우, 사륜 바퀴로 달리며 핸들을 조작하는 형태가 정착되기까지는 여러 다양한 형태가 제안되었다. '하늘을 나는 자동차'도 시간이 지나면 '지배적 디자인'이 정해질 것으로 생각된다.

7-1. '하늘을 나는 자동차'가 이용하는 도로

하늘을 나는 자동차'와 같은 새로운 탈것이 사회에 자리 잡기 위해서는 일정한 규칙을 정비해야만 한다. 일본의 경우, 2022년부터 '차세대 공중 모빌리티 사회 실현을 위한 프로젝트(ReAMo 프로젝트)'를 시작하는 등, 법 정비와 규칙 제정 등의 논의가 시작되었다고 한다.

하늘을 나는 자동차가 늘어나면, 먼저 안전하게 비행하기 위한 전용 도로가 필요하다. 다수의 하늘을 나는 자동차가 교차할 것으로 생각되는 도시부에서는 공중에 하늘을 나는 자동차가 이용할 수 있는 고리 모양의 도로인 '회랑(Corridor)'이 만들어질 것이다. 이것은 실제의 구조물로서는 존재하지 않는 눈에는 보이지 않는 통로이지만, 하늘을 나는 자동차가 이동할 수 있는 폭과 높이가 정해진 도로이다. '하늘을 나는 자동차'는 그 공간 안을 이동한다. 이처럼 미래에는 '하늘을 나는 자동차'의 자율 운전 기체가 '회랑(Corridor)' 안을 이동할 것으로 생각된다. '하늘을 나는 또 다른 자동차'와 '회랑'을 인식하기 위해서는 '전 지구 위치 확인 시스템(GPS: Global Positioning System)'와 자율주행차에도 탑재되는 '라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging)' 등의 기술이 활용된다.

'하늘을 나는 자동차'가 이착륙하는 곳을 '버티포트(Vertiport)' 또는 'V포트'라고 한다. 비행기와 달리 '하늘을 나는 자동차'는 수직으로 이착륙할 수 있기 때문에 좁은 부지에서도 이착륙할 수 있다. 다만, 착륙할 때는 충격이 가해지기 때문에 '버티포트'에는 일정한 강도가 필요하다. 소음도 고려해야 한다. 전동일 경우, 기존 엔진에 비해 소리는 적지만 어쨌쨋든 어느 정도의 소리는 발생한다. 따라서 주택지 등에 있는 '버티포트(Vertiport)'에는 방음벽이 필요할 것이다.

'하늘을 나는 자동차'는 기체의 개발과 환경 정비만이 아니라, 면허 제도와 형식 증명 등, 사회에서 받아들여지기 위한 제도를 동시에 마련해야 한다. 안정성을 어떻게 보장할 것인가와 소음 문제를 어떻게 처리할 것인가 같은 '형식 증명' 문제는 아직까지 세계적으로도 자리 잡지 못했다. 앞으로 더 구체적인 논의가 필요할 것으로 보인다.

8. '항공기'의 미래 갤러리

8-1. B777X

개발: 보잉(Boeing)
특징: 여객기 최초로 접을 수 있는 날개

아래의 사진은 미국의 보잉사가 개발 중인 차세대 여객기 'B777X'이다. '쌍발기(엔진이 2개인 비행기)'로서는 세계 최대로, 좌석 수는 400석 전후이며 연비 효율이 높다. 이미 첫 비행을 했으며, 2023년에 항공 회사에 납품되었다.

'B777X'의 가장 큰 특징은 주날개가 매우 길며, 날개 끝을 접게 되어 있다는 점이다. 이것은 여객기로서는 최초로, 날개를 펴면 가로 폭이 7m 늘어나 71.8m가 된다. 비행기의 날개 끝에서는 보통, 압력이 높은 날개 아래쪽에서 압력이 낮은 위쪽으로 공기가 돌아 들어간다. 이로 인해 발생하는 소용돌이로 '유도 저항'이 발생해 비행에 방해가 된다. 날개가 가늘고 길수록 날개 끝 소용돌이는 줄어들지만, 비행장을 이용할 때는 제약이 크기 때문에 'B777X'는 날개 끝을 접을 수 있게 만들었다.

