작성자: Lauren Nagel
분산 전기 추진(DEP)은 현대 항공기의 성능을 개선하기 위해 발명되었습니다. 항공기의 효율성을 어떻게 높일 수 있을까요? 기동성을 어떻게 향상시킬 수 있을까요? 이착륙 거리를 어떻게 단축할 수 있을까요?
DEP 개념은 성능을 향상하는 동시에 연료 소비를 줄일 수 있도록 설계되어, 항공 산업의 지속 가능성을 높이기 위해 끊임없이 노력하는 현시점에서 매력적인 전망을 제시합니다.
이 글에서는 DEP의 작동 원리와 장단점, 주목해야 할 DEP 항공기를 살펴봅니다. 또한 DEP 시스템을 테스트할 수 있는 솔루션도 소개합니다. 모든 내용은 아래에 포함되어 있습니다.
목차
- 분산 전기 추진(DEP)이란 무엇인가
- 분산 전기 추진은 어떻게 작동하는가
- 분산 전기 추진의 장점은 무엇인가
- 분산 전기 추진의 과제는 무엇인가
- 주목할 만한 분산 전기 추진 항공기
- 분산 전기 추진 시스템을 테스트하는 방법
1. 분산 전기 추진(DEP)이란 무엇인가
분산 전기 추진(DEP)은 3개 이상의 전기 구동 추진 장치에 추력을 분산하는 추진 시스템을 말합니다. 많은 DEP 개념에서 전기 추진 장치(팬 또는 프로펠러)는 항공기 날개와 같은 공기역학적 표면을 따라 병렬로 배치됩니다.
DEP 시스템은 전기 모터에 배터리로 전력을 공급하는 완전 전기 방식이거나, 전기 모터에 터보발전기에서 전력을 공급하는 하이브리드 방식일 수 있습니다.
다양한 기관에서 DEP 개념을 개발하고 있으며, NASA와 같은 거대 기관도 다양한 DEP 설계를 적극적으로 테스트하고 있습니다 [1].
현재 DEP에 대해 보편적으로 인정되는 정의는 없으며, 여러 개의 전기 추진 장치가 필요하다는 점만 필수 요건으로 꼽힙니다.
그림 1: 비행 시험 중인 Vertical Aerospace VX4 (출처: business wire)
2. 분산 전기 추진은 어떻게 작동하는가
분산 전기 추진은 계속 발전하고 있는 개념으로, 두 대의 DEP 항공기가 동일한 경우는 없습니다. 그럼에도 대부분의 DEP 항공기는 다음 두 가지 주요 범주 중 하나에 속합니다. a) 완전 전기 DEP 항공기, b) 하이브리드 터보전기 DEP 항공기
1. 완전 전기 DEP 항공기:
완전 전기 DEP 항공기에서는 고밀도 탑재 배터리가 주요 전력원으로 사용됩니다. 배터리는 각각 개별적으로 추진 장치(팬 또는 프로펠러)에 연결된 여러 전기 모터를 구동합니다. 추진 장치는 항공기 비행에 필요한 추력을 발생시킵니다.
그림 2: 완전 전기 DEP 항공기의 배치
완전 전기 DEP 항공기의 예로는 Vertical Aerospace VX4, Joby Aviation의 S4, Archer의 Midnight
2. 하이브리드 터보전기 DEP 항공기
하이브리드 터보전기 DEP 항공기에서는 터빈의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기에 연결된 가스터빈 엔진이 전력원으로 사용됩니다. 이 전기는 분산 전기 모터로 전달되어 추진 장치를 회전시키고 필요한 추력을 발생시킵니다.
그림 3: 하이브리드 터보전기 DEP 항공기의 배치
하이브리드 터보전기 DEP 항공기의 예로는 Electra Model EL-2 “Goldfinch”와 Airbus EcoPulse가 있습니다.
DEP 항공기에서는 전력원, 추진 장치, 공기역학적 표면이 모두 함께 작동하여 최적의 성능을 발휘하므로 이러한 구성 요소의 배치를 신중하게 고려합니다.
3. DEP의 신기술
DEP 항공기에 적용하기 위해 여러 신기술이 연구되고 있습니다. ZeroAvia는 수소 연료전지로 전기를 생성하고 이를 전기 모터에 공급하는 수소 전기 엔진을 개발하고 있습니다. 이 연료전지는 부산물로 물만 배출합니다.
