NASA 의신개념분산전기동력추진시스템 작성 : 한국항공우주연구원황인성 ( 선임연구원 ) 제트기시대가어느날갑자기시작된것이아닌것처럼, 차세대항공기추진시스템개발도꾸준히계속되고있다. NASA는분산하이브리드전기동력추진시스템이민항기패러다임을바꿀신개념추진장치로적합한지여부를판단하기위해지상및비행시험을준비중이다. < 그림 1. NASA 의분산전기동력추진시스템장착항공기개념도 > NASA는분산전기동력추진시스템의성능을입증할데이터를얻기위해 11월에캘리포니아에드워즈공군기지에서트럭에날개를장착하고시험을수행할계획이다. 31 피트길이의날개에는 18개의소형전기동력프로펠러가장착된다. 이는 NASA가신개념항공기프로그램에서선보일소형시제기의핵심구성품이다. 이와함께, 향후 5년동안, 1~2메가와트급출력이가능한고성능모터를개발할계획이다. 이는전기동력을이용한소형비행기와헬리콥터, 하이브리드터빈-모터를이용한리저널항공기, 분산추진장치를이용한대형항공기등에사용되기에충분하며, 높은에너지효율과안전성을갖출것이다. NASA의고정익항공기프로그램매니저인루벤델로자리오는전기동력항공기초기모델은 1~2메가와트급이될것으로예상했다. 그러나이와동시에자율비행능력을강화한무인기와개인용항공기, 소형항공기에도적용될수있을것으로전망했다. NASA의엔지니어인마크무어는일반인들이운항하는소형항공기가효율성이낮고, 안전성이떨어지며, 배출가스가많고, 탑승감은좋지않고, 운영비용이높은문제점이있다고지적했다. 분산전기동력추진시스템은공기역학적측면에서, 그리고추진효율면에서월등한성능향상이가능하다. 또한소음과에너지비용을감소시킬수있다. - 1 -
물론분산전기동력추진시스템에도단점은있다. 배터리가현재의연료보다무겁고, 배터리비용또한높다. 그러나전기모터는터빈이나피스톤엔진에비해넓은회전수범위에서효율이좋고, 파워대중량비또한높다. 조용하고, 소형이며, 신뢰도가높다. 배출가스가없고에너지비용이기존연료보다낮은것도장점이다. 항공기설계측면에서는이러한효율과파워대중량비가모터크기와크게상관이없다는점도중요한이점이다. 조비항공의수석디자이너인알렉스스톨은여러개의소형전기모터와하나의대형전기모터가출력효율면에서큰차이가없다고말한다. 이는다수의소형전기모터를항공기의다양한지점에장착하는것이가능하다는것을의미한다. 기존대형엔진은항공기에장착할수있는위치가제한적이었다. 그는분산전기동력추진시스템을이용해서수직이착륙이가능한무인기와 2인승항공기 S2를설계하였으며, 비싸고시끄럽고안전하지않은헬리콥터대신에분산전기동력추진시스템을이용한개인용항공기제작이충분히가능하다 고말했다. < 그림 2. 분산전기동력추진시스템을이용한 2 인승항공기 (Joby aviation)> 효율성, 안전성, 경제성및친환경성에대해성능을입증하기위해 NASA는엠피리컬시스템에어로스페이스 (ESAero) 와조비항공을파트너로삼고, 그림 1에나타낸날개앞전에프로펠러를장착한개념의비행시제기 (LEAPTech, Leading Edge Asynchronous Propeller Technology) 를제안하였다. 일반적으로작고가벼운항공기는인증을받기위해낮은실속속도 (stall speed) 조건을만족하도록큰날개를장착한다. 그러나이는순항효율을떨어뜨린다. LEAPTech는날개면적을 1/3로줄임으로써항력을감소시키고, 날개면하중 (wing loading) 을 3배로키워탑승감을증대시켰다. 시속 200마일로순항시양항비는 20을넘는다. 이는사이러스 (Cirrus) SR22의 11보다월등한수치이다. - 2 -
작은날개로실속속도 61노트를만족시키기위해서 LEAPTech는다수의소형프로펠러를날개앞전에장착하였다. 이는날개를통과하는공기흐름을가속시켜동압이증가하며, 저속에서최대양력계수가두배이상이된다. 전산유체해석결과양력계수는 5.5가되었으며, 이는 61노트실속속도조건을만족하기위한값인 4.5보다훨씬높다고조비항공의알렉스스톨은말했다. 마크무어에의하면, 기존항공기의경우, 날개전체에플랩을장착하고 40도로펼쳤을때최대양력계수는 2.7이된다. 저속에최적화되고, 지름이작으며, 높은고형비 (solidity) 를갖는 LEAPTech 프로펠러는팁속도가 450ft/s 정도로낮다. 반면, SR22는프로펠러팁속도가 919ft/s에이른다. 이러한특징으로인해분산전기동력추진시스템적용시소음발생이적다. 또한각각의프로펠러는회전수를다르게하여주파수를분산시킨다. 프로펠러는이착륙외에순항시에는항력을감소시키고고속비행에적합하도록접힐수있다. 그림 1에나타낸 NASA의개념도는기존의 4인승소형항공기 Tecnam P2006T에분산전기동력추진시스템을장착한것으로, LEAPTech와기존기술의직접적인성능비교가가능하다. NASA는이에앞서트럭에시험장비를구축하여 61노트실속조건에서지상시험을수행할수있도록하였다. 이장비는 Heist (Hybrid-Electric Integrated Systems Testbed) 라고하며, 풍동시험보다낮은비용으로시험이가능하다. 