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항공기 역사와 드론의 정의- Ⅸ

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서울 서대문소방서 허창식 | 기사입력 2023/11/20 [10:00]

항공기 역사와 드론의 정의- Ⅸ

서울 서대문소방서 허창식 | 입력 : 2023/11/20 [10:00]

<지난 호에서 이어지는 내용입니다.>

 

11. 항공기의 역사(2000년대 이후: 첨단 항공 기술의 통합ㆍ보편화, 초고효율 항공기의 개발)

2000년대 이전까지 첨단 항공 과학 기술은 주로 대형 항공기 또는 군사용 전투기에만 적용됐다. 하지만 2000년대 이후 첨단 항공 기술은 개인 레크리에이션의 목적으로도 많이 사용하는 초경량 또는 경량항공기 등에도 폭넓게 적용되기 시작했다.

 

대표적으로 자동 비행 제어 장치(AFCS, Automatic Flight Cntrol System)와 충돌 회피 장치(TCAS, Traffic Collision Avoidance Systems), 시계 합성 장치(SVX, Synthetic Vision) 등이다.

 

게다가 첨단 항공 기술은 컴퓨터 시스템이 통합된 자동화 기능으로 비행 제어의 정밀도와 편리성이 대폭 향상돼 인적 오류가 줄고 안전한 비행이 보장될 수 있었다. 

 

특히 경량항공기에서 주로 사용하는 컴퓨터 시스템은 항공 전자 시스템인 Garmin G3X Touch, 통합 사용되는 자동 비행 장치는 GFC 500X다. GFC 500X는 VOR과 GPS 경로를 추적해 방향, 고도 등을 자동으로 유지 비행할 수 있는 기능이 있다.

 

경량항공기인데도 적은 연료를 사용해 목적지까지 정확하고 안전하게 비행할 수 있다는 점은 많은 베테랑 조종사뿐 아니라 비행에 입문하기 위한 초보 조종사의 부담을 한층 덜어줬다. 

 

이처럼 경량항공기까지 적용된 첨단 기술은 일반인에게도 항공기 소유와 조종 자격의 진입 장벽을 낮추는 시대적 흐름의 큰 계기가 됐다.

 

2004년 9월 미국 FAA(Federal Aviation Administration, 연방항공청)는 점점 커지는 경량 또는 초경량항공기 산업을 위해 라이트 스포츠 에어 크래프트(LSA, Light Sport Aircraft)처럼 조종이 쉬운 작은 경량 스포츠 항공기 분야의 추가 범주를 인정하고 관련 면허인 스포츠 파일럿(Sport Pilot) 제도를 시행했다.

 

스포츠 파일럿 면허는 교육원에서 15시간의 교육과 5시간의 단독 비행을 포함해 최소 20시간의 비행 훈련을 완료하면 취득할 수 있도록 절차를 간소화했다.

 

American Legend Cub 2004

FAA가 LSA를 승인하자마자 많은 항공 제조사에서 LSA를 출시하기 시작했다. 특히 기존 모델을 소형화하거나 과거의 베스트셀러 디자인를 염두에 두고 제작했다. 대표적인 모델이 바로 American Legend Cub 2004다. 이 모델은 Piper J3 Cub을 기반으로 제작했다. 최고 속도는 174㎞/h(100마력)이다(출처 www.aeroexpo.online/prod/american-legend/product-175785-16279.html).

▲ Flight Design CTSW 2008

독일 Flight Design 사에서 2008년에 출시한 CT(초경량) 모델이다. 그중에서도 SW는 주재료가 복합재로 연료탱크를 크게, 날개 길이를 짧게 했다. 그로 인해 비록 100마력이지만 최고 속도는 307㎞/h, 항속거리는 무려 1287㎞에 달한다(출처 en.wikipedia.org/wiki/Flight_Design_CT#/media/File:CTSW_N646MA.jpg).


미국 연방항공청 Sport Pilot/Light Sport Aircraft의 기준은 다음과 같다.

ㆍ2인승 이하

ㆍ단발 피스톤, 터빈엔진 제외

ㆍ최대 실속(stall speed) 45knots(약 83㎞/h)

ㆍ최대이륙 중량 1320lb(약 600㎏) 이하, 수상 운용은 1430lb(약 650㎏ 이하)

ㆍ최대 수평비행 대기속도(airspeed in level flight) 120knots(220㎞ 이하)

ㆍ고정 착륙장치

ㆍ고정 각 프로펠러

 

2000년대 이후 민간 수송 항공기 분야에서는 제한된 화석 연료 사용과 유가 부담을 줄이고자 초고효율 항공기 개발에 더욱 집중하기 시작했다.

