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신개념 항공기로 날아오른다… ‘eVTOL’의 모든 것
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[집중분석-UAM③] 신개념 항공기로 날아오른다… ‘eVTOL’의 모든 것

에어택시의 모습. (제공: SK텔레콤) ⓒ천지일보 2022.2.7
에어택시의 모습. (제공: SK텔레콤) ⓒ천지일보 2022.2.7

하늘을 나는 운송 수단이 상용화되는 시대가 왔다. 우리나라도 오는 2025년 상용화를 목표로 한국형 도심항공모빌리티(UAM) 실증사업에 들어갔다. 국토교통부는 ‘한국형 도심항공교통 그랜드챌린지(K-UAM GC)’ 1단계 실증사업 제안서를 접수했다. 천지일보는 UAM의 역사와 현재에 대해 살피고 어떤 미래가 펼쳐질지 전망한다. 제3보에서는 UAM에 쓰이는 항공기에 대해 알아본다.

비행기와 헬리콥터 중간 개념

활주로 없고 소음 적은 eVTOL

전기 배터리로 운용돼 ‘친환경’

eSTOL, 소규모 공항 연결 용이

감항인증 받기까지 5~7년 소요

[천지일보=손지하 기자] ‘에어 택시’ 상용화 사업인 UAM에서는 지금까지와는 전혀 다른, 새로운 형태의 항공기가 대량 생산돼 쓰일 전망이다. 이에 UAM에 쓰일 항공기의 종류를 파헤쳐봤다.

대우건설 컨소시엄, K-UAM 실증사업 이미지. (제공: 대우건설) ⓒ천지일보 2022.6.2
대우건설 컨소시엄의 K-UAM 실증사업 이미지. (제공: 대우건설)

◆UAM을 실현해줄 항공기 ‘eVTOL’

eVTOL(Electric Vertical Take-Off Landing, 이비톨)은 UAM을 실현해줄 전기 추진 수직이착륙기를 말한다. UAM에 쓰일 항공기로 eVTOL이 적합한 이유는 ▲활주로를 시내 한복판에 만들 수 없고 ▲소음이 적어야 하는 데다가 ▲기체 가격이나 유지 비용도 적어야 하기 때문이다. 또 아무리 편리해도 너무 비싸거나 이산화탄소 같은 온실가스의 배출이 많으면 미래 모빌리티로 주목받기는 어렵다.

우리에게 친숙한 수직이착륙기로는 헬리콥터가 대표적이다. 헬리콥터가 이착륙 시 발생시키는 소음은 약 90~100㏈로 매우 크기 때문에 UAM에서 쓰이기에는 적합하지 않다. 반면 eVTOL이 발생시키는 소음은 이착륙 시 약 60㏈, 운항 시 약 35㏈이다. 60㏈의 경우 조용히 대화할 때, 35㏈은 속삭일 때 수준의 소음이다. eVTOL이 조용히 이착륙할 수 있는 이유는 프로펠러가 헬리콥터의 것보다 작고 내연기관 엔진이 아닌 전기모터를 사용하기 때문이다.

경제성도 갖췄다. 구조가 단순해서 부품 수가 적고 정비 보수작업도 용이해 기체 가격과 유지 비용이 헬리콥터보다 훨씬 더 싸다. 기종, 운항 조건에 따라 다르지만 조비의 계산에 따르면 eVTOL은 헬리콥터보다 약 4배 저렴하다. 여기에 UAM이 대중화되면 eVTOL의 생산 대수가 증가해 ‘규모의 경제(생산요소 투입량의 증대에 따른 생산비 절약 또는 수익향상의 이익)’가 발생하므로 eVTOL과 관련된 비용은 점점 감소할 전망이다.

아울러 헬리콥터보다 안전하다. 이는 DEP(Distributed Electric Propulsion, 분산전기추진) 때문이다. DEP는 배터리에서 생성되는 전기에너지로 여러 개의 추진제(로터, 프로펠러, 팬 등)가 독립적인 구동을 하게 하는 기술이다. 헬리콥터는 하나의 로터로 비행하지만 eVTOL은 개별 로터에 문제가 생겨도 다른 로터가 구동돼서 더 안전하다.

조비의 eVTOL은 지난해 7월 한 번의 배터리 충전으로 250㎞ 비행에 성공했다. 이착륙 포함 총 비행시간은 77분이었으며 평균 속도는 시속 200㎞였다. 이때 조비가 사용한 리튬이온배터리의 양극재는 NCM811, 음극재는 흑연이었다. 이는 현재 산업 생산이 가능한 배터리 기술로도 250㎞ 비행이 가능하다는 얘기다. 향후 배터리의 비에너지가 상승하면 운항 거리도 증가할 것으로 전망된다.

eVTOL의 충전 시간은 조비가 준비하는 UAM 서비스 노선의 평균 거리는 40~80㎞다. 완전히 충전된 eVTOL이 이 정도 거리를 비행하고 완전 충전은 아니더라도 비행이 가능한 정도로 충전하는 데는 약 5~7분이 걸릴 것으로 조비는 보고 있다. 250㎞의 경우 최대 45분 정도의 충전 시간이 필요하다.

UAM. (출처: 게티이미지뱅크)
UAM. (출처: 게티이미지뱅크)

◆세 가지 종류의 eVTOL과 eSTOL

eVTOL의 종류는 형태에 따라 ▲멀티콥터(Multicopter) ▲리프트 플러스 크루즈(Lift+Cruise) ▲백터드 쓰러스트(Vectored Thrust) 등 크게 세 가지로 나뉜다.