배터리 화학 기술의 발전 또한 DEP 발전에 중요한 역할을 합니다. 전고체 배터리는 오늘날 리튬 이온 셀의 에너지 밀도가 150~200 Wh/kg인 데 비해 400~500 Wh/kg에 달하는 에너지 밀도를 제공할 것으로 기대됩니다. 전고체 배터리는 에너지 밀도가 더 높을 뿐만 아니라 액체 전해질 배터리와 달리 가연성이 없어 더 안전합니다.
그러나 전고체 배터리의 가장 큰 과제는 사이클 수명입니다. 배터리의 사이클 수명이란 성능이 저하되기 전까지 충전 및 방전할 수 있는 횟수를 의미합니다. Lyten은 최근 3D 프린팅으로 제작된 UAV에 전력을 공급하여 최대 86mph의 속도로 3시간 이상 비행한 전고체 리튬-황 배터리를 시연했습니다.
그림 4: 3D 프린팅 UAV에 사용된 Lyten의 리튬-황 배터리 (출처)
이러한 기술은 아직 초기 개발 단계에 있지만, 대체 전력원이 현재 시스템이 달성할 수 있는 수준을 넘어 DEP 항공기의 항속 거리와 성능을 확장할 수 있음을 보여줍니다.
다음 섹션에서는 이러한 구성 요소와 그에 따른 장점 및 과제를 더 자세히 살펴봅니다.
3. 분산 전기 추진의 장점
분산 전기 추진 시스템과 관련된 잠재적 장점은 다음과 같습니다:
에어로-프로펄시브 커플링
날개 앞전과 같은 양력을 발생시키는 항공기 표면에 추진 장치를 통합하면 공기역학적 힘과 추진력이 함께 작용하는 에어로-프로펄시브 커플링 효과가 발생합니다. 이는 몇 가지 방식으로 나타납니다:
경계층 흡입(BLI)는 이러한 개념의 한 예로, 추진 장치가 항공기 표면을 따라 흐르는 경계층의 느린 공기를 빨아들입니다. 이 공기를 가속하는 데 필요한 에너지가 줄어들고 표면에서 발생하는 전체 항력이 감소하여 연료 효율을 최대 8.5%까지 높일 수 있습니다 [2].
EADS 그룹(에어버스, 아스트리움, 카시디안, 유로콥터)이 롤스로이스와 협력하여 설계한 E-Thrust 개념항공기는 날개 뒷전에 배치된 추진 장치를 통해 경계층 공기를 빨아들이도록 설계되었습니다.
다만 경계층 공기는 자유류보다 훨씬 더 왜곡되어 있어 이를 처리하려면 더 강력한 프로펠러나 팬이 필요합니다.
그림 5: 경계층 흡입을 활용하는 에어버스 E-Thrust DEP 개념 (출처)
후류 채우기는 항공기 뒤쪽의 교란된 공기 영역인 후류에 의해 발생하는 항력을 줄이는 전략을 통칭하는 용어입니다. DEP 항공기에서는 추진 장치를 전략적으로 배치하여 후류 채우기에 기여할 수 있습니다. 예를 들어, 추진 장치를 항공기 후방에 배치하여 동체 주위를 흐르는 공기에 다시 에너지를 공급할 수 있습니다.
날개 끝 와류의 방향 전환 은 연구된 또 다른 에어로-프로펄시브 커플링 개념입니다 [3]. 이 시스템은 날개 끝에 장착된 추진 장치 유닛을 사용하여 와류의 방향을 바꾸고 추진력을 향상하며 항력을 줄입니다.
추진 제어 항공기(PCA)
추진 제어 항공기(PCA)는 전통적인 조종면이 아니라 추진 장치의 조정을 통해 기체의 움직임(피치, 롤, 요)을 제어하는 항공기입니다. 추력 편향을 사용하는 제트기나 로켓과 달리, PCA는 일반적으로 추력 배출 시스템의 실제 형태를 바꾸는 대신 추력 출력 수준의 조정에만 의존합니다.
