[Murata x Tech] 항공기 엔진의 전동화와 오토파일럿의 최신 기술
- 작성자 : 최고관리자
- 등록일 : 24-06-28 16:01
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배터리, 모터, 일렉트로닉스 등 전자 기술의 발전으로 자동차의 전력화및 자율 주행이 놀라운 속도로 추진되었습니다.
하지만 항공기 엔진의 경우, 엄격한 안전 요건이 부과되어 왔기 때문에 전동화는 기술적으로도 상업적으로도 실현 불가능하다고 여겨져 왔고, 그 결과 항공기 분야에서는 기술에 대한 노력과 대처가 미뤄져 왔습니다.
하지만 일본 항공기 개발 공사에 의하면 항공 여객 수송 승객 수가 2001년부터 2019년까지 약 2.7배 증가하며, 향후로도 운항 횟수가 더욱 증가 할 것으로 예상되어 이로 인해 배기 가스가 환경에 미치는 악영향에 대한 우려가 제기 되었습니다. 또한 사고 건수도 증가할 것으로 예측되었습니다. 따라서 사고율이 높은 이착륙시 안전성을 높이는 오토파일럿 시스템의 개발이 필요해졌습니다.
오늘 시간에는 항공기 배기 가스 문제를 해결하는 엔진의 전동화와 항공기 운항의 안전성을 높이는 오토파일럿 시스템의 최신 기술에 대해 설명 드리겠습니다.
항공기 엔진의 전동화(전기화)
지금까지 항공기 엔진의 전동화는 유압 펌프나 연료 공급 장치와 같은 보조 장비에 중점을 두고 진행되어 왔습니다. 그러나 국제적인 탈탄소화의 트렌드 속에서 기존의 대처로는 배기 가스량의 억제에 한계가 있음을 알게 되었습니다.
그래서 최근에는 엔진 자체(추진 시스템)를 전동화하여 배기 가스를 완전히 제거하거나 크게 감소시키려는 시도가 시작되고 있습니다.
항공기의 전동화 트렌드
국제 민간 항공 기관(ICAO: International Civil Aviation Organization)과 국제 항공 운송 협회(IATA: International Air Transport Association) 등은 2050년까지 이산화탄소 배출량을 2005년 대비 절반으로 줄이겠다는 목표를 내걸고 있습니다. 이러한 국제적인 흐름 속에서 기존의 엔진 보조 장비 전동화나 연료 및 연비의 개선으로는 목표를 달성하기 어려울 것이라는 것이 분명해졌습니다.
이에 항공기 엔진의 전동화는 향후 예상되는 항공 수요의 증가를 처리하는 동시에 배기가스를 저감하는 기술로 주목받고 있습니다. 만약 우리가 제트 엔진을 항공기 엔진을 위한 전기 모터로 대체한다면, 우리는 엔진에서 나오는 배기 가스를 제거하거나 크게 줄일 수 있을 것입니다. 그러므로 전기 엔진의 개발은 많은 항공 관련 연구 기관과 항공기 제조업체들에게 시급한 문제가 되었습니다.
그렇다면 전동 엔진 시스템을 구현하는 방법에는 어떠한 것들이 있을까요?
제트 엔진을 대체하는 전동 엔진에는 전동 모터만으로 추력을 얻는 [순수 전기 방식(Pure Electric Systems)]과 제트 엔진과 전동 모터를 병용하는 [하이브리드 방식(Hybrid Systems)]이 있습니다.
먼저 순수 전기 방식의 전동 엔진을 알아보겠습니다.
순수 전기 방식 (Pure Electric Systems)
순수 전기 방식은 완전 전기 시스템(Full Electric System)이라고도 불립니다.
