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항공추진기술 연구개발

차세대 항공 핵심기술로 미래 항공 산업 주도

항공

항공 산업 발전을 위한 첨단 항공기 개발

항공 산업은 기술 집약형 산업으로, 컴퓨터, 정밀 기계, 통신전자 및 신소재 등 첨단기술이 응용되고 타 산업으로의 파급 효과가 큰 기술 선도형 산업이다. 한국항공우주연구원은 고부가가치 창출이 가능한 항공 산업 발전을 이끌어내기 위해 기술 수준 향상과 독자 기술개발 기반 구축에 주력하고 있다. 한국항공우주연구원은 국내 기술로 4인승 소형항공기 ‘반디호’, 헬기 기술 자립화를 위해 한국형헬기개발사업(KHP)에 적용할 민군 겸용 핵심 구성품 18종을 성공적으로 개발했다. 이로써 우리나라는 세계 11번째 헬기 개발 국가가 되었으며, 관련 기술은 군용·민수용 헬기 개발에 파생되었다. 한국항공우주연구원은 항공 기술의 해외 진출을 위해 미국과 항공안전협정(BASA, Bilateral Aviation Safety Agreement)을 체결했으며, 국제적 항공안전인증규정에 따른 소형항공기(KC-100) 인증기도 개발했다.

친환경·고효율 항공 기술과 교통 혁신 가져올 개인항공기 개발

최근에는 항공기의 경제성과 안전성, 효율성을 강화하기 위한 친환경·고효율 항공 기술과 무인기 개발 경쟁이 뜨겁다. 무인기는 군사적 용도로 개발이 시작되었지만, 최근에는 과학기술, 교통, 통신, 물류, 구조, 항공촬영, 농업 등 다양한 민간 분야로 확대되고 있으며, 미래 항공산업과 시장의 성장을 주도할 것으로 예상된다. 항공 및 방위산업 전문 컨설팅업체(Teal Group)에 따르면 무인항공기 시장 규모는 2023년 125억 달러로 증가하고, 이 중 민수 분야 시장 규모는 8억 8,000만 달러로 연평균 35%의 높은 성장세를 보일 것으로 전망된다. 무인기는 항공 기술과 IT 기술의 융합 시스템이라는 점에서 우리나라의 유망 분야로 우리나라는 현재 세계 7위권의 무인기 기술 경쟁력을 가진 것으로 평가되고 있다. 우리나라는 2023년까지 세계 5위, 2027년 세계 3위권 무인기 산업국 진입을 목표로 한다. 한국항공우주연구원은 세계 무인기 산업의 틈새를 공략할 수 있는 첨단 무인기 와 항공기술과 정보통신(IT) 기술의 융합으로 미래 교통 혁신을 가져올 개인용항공기(PAV) 개발을 추진하고 있다. 한국항공우주연구원은 소형 장기체공형 무인기 ‘두루미’를 시작으로 장기체공이 가능한 LTA(Lighter Than Air) 항공기 시스템, 중형 에어로스탯 시스템을 개발했다. 그리고 수직이착륙과 고속비행이 모두 가능한 틸트로터‘스마트 무인기’를 세계 두 번째로 개발했다. 이후 스마트무인기 관련 기술을 산업체에 이전하였고 함상 자동이착륙 기술, 틸트덕트 무인기, 쿼드틸트프롭 무인기 등 다양한 파생 기술을 개발해 틸트로터 무인기의 상용화와 미래형 항공기 및 차세대 비행체에 활용할 예정이다. 한국항공우주연구원은 성층권에서 장기 체공할 수 있는 성층권 태양광 무인기 (EAV, Electrical Aerial Vehicle)와 국민 안전을 지키고 재난·재해에 대응할 수 있는 다양한 형태의 재난치안용 무인기와 운용 시스템도 개발했다. 현재 한국항공우주연구원은 무인기를 비롯해 자율주행차, 자율운항선박 등 혁신적인 무인이동체를 발굴과 원천기술 개발을 위해 무인이동체 미래선도핵심기술개발을 추진하고 있다. 또한 새로운 항공 교통 혁신을 가져올 미래형 유무인 겸용 개인항공기(OPPAV, Optionally Piloted Personal Air Vehicle) 핵심 기술 개발, 무인기의 안전하고 효율적인 비행을 위한 저고도 무인비행장치 교통관리시스템(UTM, Unmanned Aerial System Traffic Management)과 민간 무인기 영역에서 무인기의 무인기 활용을 넓히기 위한 소형무인비행기 인증기술을 개발하고 있으며, 스스로 공중 충돌 위험성을 판단, 회피할 수 있는 무인기 충돌회피 시스템을 연구개발하고 있다.

항공추진기술 연구개발

최근업데이트 : 2021.06.25
한국항공우주연구원은 항공용 가스터빈 엔진, 극초속추진 및 전기동력 추진 분야의 핵심기술 연구개발을 진행하고 있다. 항공용 가스터빈엔진 관련 연구로는 영국, 러시아 등과의 기술협력을 통해 설계 및 성능평가 시험기술의 획득, 한국형헬기개발사업(KHP)을 통한 주 엔진 및 보조동력장치 개발 주관, 엔진의 핵심구성품인 압축기, 연소기, 터빈의 설계·해석·시험평가 관련 원천기술 등을 연구개발했다. 또한 고속추진 관련 연구로는 에어터보램제트엔진 요소기술 개발, 스크램제트엔진 요소기술 개발 등의 연구를 통해 고속추진기관 실용화에 기틀을 마련했으며, 현재 전기 동력 비행체의 추진시스템 관련 핵심기술 연구를 수행하고 있다. 최근에는 무인기용 엔진, 극초음속 추진 및 하이브리드 전기추진과 같은 미래 비행체의 추진시스템 관련 연구도 진행하고 있다.