 

기업으로서는 국제 정서에 따라 예상하기 어려운 국제 유가에 대비하기 위해 연료 소비와 배출, 관리, 운영 비용을 최소화하면서 장거리를 주행할 수 있는 능력의 항공기를 선호했다.

 

대표적으로 향상된 엔진 성능(연료 효율)과 경량 소재 사용(신소재 탄소섬유 등 복합재), 첨단 공기역학 설계(디자인), 친환경 대체 동력(전기 모터, 수소연료 전지, 태양열) 등이 개발의 핵심이었다.

 

연료 효율적 측면에서 향상된 엔진 성능이란 엔진에서 연료를 연소해 그 에너지를 최대 출력으로 끌어낼 수 있어야 한다. 즉 같은 양의 연료를 연소(input)시켜 얼마만큼의 동력(output)을 끌어낼 수 있는지가 매우 중요하다. 이를 위해 연소 후 배출하는 배기가스까지 다시 활용하기도 한다.

 

특히 배기가스의 열에너지를 회수해 흡입 공기를 예열하거나 내부 난방 등에 다시 사용하는 배기열 회수, 방출되는 배기를 터빈으로 끌어들여 그 회전력에 의해 반대편 연소실로 들어오는 공기를 압축해 산소 양을 늘리는 과급기, 배기가스 내부에 가연성 물질을 다시 한번 더 연소해 동력을 얻는 애프터 버너 기술 등이 있다.

 

하지만 현재 엔진의 연료 효율 한계점은 이미 기술이 한계까지 다다라 추가 개발되더라도 주 연료가 바뀌지 않는 한 극적인 성능 향상을 기대하기 어렵다.

 

그래서 경량 소재 사용과 첨단 공기역학적 설계에 집중했다. 먼저 경량 소재를 적용한 대표적 항공기는 바로 2009년 개발된 보잉 787-8 드림라이너(Boeing 787-8 DreamLiner)다. 보잉 787-8은 보잉 항공기 중 처음으로 기체 대부분에 탄소 복합 재료를 사용해 무게를 줄였다.

 

탄소 소재 사용은 내구성 향상과 제작 과정 단순화로 제조사 입장에서는 경제적이었다. 경량화로 증가한 추진력에도 소음이 감소하고 종전 항공기보다 기내 압력ㆍ습도 유지가 쉬워 승객에게도 편리성을 제공할 수 있었다. 

 

Boeing 787-8 DreamLiner

Boeing 787-8 DreamLiner의 최대 항속거리는 1만5200㎞로 기존 연비가 뛰어났던 경쟁사의 에어버스 A330의 항속거리인 1만3430㎞보다 노선 길이가 길다(출처 ko.wikipedia.org/wiki/보잉_787_드림라이너).

 

다음 첨단 공기역학적 설계를 활용한 항공기는 2003년 미국 제너럴 다이내믹스의 걸프스트림 항공이 개발한 비즈니스 제트기 걸프스트림 G550(Gulfsteam G550)이다. 걸프스트림 G550은 걸프스트림 Ⅴ의 후속 모델로 공기역학적 항력을 줄여 항속거리를 1만2500㎞까지 대폭 향상했다.

 

이는 동급 최장 거리이며 파생된 G550 CAEW 모델은 이 장점을 활용해 미국(해ㆍ공군)과 이스라엘, 이탈리아, 싱가포르 등에서 공중 조기경보기로 사용하고 있다. 

 

Gulfsteam G550

Gulfsteam G550은 비즈니스 항공기로 승무원 2, 승객 19명까지 탑승할 수 있다. 뛰어난 연비로 기업과 개인이 주 구매 고객이다. 파생형 C-37B는 미국 VIP 수송기, NP-37B는 미국 해군의 조기 경보기 등에 사용 중이다(출처 en.wikipedia.org/wiki/Gulfstream_G550).

 

1950년대 제트엔진 상용화 이후 기존 연료를 대체할 수 있는 차세대 친환경 대체 동력에 관한 연구 개발도 활발히 진행 중이다. 동력의 변혁을 이끌 대표적인 기술은 전기 모터와 수소연료전지, 태양열 에너지 등이다.

 

전기 모터는 연료를 연소해 그 폭발력으로 동력을 얻는 내연기관 엔진과 다르게 전류를 통한 자기장의 변화(회전)로 동력을 얻는다. 사실 전기 모터는 오래전부터 사용해 왔기 때문에 새로운 기술이라고 볼 순 없다.

