한국항공우주연구원

제트기 시대가 어느날 갑자기 시작된 것이 아닌 것처럼, 차세대 항공기 추진시스템 개발도 꾸준히 계속되고 있다. NASA는 분산 하이브리드 전기동력추진 시스템이 민항기 패러다임을 바꿀 신개념 추진장치로 적합한지 여부를 판단하기 위해 지상 및 비행 시험을 준비 중이다.

[그림1] NASA의 분산전기동력추진 시스템 장착 항공기 개념도

NASA는 분산전기동력추진 시스템의 성능을 입증할 데이터를 얻기 위해 11월에 캘리포니아 에드워즈 공군기지에서 트럭에 날개를 장착하고 시험을 수행할 계획이다. 31피트 길이의 날개에는 18개의 소형 전기동력 프로펠러가 장착된다. 이는 NASA가 신개념 항공기 프로그램에서 선보일 소형 시제기의 핵심 구성품이다.

이와 함께, 향후 5년동안, 1~2메가와트급 출력이 가능한 고성능 모터를 개발할 계획이다. 이는 전기동력을 이용한 소형 비행기와 헬리콥터, 하이브리드 터빈-모터를 이용한 리저널 항공기, 분산추진장치를 이용한 대형 항공기 등에 사용되기에 충분하며, 높은 에너지 효율과 안전성을 갖출 것이다.

NASA의 고정익 항공기 프로그램 매니저인 루벤 델 로자리오는 전기동력 항공기 초기 모델은 1~2메가와트급이 될 것으로 예상했다. 그러나 이와 동시에 자율비행능력을 강화한 무인기와 개인용 항공기, 소형 항공기에도 적용될 수 있을 것으로 전망했다.

NASA의 엔지니어인 마크 무어는 일반인들이 운항하는 소형 항공기가 효율성이 낮고, 안전성이 떨어지며, 배출가스가 많고, 탑승감은 좋지 않고, 운영 비용이 높은 문제점이 있다고 지적했다.

분산전기동력추진 시스템은 공기역학적 측면에서, 그리고 추진 효율 면에서 월등한 성능 향상이 가능하다. 또한 소음과 에너지 비용을 감소시킬 수 있다.

물론 분산전기동력추진 시스템에도 단점은 있다. 배터리가 현재의 연료보다 무겁고, 배터리 비용 또한 높다. 그러나 전기모터는 터빈이나 피스톤 엔진에 비해 넓은 회전수 범위에서 효율이 좋고, 파워 대 중량비 또한 높다. 조용하고, 소형이며, 신뢰도가 높다. 배출가스가 없고 에너지 비용이 기존 연료보다 낮은 것도 장점이다. 항공기 설계 측면에서는 이러한 효율과 파워 대 중량비가 모터 크기와 크게 상관이 없다는 점도 중요한 이점이다.

조비 항공의 수석 디자이너인 알렉스 스톨은 여러 개의 소형 전기모터와 하나의 대형 전기모터가 출력 효율 면에서 큰 차이가 없다고 말한다. 이는 다수의 소형 전기모터를 항공기의 다양한 지점에 장착하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 기존 대형 엔진은 항공기에 장착할 수 있는 위치가 제한적이었다. 그는 분산전기동력추진 시스템을 이용해서 수직이착륙이 가능한 무인기와 2인승 항공기 S2를 설계하였으며, “비싸고 시끄럽고 안전하지 않은 헬리콥터 대신에 분산전기동력추진 시스템을 이용한 개인용 항공기 제작이 충분히 가능하다”고 말했다. 

[그림2] 분산전기동력추진 시스템을 이용한 2인승 항공기 (Joby aviation)

효율성, 안전성, 경제성 및 친환경성에 대해 성능을 입증하기 위해 NASA는 엠피리컬 시스템 에어로스페이스 (ESAero)와 조비 항공을 파트너로 삼고, 그림 1에 나타낸 날개 앞전에 프로펠러를 장착한 개념의 비행 시제기 (LEAPTech, Leading Edge Asynchronous Propeller Technology)를 제안하였다.

일반적으로 작고 가벼운 항공기는 인증을 받기 위해 낮은 실속속도 (stall speed) 조건을 만족하도록 큰 날개를 장착한다. 그러나 이는 순항 효율을 떨어뜨린다. LEAPTech는 날개 면적을 1/3로 줄임으로써 항력을 감소시키고, 날개면 하중 (wing loading)을 3배로 키워 탑승감을 증대시켰다. 시속 200마일로 순항시 양항비는 20을 넘는다. 이는 사이러스 (Cirrus) SR22의 11보다 월등한 수치이다.

