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전동항공기

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목차

1. 개요

전동항공기는 전동기를 사용하여 프로펠러나 덕티드 팬 등을 구동하는 항공기를 의미한다. 1883년 가스통 티상디에가 전동 비행선 비행에 성공한 것을 시작으로, 태양광, 배터리, 연료 전지, 하이브리드 방식 등 다양한 동력원을 활용한 개발이 이루어지고 있다. 2010년대 이후 여객기 분야에서도 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 소음 감소, 유지 보수 간소화, 환경적 영향 감소 등의 장점을 가진다. 하지만 배터리 기술의 한계로 인해 항속 거리가 짧고, 고출력 배터리 가격이 비싸다는 단점도 존재한다.

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전동항공기
개요
피피스트렐 벨리스 일렉트로
피피스트렐 벨리스 일렉트로
유형항공기
동력원전기 모터
상태개발 중 및 생산 중
역사
초기 개발1970년대 (초기 실험)
주요 발전21세기
기술적 측면
에너지 저장배터리
연료 전지
태양 전지
무선 전력 전송
모터 유형전기 모터
프로펠러고정 피치 또는 가변 피치
장점
효율성높은 에너지 효율
소음낮은 소음 수준
배출 가스배출 가스 없음
운영 비용잠재적으로 낮은 운영 비용
단점
에너지 밀도낮은 에너지 밀도 (배터리)
범위제한된 범위
충전 시간긴 충전 시간
인프라충전 인프라 부족
종류
동력 방식순수 전기 항공기
하이브리드 전기 항공기
크기초경량 항공기
일반 항공기
상업용 항공기
용도훈련
레크리에이션
상업 운송
주요 개발 및 연구
주요 개발배터리 기술 발전
모터 효율성 향상
경량 소재 개발
연구 분야에너지 저장 시스템 최적화
공기 역학적 설계 개선
새로운 추진 시스템 개발
인증 및 규제
기관유럽 항공 안전청 (EASA)
미국 연방 항공청 (FAA)
고려 사항배터리 안전
전기 시스템 신뢰성
비상 절차
미래 전망
잠재적 영향항공 산업의 탈탄소화
지역 연결성 향상
새로운 비즈니스 기회 창출
과제기술적 한계 극복
규제 프레임워크 개발
대중의 수용도 확보
예시
주요 예시피피스트렐 벨리스 일렉트로
에어버스 E-Fan
바이오닉 C42
선플라이어 2
앨리스
롤스로이스 이온버드
기타 예시란게 안타레스 20E
솔라 임펄스
하트 에어로
같이 보기
관련 항목전기 자동차
하이브리드 자동차
지속 가능한 항공 연료
전기 선박
무인 항공기 (드론)
배터리
연료 전지
전기 모터
항공

2. 역사


  • 1883년 10월 8일, 가스통 티상디에가 전동기로 비행선을 움직이는 데 성공했다.[4]
  • 1959년 그라우프너가 코어리스 모터를 탑재한 전동 모형 비행기를 데모 비행했다.
  • 1973년 하이노 브르디슈카가 모터 글라이더 (Brditschka HB-3)의 엔진을 전동기로 교체한 기체로 14분간의 비행에 성공했다.[167][168]
  • 1974년, 아스트로 플라이트사는 DARPA를 위해 록히드사를 통해 실증기인 선라이즈 Ⅰ을 제조했다.
  • 1979년, 폴 맥크레디에 의해 세계 최초의 유인 태양광 비행기인 고서머 펭귄이 아스트로 플라이트사에서 제작되었다.
  • 1979년 4월 29일, 태양 전지로 활공 가능한 고도까지 상승하는 글라이더가 비행했다.[169]
  • 1981년 7월 7일, 솔라 챌린저 호가 스티브 프타첵의 조종으로 도버 해협을 횡단했다.
  • 1990년, 산요전기제 아몰퍼스 실리콘 태양 전지(최대 출력 300W)를 사용한 덴포포 호가 미국인 파일럿 에릭 레이먼드의 조종으로 미국 대륙을 횡단했다.[170]
  • 2001년, NASA는 고고도의 기상을 장기간 관측하기 위해 태양 전지와 연료 전지의 하이브리드식 태양광 비행기 실험기 헬리오스로 고도 2만 9511미터를 달성했다.
  • 2003년, 전동 모터 글라이더의 Lange Antares 20E가 감항 증명을 획득했다.[171]
  • 2006년 7월 16일, 오케가와 비행장에서 산화망간 건전지 160개를 사용한 유인기가 391.4미터·59초간의 유인 비행에 성공했다.
  • 2010년 7월 8일, 스위스의 "솔라 임펄스"가 세계 최초의 본격적인 야간 유인 비행에 성공했다. 7일 오전 7시(일본 시간 동일 오후 2시) 전에 이륙, 낮에 충전하면서 고도 약 8500미터까지 상승, 그 후 약 1500미터까지 강하하여 수평 비행을 계속했다. 배터리 충전 상태가 좋아서 추가로 48시간의 비행도 가능했다고 한다. 이 후, 대서양 횡단 및 세계 일주 유인 비행이 계획되어 있다.[172]
  • 2011년에는 독일의 기업 E-volo가 16개의 회전익을 가진 전동 유인 멀티콥터를 시험 제작했다.[173]
  • 2015년 4월 6일, JAXA의 '항공기용 전동 추진 시스템'의 비행 실증으로 모터 글라이더 (HK36TTC-ECO)를 개조한 전동 항공기의 비행 실험을 실시하여, 고도 약 600m까지의 상승과 17분간의 비행, 강하 중에 프로펠러를 에어 브레이크로 사용하여 전력 회생을 할 수 있음을 실증했다.[152]
  • 2015년 7월 10일, 에어버스 E-Fan이 도버 해협을 약 36분 만에 횡단했다. 이는 고정익기로 처음 횡단에 성공한 블레리오 XI와 거의 같은 시간이다.
  • 2017년 3월 23일, 엑스트라가 자사의 EA-300에 출력 260kW의 지멘스제 모터를 탑재한 개조기로 약 340 km/h에 도달, 전동 항공기의 속도 기록을 수립했다. 또한 다음 날에는 세계 최초로 글라이더를 견인한 전동 항공기가 되었다.[174]
  • 2017년 4월 20일, 독일 벤처 기업 릴리움(Lilium)사가 수직 이륙에서 수평 비행이 가능한 무인 실험기의 비행에 성공했다.[175] 2019년에는 유인기의 테스트를 예정하고 있다.
  • 2018년 7월, JAXA, 항공계 기업, 전기계 기업, 경산성을 중심으로 항공기 전동화 컨소시엄이 설립되었다.[176][177] 에미션 프리 항공기의 실현을 위한 기술 개발 및 기술력 강화를 목표로 한다.
  • 2019년 1월 16일, 경제산업성과 보잉은 전동 항공기 기술 협력에 합의했다.[178][179][180]
  • 2019년 3월, NEDO의 "항공기용 선진 시스템 실용화 프로젝트"에 "차세대 전동 추진 시스템 연구 개발"을 추가하여, 2019년도부터 전동 항공기의 시스템을 구성하는 모터 및 전선, 경량 축전지 등 기반 기술 개발을 실시한다.[181]
  • 2020년 6월, "피피스트렐 베리스 엘렉트로"는, 유럽 항공 안전 기구(EASA) CS-LSA의 최초의 완전 전동 형식 인증을 받은 전동 항공기이다.