DEP 항공기는 각 추진 장치의 추력을 독립적으로 조정할 수 있으므로 추진 제어 기동에 적합합니다. 각 추진 장치의 추력을 항공기의 전력 요구 사항에 맞게 미세 조정할 수 있으므로 잠재적으로 연료 효율을 높일 수 있습니다.
대부분의 추진 제어 항공기에서 추진 기반 기동은 전통적인 조종면과 공존하는 보조 수단입니다. 그러나 DEP 항공기는 이것이 보조 수단이 아닌 첫 번째 사례가 될 수 있으며, 전통적인 조종면과 전체 항공기 무게를 줄일 수 있습니다.
예시로는 일리노이 대학교 항공우주공학과에서 개발한 Cirrus SR22T의 21% 축소 모형이 있으며, 8개의 덕트 팬을 통해 추진 기반 제어가 가능하도록 개조되었습니다 [3].
그림 6: 일리노이 대학교의 분산 전기 추진 제어 Cirrus SR22T RC 항공기
바이패스비
항공기 추진에서 바이패스비가 높은 경우 추진 효율이 높고 소음이 적어 유리합니다. 표준 가스터빈 엔진에서 바이패스비는 엔진 코어로 들어가는 공기의 질량 대비 바이패스 스트림에 있는 공기의 질량을 나타내는 척도입니다.
특정 유형의 DEP 시스템을 논의할 때 “유효 바이패스비”도 고려할 수 있습니다 [1]. 이는 터빈에 들어가는 공기의 질량 과 추진 장치에 들어가는 공기의 질량 대비 터빈 엔진 코어로 들어가는 공기의 질량을 나타내는 척도입니다. 이 원리는 NASA의 N3-X 터보전기 분산 추진(TeDP) 항공기 개념 [4]에 적용되어 있으며, 날개 끝에 장착된 터보발전기가 항공기 동체에 장착된 팬에 연결된 모터에 전력을 공급합니다(그림 6). 이 개념은 29~36:1 범위의 유효 바이패스비를 가지며 [5], 연료 소비가 약 70% 감소할 것으로 추정됩니다 [6].
그림 7: NASA의 N3X 터보전기 분산 추진(TeDP) 개념
위 개선 사항의 실질적인 장점은 다음과 같습니다:
운영 비용 절감
운영 비용 절감의 잠재적 요인은 크게 두 가지입니다:
- 연료비 절감: 이전 단락에서 설명한 추진 및 공기역학적 이점은 전체 시스템 효율을 높여 연료 소비를 줄이고 배출량을 낮추는 데 기여합니다.
- 제조 및 수리 비용 절감: 소형 전기 모터 및 프로펠러와 같은 여러 개의 작은 부품을 제조하는 비용은 동일한 양의 전력과 추력을 생산하는 더 적은 수의 대형 유닛을 제조하는 비용보다 적을 수 있습니다. 또한 이러한 부품은 고장 시 교체 비용이 더 저렴합니다.
소음 감소
일반적으로 전기 추진 시스템은 동일한 가솔린 구동 시스템보다 소음이 적으며, 이는 여러 연구를 통해 입증되었습니다. 워털루 대학교에서 실시한 한 연구에서는 전기 모터로 구동되는 훈련용 항공기가 기존의 가솔린 구동 항공기에 비해 소음이 30dB 감소한 것으로 나타났습니다 [7].
시스템의 높은 바이패스비가 제공하는 소음 감소 효과와 결합되어, DEP 항공기는 유사한 성능을 가진 다른 유형의 항공기보다 소음이 현저히 적을 것으로 예상됩니다.
이착륙 성능 향상
위에서 설명한 에어로-프로펄시브 커플링 효과는 블로운 리프트 효과를 발생시켜, 특히 저속에서 상대적으로 높은 유효 양력 계수를 만들어냅니다. 저속에서 증가한 양력은 항공기의 이착륙 거리를 크게 단축하여 단거리 이착륙(STOL) 성능과 맞먹는 효과를 제공합니다 [8].
추가적인 장점으로 저속 기동성 또한 향상됩니다.
중복성 및 안전성 향상
DEP 시스템은 여러 수준에서 중복성을 갖추고 있어 항공기의 전반적인 안전성을 향상시킵니다. 앞서 언급했듯이, DEP 추진 장치는 항공기 조종에 사용될 수 있어 항공기의 조종면 중 하나가 손상되더라도 유용하게 활용할 수 있는 중복성을 제공합니다.