이 방식의 엔진은 이차 전지, 전동 모터 및 추진 팬으로 구성됩니다(그림 1). 이차 전지로부터의 전력으로 전동 모터를 구동하며, 추진 팬의 회전에 의해 추진력을 얻습니다. 제트 연료를 일절 사용하지 않기 때문에 결과적으로 이산화탄소 배출이 제로가 됩니다. 그러나 추진력은 전동 모터에서 나오고 이차 전지에서만 전원을 공급하므로 현재의 리튬이온 배터리의 에너지 밀도로는 중형 또는 대형 항공기의 비행은 어렵습니다. 즉, 1인승 또는 2인승과 같은 소형 항공기만이 이 시스템으로 비행할 수 있습니다.
그림1. 순수 전기 방식
순수 전기 방식의 한계를 극복하기 위해, 제트 엔진에 전동 모터를 병용하는 하이브리드 방식이 있습니다.
하이브리드 방식을 이용하게 되면 순수 전기 방식에 비해 비교적 큰 추진력을 장시간 얻을 수 있으며, 중/대형기의 비행도 가능해 집니다. 하이브리드 방식에는 [병렬 하이브리드 방식]과 [직렬 하이브리드 방식]이 있습니다.
각각의 방식을 알아보겠습니다.
병렬 하이브리드 방식 (Parallel Hybrid Systems)
병렬 하이브리드 방식의 엔진은 제트 엔진, 이차 전지 및 이차 전지로 구동되는 전동 모터로 구성됩니다(그림 2). 추진력은 제트 엔진과 전동 모터를 모두 사용하여 추진 팬을 회전시켜 얻습니다.
그림2. 병렬 하이브리드 방식직렬 하이브리드 방식(Series Hybrid Systems)
직렬 하이브리드 방식의 엔진은 전동 모터 이외에 발전기와 발전기 구동용 제트 엔진과 이차 전지로 구성됩니다(그림 3). 제트 엔진의 회전이 발전기로 전달되어 발전하고, 이 전력으로 전동 모터를 구동하여 추진 팬을 회전시킵니다. 제트 엔진은 발전기의 구동용으로 사용하기 때문에 기체에 설치하는 장소의 자유도는 높고, 추력을 낳는 전동 팬의 배치 위치나 팬의 수에 대해서도 제한은 적다는 특징이 있습니다. 또한 잉여 전력이나 전동 모터를 사용하지 않을 때 제트 엔진의 회전 에너지를 회생하여 이차 전지에 충전할 수도 있습니다.
이 방식에서는 제트 엔진이 발전한 전력으로 전동 모터를 구동시킵니다. 이 때문에 발전시에 에너지 손실이 생깁니다만,
설계의 자유도의 높이를 살려 추진 팬의 배치나 수를 최적화하는 것으로, 추진 효율을 향상시키는 것이 가능합니다.
그림3. 직렬 하이브리드 방식지금까지 항공기 배기가스가 환경에 미치는 영향을 해결하기 위한 방법으로 제시된 엔진 전동화의 여러가지 방식을 앞서 살펴 보았습니다. 이어서 따라오는 항공기 안전 문제와 관련하여 안전성을 높이는 방법으로 제시되고 있는 오토파일럿 시스템에 대해 알아보겠습니다.
항공기 오토파일럿(자동 조종)의 최신 기술
사실 항공기 오토파일럿 시스템은 오랜 역사를 가지고 있습니다. 기존에는 이륙 후 안정적인 운항을 제공하는 것은 충분히 가능했지만, 위험이 수반되는 이/착륙 시에는 사실상 불가능했습니다. 그러나 최근에는 레이더나 화상 인식 시스템, 전파 센서의 고정밀도화, 모터나 밸브와 같은 액츄에이터의 응답 속도의 고속화 등에 의해 한때는 어렵다고 여겨졌던 조건에서도 오토파일럿 시스템으로 항공기를 조종하는 것이 최근 몇 년 동안 가능해지기 시작했습니다. 이러한 가운데 최근에는 이륙부터 착륙까지의 모든 조작을 오토파일럿에 의해 실시하기 위한 실험도 시작되었습니다.