NASA에서는 전동 항공기의 육상 시험 시설로서 2019년부터 NASA Electric Aircraft Testbed를 개설할 예정이다.

에어 레이스 대회 의 전동 항공기 부문인 가 2020년에 개최될 예정이다.[182]

고도 8만 피트까지 도달 가능한 유인 태양광 비행기의 개발이 진행되고 있다.[183]

JAXA에서는 2020년대에 스카이 스포츠용, 2030년대에 에어 택시, 2040년대에 단거리 노선용 커뮤터기, 2050년대에는 중형 리저널기가 실현될 것으로 예측하고 있다.[155]

2018년 5월까지 약 100대의 전동 항공기가 개발 중인 것으로 알려졌다.[4] 이는 전년도의 70대에서 증가한 수치이며, 스타트업 60%, 항공우주 기존 업체 32%(주요 OEM의 절반), 학계, 정부 기관 및 비항공우주 기업 8%가 포함되었으며, 주로 유럽(45%)과 미국(40%)에서 진행되었다.[137] 대부분이 도심 항공 택시 (50%)와 일반 항공 항공기 (47%)였으며, 대부분이 배터리 전원 방식(73%)이었고, 일부는 하이브리드-전기 방식(31%)이었으며, 이 중 대부분은 대형 여객기였다.[137] 2019년 5월까지 알려진 전동 항공기 개발 프로그램 수는 약 170개에 가까워졌으며, 이 중 대다수가 도심 항공 택시 역할을 목표로 했다.[5]

2022년까지 전 세계에서 약 100개의 전동 항공기 설계가 개발 중이었다.[6]

2023년까지 개발 중인 지속 가능한 항공기 개념(전기 항공기뿐만 아니라)의 수는 최대 700개로 추산되었다.[7]

2. 1. 초기 역사 (19세기 후반 ~ 20세기 초)

가스통 티상디에는 1883년 10월 8일에 최초로 전동 비행선을 비행했다.[9][8] 1884년에는 샤를르 르나르와 아르튀르 크레브스가 라 프랑스를 이용하여 더 강력한 모터로 비행했다.[9] 초기 비행선은 무거운 축전지로 인해 속도와 항속 거리가 제한되었다.

2. 2. 무인 항공기 (20세기 중반 ~ 현재)

1957년, 최초로 기록된 전기 무선 조종 모형 항공기 비행이 있었다.[11] 1990년대부터 2000년대까지 NASA는 환경 연구 항공기 및 센서 기술 프로그램의 일환으로 AeroVironment사와 함께 패스파인더, 패스파인더 플러스, 센추리온, 헬리오스 등 태양광 및 연료 전지 시스템으로 구동되는 무인 항공기(UAV)를 개발했다.[12][13]

NASA 패스파인더 플러스 전기 동력 무인 항공기


1995년 9월 11일, 패스파인더는 NASA 드라이든에서 12시간 비행 동안 15,240m의 태양광 동력 항공기의 비공식 고도 기록을 세웠다. 1997년 7월 7일에는 21,802m로 기록을 경신했다.[12] 1998년 8월 6일, 패스파인더 플러스는 24,445m의 전국 고도 기록을 세웠다.[12][14] 2001년 8월 14일, 헬리오스는 29,524m의 고도 기록을 세웠다.[15] 2003년 6월 26일, 헬리오스 프로토타입은 하와이 해상에서 태평양으로 추락하여 프로그램이 종료되었다.