또한 추진 장치의 수가 많기 때문에 개별 유닛 하나가 항공기를 공중에 띄우는 데 독점적인 역할을 하지 않습니다. 8개 또는 16개의 추진 장치가 있는 시스템에서는 하나 또는 몇 개의 추진 장치가 전력을 잃더라도 임무 수행에 치명적이지 않습니다. 예를 들어, NASA N3X는 16개의 추진 장치를 갖추고 있으며, Electra의 EL-2 Goldfinch는 8개, Archer의 Midnight은 12개를 장착하여 부분적인 고장이 발생하더라도 계속해서 작동할 수 있도록 합니다.
4. 분산 전기 추진의 과제
분산 전기 추진은 많은 잠재적 장점을 제공하지만, 그에 따른 과제도 있습니다:
통합 및 복잡성
전기 또는 하이브리드 추진을 사용하면 복잡성이 증가하고 통합 과제가 발생합니다.
예를 들어, 배터리와 기내 전자 장치에서 발생하는 열을 관리해야 하며, 냉각 시스템은 항공기에 무게와 복잡성을 모두 더합니다.
고전압 전기를 안전하게 분배하는 것도 해결해야 할 과제이며, 절연, 전자기 간섭(EMI), 모든 구성 요소의 합산 무게를 고려해야 합니다.
표준 부품의 재설계
DEP 설계는 특정 효율성을 제공하지만, 이를 달성하려면 일부 설계 변경이 필요합니다.
예를 들어, 경계층 흡입의 이점을 얻으려면 거친 경계층 공기를 처리할 수 있도록 더 튼튼한 팬/프로펠러를 설계하고 제조해야 합니다.
마찬가지로, 블로운 리프트와 같은 성능 향상 효과는 더 작은 제어면을 가능하게 하지만, DEP 시스템의 구성 요소가 고장 날 경우 안전을 보장하기 위해 어떤 중복 설계가 필요한지도 고려해야 합니다.
이러한 고려 사항은 이전 섹션에서 논의한 운영 요구 사항의 감소에 대한 물리적, 재정적 균형추 역할을 합니다.
확장성 및 전력 요구 사항
다른 전기 항공기 개념과 마찬가지로, 전기 전력 공급 장치는 에너지 밀도 측면에서 여전히 기존 연료에 미치지 못하기 때문에 확장성이 문제가 됩니다. 가장 에너지 밀도가 높은 배터리조차도 제트 연료 에너지 밀도의 극히 일부(7%)에만 도달합니다 [9].
위에서 논의한 TeDP 개념과 같은 하이브리드 시스템은 그 격차를 메우는 데 도움이 될 수 있지만, 이러한 시스템은 추가적이고 복잡한 과제를 안고 있습니다(자체 연료를 연소하는 것은 말할 것도 없습니다). 마찬가지로, 극저온 시스템은 더 높은 전력을 제공할 수 있지만, 무게당 효율이 낮고 전체적으로 무겁습니다.
DEP 동력 비행은 항공기 크기와 비행 거리 모두 작은 규모에서는 가능할 수 있지만, 상업용 항공기의 장거리 비행은 여전히 실현 불가능합니다.
5. 주목할 만한 분산 전기 추진 항공기
다음은 상당히 진보된 개발 단계에 도달하여 풀사이즈 항공기 또는 축소 모델을 성공적으로 비행한 분산 전기 추진 항공기 개념 목록입니다.
Electra EL-2 Goldfinch
Electra의 EL-2 Goldfinch는 분산 전기 추진과 하이브리드 전기 추진 시스템을 사용하는 eSTOL(전기 단거리 이착륙) 시연기입니다. 이 항공기는 날개 양력을 증가시키고 STOL 성능을 가능하게 하기 위해 8개의 전기 모터와 블로운 리프트 구조를 갖추고 있습니다. 2023년 11월 20일, EL-2 Goldfinch는 파일럿 Cody Allee와 함께 첫 유인 비행을 완료했습니다.
