한국항공우주연구원

최근 환경문제와 더불어 전기추진 비행기 기술이 새롭게 각광받고 있지만, 사실 이 기술은 최근에 새롭게 등장한 것이 아니다. 1884년에 프랑스의 공학자 Renard와 Krebs가 50m급 비행선 La France의 추진에 배터리와 전기모터를 최초로 사용한 것이 최초의 기록이다.[1] 1814년에는 전기모터와 배터리의 경쟁상대가 증기기관뿐이었지만, 이후 가솔린을 사용하는 내연기관이 등장하면서 항공기용 전기추진방식은 거의 한 세기 동안 버려졌었다. 1957년에 영국의 Colonel Taiplan이 무선조종 모형비행기에 처음으로 영구자석 모터와 은-아연 배터리를 사용한 이래로 전기추진 항공기의 역사는 다시 시작되었다. Nikola Tesla는 지상에서 또는 전리층으로부터 빔으로 전력을 수신 받는 전기추진 비행기를 상상하였으며, 1964년에는 실제로 William C. Brown이 비행에 필요한 모든 전력을 마이크로파로 받는 헬리콥터를 CBS 뉴스에서 시연하기도 하였다.

1974년 미국에서 연구개발과제의 결과로 12kg급 무인기 Sunrise호가 세계 최초로 태양광 추진 비행을 하였으며, 태양광 추진 유인비행의 공식 기록은 1979년 4월 29일에 복엽 행그라이더 UFM Easy Riser를 개조한 Solar Riser에 의해서 행해졌다. Solar Riser는 30볼트에서 350와트를 생산하는 광기전 태양전지로 Hughes 500의 배터리를 충전시켰으며 전기모터를 3~5분간 구동하여 활공고도에 도달할 수 있었다. 1981년에는 영국의 Gossamer Penguin이 파리에서 런던까지 262km를 5시간 23분 동안 순전히 태양광 추진으로만 비행하였으며, 1983년에는 독일의 Solair1이 1.8~2.2kW의 출력을 내는 2,499개의 태양전지판을 사용하고 써멀의 도움을 받아 5시간 41분을 비행하였다.
1990년대부터는 복합소재, 리튬이온 배터리, 강력한 브러시리스 모터 기술들이 발전하고, 연료전지 기술들이 등장하면서 전기추진 항공기 기술이 급격하게 발전을 하였다. 1990년대에 개발된 미국의 Sunseeker는 태양전지로 충전된 작은 리튬이온 배터리를 이용하여 이륙시 프로펠러를 구동시켰으며 비행 중에는 순수 태양전지로만 비행을 하였으며 가능하면 소어링 조건까지 이용하여 2009년에는 세계 최초로 알프스를 넘은 태양광 추진 항공기로 기록되었다. 2003년 첫 비행을 한 독일의 Antares 20E 는 42kW의 DC/DC 브러시리스 모터와 리튬이온 배터리를 이용하는 전기 글라이더로 만충전된 배터리로 3,000m까지 상승할 수 있으며, 전기추진방식으로 감항 인증을 받은 최초의 항공기가 되었다. 이 항공기는 현재에도 50대 이상이 판매되었으며 2011년에 그린 항공기 대회에서 수상하기도 하였다.[2] 2005년 미국에서는 교류 추진 방식의 무인기로 48시간 논스톱 비행을 하기도 하였으며, 2006년 일본의 마츠시타 전기회사와 도쿄공대 학부생들이 160개의 AA 사이즈 건전지를 사용하여 성공적인 비행을 하기도 하였다.
2009년에 시험비행을 마친 Solar Impulse는 7kW의 전기모터 4개, 11,000개의 태양전지와 리튬이온 배터리를 사용하였다. 2010년 4월에는 배터리만을 사용하여 1시간 반동안 1,200m 고도에서 고고도 시험을, 5월에는 순수 태양광으로만 비행하면서 배터리를 충전하는 시험을 마쳤으며, 7월에 최초로 24시간 유인비행 기록을 수립하였다. 오는 2012년에는 지구를 한 바퀴도는 계획을 가지고 있다.[3]