2005년, AC Propulsion의 "SoLong" 무인 항공기는 태양 에너지로만 48시간 논스톱 비행에 성공했다.[16][17]

QinetiQ 제퍼는 가벼운 태양광 동력 무인 항공기(UAV)이다. 2010년 7월 23일 기준으로, 2주 이상(336시간)의 무인 항공기 비행 지속 시간 기록을 보유하고 있다.[18] 2010년 7월 제퍼는 336시간 22분 8초(2주 이상)의 세계 기록 UAV 비행 지속 시간을 기록했으며, 21,562m의 고도 기록도 세웠다.[21][22][23]

2. 3. 수직 이착륙기 (20세기 초 ~ 현재)

1917년, 오스트리아-헝가리의 페트로치-카르만-주로베크 PKZ-1 전기 동력 헬리콥터가 지상 DC 발전기에 연결된 케이블로 전원을 공급받아 비행했다. 그러나 전기 모터의 성능 부족으로 몇 번의 비행 후 고장났다.[24] 1964년, 윌리엄 C. 브라운은 레이시온에서 마이크로파 전력 전송을 통해 전력을 공급받는 모형 헬리콥터를 비행했다.[25]

1918년 페트로치-카르만-주로베크 PKZ-2 테더 헬리콥터는 1917년 PKZ-1에 이어 제작되었다.


세계 최초의 대규모 완전 전기 틸트로터인 아구스타웨스트랜드 프로젝트 제로 무인 항공기 기술 시연기는 2011년 6월 지상 동력으로 무인 테더 비행을 수행했다.[26] 같은 해, 파스칼 크레티앙이 개발한 솔루션 F/크레티앙 헬리콥터가 최초로 자유 비행을 했다.[27][28]

솔루션 F/크레티앙 헬리콥터


2016년 9월, 마틴 로스블랫과 Tier1 Engineering은 로빈슨 R44 헬리콥터를 개조하여 전기 동력 헬리콥터 시험 비행에 성공했다.[29][30][31] 이 헬리콥터는 이후 20분 동안 비행에 성공하였고,[32][33] 2018년 12월 7일에는 최장 거리 비행 기네스 세계 기록을 세웠다.[34]

2017년 6월, 에어버스는 전기 동력 수직 이착륙 항공기 시연기인 시티에어버스를 발표했다.[35] 이 멀티로터 항공기는 4명의 승객을 수송할 수 있도록 설계되었으며, 2023년 형식 증명 및 상업적 출시를 계획하고 있다.[35][36][37]

2021년, 인제뉴이티는 화성에서 비행한 최초의 외계 항공기가 되었다. 드래곤플라이 회전익기는 2034년경 타이탄의 대기권에서 비행할 예정이다.[38]

2018년 5월까지 약 100대의 전동 항공기가 개발 중이었으며,[4] 2023년에는 최대 700개의 지속 가능한 항공기 개념이 개발 중인 것으로 추산되었다.[7]

2. 4. 실험용 항공기 (20세기 중반 ~ 현재)

1973년 10월 21일, 프레드 밀리키가 개조하고 하이노 브르디슈카가 조종한 HB-3 동력 글라이더인 Militky MB-E1이 오스트리아 린츠에서 9분 동안 비행했는데, 이는 최초의 유인 전기 항공기 비행이었다.[39][40] 이 항공기는 니켈-카드뮴 배터리(NiCad)로 구동되었으며, 니켈-카드뮴 배터리는 납축전지보다 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 중량 항공기에 동력을 공급하는 데 필요하다.[39][40]
Brditschka HB-3 동력 글라이더를 개조한 Militky MB-E1 (이후 HB-23이 사진에 나옴)은 최초의 실물 크기의 전기 항공기였다.


1980년대에는 MIT Monarch와 Aerovironment Bionic Bat을 포함, 페달을 밟아 생성된 전기를 저장하는 여러 설계가 등장했다.[42]

보잉(Boeing) 주도의 FCD(연료 전지 데몬스트레이터) 프로젝트는 Diamond HK-36 Super Dimona 동력 글라이더를 수소 연료 전지 동력 경비행기 연구 테스트 베드로 사용했으며,[43] 2008년 2월과 3월에 성공적인 비행이 이루어졌다.[43][44]

유럽 위원회는 혁신적인 전기 또는 하이브리드 추진 항공기를 위한 많은 낮은 TRL 프로젝트에 자금을 지원했는데, 그 중 ENFICA-FC는 연료 전지를 주 또는 보조 동력 시스템으로 사용하는 완전 전기 항공기를 연구하고 시연하기 위한 프로젝트였다. 3년 동안의 프로젝트 기간 동안, 연료 전지 기반 동력 시스템이 설계되었으며 2010년 5월 20일에 Rapid 200FC 초경량 항공기에서 처음 비행되었다.[45]

2011년에는 첫 번째 NASA Green Flight Challenge가 개최되었으며, Pipistrel Taurus G4가 우승했다.[46][47][48]

2013년, 칩 예이츠는 개조된 Rutan Long-EZ인 Long ESA가 가솔린 동력 항공기보다 더 저렴하고, 최고 속도가 더 높으며, 상승률이 더 높다는 것을 입증했다.[49][50]

2017년, 지멘스(Siemens)는 개조된 Extra EA-300 곡예 비행기인 330LE를 사용하여 두 개의 새로운 기록을 세웠다. 2017년 3월 23일 독일 딘슬라켄 슈바르체 하이데 비행장에서 3 km를 이상의 최고 속도로 비행했으며, 다음 날에는 세계 최초로 글라이더 견인 전기 항공기가 되었다.[51]

NASA는 X-57 Maxwell을 개발했지만, 추진 시스템 문제로 인해 프로그램이 취소되었다.[52] Tecnam P2006T에서 개조된 X-57은 날개 앞전에 장착된 14개의 전기 모터로 프로펠러를 구동하게 된다.[53]
NASA는 Tecnam P2006T에서 X-57 Maxwell을 개발했다.


