맑은 하늘

미래의 비행기는 소리 없이 날 수 있을까요?

항공의 미래에는 온실가스 배출이나 소음 공해 없는 비행기가 등장할까요?

앞으로 10년간 운행될 항공기 수는 지금보다 2배로 늘어날 전망입니다. 인도에서는 앞으로 20년간 200개의 공항을 새로 건설할 계획이라고 합니다. 이러한 속도라면 항공 산업에서 청정 항공기를 운항하여 배출량 목표를 맞추기는 어려울 것으로 보입니다. 항공 산업에서는 보다 친환경적인 원료, 가벼운 항공기(탄소 섬유 합성 소재 사용), 높은 효율의 엔진, 항공 교통 관리 개선 등 다양한 영역에 초점을 맞추고 있습니다. 산업 및 규제 기관이 정한 배출량 목표를 달성하려면 이러한 여러 분야의 노력이 함께 이뤄져야 할 것입니다.

다음 동영상과 기사, 인포그래픽에서는 항공우주 산업의 미래에 대해 살펴봅니다. 무공해 비행기를 통해 맑은 하늘을 지킬 수 있을까요? 친환경 항공 프로젝트를 상용화하려면 어떤 노력이 필요할까요? 3DEXPERIENCE 플랫폼은 비행기를 제조업체에서 이러한 새 항공기의 설계, 제작, 인증에 필요한 시간을 단축하는 데 어떤 도움을 줄 수 있을까요?

연료 없는 비행기로 여행하는 날이 올까요?

미래의 비행기가 어떤 모습일지 단정할 수는 없지만, 확실한 것은 보다 친환경적 특성이 강화될 것이라는 점입니다.

André Borschberg는 12분간 낮잠을 자다 깹니다. 더 자고 싶은 마음에 온몸이 노곤하지만

-20˚C의 공기에 정신이 번쩍 듭니다. 그는 태평양 상공 2.3km 높이에 떠 있고 좌우는 수평선으로 둘러싸였으며, 주변 환경 때문에 창공은 더욱 드넓어 보입니다. 한 번에 최대 6일간 공중전화 부스만한 공간에서 자고 먹고 볼일을 보고 요가를 연습하며 연료 없이 비행합니다.

전투기 조종사였던 그는 스위스 모험가인 Bertrand Piccard와 비행기를 번갈아 조종하며 태양 동력만으로 지구를 일주하고 있습니다.

솔라임펄스 2(Si2)는 자동차 한 대와 무게가 비슷하지만 날개 길이는 보잉 747보다도 깁니다. 이 비행기는 사실상 하늘을 나는 태양 전지판이나 마찬가지입니다. 날개와 기체, 꼬리 날개 상단에 17,000개가 넘는 신축성 태양 전지가 내장되어 비행기에 동력을 공급하는 배터리를 충전합니다.

모든 것이 순조롭게 진행된다면 이 비행기는 2015년 7월에 아랍에미리트로 돌아올 것이며, 비행사들은 세계 신기록(항공 역사에서 태양열 비행기로 최장 거리 비행)으로 환영받을 것입니다. 솔라임펄스는 엔지니어링의 역사적인 위업이자 뛰어난 업적으로 평가받겠지만, 비행기의 최종 착륙을 기다리는 군중은 과연 청정 비행의 새 시대를 목격하게 될까요? 88년 전 찰스 린드버그가 뉴욕에서 광란의 1인 비행을 마치고 파리에 착륙했을 때와 같이 항공 역사상 가장 중요한 순간을 기록하게 될까요?

린드버그의 비행은 상용 항공기의 개발을 염두에 둔 것이나, Si2 조종사조차도 대규모 태양열 비행기는 이륙이 불가능하다는 점을 인정했습니다.

Borschberg는 중국 남서부 충칭에서 이렇게 말했습니다. "실제 이산화탄소 배출량의 97%는 '육지 및 해양 운송'에 의한 것이며 항공 운송에 의한 배출량은 3%에 불과하므로 '태양열 여객기 제조'를 '환경적' 우선순위라 생각하지는 않습니다."

Dimitri Mavris 조지아공과대학 항공우주공학부 교수는 이것을 우선순위로 간주할 이유 자체가 없다고 말합니다. 그는 현재 제트 여객기를 순수 태양열 비행기로 완벽하게 대체할 방법은 없다고 봅니다. 그는 "미래지향적 배터리 기술이나 100% 효율의 태양 전지도 기존 상용 제트기에 필요한 동력을 제공하기엔 턱없이 부족합니다"라고 말합니다.