그림 8: 2023년 11월 20일 시험 비행 중인 EL-2 Goldfinch (출처)
Airbus Eco-pulse
EcoPulse는 Airbus, Daher, 그리고Safran이 개발한 하이브리드 터보전기 시연기입니다. 이 항공기는 Safran 터보발전기로 구동되는 6개의 날개 장착 전기 추진 장치를 갖추고 있으며, 개조된 Daher TBM 900 기체에 구축되었습니다. EcoPulse는 2023년 11월 29일 프랑스 타르브에서 첫 비행을 성공적으로 완료했습니다. 50회의 시험 비행과 100시간의 비행 후, 이 프로젝트는 2024년 12월에 종료되었으며, 주요 결과는 향후 DEP 개발에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.
그림 9: 2019년 파리 에어쇼에서 공개된 Airbus EcoPulse (출처)
Wisk 6세대 에어택시
Wisk Areo는 Boeing의 자회사로, 효율적인 수직 이착륙과 순항을 위해 12개의 프로펠러를 갖춘 DEP 시스템을 특징으로 하는 6세대 eVTOL을 제작했습니다. 4인승으로 설계되어 자율 운항을 목표로 하며, 최소한의 소음으로 도시 이동성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 이 항공기는 여러 차례의 비행 테스트를 수행하여 규제 인증 및 상업적 배치를 향해 나아가고 있습니다.
그림 10: 비행 테스트 시작을 준비하는 Wisk (출처)
Joby Aviation의 S4
Joby의 주요 투자자인 Toyota는 자동차 제조 전문 지식을 활용하여 6개의 틸팅 추진 장치를 갖춘 DEP 시스템을 특징으로 하는 eVTOL인 S4의 개발을 지원했습니다. 2023년 10월, Joby는 4명의 파일럿이 호버링과 순항 전환을 포함한 평가를 수행하는 파일럿 시험 비행을 시작했습니다. 더 최근에 Joby는 두바이 국제공항에서 첫 번째 버티포트를 건설하기 시작했으며, 2025년 말까지 에어택시 서비스를 시작할 계획입니다.
그림 11: 두바이 세계 정부 정상회의에서 전시된 S4 (출처)
Archer의 Midnight
Midnight는 Archer Aviation이 개발한 eVTOL 항공기로, 수직 이착륙을 위한 고정형 6개와 순항 전환을 위한 틸팅형 6개로 구성된 12개의 프로펠러를 갖춘 DEP 시스템을 특징으로 합니다. 이 설계는 중복 설계를 통해 안전성을 향상하는 동시에 조용한 운행을 보장하며, 순항 시 단 45데시벨만 발생시킵니다. Archer는 FAA 인증을 향해 나아가며 400회 이상의 시험 비행을 완료했으며, 2025년까지 상업적 운항을 목표로 하고 있습니다.
그림 12: 전환 비행을 완료하는 Archer의 Midnight (출처)
Vertical Aerospace의 Valo
Valo는 VX4 프로토타입의 양산 후속 모델로, 8개의 프로펠러를 갖춘 DEP 시스템을 특징으로 합니다. VX4의 비행 테스트를 바탕으로, Valo는 테스트 데이터와 항공사의 피드백을 기반으로 더 공기역학적인 설계, 개선된 배터리 배치, 재설계된 날개를 통합했습니다. 이 항공기는 최대 100마일의 항속 거리로 4명의 승객을 태울 수 있습니다. Vertical은 American Airlines 및 Japan Airlines와 같은 주요 항공사의 약 1,500개의 사전 주문을 확보하고 2028년 인증을 목표로 하고 있습니다.
그림 13: Vertical Aerospace의 새로운 상업용 eVTOL 항공기 Valo (출처
BETA Technologies Alia eVTOL
Alia A250은 CX300으로 알려진 전통적인 이착륙 변형을 갖춘 5인승 eVTOL 항공기입니다. 최대 속도는 153노트이며 설계 항속 거리는 250해리입니다. 밴쿠버에 본사를 둔 Helijet International은 4대의 기체를 주문했으며 4대 추가 옵션을 확보했습니다. A250은 2026년에 FAA 형식 인증을 받을 것으로 예상됩니다.