미국/영국의 신생 기업 ZeroAvia는 소형 항공기를 위한 무배출 연료 전지 추진 시스템을 개발하고 있으며, 영국 정부로부터 270만 파운드의 지원을 받아 오크니에서 HyFlyer를 테스트하고 있다.[96]

2018년 5월까지 약 100대의 전동 항공기가 개발 중인 것으로 알려졌으며,[4] 2023년에는 최대 700개로 추산되었다.[7]

2. 5. 태양광 항공기 (1970년대 ~ 현재)

1979년 4월 29일, 마우로 솔라 라이저는 최초의 유인 태양광 항공기로, 광전지를 통해 350W의 전력을 30볼트로 공급하고 소형 배터리를 충전하여 모터를 구동했다.[55] 1.5시간 충전 후 배터리는 항공기를 3~5분 동안 활공 고도까지 비행시킬 수 있었다.[55]

최초의 태양광 항공기인 마우로 솔라 라이저가 1979년 4월 29일 비행했다.


같은 해 6월 13일, 프레디 토의 지휘 아래 데이비드 윌리엄스가 설계하고, Solar-Powered Aircraft Developments에서 제작한 솔라 원이 햄프셔주 래샴 비행장에서 첫 비행을 했다.[56][57][58]

1980년에는 맥크레디 고서머 펭귄이 조종사를 태우고 처음 비행했다. 1981년, 맥크레디 솔라 챌린저는 파리 북쪽의 퐁투아즈 비행장에서 영국, 켄트주, 만스턴에 있는 만스턴 공군 기지까지 163마일을 비행하여 5시간 23분 동안 공중에 머물렀으며, 조종은 스티븐 프타첵이 맡았다.[60]

1983년, 귄터 로셸트가 개발한 솔레어 1은 날개에 2499개의 태양 전지를 장착하고 비행했다.[60][59]

1996년, 슈투트가르트 대학교의 항공기 설계 연구소는 "Icaré II"를 설계 및 제작했다.[61] 이 디자인은 1996년 베르블링거 상, 오시코시에서 EAA 특별 공로상, 독일 항공 클럽의 골든 다이달로스 메달, 1997년 프랑스에서 OSTIV 상을 수상했다.[61]

2012년, 솔라 임펄스는 스페인, 마드리드에서 모로코, 라바트까지 비행하며 태양광 항공기로 첫 대륙간 비행을 했다.[64][65] 2016년, 솔라 임펄스 2는 세계 일주를 완료한 최초의 태양광 항공기가 되었다.[69]

|thumb|2016년, 솔라 임펄스 2는 세계 일주를 완료한 최초의 태양광 항공기였다.

2. 6. 일반 항공 (1990년대 ~ 현재)

1997년, 알리포트 사일런트 클럽 자가 발사 글라이더가 비행했는데, 이는 최초의 상업적으로 이용 가능한 비인증 생산 전기 항공기였다.[71] 2003년에는 랑에 안타레스 20E가 전기 동력 항공기로는 최초로 감항 증명을 획득했다.[72] 이 항공기는 DC/DC 브러시리스 모터와 리튬 이온 배터리를 장착하여 완전히 충전된 셀로 3000m까지 상승할 수 있었다.[72]

2000년대 후반, 유닉 인터내셔널은 E430을 포함한 여러 배터리 구동 유인 고정익 항공기를 개발하고 테스트했지만,[71] 상용화에는 실패했다. 2011년, 타우러스 일렉트로 G2가 출시되었는데, 이는 시리즈 생산을 달성한 최초의 2인승 전기 항공기이다.[76][77]

에어버스 E-Fan은 비행 훈련을 목표로 개발되었으나 프로젝트가 취소되었다. 피피스트렐은 피피스트렐 알파 일렉트로의 프로토타입인 피피스트렐 와츠업과 같은 경량 스포츠 전기 항공기를 제작했다. 바이 에어로스페이스 eFlyer 2는 현재 개발 중인 경량 전기 항공기이다.

2020년, 피피스트렐 바이러스의 벨리스 일렉트로 변종이 EASA로부터 형식 인증을 획득한 최초의 전기 항공기가 되었다.[78] 2021년, 다이아몬드 항공기는 eDA40의 개발을 발표했다.[79] 2024년, 아우라 에어로는 인테그랄 E의 첫 번째 프로토타입을 공개했다.

인테그랄 E


2018년 5월까지 약 100대의 전동 항공기가 개발 중이었으며,[4] 2023년에는 최대 700개의 지속 가능한 항공기 개념(전기 항공기뿐만 아니라)이 개발 중인 것으로 추산되었다.[7]

2. 7. 여객기 프로젝트 (2010년대 ~ 현재)

NASA 전기 항공기 테스트베드(NEAT)는 NASA의 테스트베드로, 여객기 동력 시스템을 설계, 개발, 조립 및 테스트하는 데 사용되었으나 2023년에 취소되었다.[82][83]

2017년 9월, 이지젯(EasyJet)은 라이트 일렉트릭(Wright Electric)과 함께 2027년에 180석 전기 항공기를 개발할 것이라고 발표했다.[84] 라이트 일렉트릭은 272kg 배터리를 장착한 2인승 개념 증명기를 제작했으며, 새로운 배터리 화학으로 더 가볍게 규모를 확장할 수 있다고 믿고 있다.[85] 291nmi (540km)의 항속 거리는 이지젯 승객의 20%를 충족할 것이다.[85] 라이트 일렉트릭은 10인승 항공기를 개발하고, 궁극적으로는 120명 이상의 승객을 태울 수 있는 단일 통로, 단거리 여객기를 개발하여 소음 50% 감소 및 비용 10% 절감을 목표로 한다.[86]