01항공용 가스터빈 엔진

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항공용 가스터빈 엔진은 대부분의 상용 및 군용 항공기에서 폭넓게 사용되고 있는 공기 흡입식 추진기관이다. 다른 형태의 엔진에 비해 비추력이 크기 때문에 크기 및 무게를 고려하였을 때 현대 항공기에 가장 적합한 추진기관으로 평가받고 있으며, 지난 100년간 항공기를 더 크게 만들고, 더 멀리 운항하는 것을 가능하게 한 항공기의 심장과 같은 기술이다. 항공용 가스터빈 엔진은 대기 중의 공기를 압축하여 이를 연소기 내에서 연료를 태워 연소가스를 분사하여 추진력을 얻거나(터보제트 방식), 혹은 터빈을 돌려 같은 축에 연결된 팬을 회전시켜 추진력을 얻는다(터보팬 방식).
한국항공우주연구원에서는 1995년 이후 단계적으로 구축된 엔진, 압축기, 연소기, 터빈 시험평가설비의 운용과 여러 국가·민간 연구개발 프로그램을 토대로 엔진, 압축기, 연소기, 터빈 구성품 설계 및 평가기술을 확보했다. 2010년도 이후에는 엔진의 고고도 환경시험 신뢰성 향상, 압축기의 압력비를 높이는 고부하 압축기 설계기술, 연소가스의 온도를 높이면서 유해물질 배출을 최소화하는 친환경 연소기 기술 개발에 주력했다. 또 높은 온도의 연소가스를 견디면서 터빈이 안전하게 작동할 수 있게 하는 냉각기술 등과 같이 엔진의 효율을 높이고 연료 소모를 줄이기 위한 핵심기술 개발을 수행 중이다.
항공용 가스터빈 엔진
항공용 가스터빈 엔진
항공용 가스터빈 엔진
항공용 가스터빈 엔진
항공용 가스터빈 엔진

02극초음속 추진기관

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스크램제트 엔진은 가스터빈 엔진을 사용할 수 없는 극초음속(마하 5 이상) 비행에도 사용할 수 있는 공기 흡입식 추진기관이다. 한국항공우주연구원은 지난 2005년부터 스크램제트 엔진과 이를 응용한 복합 사이클 엔진에 대한 설계 및 시험 연구를 수행해오고 있다. 마하 5.0, 6.0, 6.7, 7.6 등의 설계 비행 속도에서 스크램제트 엔진과 복합 사이클 엔진의 지상 시험용 축소 모델 여러 종류를 설계, 제작하고 국내외의 시험 설비에서 설계기술 검증 시험을 수행했다. 또한 마하 3.5, 5.0 및 6.0의 조건에서 수십 초 동안 엔진 축소 모델 시험을 수행할 수 있는 스크램제트 엔진 시험 설비를 갖고 있으며, 마하 2.0의 조건에서 수 분 이상 엔진 연소기 모델 시험을 수행할 수 있는 초음속 연소기 시험 설비도 보유하고 있다.
독자 설계한 스크램제트 엔진의 제작·시험을 통한 초음속 연소 구현과 액체 탄화수소 연료를 사용한 스크램제트 연소 구현, 재생 냉각 스크램제트 연소 구현 등은 국내에서는 최초로 개발한 기술로 이를 체계적으로 개발하여 스크램제트 엔진 실용화를 목표로 하고 있다.
KARI SETF
HC1 Engine
HC2 Engine

03전기동력 추진 시스템

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화석연료 사용이 기후변화에 미치는 영향이 증가함에 따라서 선진국을 중심으로 전기동력을 기반으로 한 친환경 비행체 개발이 활발히 진행되고 있다. 한국항공우주연구원은 2010년 이후 미래비행체용 전기동력 추진시스템 개발을 적극적으로 추진하고 있다. 2011년 태양전지와 연료전지, 배터리 및 능동형 전력제어시스템을 조합한 고효율 전기추진 시스템이 성층권 태양광 무인기 EAV-2에 적용되었고, 2012년에는 태양전지와 배터리를 적용으로 EAV-2H의 25시간 이상 연속비행을 시현했다.
2015년에 국내 최초이자 세계에서 세 번째로 고도 18.5㎞ 성층권에서의 비행과 12시간 연속비행에 성공한 성층권 태양광 무인기 EAV-3에는 초경량 날개 구조물 위에 부착된 태양전지와 함께 고고도 극한환경에서 작동할 수 있도록 설계된 배터리팩 및 구동모터를 국내 개발해 장착했다. 이후 2016년부터 소형 왕복엔진-발전기-배터리를 조합한 하이브리드 전기동력 시스템 연구를 시작해 2018년 중량 48㎏급의 쿼드틸트프롭 무인기용 하이브리드 전기동력 시스템을 개발하였으며 이를 적용하여 기존 배터리 적용 비행시간(30분)의 2배인 1시간 비행에 성공했다. 최근에는 항우연 주도로 개발되고 있는 미래형 유무인 겸용 개인항공기(OPPAV)의 전기추진시스템 및 150kW급 경량 전기추진시스템의 핵심부품을 연구개발하고 있다. 2021년부터는 장거리/고속 eVTOL 및 eCTOL에 적용이 예상되는 가스터빈기반 하이브리드 전기추진시스템 통합기술연구에 착수예정이다.

성층권 태양광 무인기 EAV-3

  • 날개길이20 m(동체길이 9m)
  • 이륙중량53kg
  • 순항속도25.2km/h
  • 최고속도43km/h
EAV-3 전기동력 시스템
쿼드-틸트 프롭 무인기용 하이브리드 전기동력 시스템
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