그림 14: Beta Technologies Alia A250 eVTOL 항공기 (출처
이 목록에 포함해야 한다고 생각하는 다른 DEP 개념이 있다면 댓글로 알려주세요.
6. 분산 전기 추진 시스템을 테스트하는 방법
분산 전기 추진 시스템의 복잡성으로 인해 테스트는 안전한 개발에 필수적입니다. 하지만 DEP 시스템을 어떻게 테스트할 수 있을까요?
Tyto Robotics에서는 최대 8개의 파워트레인을 갖춘 분산 전기 추진 시스템을 테스트하기 위한 플랫폼을 개발했습니다. 8개의 모터와 프로펠러의 성능을 동시에 측정하는 데 필요한 하드웨어, 소프트웨어 및 전자 장치가 포함되어 있습니다.
그림 15: 분산 전기 추진 테스트 플랫폼
하드웨어와 전자 장치는 로드셀과 센서의 조합을 사용하여 추진 시스템의 추력, 토크, RPM, 전압, 전류, 온도 및 전력을 측정합니다.
이 측정값은 개별 파워트레인 또는 최대 8개의 파워트레인 조합에 대한 모터 및 ESC 효율, 프로펠러 효율 및 전체 효율을 도출하는 데 사용됩니다.
테스트 소프트웨어를 사용하면 수동으로, 자동으로 또는 당사의 Python API를 사용하여 테스트를 프로그래밍할 수 있습니다. 또한 비행 컨트롤러 데이터를 소프트웨어에 업로드하고 스로틀 포인트를 테스트 템플릿으로 사용할 수 있는 비행 리플레이 기능을 제공합니다.
그림 16: 분산 전기 추진 테스트 소프트웨어 GUI
각 파워트레인은 매핑하고 이름을 지정하여 데이터를 쉽게 추적할 수 있습니다. 실시간으로 수신 데이터를 표시하는 라이브 플롯을 통해 어떤 추진 장치가 다른 것보다 더 효율적이거나 덜 효율적인지 빠르게 판단할 수 있습니다.
그리고 8개의 파워트레인을 동시에 테스트해야 한다면? 메시지를 보내주시면 어떻게 도와드릴 수 있을지 알아보겠습니다.
참고 문헌
[1] H. Kim, A. Perry, P. Ansell, "A Review of Distributed Electric Propulsion Concepts for Air Vehicle Technology", 2018 AIAA Propulsion and Energy Forum. https://www1.grc.nasa.gov/wp-content/uploads/2018EATS-Review-of-DEP-Hyun-D.-6.2018-4998.pdf
[2] NASA Glenn Research Center, "Boundary Layer Ingestion Propulsion". Accessed July 10, 2024.
[3] K. Pieper, A. Perry, P. Ansell and T. Bretl, "Design and Development of a Dynamically, Scaled Distributed Electric Propulsion Aircraft Testbed," 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS), Cincinnati, OH, USA, 2018, pp. 1-2. https://ieeexplore.ieee.org/document/8552755
[4] Miranda, L. R., and Brennan, J. E., “Aerodynamic Effects of Wingtip-Mounted Propellers and Turbines,” AIAA Paper 86-1802, June 1986. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.1986-1802
[5] NASA Glenn Research Center, "N3X". Accessed July 10, 2024. https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/eap/airplane-concepts/n3x/
[6] "NASA N3-X with Turboelectric Distributed Propulsion", Fundamental Aeronautics Program Fixed Wing Project. James L. Felder. NASA Glenn Research Center Cleveland, Ohio. Accessed July 10, 2024. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150002081/downloads/20150002081.pdf
[7] Noisy neighbours: Do electric aircraft reduce airport noise pollution? by Paul Parker and Gabriel Song. January 2024. https://uwaterloo.ca/sustainable-aeronautics/blog/noisy-neighbours-do-electric-aircraft-reduce-airport-noise
[8] Qin, Jiachen and Zhou, Zhou and Yang, Guowei and Shao, Zhuang and Zong, Jia, "Aero-Propulsive Coupling Modeling and Dynamic Stability Analysis of Distributed Electric Propulsion Tandem-Wing Uav with Rapid Ascent Capability", April 2024. https://ssrn.com/abstract=4783514
[9] Quan Li et al 2023 Chinese Phys. Lett. 40 048201 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/4/048201