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NASA의  신개념  분산전기동력추진  시스템

작성 : 한국항공우주연구원 황인성 (선임연구원)

제트기  시대가  어느날  갑자기  시작된  것이  아닌  것처럼,  차세대  항공기  추진시스템 

개발도  꾸준히  계속되고  있다.  NASA는  분산  하이브리드  전기동력추진  시스템이  민

항기  패러다임을  바꿀  신개념  추진장치로  적합한지  여부를  판단하기  위해  지상  및  비

행  시험을  준비  중이다.

<그림1.  NASA의  분산전기동력추진  시스템  장착  항공기  개념도>

NASA는  분산전기동력추진  시스템의  성능을  입증할  데이터를  얻기  위해  11월에  캘리

포니아  에드워즈  공군기지에서  트럭에  날개를  장착하고  시험을  수행할  계획이다.  31

피트  길이의  날개에는  18개의  소형  전기동력  프로펠러가  장착된다.  이는  NASA가  신

개념  항공기  프로그램에서  선보일  소형  시제기의  핵심  구성품이다.

이와  함께,  향후  5년동안,  1~2메가와트급  출력이  가능한  고성능  모터를  개발할  계획

이다.  이는  전기동력을  이용한  소형  비행기와  헬리콥터,  하이브리드  터빈-모터를  이

용한  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  초

기  모델은  1~2메가와트급이  될  것으로  예상했다.  그러나  이와  동시에  자율비행능력

을  강화한  무인기와  개인용  항공기,  소형  항공기에도  적용될  수  있을  것으로  전망했

다.

NASA의  엔지니어인  마크  무어는  일반인들이  운항하는  소형  항공기가  효율성이  낮

고,  안전성이  떨어지며,  배출가스가  많고,  탑승감은  좋지  않고,  운영  비용이  높은  문

제점이  있다고  지적했다.

분산전기동력추진  시스템은  공기역학적  측면에서,  그리고  추진  효율  면에서  월등한 

성능  향상이  가능하다.  또한  소음과  에너지  비용을  감소시킬  수  있다. 

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물론  분산전기동력추진  시스템에도  단점은  있다.  배터리가  현재의  연료보다  무겁고, 

배터리  비용  또한  높다.  그러나  전기모터는  터빈이나  피스톤  엔진에  비해  넓은  회전

수  범위에서  효율이  좋고,  파워  대  중량비  또한  높다.  조용하고,  소형이며,  신뢰도가 

높다.  배출가스가  없고  에너지  비용이  기존  연료보다  낮은  것도  장점이다.  항공기  설

계  측면에서는  이러한  효율과  파워  대  중량비가  모터  크기와  크게  상관이  없다는  점

도  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  전기모터

를  항공기의  다양한  지점에  장착하는  것이  가능하다는  것을  의미한다.  기존  대형  엔

진은  항공기에  장착할  수  있는  위치가  제한적이었다.  그는  분산전기동력추진  시스템

을  이용해서  수직이착륙이  가능한  무인기와  2인승  항공기  S2를  설계하였으며,  “비싸

고  시끄럽고  안전하지  않은  헬리콥터  대신에  분산전기동력추진  시스템을  이용한  개인

용  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  날

개  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)  조

건을  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.

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작은  날개로  실속속도  61노트를  만족시키기  위해서  LEAPTech는  다수의  소형  프로

펠러를  날개  앞전에  장착하였다.  이는  날개를  통과하는  공기흐름을  가속시켜  동압이 

증가하며,  저속에서  최대양력계수가  두  배  이상이  된다.  전산유체해석  결과  양력계수

는  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  프로펠

러는  팁  속도가  450ft/s  정도로  낮다.  반면,  SR22는  프로펠러  팁  속도가  919ft/s에 

이른다.  이러한  특징으로  인해  분산전기동력추진  시스템  적용  시  소음발생이  적다.  또

한  각각의  프로펠러는  회전수를  다르게  하여  주파수를  분산시킨다.  프로펠러는  이착

륙  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  조건

에서  지상시험을  수행할  수  있도록  하였다.  이  장비는  Heist  (Hybrid-Electric 

Integrated  Systems  Testbed)라고  하며,  풍동시험보다  낮은  비용으로  시험이  가능하

다.