8-2. 플라잉V(Flying-V)

개발: KLM 네덜란드 항공, 델프트 공과대학교(Delft University of Technology)
특징: 양력을 높인 경량 V형 기체

'플라잉V(Flying-V)'는 'KLM 네덜란드 항공'과 네덜란드의 '델프트 공과대학교(Delft University of Technology)'가 개발하고 있는 여객기이다. '객실', '화물실', '연료 탱크'를 V자 모양으로 배치하고, 엔진은 날개보다 위쪽에 배치함으로써 공기 저항을 줄였다. 객석 단명을 거의 원통 모양으로 만들어 경량화를 꾀하고 있다. 이런 방식을 통해 같은 급의 대형 여객기에 비해 연비를 20% 향상시킬 수 있다. 크기도 대형 여객기와 거의 같기 때문에 기존 항공 설비를 그대로 이용해 운용할 수 있다. 2020년에 약 22분의 1 크기의 실험기가 첫 비행을 했다. 1:1 크기의 비행은 2040~2050년에 이루어질 예정이다.

8-3. ZEROe

개발: 에어버스(Airbus)
특징: 수소로 나는 동체-날개 일체형 항공기

아래의 그림은 유럽 '에어버스(Airbus)'사가 제안한 하이브리드 수소 추진기 'ZEROe' 샘플기의 하나이다. '동체-날개 일체형'으로, 커다란 용적을 필요로 하는 수소 연료를 탑재하는 데 유리하다. 엔진은 터보팬 엔진과 전동 모터를 연결한 하이브리드형이다. 이륙·상승할 때는 전동 모터를 사용함으로써 엔진을 소형화할 수 있어 연료 효율이 높다.

8-4. X-57

개발: NASA
특징: 리튬 이온 전지를 탑재한 전동기

아래의 그림은 NASA가 개발하는 전동 비행기 'X-57 맥스웰(X-57 Maxwell)'의 상상도이다. '리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)'를 탑재하며, 양 날개에는 14개의 모터가 달려있다. 12개의 작은 프로펠러로 날개 위쪽의 공기 흐름을 늘려 양력을 증가시킴으로써, 보다 짧은 거리에서 이륙할 수 있다. 순항할 때는 조그만 프로펠러를 접고 양 끝에 있는 커다란 2개의 프로펠러만으로 비행한다. 프로펠러는 각기 다른 속도로 회전할 수 있기 때문에, 보다 효율적으로 비행할 수 있다.

8-5. SUGAR Volt

개발: NASA, 보잉(Boeing)
특징: 가까운 미래에 하늘을 날 하이브리드 전동 여객기

아래의 그림은 '보잉(Boeing)'사와 '미 항공우주국(NASA)'가 연구 중인 하이브리드 전동 여객기 'SUGAR Volt'의 예상도이다. SUGAR Volt는 일반 여객기와 마찬가지로, 음속에 가까운 속도로 비행한다. 이떄 주날개의 윗면 일부에서 공기의 흐름이 음속을 넘어, 충격파가 발생하며 공기 저항이 증가한다. 이 저항을 최대한 줄이기 위해 '주날개'를 얇게 만들었다. 또 날개 끝 소용돌이를 줄이기 위해 주날개는 길어졌다. 이처럼 SUGAR Volt의 주날개는 얇고 길기 때문에 기둥이 달려 있다. 기둥이 달린 주날개를 채용함으로써 연비를 최대 10% 개선할 수 있다. 비행장에서는 B777X처럼 주날개 끝을 접을 수 있따. 이 비행기는 미래에 등장할 만한 대표적인 친환경 민간 여객기이다.

8-6. 에어카(Aircar)

개발: 클라인비전(KleinVision)
특징: 하늘을 나는 자동차가 도시 간 비행에 성공

역사를 볼 때 하늘을 나는 자동차를 꿈꾸는 사람이 많았다. 1920년대에는 자동차 양산에 성공한 미국의 '헨리 포드(Henry Ford, 1863~1947)'도 개발에 도전했으며, 미국의 항공 기술자 '몰턴 테일러(Moulton Taylor, 1912~1995)'가 개발한 '에어로카(Aerocar)'도 유명하다.