멀티콥터는 여러 개의 로터 또는 프로펠러를 장착해 추력을 분산시켜 비행하는 항공기로 소비자용 드론과 형태와 비행 원리가 유사하다. 볼로콥터의 볼로시티, 이항의 EH216이 멀티콥터에 해당한다. 기체 구조가 셋 중 제일 단순해 개발·제작에 용이하며 감항(堪航, 항공기가 안전하게 비행할 수 있는 능력) 인증도 다른 형식보다 빨리 받을 가능성이 크다.

다만 성능 면에서는 가장 뒤처진다. 양력을 발생시키는 날개가 없어서 탑재 중량(Payload)이 적고 운항 거리가 짧은 데다가 속도도 느리다. 또 볼로시티와 EH216의 경우 2인석으로 조종사와 승객 1명만 탈 수 있다. 아울러 운항 거리는 약 35㎞, 속도는 시속 100㎞ 내외에 불과하다.

리프트 플러스 크루즈는 쉽게 말하면 기체 구조와 성능 면에서 멀티콥터와 백터드 쓰러스트의 중간 모델이라고 할 수 있다. 고정익인 비행기와 회전익인 헬리콥터가 혼합된 형태다. 비행기처럼 양력을 발생시키는 날개와 헬리콥터처럼 프로펠러가 함께 달려 있다. 추진제로는 수직이착륙 시 쓰는 것과 전진할 때 쓰는 것 두 가지가 달려 있다. 즉 수직이착륙과 순항 모두 가능한 셈이다. 대표 모델로는 ▲에어버스(Airbus)의 CityAirbus NextGen ▲볼로콥터의 볼로커넥트 ▲위스크(Wisk Aero)의 코라 ▲베타(Beta Technologies)의 알리아-250 ▲이항의 VT-30 등이 있다.

마지막으로 백터드 쓰러스트는 추력 편향이라고도 불리며 구조상 리프트 플러스 크루즈와 비슷하다. 차이점은 추진제가 방향을 바꿀 수 있게 설계돼 양력·추력을 동시에 담당한다는 것이다. ▲조비의 S-4 ▲오버에어(Overair)의 버터플라이 ▲릴리움(Lilium)의 제트가 이에 해당한다.

다만 UAM에 쓰이는 항공기가 eVTOL만 있는 건 아니다. eSTOL(Electric Short Take-Off Landing, 이스톨)도 있다. eSTOL은 전기 추진 단거리 이착륙기를 말하는데 eVTOL과 마찬가지로 전기 추진 시스템을 사용한다. 다만 이착륙 방식이 달라 100m 내외의 짧은 활주로가 필요하다. 대신 수직이착륙 시 항공기 중력을 극복하기 위해 많은 에너지를 쓰지 않아도 돼서 eVTOL과 같은 용량의 배터리를 사용했을 때 eSTOL의 운항 거리가 더 길다. 또 기체의 복잡성이 낮고 현재의 감항 표준을 더 많이 준용할 수 있어서 제작·인증·운용이 eVTOL보다 용이하고 비용도 적게 든다.

활주로가 필요하기 때문에 도심 내 이착륙은 어려울 것으로 예상되며 eVTOL보다 접근성 측면에서 불리해서 도심에서 가까운 소규모 공항을 연결하는 RAM으로 활용될 것으로 관측된다. 개발 업체로는 일렉트라(Electra Aero)와 에어플로우(Airflow Aero)가 있다. 이들은 8~10명이 탑승 가능하고 700~800㎞를 운항할 수 있는 eSTOL을 개발하고 있다.

대우건설 컨소시엄, K-UAM 실증사업 이미지. (제공: 대우건설) ⓒ천지일보 2022.6.2
대우건설 컨소시엄의 K-UAM 실증사업 이미지. (제공: 대우건설)

◆개발보다 어려운 건 ‘감항 인증’

사람이 타는 항공기는 높은 안전성이 보장돼야 하므로 항공기의 설계·제조·운용에서 항공 안전 전문 관청인 감항 당국으로부터 여러 인증을 받아야 한다.

감항 당국은 크게 설계, 생산 시설 품질, 양산이 가능한지 등을 평가한다. 전 세계 항공기 산업을 미국과 유럽이 과점하고 있기 때문에 대표적으로는 미국의 FAA(Federal Aviation Administration), 유럽의 EASA(European Union Aviation Safety Agency)가 안전성 인증에 대한 기준과 절차를 준비하고 있다. 우리나라에서는 국토교통부가 이 역할을 한다. 조비랑 아처는 FAA에서, 볼로콥터와 릴리움은 EASA에서 인증을 받는 중이다.

신형 항공기 인증은 시간도 오래 걸리고 비용도 많이 든다. 보통 5~7년, 1조원 이상이 든다. 조비는 지난 2015년부터 FAA와 인증 관련 논의를 시작했으며 2018년부터 공식 인증 절차에 돌입했다. 현재는 오는 2023년까지 인증 절차를 완료하는 것을 목표로 하고 있다.

SK텔레콤, 한국공항공사, 한화시스템, 한국교통연구원이 추진하는 UAM 서비스 조감도. 김포공항에 구축을 검토 중인 ‘버티허브(Verti-hub)’는 UAM용 터미널인 ‘버티포트(Vertiport)’의 상위개념으로, UAM과 다른 교통수단을 연결하는 역할을 한다. (제공: 한국공항공사) ⓒ천지일보 2021.1.28
SK텔레콤, 한국공항공사, 한화시스템, 한국교통연구원이 추진하는 UAM 서비스 조감도. 김포공항에 구축을 검토 중인 ‘버티허브(Verti-hub)’는 UAM용 터미널인 ‘버티포트(Vertiport)’의 상위개념으로, UAM과 다른 교통수단을 연결하는 역할을 한다. (제공: 한국공항공사) ⓒ천지일보 2021.1.28

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