보잉의 FCD(Fuel Cell Demonstrator) 프로젝트는 다이아몬드사의 HK-36 슈퍼다이모나 모터 글라이더를 테스트베드로 사용하는 연료전지 추진 경항공기 연구 프로젝트이다. 영국의 연료전지 기술, 오스트리아의 글라이더 기술, 스페인의 제어기술, 미국의 모터, 배터리, 비행시험기술들이 모아져서 2008년에 시험비행을 성공적으로 수행하였다. 영국의 경량 태양광 무인기 QinetiQ Zephyr는 감시 및 통신중계 임무를 위해서 만들어졌는데, 탄소강화섬유로 만들어져 날개길이 22.5m에 무게 50kg밖에 나가지 않았으며, 낮에는 태양광으로 리튬 설퍼 배터리를
충전하고 밤에는 배터리 전원으로 비행을 한다. Zephyr는 2010년 7월 23일에 336시간 22분 8초(2주 이상)의 세계 신기록을 수립하였으며 7만 피트의 고고도 신기록 또한 수립하였다.
2011년 10월 NASA의 녹색비행도전 대회에서 Pipistrel팀의 Taurus G4 항공기가 수상을 하였다. 이 항공기는 글라이더 동체 두 개를 연결하여 동체 사이에 전기모터 한 개를 배치한 독특한 형태의 4인승 실험기로 승객당 400 mile/gallon의 연비와 동등한 효율을 달성하였다. 이 항공기는 500kg의 리튬이온 배터리를 탑재하고 이륙중량 1,500kg로 전기추진 항공기 중 가장 무겁지만, 30:1의 활공비로 161km/h로 비행한다.

전기비행기의 설계 개념에서 최근 새롭게 제안되고 있는 개념은 regenerative soaring이라 불리우는 발전을 하면서 활공하는 개념이다. 이 접근방식에는 대칭의 깃을 갖는 프로펠러가 상승기류를 만났을 때에는 에너지를 충전하는 터빈의 형태로 사용된다. 써멀 내에서 상승기류를 타고 고고도로 올라갈수록 이용 가능한 에너지는 태양에너지의 열 배 이상이나 되기 때문이다.[4][5] 앞에서 든 예들과 같이 최근에 제안되고 있는 미래 전기 항공기의 개념들은 일반적이지 않은 형상과, 분산추진 기술 같은 급진적인 추진 시스템들이 특징이다.[6],[7] 이러한 추진장치 배치형상은 동력 전환시 에너지 보존에 기여하며 전기 항공기 시스템의 성공가능성을 높여주기 때문이다. 이러한 아이디어를 포함해서 앞으로의 전기 항공기 개념들은 계속해서 수 많은 새로운 아이디어들이 도전을 하게 될 것으로 예상된다.

출처:
[1] Robert J. Boucher, "History of Solar Flight", AIAA Paper 84-1429, June 1984
[2] http://www.lange-aviation.com/htm/english/products/antares_20e/antares_20E.html,[retrieved 2010-07]
[3] http://www.solarimpulse.com/, [retrieved 2010-07]
[4] Philip Barnes - Pelican Aero Group, Flight Without Fuel - Regenerative Soaring Feasibility Study, presented at General Aviation Technology Conference & Exhibition, August 2006, Wichita, KS, USA, Session: Propulsion Dynamics and Advanced Engine Concepts
[5] Allen, Michael J. (2005) Autonomous Soaring for Improved Endurance of a Small Uninhabited Air Vehicle. Meeting Presentation AIAA-2005-1025
[6] Amir S. Gohardani, “Distributed Propulsion Technology: A Proposed Propulsion System for Future Commercial Aircraft in Propulsion: Types, Technology and Applications”, Nova Science Publishers, Inc.. ISBN 978-1-61470-677-9, 2011
[7] Amir S. Gohardani, Georgios Doulgeris, Riti Singh, "Challenges of future aircraft propulsion: A review of distributed propulsion technology and its potential application for the all electric commercial aircraft", Progress in Aerospace Sciences. 47(2011) 369-391.