작은 날개로 실속속도 61노트를 만족시키기 위해서 LEAPTech는 다수의 소형 프로펠러를 날개 앞전에 장착하였다. 이는 날개를 통과하는 공기흐름을 가속시켜 동압이 증가하며, 저속에서 최대양력계수가 두 배 이상이 된다. 전산유체해석 결과 양력계수는 5.5가 되었으며, 이는 61노트 실속속도 조건을 만족하기 위한 값인 4.5보다 훨씬 높다고 조비 항공의 알렉스 스톨은 말했다. 마크 무어에 의하면, 기존 항공기의 경우, 날개 전체에 플랩을 장착하고 40도로 펼쳤을 때 최대양력계수는 2.7이 된다.

저속에 최적화되고, 지름이 작으며, 높은 고형비 (solidity)를 갖는 LEAPTech 프로펠러는 팁 속도가 450ft/s 정도로 낮다. 반면, SR22는 프로펠러 팁 속도가 919ft/s에 이른다. 이러한 특징으로 인해 분산전기동력추진 시스템 적용 시 소음발생이 적다. 또한 각각의 프로펠러는 회전수를 다르게 하여 주파수를 분산시킨다. 프로펠러는 이착륙 외에 순항 시에는 항력을 감소시키고 고속 비행에 적합하도록 접힐 수 있다.

그림 1에 나타낸 NASA의 개념도는 기존의 4인승 소형 항공기 Tecnam P2006T에 분산전기동력추진 시스템을 장착한 것으로, LEAPTech와 기존 기술의 직접적인 성능 비교가 가능하다. NASA는 이에 앞서 트럭에 시험장비를 구축하여 61노트 실속 조건에서 지상시험을 수행할 수 있도록 하였다. 이 장비는 Heist (Hybrid-Electric Integrated Systems Testbed)라고 하며, 풍동시험보다 낮은 비용으로 시험이 가능하다.

마크 무어는 “풍동시험 비용은 Heist 전체 예산보다 더 많으며, 우리는 Heist 시험을 통해 원하는 자료를 얻을 수 있을 것”이라고 말했다. 날개는 트럭에서 전달되는 진동을 줄이기 위해 에어백 위에 장착된다. 분산전기동력추진 시스템에서 발생되는 소음 외에 트럭을 비롯한 주변부 소음은 후처리 과정에서 소거된다. 마크 무어에 의하면 Heist 장치의 양력 측정은 5% 이내의 오차를 갖는다.

ESAero는 Heist의 주계약자이다. 조비 항공은 테스트 리그, 날개, 모터와 프로펠러 제작을 담당한다. 총 18개의 프로펠러는 300마력의 출력을 내고, 날개는 3,500파운드의 양력을 발생한다. ESAero는 11월에 있을 본격적인 시험 전에 도로에서 시운전을 할 것이다. NASA의 엔지니어인 션 클라크는 지상 진동이 예상되지만, 양력, 항력, 피칭 모멘트를 정확하게 측정하는 데 문제는 없을 것이라고 말했다.

이와 함께, NASA는 전기동력추진 시스템에 대한 이해도를 높이고, 몇몇 난제를 해결하기 위한 기초연구를 시작했다. NASA의 암스트롱 비행연구센터에서는 배터리에서 프로펠러에 이르는 일련의 추진 시스템에 대한 연구를 구체화했다. 1년 뒤에는 롤스 로이스의 M250 터보샤프트 엔진을 전기모터/발전기, 배터리 세트와 묶어서 하이브리드 동력원을 구성할 것이다. 가스 터빈과 전기 모터는 동시에 프로펠러를 구동시키며, 이를 통한 동력전달의 안정성을 시험할 계획이다.

2016년 2월에는 NASA 암스트롱 센터에서 Heist 파워 시스템 (PMAD, Heist Power Management and Distribution) 지상 시연이 계획되어 있다. 정적 추진 시험이 수행될 예정이며, 향후 장기적인 연구개발 플랫폼이 될 것이다. NASA의 계획에는, 하이브리드 동력원에 내재된 안정성 문제 검증, 다수의 모터로부터 얻어진 추력의 효율적인 제어, 추력증대로 인한 요 (yaw) 방향 제어 알고리듬 연구, 하중 감소 또는 불균형으로 인한 동력소요변화 평가 등이 포함되어 있다.