마크무어는 풍동시험비용은 Heist 전체예산보다더많으며, 우리는 Heist 시험을통해원하는자료를얻을수있을것 이라고말했다. 날개는트럭에서전달되는진동을줄이기위해에어백위에장착된다. 분산전기동력추진시스템에서발생되는소음외에트럭을비롯한주변부소음은후처리과정에서소거된다. 마크무어에의하면 Heist 장치의양력측정은 5% 이내의오차를갖는다. ESAero는 Heist의주계약자이다. 조비항공은테스트리그, 날개, 모터와프로펠러제작을담당한다. 총 18개의프로펠러는 300마력의출력을내고, 날개는 3,500파운드의양력을발생한다. ESAero는 11월에있을본격적인시험전에도로에서시운전을할것이다. NASA의엔지니어인션클라크는지상진동이예상되지만, 양력, 항력, 피칭모멘트를정확하게측정하는데문제는없을것이라고말했다. 이와함께, NASA는전기동력추진시스템에대한이해도를높이고, 몇몇난제를해결하기위한기초연구를시작했다. NASA의암스트롱비행연구센터에서는배터리에서프로펠러에이르는일련의추진시스템에대한연구를구체화했다. 1년뒤에는롤스로이스의 M250 터보샤프트엔진을전기모터 / 발전기, 배터리세트와묶어서하이브리드동력원을구성할것이다. 가스터빈과전기모터는동시에프로펠러를구동시키며, 이를통한동력전달의안정성을시험할계획이다. 2016년 2월에는 NASA 암스트롱센터에서 Heist 파워시스템 (PMAD, Heist Power - 3 -
Management and Distribution) 지상시연이계획되어있다. 정적추진시험이수행될예정이며, 향후장기적인연구개발플랫폼이될것이다. NASA의계획에는, 하이브리드동력원에내재된안정성문제검증, 다수의모터로부터얻어진추력의효율적인제어, 추력증대로인한요 (yaw) 방향제어알고리듬연구, 하중감소또는불균형으로인한동력소요변화평가등이포함되어있다. 션클라크는 날개를트럭에서떼고정적시험장치에부착하여연구를수행할것 이라고말했다. 이연구에는배터리와터빈발전기간의동력원전환, 모터에서발생하는고주파전기부하안정화가포함된다. 또한모터센서를포함하여, 요 (yaw) 제어를위한동력스케쥴, 종합적인건전성평가방법에대한연구도수행될것이다. 분산전기동력추진시스템의제어기는조종사의추력목표입력값을각추진기에적절한형태로전달해야한다. 이과정에서동력원, 에너지소스, 소비율간의균형을효과적으로유지해야한다. 제어알고리듬은발전기의부하를조절하며, 남은에너지와추진기의동력소요량을실시간으로확인해야한다. 또한전체추력목표와발전기, 배터리상황을고려하여개별추진기에전달되는명령을종합적으로관리해야한다. Heist는 100~120볼트전기시스템을사용할것이다. ESAero의비즈니스개발대표인앤드류깁슨은 최적은아니지만, 이를통해 1년내에 Heist를가능하게만들수있다. 현재무게는고려대상이아니다. 라고말했다. NASA는 600볼트까지높이는계획을갖고있다. 이를통해배선장비의무게를줄일수있다. NASA는 PMAD에이어서 HILS (Hardware-in-the-Loop Simulation) 시험도계획하고있다. 이를통해비행상황을가정한전기동력추진시스템하드웨어와항공기비행제어시뮬레이션을통합할수있다. 다음단계는아이언버드시험 (iron bird test) 으로, 실제조종면, 비행제어시스템, 에너지저장장치를통합한다. 킬로와트수준의분산전기동력추진시스템시제기 LEAPTech을먼저대상으로하고, 향후 1~2 메가와트급의하이브리드전기동력추진비행시제기로확장하도록한다. 현재는노드롭그루먼의무인기인글로벌호크 RQ-4를염두에두고있다. 션클라크는아이언버드시험을통해실제전기동력추진시스템이장착되었을때, 부피및무게제약조건, 손상 / 고장모드및회복전략, 추진기와타시스템간의의존도, 공력-추진효율성, 추진시스템-기체구조통합으로인한성능향상정도등을파악할수있을것이라고말했다. 분산전기동력추진시스템을미래항공기의것으로생각할수있지만, 적어도경량항공기에있어서는머지않아현실로다가올것이다. 조비항공과미공개기업인지에어로 (Zee.aero) 는이미개인용항공기를설계하고있다. 다만배터리와모터성능은조금더향상되어야한다. 조비항공은그림 2에나타낸 S2 항공기가 1~2년내에비행가능하도록진행중이며, 수년내에인증까지받을수있기를바라고있다. 알렉스 - 4 -
스톨은 2020년에는전기비행기가시속 200마일의속도로 500마일을비행할수있을것이라고기대했다. 마크무어는자율비행과결합된전기동력추진시스템이사용자주문형항공기에새로운전환점을가져올것이라고전망했다. 또한기술의발전으로대형항공기에도전기동력추진시스템이적용될것이다. 비록대형항공기는상당한수준의최적설계가이미반영되어있어서소형항공기만큼의성능향상을기대하기는어렵지만, 여전히신기술적용은매력적이다. 이글은아래의링크기사를참조하여작성하였습니다. http://aviationweek.com/commercial-aviation/nasa-plans-tests-distributed-electric-propulsion - 5 -