최근 기술동향 전동추진 항공기의

 순전동추진시스템의 구성은 전기자동차의 동력전달계통과 거의 비슷하고 구동 대상이 바퀴 대신 팬이라는 점만 다르다. 실제, 2000년 이후의 전동 추진 항공기의 동향을 보면, 자동차 전동화 기술의 역할은 매우 크다.

초기 전동 추진 항공기는 니켈카드뮴 전지와 직류 모터를 사용해 출력이 작았다. 지금도 전동 추진 항공기의 규모는 14인승 정도의 소규모에 한정돼 있다.

2006년 독일의 Lange Aviation사가 형식 증명을 취득한 모터 글라이더, Antares 20E는 유인 비행기로서는 처음으로 리튬 이온 배터리를 탑재하는 것으로 기체의 크기나 출력이 이전에 비해 현저하게 증가했다. 이 글라이더 이후, 각국에서 전동 추진 항공기의 개발이 활성화 해, 성능이 현저하게 개선했다.

이런 가운데 수소연료전지를 동력원으로 하는 항공기나 가솔린 엔진과 전동모터의 하이브리드 엔진 항공기 등도 등장했다.

16년 이후는 전동 수직 이착륙기(VTOL)가 등장했다. eVTOL는 최근 세계적으로 개발이 과열되고 있어 여객기 전동화 기술 동향과는 전혀 다른 가치, 즉 도심 에어 모빌리티(UAM)를 목적으로 한 움직임이 있어, 2018년 시점에서 각국의 전동 추진 항공기의 개발은 대부분이 eVTOL를 목표로 하고 있다.

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전동추진항공기의 기술동향을 보면 다음과 같다. 1990년대까지만 해도 출력이 작기 때문에 소규모 기체로 저속으로 비행할 수밖에 없었다. 그러나, 코어 기술(전동 모터, 파워 엘렉트로닉스, 동력원)의 진보에 의해, 2000년대 이후, 성능이 비약적으로 향상했다.

특히, 리튬 이온 배터리와 고성능 자석을 사용한 영구 자석형 동기 모터의 적용이 크게 공헌했다. 이런 핵심 기술은 대부분 자동차 전동화 발전을 견인하는 것이어서 앞으로도 전동 추진 항공기의 핵심 기술은 자동차 기술에 크게 기여할 것으로 예상된다.

전동 추진 항공기 기술 동향 전동 추진 항공기의 최대의 이점은, 연료비나 정비 비용 등 운항에 관계하는 비용의 삭감 효과에 있다. 전동화로 인해 연비 절감 효과가 가장 큰 것은 가솔린 엔진을 얹은 소형 프로펠러 항공기일 것이다.

그 이유는, 완전한 전동화가 가능하기 때문에 정비 비용을 큰폭으로 삭감할 수 있는 점, 전동 추진 시스템으로 대체할 수 있는 추진 기관의 효율이 전동 모터는 물론, 자동차용 엔진에 비해서도 꽤 낮기 때문에 개선폭이 큰 점, 항공용 가솔린 연료의 가격이 자동차용 가솔린 연료 가격에 비해 비싼 점 등, 전동화 코스트 삭감 효과를 크게 하는 요인이 다수 존재한다는 점을 들 수 있다.

한편, 여객기 엔진을 전동화하는 경우는, 전지만으로 실용적인 항속 거리를 확보하는 것이 장래 기술에서도 곤란하다고 예상되기 때문에, 하이브리드 방식이 주류가 될 것이다. 특히 시리즈 하이브리드 방식은 배터리가 없어도 성립하는 방식이기 때문에 기술적 위험이 비교적 작다.

단, 순전동 추진방식의 소형기와 달리 전동팬의 높은 레이아웃 자유도를 활용해 기체 표면의 느린 공기의 흐름을 엔진으로부터 흡수하는 BLI(Boundary Layer Ingestion)를 통해 공력저항을 감소시킬 것인가, 다발화로 팬 전체 면적을 확대해 추진효율 향상을 꾀할 것인가이다.

어쨌든 하이브리드 추진 시스템은 발전기, 파워 일렉트로닉스, 배선, 전동모터 등에 의한 에너지 손실이 더해지기 때문에 열효율 자체는 기존의 가스터빈 엔진에 비해 저하될 수밖에 없다. 따라서 연비는 극적으로 개선되는 것이 아니라 몇 퍼센트~십 몇 퍼센트까지 삭감된다. 가스터빈 엔진도 동시에 사용하기 때문에 정비비용의 삭감으로 이어진다고도 할 수 없다.

소형항공기는 순전동화가 기술적으로 성립 가능하기 때문에 전동모터와 파워일렉트로닉스에는 거의 문제가 없으며, 현재의 기술로도 실용수준인데 반해 전지만은 아직 단위질량당 에너지량, 즉 에너지밀도가 충분하지 않다.

전지의 에너지 밀도를 큰 폭으로 높이기 어렵기 때문에 양 항비(L) 향상이나 전동 추진의 설계 자유도를 활용하면 전지에너지 밀도의 향상을 기다리지 않고 항속거리 문제를 해결할 수 있다.

여객기 전동 추진의 과제는, 전동 모터나 파워 일렉트로닉스 중량의 경감, 즉 추진 계통의 출력 밀도를 개선하는 것이다. 특히 시리즈 하이브리드의 경우는 발전기, 컨버터, 인버터, 전동모터와 같이 기존의 가스터빈 엔진에 추가되는 전동화 요소의 수가 많고 전동추진시스템이 분담하는 출력도 크기 때문에 중량증가의 영향이 크다.

여객기 전동화의 또 다른 과제로 고도 1만m 이상에서는 기압이 지상의 14, 방사선량이 지상의 100배에 달하기 때문에 코로나 방전에 의한 절연 파괴와 싱글 이벤트 발생에 의한 반도체 파괴가 문제가 된다. 이런 문제는 자동차 전동화 기술의 연장선상에서 해결할 수 없을지도 모른다.

전동추진항공기가 최근 주목받는 이유는 두 가지이며 그중 하나는 eVTOL이 성립되면서 도심에어모빌리티(UAM) 실현 가능성이 생긴 것, 다른 하나는 여객기도 전동 추진이 가능하다는 점이다.

이 둘은 최근 수년간의 동향이다. 이러한 중단기적인 기술 동향은 장래에 미치는 영향은 크다고 말할 수 있지만 전동 추진 항공기 분야에의 향후 참가를 검토하고 있는 기관에게는 업계의 동향이 더욱 더 중요해지고 있다.

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