2018년 3월 19일, 이스라엘 항공우주 산업(Israel Aerospace Industries)은 단거리 전기 여객기를 개발할 계획이라고 발표했다.[88] 자체적으로 개발하거나 Eviation, Zunum Aero 또는 라이트 일렉트릭과 같은 스타트업과 함께 개발할 수 있다.[88]

호주 기반의 MagniX는 전기 Cessna 208 Caravan을 개발했다.[89] 2020년 5월 28일, MagniX 전기 동력의 9인승 Cessna 208B ''eCaravan''이 비행하여 상업 운항 인증을 받았다.[92][93] 560-kW (750-hp) MagniX 전기 모터는 de Havilland Canada DHC-2 Beaver 수상 비행기에 설치되었다.[96] 2019년 12월 10일, 밴쿠버 근처 프레이저 강에서 4분 동안 첫 비행을 했다.[94]

Heart Aerospace는 2026년 중반까지 비행할 예정인 19석 완전 전기 상업용 항공기 ES-19 설계를 발표했다.[97] 계획된 항속 거리는 400km (222nmi)이며 800m (2,640ft)의 짧은 활주로에서도 운행할 것으로 예상된다.[97]

2021년 3월 22일, 툴루즈에 본사를 둔 Aura Aero는 2026년에 인증을 받을 예정인 19인승 전기 항공기 ERA(Electric Regional Aircraft)의 개발을 발표했다.[98]

2018년 5월까지 약 100대의 전동 항공기가 개발 중이었고,[4] 2019년 5월에는 약 170개,[5] 2022년까지 약 100개의 전동 항공기 설계,[6] 2023년에는 최대 700개(전기 항공기뿐만 아니라 지속 가능한 항공기 개념 포함)로 추산되었다.[7]

NASA Electric Aircraft Testbed

3. 전원

전동 항공기는 프로펠러나 덕티드 팬을 구동하는 전동기에 전력을 공급하기 위해 다양한 전원을 사용한다.

배터리는 Tier1 Engineering의 전기 로빈슨 R44 헬리콥터용입니다.


배터리는 재충전 시 반전되는 화학 반응을 사용하여 전기를 생성한다.[109] 19세기에 처음으로 비행선을 구동했지만 납축전지는 매우 무거웠고, 20세기 후반에 니켈-카드뮴(NiCd)과 같은 다른 화학 물질이 등장하면서 중(重)항공기에 실용화되었다. 최신 배터리는 대부분 리튬 기술을 기반으로 하는 충전식 유형이다.[109]

리튬 폴리머 배터리(LiPo)는 리튬 이온 배터리(LIB)의 한 종류로, 가볍고 재충전이 가능하여 무인 비행에 오랫동안 적용되어 왔다. 그러나 에너지 밀도는 드론 배터리 정도로 그 적용 범위를 제한한다.[109]

2017년에는 배터리에서 사용할 수 있는 전력이 170 Wh/kg, 시스템 효율성을 포함한 샤프트에서 145 Wh/kg으로 추정되었고, 가스 터빈은 11,900 Wh/kg 연료에서 6,545 Wh/kg의 샤프트 전력을 추출했다.[112] 2018년에는 포장 및 액세서리를 포함한 리튬 이온 배터리가 160 Wh/kg, 항공 연료가 12,500 Wh/kg으로 추정되었다.[113]

전동 항공기 적용에 실용화되기 위해서는 전력 저장이 개선되어야 한다. 에너지 밀도는 무배출 전기 파워트레인의 병목 현상으로 널리 인식되고 있다.[117][118]

2019년 기준으로 최고의 Li-ion 배터리는 250~300 Wh/kg을 달성하여 소형 항공기에 충분하지만, 지역 항공 여객기는 500 Wh/kg 배터리 팩이 필요하고 에어버스 A320 크기의 단일 통로 항공기에는 2 kWh/kg이 필요하다.[115]

2차 전지에 축적된 전기를 사용하며, 프로펠러를 에어 브레이크로 사용해 전력 회생도 가능하다.

배터리는 방전 후에도 무게가 줄지 않아 효율이 떨어지는 단점이 있다. 또한 무게 에너지 밀도가 낮아 항속 거리가 짧고, 충전 시간이 오래 걸리며, 충·방전 반복에 따라 성능이 저하된다.

SAE 인터내셔널 AE-7D[123] 위원회는 2018년 Electro.Aero에 의해 전동 항공기 충전 및 에너지 저장을 표준화하기 위해 결성되었다.

전동항공기는 지상의 전력망 또는 발전기에 전선을 연결하여 동력을 얻을 수 있다. 낮은 고도에서는 배터리를 탑재하지 않아도 되므로 기체를 경량화할 수 있다는 장점이 있다. 1917년에는 관측 헬리콥터 실험기인 PKZ-1이 이러한 방식으로 제작되었다. 그러나 비행 고도가 높아질수록 전선의 무게가 무거워지는 문제가 발생한다.

태양 전지가 부착된 NASA 패스파인더 날개 윗면


태양 전지는 햇빛을 직접 전기로 변환하며, 직접 전력으로 사용하거나 일시적으로 저장할 수 있다.

2010년에서 2020년 사이에 태양광 모듈의 비용은 90% 감소했으며, 연간 13~15%씩 계속 하락하고 있다.[103] 태양 전지 효율 또한 크게 증가하여 1955년 2%에서 1985년 20%로 증가했으며, 일부 실험 시스템은 현재 44%를 초과한다.[104]

햇빛의 자유로운 가용성은 고고도, 장시간 비행 애플리케이션에 태양광 발전을 매력적으로 만들며, 차가운 온도와 대기 간섭 감소로 인해 지상보다 훨씬 더 효율적이다.[105][106]

기체 윗면에 설치된 태양 전지를 전원으로 사용한다. 2차 전지를 탑재하여 흐린 날씨나 야간에도 비행할 수 있도록 한 기체가 많다. 2차 전지를 탑재한 경우, 사실상 항속 거리의 상한이 없으므로 장기간 체공이 가능하다.