오토파일럿이란
오토파일럿이란 항공기 조종을 자동화하여 조종사의 조종 부하를 경감하는 시스템을 말합니다. 오토파일럿 시스템을 활용하면 항공 관제로부터의 지시나 기상 정보, 위치 정보 및 주변 항공기의 정보 등을 바탕으로 조종사가 고도, 방위, 속도, 목적지 등의 조건을 설정하여 자동으로 항공기를 조종할 수 있습니다.
일반적으로 여객기의 경우 조종사는 이륙 후 몇 분 안에 오토파일럿에게 조종을 맡깁니다. 그 후 안개나 바람이 강한 등의 경우를 제외하고는 안전하게 비행하는 것이 가능합니다. 단, 위험이 따르는 착륙 시에는 수동으로 조종합니다. 물론 조종사는 기본적으로 모든 조종을 수동으로 할 수 있는 기량을 갖추고는 있지만, 비행 중에는 비행 관리나 비행 계획의 입안 등 조종 이외에도 조종사가 해야할 작업이 많이 있기 때문에, 조종을 오토파일럿에게 맡기는 것으로 보다 안전한 비행이 가능해집니다.
오토파일럿의 구조
오토파일럿에는 기체 자세 제어 기능(그림 4), 고도 및 속도 제어 기능, 그리고 목적지로의 유도 기능이 있습니다.
그림 4. 피치, 롤 및 요이 중 기체 자세 제어와 고도 및 속도 제어는 가속도 센서나 각도 센서 등의 센서와 FCC*1, ACC*2, 액츄에이터*3로 실시합니다.
간단히 원리를 살펴 보면 먼저 센서는 항공기의 자세, 방향, 고도 및 속도를 감지합니다. 감지된 신호는 FCC로 전송됩니다. FCC는 액추에이터를 작동하라는 명령을 ACC에 보냅니다. ACC는 액츄에이터를 구동하는 데 필요한 전원을 공급합니다. 이를 통해 액츄에이터는 보조날개/방향타/승강타 등의 항공기 날개들을 적절히 동작시킵니다. 이로써 오토파일럿 시스템에 의한 안전한 비행이 실현됩니다.
일반적으로 액츄에이터 및 항공기 날개의 움직임은 조종실 모니터나 미터 등에도 전달되어 보여집니다. 조종사는 모니터와 미터의 표시를 통해 각 장치의 동작 상황과 기체 자세를 파악할 수 있습니다. 오토 파일럿 시스템은 고장나면 중대한 사고의 원인이 되기 때문에 다중계 시스템으로 구성되어 있어, 높은 신뢰성을 확보하고 있습니다.
*1 FCC(플라이트 컨트롤 컴퓨터) : 기체 각 장치의 상태나 엔진 추력, 기류 등의 요인을 가미하여 비행 제어칙에 따라 최적의 조타각을 계산하고 동익(보조날개/방향타/승강타 등)의 동작량을 결정하는 신호를 ACC로 출력한다.
*2 ACC(액츄에이터 컨트롤 컴퓨터) : FCC로부터의 명령에 따라 동익을 구동하는 액츄에이터에 필요한 전력을 공급한다.
*3 액츄에이터 : 전기/압력(유압, 공기압 등)/열/자기 등의 에너지를 회전/신축/굴곡 등 기계적 운동으로 변환하는 장치. 전동 모터와 유압 피스톤, 전자 솔레노이드 등이 있다.