아래의 사진은 슬로바키아의 '클라인비전(KleinVision)'사가 2021년 6월에 도시 간 시험 비행한 공륙 양용차 '에어카(Aircar)'의 시험 제작기이다. 이 회사의 CEO가 직접 비행에 성공했다. 슬로바키아의 니트로 공항에서 브라티슬라바 공항까지 약 70km의 거리를 35분에 이동해, 자동차에 비해 이동 시간을 절반으로 줄였다. 최고 고도는 2500m, 속도는 최고 시속 190km였다고 한다. 이 시험 제작기는 170마력의 엔진을 사용하며, 커다란 프로펠러가 운전석 후방에 배치되어 있다. 또 접는 방식의 주날개 외에, '탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)'을 사용한 기체의 경량화도 성능 향상에 도움을 주었다. 다음 시험 제작기는 300마력의 엔진을 탑재하며, 순항 속도 시속 300km, 비행 거리 1000km를 목표로 한다고 밝혔다.

에어카는 버튼을 누르면 3분도 걸리지 않아 자동으로 자동차로 변한다. 먼저 날개가 접히고 이어 경첩이 지붕에 달려 위쪽으로 열리는 문인 '걸윙 도어(Gull-wing Door)' 안으로 들어간다. 꼬리 날개 부분은 앞쪽으로 미끄러진다. 자동차에서 비행기로의 변신도 마찬가지로 버튼 하나로 이루어진다.

8-6. 스타십을 이용한 대륙간 여객 사업

개발: 스페이스 X(Space X)
특징: '대형 로켓'과 우주선 '스타십'을 결합한 준궤도 두 지점 간 고속 이동

미국의 '스페이스X(SpaceX)'사는 대형 로켓과 우주선 '스타십(Starship)'을 결합한, 준궤도 두 지점 간 고속 이동을 계획하고 있다. '스페이스X'사에 따르면, 이것을 이용할 경우, 지구상의 모든 도시로 한 시간 이내에 이동할 수 있다고 설명한다. 로켓으로 추진되며, 공기 저항이 거의 없는 우주 공간을 마하 20 이상의 속도로 이동하며, 스타십으로 수직 착륙한다.

8-6. 초음속으로 비행하는 비즈니스기

개발: 버진 갤럭틱(Virgin Galactic)
특징: 고도 18km를 마하3으로 비행

아래의 그림은 미국의 '버진 갤럭틱(Virgin Galactic)'사가 발표한, 초음속으로 비행하는 비즈니스기의 상상도이다. 엔진에는 '지속 가능한 연료'를 사용하며, 18km 이상의 고도를 마하3으로 비행한다. '버진 갤럭틱(Virgin Galactic)'사는 2021년 7월에 자사가 개발한 민간 우주선으로 일반 승객과 창업자를 우주 비행시키는 데 성공했다. 이 회사는 이 기술들을 활용하여 초음속기를 개발하며, NASA와도 공동으로 연구를 진행할 예정이다.

8-7. 마하 5로 나는 초음속기

개발: 보잉(Boeing)
특징: '터보 램제트 엔진' 탑재

'보잉(Boeing)'사는 마하 5로 비행하는 초음속기 콘셉트를 2018년에 발표했다. 뒤로 뻗은 각도가 큰 후퇴익과 2개의 꼬리 날개, '타이타늄(Ti)'으로 만든 몸체를 가졌으며, 저속인 '아음속'과 고속인 '초음속'으로 운전 형태를 바꿀 수 있는 '터보 램제트 엔진'을 탑재했다. 저항을 줄이기 위해 고도 29km를 비행한다. 29km의 높이에서는 하늘이 까맣게 보이고, 몸이 수 kg 가벼워진다. 비행 속도를 마하 5로 설정한 것은, 이 속도라면 세계 어느 곳이든 하루에 충분히 왕복할 수 있기 때문이다. 이 이상의 속도에서는 공기와의 마찰로 발생하는 열이 커지기 때문에, 내열성을 지닌 세라믹 복합재로 기체 표면으을 덮어야 한다.

저작자표시

현재글'항공기'의 미래

SURPRISER