링크


연료 전지는 수소와 산소와 같은 두 화학 물질 간의 반응을 이용하여 전기를 생성한다.

연료 전지를 전원으로 사용하며, 지상에서 연료(수소, 탄화수소, 알코올 등)를 급유하는 시간은 충전보다 짧고, 연료 소비에 따라 무게가 가벼워진다.

단점으로는 산소가 희박해지면 반응하기 어려워 고도 제한이 있고, 가연물을 탑재해야 하며, 지상 설비 개수가 필요하다는 점 등이 있다.

액체 수소를 연소하는 가스터빈 엔진을 탑재한 수소 항공기는 유럽 연합이 '크라이오플레인 계획'으로 2000년부터 2년간 연구를 진행했고 에어버스도 참가했지만 흐지부지되었다[160] 또한 보잉도 연구하고 있다[161][162]

하이브리드 전기 항공기는 하이브리드 전기 동력 장치를 갖춘 항공기이다.

전동기 단독이 아닌 내연기관과의 하이브리드 방식 연구도 진행되고 있다.[163] 터보-전기 방식, 디젤-전기 방식, 가스-전기 방식처럼 내연기관을 발전기로 이용하는 방식은 내연기관의 특성에 맞는 효율적인 발전을 할 수 있으며, 배터리 발전에 유연하게 대응할 수 있다.

단점으로는 하이브리드 엔진 기술이 필요하다는 점과[164], 발전용 엔진을 탑재하기 때문에 중량이 증가한다는 점이 있다.

인력 비행기에 발전기를 탑재한 인력과 전기의 하이브리드 기체가 제작된 적도 있다.[165]

연료 전지와 제트 엔진을 조합한 하이브리드 제트 엔진은 고고도에서의 산소 부족을 엔진 내의 압축기로 해결할 수 있으며, 제트 엔진 특유의 고속화, 연료 전지의 배열을 이용하는 복합 사이클 발전과 같은 고효율화 등이 기대되고 있다.[166]

NASA가 개발한 X-57


마이크로파를 이용한 전력 빔은 지상 기반 전력원에 의존한다. 그러나 이 기술은 소형 모델에서만 시연되었으며, 더 큰 규모에서의 실용적인 개발이 필요하다.[108] 무선 전력 전송 등의 아이디어도 있지만, 실험 단계에 머무르고 있다.[151]

3. 1. 배터리



배터리는 비교적 높은 저장 용량으로 인해 전동 항공기의 가장 일반적인 탑재 에너지 저장 구성 요소이다.[109] 19세기에 처음으로 비행선을 구동했지만 납축전지는 매우 무거웠고, 20세기 후반에 니켈-카드뮴(NiCd)과 같은 다른 화학 물질이 등장하면서 중(重)항공기에 실용화되었다. 최신 배터리는 대부분 리튬 기술을 기반으로 하는 충전식 유형이다.[109]

리튬 폴리머 배터리(LiPo)는 리튬 이온 배터리(LIB)의 한 종류로, 가볍고 재충전이 가능하여 무인 비행에 오랫동안 적용되어 왔다. 그러나 에너지 밀도는 드론 배터리 정도로 그 적용 범위를 제한한다.[109] 더 큰 배터리를 사용하여 더 큰 항공기를 설계하여 최대 비행 시간을 늘리는 것은 탑재량-비행 거리의 상충 관계 때문에 비효율적이다. 배터리 무게가 일정 이상 증가하면 배터리 비(比) 에너지 증가를 질량 페널티가 상쇄하지 못하여 수익이 감소한다.[110][111]

2017년에는 배터리에서 사용할 수 있는 전력이 170 Wh/kg, 시스템 효율성을 포함한 샤프트에서 145 Wh/kg으로 추정되었고, 가스 터빈은 11,900 Wh/kg 연료에서 6,545 Wh/kg의 샤프트 전력을 추출했다.[112] 2018년에는 포장 및 액세서리를 포함한 리튬 이온 배터리가 160 Wh/kg, 항공 연료가 12,500 Wh/kg으로 추정되었다.[113] 2018년, 전기 저장의 비 에너지는 여전히 항공 연료의 2%에 불과했다.[114] 이 1:50 비율은 완전 전기식 12인승 항공기의 500해리(926km) 임무를 위해서는 배터리 전력 밀도가 6배 증가해야 하므로 장거리 항공기에 전기 추진을 실용화하는 데 어려움을 준다.[115] 즉, 배터리 전기 모터는 대부분의 제트 엔진(~50%)보다 더 높은 효율(~90%)을 가지고 있으며, 이는 새로운 배터리 화학 기술을 통해 더욱 활용될 수 있다.[116]

전동 항공기 적용에 실용화되기 위해서는 전력 저장이 개선되어야 한다. 에너지 밀도는 무배출 전기 파워트레인의 병목 현상으로 널리 인식되고 있다.[117][118] 또 다른 제한 사항은 수요-팩 에너지 비율 및 민감한 임무 구간으로 인한 방전율이며, 이륙 시 방전 C-레이트는 4C인 반면 착륙 시에는 거의 5C이다.[119][111] 전동 항공기는 추가적인 열 발생 및 수명 종료 요구 사항이 있어 새로운 열 관리 전략, 전력 페이드 기능 및 배터리 팩 고장 모드가 필요하다.