션 클라크는 “날개를 트럭에서 떼고 정적 시험 장치에 부착하여 연구를 수행할 것”이라고 말했다. 이 연구에는 배터리와 터빈 발전기 간의 동력원 전환, 모터에서 발생하는 고주파 전기부하 안정화가 포함된다. 또한 모터 센서를 포함하여, 요 (yaw) 제어를 위한 동력 스케쥴, 종합적인 건전성 평가 방법에 대한 연구도 수행될 것이다.

분산전기동력추진 시스템의 제어기는 조종사의 추력 목표 입력값을 각 추진기에 적절한 형태로 전달해야 한다. 이 과정에서 동력원, 에너지 소스, 소비율 간의 균형을 효과적으로 유지해야 한다. 제어 알고리듬은 발전기의 부하를 조절하며, 남은 에너지와 추진기의 동력소요량을 실시간으로 확인해야 한다. 또한 전체 추력 목표와 발전기, 배터리 상황을 고려하여 개별 추진기에 전달되는 명령을 종합적으로 관리해야 한다.

Heist는 100~120볼트 전기 시스템을 사용할 것이다. ESAero의 비즈니스 개발 대표인 앤드류 깁슨은 “최적은 아니지만, 이를 통해 1년 내에 Heist를 가능하게 만들 수 있다. 현재 무게는 고려 대상이 아니다.”라고 말했다. NASA는 600볼트까지 높이는 계획을 갖고 있다. 이를 통해 배선장비의 무게를 줄일 수 있다.

NASA는 PMAD에 이어서 HILS (Hardware-in-the-Loop Simulation) 시험도 계획하고 있다. 이를 통해 비행 상황을 가정한 전기동력추진 시스템 하드웨어와 항공기 비행제어 시뮬레이션을 통합할 수 있다. 다음 단계는 아이언버드 시험 (iron bird test)으로, 실제 조종면, 비행 제어 시스템, 에너지 저장장치를 통합한다. 킬로와트 수준의 분산전기동력추진 시스템 시제기 LEAPTech을 먼저 대상으로 하고, 향후 1~2메가와트급의 하이브리드 전기동력추진 비행 시제기로 확장하도록 한다. 현재는 노드롭 그루먼의 무인기인 글로벌 호크 RQ-4를 염두에 두고 있다.

션 클라크는 아이언버드 시험을 통해 실제 전기동력추진 시스템이 장착되었을 때, 부피 및 무게 제약조건, 손상/고장 모드 및 회복 전략, 추진기와 타 시스템간의 의존도, 공력-추진 효율성, 추진 시스템-기체 구조 통합으로 인한 성능 향상 정도 등을 파악할 수 있을 것이라고 말했다.

분산전기동력추진 시스템을 미래 항공기의 것으로 생각할 수 있지만, 적어도 경량 항공기에 있어서는 머지않아 현실로 다가올 것이다. 조비 항공과 미공개 기업인 지 에어로 (Zee.aero)는 이미 개인용 항공기를 설계하고 있다. 다만 배터리와 모터 성능은 조금 더 향상되어야 한다.

조비 항공은 그림 2에 나타낸 S2 항공기가 1~2년 내에 비행 가능하도록 진행 중이며, 수년 내에 인증까지 받을 수 있기를 바라고 있다. 알렉스 스톨은 2020년에는 전기 비행기가 시속 200마일의 속도로 500마일을 비행할 수 있을 것이라고 기대했다.

마크 무어는 자율비행과 결합된 전기동력추진 시스템이 사용자 주문형 항공기에 새로운 전환점을 가져올 것이라고 전망했다. 또한 기술의 발전으로 대형 항공기에도 전기동력추진 시스템이 적용될 것이다. 비록 대형 항공기는 상당한 수준의 최적설계가 이미 반영되어 있어서 소형 항공기만큼의 성능 향상을 기대하기는 어렵지만, 여전히 신기술 적용은 매력적이다.

※ 이 글은 아래의 링크 기사를 참조하여 작성하였습니다.
http://aviationweek.com/commercial-aviation/nasa-plans-tests-distributed-electric-propulsion 

작성 : 한국항공우주연구원 황인성 (선임연구원)