항공기 엔진의 전동화와 오토파일럿 전자기술의 과제
항공기 엔진의 전동화에 있어서 최우선으로 해결해야 할 과제는 긴 항속 거리 실현입니다. 항속 거리를 늘리기 위해서는 전지를 많이 쌓음으로써 에너지 탑재량을 늘리는 방법이 있습니다. 그러나 특히 비행기는 다른 수송장치와 달리 전지 탑재량 증가로 인한 기체 중량 증가는 허용할 수 없습니다. 따라서 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 필요가 있습니다. 이미 전지의 에너지 밀도를 대폭 향상하기 위한 연구 개발은 세계 각국에서 진행되고 있으며, 셀 레벨에서 450Wh/kg 이상에 이르는 등의 보고도 있어 500Wh/kg 정도가 실현되면 비행기 엔진 하이브리드화에 의한 여객기 이륙 상승 시 어시스트 전력으로 사용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한 컨버터나 인버터 등의 냉각에 있어서도 수냉 시스템은 중량의 부담이 되므로 공냉 시스템의 채용이 바람직하며, 반도체에는 발열이 적은 GaN(질화갈륨)이나 SiC(탄화규소)의 사용이 필요합니다.물론 주변 회로에 사용되는 전자 부품에도 고온에서 저온까지의 넓은 사용 온도 범위와 내진동성이 요구됩니다.
한편 오토파일럿 시스템은 많은 센서와 컴퓨터, 액추에이터에 의해 실현되는 전자 기술 덩어리입니다. 따라서 일렉트로닉스 기술의 향상은 오토파일럿 시스템의 기능과 안전성 향상으로 직결됩니다. 예를 들어, 항공기 날개를 전기 신호로 작동시키는 플라이 바이 와이어 시스템에서는 FCC가 전기 신호를 ACC에 전달합니다. 이 신호에 전기 노이즈가 침입하면 액추에이터가 오작동하는 원인이 되기 때문에 전기 노이즈의 영향을 받지 않는 광섬유 케이블을 이용하는 대책이 필요합니다. 또한 이착륙을 포함한 풀오토파일럿 비행(자율비행)의 실현에 대해서는 고정밀도 자세지시기나 자세방위기준장치(AHRS: Attitude Heading Reference System)의 탑재가 필수적이며, 이러한 장치에는 높은 신뢰성과 고성능을 양립한 MEMS 센서가 필요합니다.
이처럼 전동비행기는 비행과 관련된 많은 요소를 전기 신호나 전기 동력이 담당하고 있기 때문에 전동 엔진의 방식에 관계 없이 실용화에는 전자기술의 향상이 필수적입니다.
정리
전동 항공기의 특징은 기존 제트 엔진을 탑재한 비행기에 비해 온실 가스 배출량이 압도적으로 적고 뛰어난 오토 파일럿에 의한 안전 운항에 적합한 비행 시스템을 탑재한 항공기라는 것입니다.
향후 각국의 항공 산업이 전동 항공기 분야에서 세계로 진출하기 위해서는 기체의 공력 특성*4 개선과 동력기 효율 향상은 물론 기체 소재/바이오 테크놀로지 등 폭넓은 분야와의 교류를 통한 기술 및 지식과 견해의 획득 등도 필요할 것입니다.
그 길은 결코 쉽지 않고, 현재의 전동 항공기의 수준에서 이의 실현은 아직 먼 미래라고 생각하기 쉽습니다. 그러나 지금까지 말한 대로 이미 실용화를 위한 연구나 실험은 시작되었습니다.
특히 일렉트로닉스 분야에서는 파워일렉트로닉스나 고출력 모터, 고에너지 밀도 전지 등 다른 분야에서 실현된 기술이 많이 있어 더욱 성능을 높임으로써 전동 항공기로의 전용은 가능합니다. 이상으로부터, 친환경 전동 비행기가, 엄격한 안전 요건을 클리어해 기술적으로나 상업적으로 실현되는 날은, 그리 멀지 않은 미래임은 틀림없습니다.
*4 공력특성 : 비행기의 경우 기체의 공기저항이나 기체를 밀어올리는 힘과 공기저항의 비(양항비) 등을 들 수 있다.이를 개선함으로써 엔진 부하가 감소하고 연료 소비량을 줄일 수 있다.
* 출처
- 한국무라타전자 매거진, https://koreamuratablog.tistory.com
- 무라타, https://murata.com
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