2019년 기준으로 최고의 Li-ion 배터리는 250~300 Wh/kg을 달성하여 소형 항공기에 충분하지만, 지역 항공 여객기는 500 Wh/kg 배터리 팩이 필요하고 에어버스 A320 크기의 단일 통로 항공기에는 2 kWh/kg이 필요하다.[115] 전력은 소형 항공기에만 적합하며, 대형 여객기의 경우 리튬 이온 배터리보다 20배의 에너지 밀도 개선이 필요하다.[120]

2차 전지에 축적된 전기를 사용하며, 프로펠러를 에어 브레이크로 사용해 전력 회생도 가능하다. 전기 이중층 커패시터는 전력량이 적기 때문에 주 전원으로는 부적합하지만, 고출력이 필요한 이륙 시 부스트로 사용하는 방안도 있다.

이러한 배터리는 일부 단거리 비행의 전체 운영 비용을 절감할 수 있다. 예를 들어, 하버 에어 비버(Harbour Air Beavers)에서 사용하는 전기는 kWh당 약 0.1 캐나다 달러가 소요되는 반면, 가스는 리터당 2.00달러가 소요된다.[128] 제트 연료가 더 저렴하고 대형 가스 터빈이 더 효율적이다. 2021년에는 고체 배터리(리튬-황, LSB) 및 리튬-공기 배터리(LAB)와 같은 리튬 이온 기술을 넘어선 기술이 보다 경쟁력 있는 배터리 전기 항공기 성능을 위한 유망한 연구 분야가 되었다.[121][122]

SAE 인터내셔널 AE-7D[123] 위원회는 2018년 Electro.Aero에 의해 전동 항공기 충전 및 에너지 저장을 표준화하기 위해 결성되었다. 개발된 첫 번째 문서 중 하나는 전동 항공기의 서브 메가와트 전력 충전을 위한 AS6968 표준이었다. AE-7D 위원회는 또한 메가와트 전력 수준 충전을 위한 항공 우주 정보 보고서 AIR7357을 개발하고 있다. 일부 공항에는 전기 자동차용 충전소가 있으며, 이 충전소에서 항공기도 충전할 수 있다.[124]

울트라 커패시터는 배터리와 커패시터를 연결하는 하이브리드 전기화학 에너지 저장 시스템으로, 배터리에 비해 더 높은 피크 전류로 훨씬 빠르게 충전 및 방전할 수 있으며, 반응이 화학적일 뿐만 아니라 전기적이므로 충전-방전 사이클 횟수에 제한이 적다는 장점이 있다.[125] 그러나 에너지 밀도는 일반적으로 약 5 Wh/kg으로 배터리보다 훨씬 낮으며, 수명이 더 긴 것을 고려하더라도 가격이 훨씬 비싸다.[126]

배터리는 방전 후에도 무게가 줄지 않아 효율이 떨어지는 단점이 있다. 또한 무게 에너지 밀도가 낮아 항속 거리가 짧고, 충전 시간이 오래 걸리며, 충·방전 반복에 따라 성능이 저하된다. 전기 자동차에서는 배터리 교환소에서 완전 충전된 배터리와 단시간에 교환하는 방식을 채택하여, 충전 중 대기 시간을 줄인 제조사도 있다.[159]

3. 2. 전선

전동항공기는 지상의 전력망 또는 발전기에 전선을 연결하여 동력을 얻을 수 있다. 낮은 고도에서는 배터리를 탑재하지 않아도 되므로 기체를 경량화할 수 있다는 장점이 있다. 1917년에는 관측 헬리콥터 실험기인 PKZ-1이 이러한 방식으로 제작되었다. 그러나 비행 고도가 높아질수록 전선의 무게가 무거워지는 문제가 발생한다.

3. 3. 태양 전지



태양 전지는 햇빛을 직접 전기로 변환하며, 직접 전력으로 사용하거나 일시적으로 저장할 수 있다. 태양 전지의 출력은 낮아서 여러 개를 함께 연결해야 하며, 이는 사용을 제한한다. 전형적인 태양광 패널은 15~20%의 변환 효율(햇빛 에너지에서 전력으로)로 작동하며 직사광선에서 약 150-200 W/m2를 생산한다.[101] 사용 가능한 면적은 성능이 저조한 패널의 출력이 회로의 모든 패널의 출력에 영향을 미치므로 더 제한되며, 이는 모든 패널이 태양에 대한 유사한 각도와 그림자에 가려지지 않는 것을 포함하여 유사한 조건을 필요로 함을 의미한다.[102]

2010년에서 2020년 사이에 태양광 모듈의 비용은 90% 감소했으며, 연간 13~15%씩 계속 하락하고 있다.[103] 태양 전지 효율 또한 크게 증가하여 1955년 2%에서 1985년 20%로 증가했으며, 일부 실험 시스템은 현재 44%를 초과한다. 그러나 이러한 높은 효율성의 대부분의 기술은 실험실 환경에서만 가능했으며, 대규모 생산 수준에서는 불가능했다.[104]

햇빛의 자유로운 가용성은 고고도, 장시간 비행 애플리케이션에 태양광 발전을 매력적으로 만들며, 차가운 온도와 대기 간섭 감소로 인해 지상보다 훨씬 더 효율적이다.[105][106] 고도가 증가함에 따라 건조 공기 온도가 떨어지는 현상인 환경 감률(ELR)은 평균 6.49 °C/km이며,[107] 일반 여객기의 순항 고도인 약 10,668m에서의 온도는 지상보다 상당히 낮다.