마크  무어는  “풍동시험  비용은  Heist  전체  예산보다  더  많으며,  우리는  Heist  시험을 

통해  원하는  자료를  얻을  수  있을  것”이라고  말했다.  날개는  트럭에서  전달되는  진동

을  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  3,500파운

드의  양력을  발생한다.  ESAero는  11월에  있을  본격적인  시험  전에  도로에서  시운전

을  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  해결

하기  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  하이브리

드  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 

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Management  and  Distribution)  지상  시연이  계획되어  있다.  정적  추진  시험이  수행

될  예정이며,  향후  장기적인  연구개발  플랫폼이  될  것이다.  NASA의  계획에는,  하이

브리드  동력원에  내재된  안정성  문제  검증,  다수의  모터로부터  얻어진  추력의  효율적

인  제어,  추력증대로  인한  요  (yaw)  방향  제어  알고리듬  연구,  하중  감소  또는  불균

형으로  인한  동력소요변화  평가  등이  포함되어  있다.

션  클라크는  “날개를  트럭에서  떼고  정적  시험  장치에  부착하여  연구를  수행할  것”이

라고  말했다.  이  연구에는  배터리와  터빈  발전기  간의  동력원  전환,  모터에서  발생하

는  고주파  전기부하  안정화가  포함된다.  또한  모터  센서를  포함하여,  요  (yaw)  제어

를  위한  동력  스케쥴,  종합적인  건전성  평가  방법에  대한  연구도  수행될  것이다.

분산전기동력추진  시스템의  제어기는  조종사의  추력  목표  입력값을  각  추진기에  적절

한  형태로  전달해야  한다.  이  과정에서  동력원,  에너지  소스,  소비율  간의  균형을  효

과적으로  유지해야  한다.  제어  알고리듬은  발전기의  부하를  조절하며,  남은  에너지와 

추진기의  동력소요량을  실시간으로  확인해야  한다.  또한  전체  추력  목표와  발전기,  배

터리  상황을  고려하여  개별  추진기에  전달되는  명령을  종합적으로  관리해야  한다.

Heist는  100~120볼트  전기  시스템을  사용할  것이다.  ESAero의  비즈니스  개발  대표

인  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  계획

하고  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  수

준의  분산전기동력추진  시스템  시제기  LEAPTech을  먼저  대상으로  하고,  향후  1~2

메가와트급의  하이브리드  전기동력추진  비행  시제기로  확장하도록  한다.  현재는  노드

롭  그루먼의  무인기인  글로벌  호크  RQ-4를  염두에  두고  있다.

션  클라크는  아이언버드  시험을  통해  실제  전기동력추진  시스템이  장착되었을  때,  부

피  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  파악

할  수  있을  것이라고  말했다.

분산전기동력추진  시스템을  미래  항공기의  것으로  생각할  수  있지만,  적어도  경량  항

공기에  있어서는  머지않아  현실로  다가올  것이다.  조비  항공과  미공개  기업인  지  에

어로  (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  비

행  가능하도록  진행  중이며,  수년  내에  인증까지  받을  수  있기를  바라고  있다.  알렉스 

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스톨은  2020년에는  전기  비행기가  시속  200마일의  속도로  500마일을  비행할  수  있

을  것이라고  기대했다.

마크  무어는  자율비행과  결합된  전기동력추진  시스템이  사용자  주문형  항공기에  새로

운  전환점을  가져올  것이라고  전망했다.  또한  기술의  발전으로  대형  항공기에도  전기

동력추진  시스템이  적용될  것이다.  비록  대형  항공기는  상당한  수준의  최적설계가  이

미  반영되어  있어서  소형  항공기만큼의  성능  향상을  기대하기는  어렵지만,  여전히  신

기술  적용은  매력적이다. 

※ 이 글은 아래의 링크 기사를 참조하여 작성하였습니다.

http://aviationweek.com/commercial-aviation/nasa-plans-tests-distributed-electric-propulsion