 

다만 전기 모터 성능(출력)을 높이기 위해선 연료인 배터리 성능까지 고전압, 고방전, 고용량으로 갖춰야 한다. 이에 따라 그간 항공 분야에서 엔진을 대체하긴 어려웠다.

 

그러나 2000년대 이후 배터리 기술이 급격하게 발전하기 시작했다. 2005년부터 본격적으로 개발됐는데 전기 모터는 반도체 등 여러 첨단 기술에 힘입어 내연기관이 100년 동안 쌓아 올린 기술을 고작 20여 년 만에 따라가고 있다.

 

특히 리튬이온배터리 개발로 인해 고전압과 고방전이 가능해졌다. 높은 동력을 필요로 하는 산업 분야에도 충분히 적용할 수 있을 정도다. 대표적인 예가 바로 전기 자동차의 상용화다. 전기 자동차는 2022년 한해에만 전 세계적으로 760만대가 팔렸을 정도다. 현재 기존 엔진을 대체할 동력으로 주목받고 있다. 

 

PC Aero Elektra One 2011

독일 PC Aero Elektra One 2011은 2011년 3월 21일 첫 비행에 성공한 1인승 전기 경량항공기다. 총중량 300㎏(자체 중량 100㎏), 항속거리는 500㎞다. 태양 전지판을 이용해 충전할 수 있다(출처 www.planespotters.net/photo/670159/d-meln-private-pc-aero-elektra-one).

Eviation Aircraft Alice

이스라엘 eviation aircraft(에비에이션 항공)에서 개발하고 2022년 9월 27일 첫 비행에 성공한 순수 100% 전기 동력 여객기다. 2명의 승무원과 9명의 승객을 태울 수 있다. 현재 2027년을 목표로 개발 중이다(출처 www.geekwire.com/2022/australias-ntas-airline-puts-in-an-order-for-20-of-eviations-alice-electric-airplanes).

 

전기 자동차에 이어 전기 항공기 또한 활발하게 개발 중이다. 이미 많은 초경량 또는 경량항공기가 초기 비행에 성공했지만 승객을 태워야 하는 전기 동력 여객기는 2022년 9월이 돼서야 세계 최초로 첫 비행에 성공했다.

 

전기 여객기가 상용화되기까지 풀어야 할 숙제들이 있다. 바로 배터리의 낮은 에너지 밀도와 유지보수 그리고 화재다. 배터리는 현재 에너지 밀도가 기존 제트엔진 연료 에너지의 1/30 수준이라 항속거리를 늘리는 데 매우 취약하다. 엔진은 연료가 줄어들수록 전체 중량도 같이 줄어 가벼워진다.

 

하지만 전기 모터는 배터리 무게가 항상 일정해 사용할수록 전압이 떨어지면서 출력도 급격히 떨어진다. 따라서 현재 최소 에너지 밀도가 기존보다 4배 이상이어야 한다. 이를 위해 새로운 배터리 원료와 기술을 개발하고 있다. 

 

배터리는 화재에도 매우 취약하다. 충전 또는 방전하는 과정에서 내부로부터 화재가 발생할 수 있다. 특히 고속 충전이나 고방전일 때 내부 불안정으로 화재 발생 확률이 커진다.

 

그러나 문제는 기존 화재와 다르게 화재 발생 초기부터도 내부에 화학반응이 격렬히 일어나므로 진압이 매우 어려워 배터리의 안정성과 내구성을 높여줄 기술이 필요하다. 그로 인해 많은 전문가는 적어도 2030년 이후에나 전기 여객기가 상용화될 것으로 예상한다.

 


참조

THE AIRCRAFT BOOK 비행기 대 백과사전

http://www.techholic.co.kr/news/articlePrint.html?idxno=2744

http://www.jejukyeongje.com/news/articleView.html?idxno=23712

https://www.garmin.com/en-US/p/166058

https://blog.naver.com/myungjip/221943281405 

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B3%B4%EC%9E%89_787_%EB%93%9C%EB%A6%BC%EB%9D%BC%EC%9D%B4%EB%84%88#%EC%A0%9C%EC%9B%90 

http://www.aopakorea.org/sub4/sub4_08.php

https://flightdesign.com/ctls

https://en.wikipedia.org/wiki/Gulfstream_G550  

https://e-policy.or.kr/e-report/list.php?admin_mode=read&no=5727&make=&search=&prd_cate=2 

https://namu.wiki/w/%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%9E%90%EB%8F%99%EC%B0%A8 

 

서울 서대문소방서_ 허창식 hcs119@seoul.go.kr

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2023년 11월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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