기체 윗면에 설치된 태양 전지를 전원으로 사용한다. 2차 전지를 탑재하여 흐린 날씨나 야간에도 비행할 수 있도록 한 기체가 많다. 2차 전지를 탑재한 경우, 사실상 항속 거리의 상한이 없으므로 장기간 체공이 가능하다. 지속적인 비행과 같이 특정 지역에서 24시간 항공기를 운용하는 야간 비행은 일반적으로 주간에 잉여 전력으로 충전되고 어두운 시간 동안 전력을 공급하는 백업 저장 시스템이 필요하다.

3. 4. 연료 전지



연료 전지(FC)는 수소와 산소와 같은 두 화학 물질 간의 반응을 이용하여 전기를 생성한다. 이는 마치 액체 추진 로켓 엔진과 유사하지만, 추력이 아닌 제어된 화학 반응으로 전기를 생성한다. 항공기는 수소(또는 유사한 연료)를 자체적으로 운반해야 하며, 이로 인해 여러 가지 복잡성과 위험이 따르지만, 산소는 대기 중에서 얻을 수 있다.

연료 전지를 전원으로 사용하며, 지상에서 연료(수소, 탄화수소, 알코올 등)를 급유하는 시간은 충전보다 짧고, 연료 소비에 따라 무게가 가벼워진다.

단점으로는 산소가 희박해지면 반응하기 어려워 고도 제한이 있고, 가연물을 탑재해야 하며, 지상 설비 개수가 필요하다는 점 등이 있다.

액체 수소를 연소하는 가스터빈 엔진을 탑재한 수소 항공기는 유럽 연합이 '크라이오플레인 계획'으로 2000년부터 2년간 연구를 진행했고 에어버스도 참가했지만 흐지부지되었다[160] 또한 보잉도 연구하고 있다[161][162]

3. 5. 하이브리드

하이브리드 전기 항공기는 하이브리드 전기 동력 장치를 갖춘 항공기이다. 일반적으로 깨끗하고 조용한 전기 동력으로 이착륙하며, 기존의 피스톤 또는 제트 엔진 동력으로 순항하여 장거리 비행이 가능하고 탄소 발자국을 줄일 수 있다.[113] 2018년 5월까지 30개 이상의 프로젝트가 진행 중이었으며, 단거리 항공 하이브리드 전기 여객기는 2032년부터 구상되었다.[137]

전동기 단독이 아닌 내연기관과의 하이브리드 방식 연구도 진행되고 있다.[163] 터보-전기 방식, 디젤-전기 방식, 가스-전기 방식처럼 내연기관을 발전기로 이용하는 방식은 내연기관의 특성에 맞는 효율적인 발전을 할 수 있으며, 배터리 발전에 유연하게 대응할 수 있다.

단점으로는 하이브리드 엔진 기술이 필요하다는 점과[164], 발전용 엔진을 탑재하기 때문에 중량이 증가한다는 점이 있다.

인력 비행기에 발전기를 탑재한 인력과 전기의 하이브리드 기체가 제작된 적도 있다.[165]

연료 전지와 제트 엔진을 조합한 하이브리드 제트 엔진은 고고도에서의 산소 부족을 엔진 내의 압축기로 해결할 수 있으며, 제트 엔진 특유의 고속화, 연료 전지의 배열을 이용하는 복합 사이클 발전과 같은 고효율화 등이 기대되고 있다.[166]

3. 6. 기타

마이크로파를 이용한 전력 빔은 지상 기반 전력원에 의존한다. 이는 전력 케이블을 사용하는 것보다 항공기의 수평 이동을 가능하게 하고, 특히 고도가 높아질수록 무게 이점이 훨씬 크다. 그러나 이 기술은 소형 모델에서만 시연되었으며, 더 큰 규모에서의 실용적인 개발이 필요하다.[108] 무선 전력 전송 등의 아이디어도 있지만, 실험 단계에 머무르고 있다.[151]

4. 장점 및 단점

4. 1. 장점

내연 기관에서 발생하는 소음이나 진동이 없으므로, 주변 소음과 기내 진동이 적다. 연료 계통이나 유압 계통이 없어 경량화되고 유지 보수가 간소화된다. 프로펠러를 에어 브레이크로 활용하여 전력 회생이 가능하다.[152] 배터리 방식이라면 비행장까지 연료를 운반할 필요가 없어 비용을 절감할 수 있다. 또한 가연성이 낮은 경우가 많아 화재 위험이 줄어든다. 태양광 패널을 활용할 수 있다.

4. 2. 단점

추진 방식은 프로펠러, 덕티드 팬, 사이클로로터 등 속도에 제한이 있는 방식밖에 선택할 수 없다. 대용량, 고출력 배터리가 고가이다. 배터리는 소모되어도 무게가 변하지 않아 데드 웨이트가 되므로, 현 상태로는 내연 기관보다 항속 거리가 짧다. 유압을 확보하는 경우에는 전용 전동 펌프를 탑재할 필요가 있어 무게나 전력 면에서 불리하다[153]。

5. 대한민국 현황 및 전망

6. 환경적 영향

기후 변화에 대한 항공의 환경적 영향은 전동 항공기 개발의 주요 원동력이었으며, 일부 개발팀은 무배출 전동 추진 시스템을 목표로 하고 있다.[99] 항공은 화석 연료에서 파생된 CO2 배출량의 2.4%를 차지하며, 항공 운송의 배출량은 2013년과 2018년 사이에 32% 증가했다.[99] NOx와 비행운은 항공의 비CO2가 기후 변화에 미치는 영향을 3.5%까지 증가시킬 수 있다.[100] 전동 항공기는 항공기 소음 공해 및 소음 감소 문제를 해결할 가능성이 있다.[128]

참조

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