Mavris 교수는 우리가 태양열 비행을 원한다면 비행기가 나는 방식을 바꿔야 한다고 말합니다. 그는 "비행기가 훨씬 느린 속도로 날아야 하고 기체의 크기가 커져도 적재량은 상대적으로 적어지게 됩니다"라고 합니다. "현재 시험 중인 전기 비행기가 이와 비슷하죠." 이에 더해 가격과 비행시간에 대한 승객의 기대치를 고려하면 실현 가능성은 매우 낮아집니다.

그렇다면 연료를 더 적게 혹은 거의 소모하지 않으면서 상용화가 가능한 비행기는 어떤 것이 있을까요?

작은 발걸음

여러 항공기 제조업체에서는 장기적으로 전기 및 하이브리드 항공기를 개발할 계획이며, 하이브리드 항공기의 경우 연료 사용으로 인한 배출량을 최대 70%까지 줄일 수 있습니다.

에어버스의 경우 E-Fan이라는 전기 비행기를 개발 중입니다. '최초로 인증받은 완전 전기 구동 항공기'인 E-Fan 2.0은 2017년부터 생산이 시작됩니다. 그러나 이 비행기는 2인승인 데다가, 최장 1시간 15분의 비행을 마친 뒤에는 리튬 폴리머 배터리를 충전해야 합니다. 애초에 상업용 경비행기로 사용할 계획도 없습니다. 제품 개발 의도는 이를 발전시켜 언젠가는 미래의 항공기로 활용할 수 있도록 축소판 버전을 만드는 데 있습니다.

E-Fan의 각 버전은 전기로만 추진력을 얻을 지역 전용 하이브리드 여객기 E-Thrust로 나아가기 위한 작은 발걸음으로 볼 수 있습니다. 이 비행기는 주행 고도에서 배터리를 충전할 때 동력 장치에 제트 연료가 필요하기 때문에 하이브리드 비행기로 분류됩니다.

하지만 각국의 공항에서 E-Thrust나 이와 유사한 비행기를 보려면 몇십 년은 더 기다려야 할지도 모릅니다. 글로벌 소프트웨어 리더인 다쏘시스템 항공우주 및 국방 산업 아이디어 연구소장 Jeff Smith는 "이러한 항공기의 활용이 지연되는 이유는 대체로 인증 문제"라고 말합니다.

"Si2와 같은 실험적인 비행기를 제작하는 것과 수천 명의 승객을 수송하는 여객기로 이를 상용화하는 일은 완전히 다른 문제입니다."

다쏘시스템의 항공우주 및 국방 산업 부사장 Michel Tellier에 따르면 해결 방법은 시뮬레이션에 있습니다. "새로운 기술과 개념을 보다 정확하게 종합적으로 시뮬레이션할수록 이를 현실 세계에 더 빠르게 구현할 수 있습니다.

당사는 항공우주 기업의 소프트웨어 파트너로서 새로운 나노구조와 복잡한 시스템부터 항공기 전체에 이르는 모든 대상을 시뮬레이션할 수 있도록 3DEXPERIENCE 플랫폼을 제작하였습니다. 이러한 기능은 새 항공기의 개념화, 설계, 조립, 인증에 소요되는 시간을 크게 줄여줍니다.

Michel Tellier 다쏘시스템 항공우주 및 국방 사업부 부사장

조명하기

당사의 소프트웨어는 항공기 제조업체에서 더욱 강인하고 가벼운 차세대 재질을 신속하게 개발 및 인증할 수 있도록 지원할 것입니다.

항공기 제조업체에서는 항공기의 무게를 줄여 연료 효율을 높이기 위해 수년간 알루미늄 부품을 합성 소재(탄소 섬유로 강화한 플라스틱)로 교체해 왔습니다. 현재 생산되는 항공기의 합성 소재 비율은 50%지만 Smith는 "여전히 개선의 여지가 있다"고 이야기합니다.

다쏘시스템은 Si2의 엄격한 중량 기준을 맞추기 위해 다양한 소재를 시뮬레이션하였습니다. 개발팀은 탄소 섬유 합성 소재를 주재료로 만든 모델을 시뮬레이션했고 결국 이 소재를 선택하기에 이르렀습니다. 비행기의 무게는 최대한 가벼워야 했고 약 시속 90km의 주행 속도에서 이륙할 수 있어야 했습니다.

스탠포드 대학의 연구자들은 철새의 비행 대형을 본따 비행기들이 비행할 수 있다면 각 비행기 사이에 3~8km 정도 거리를 두어도 연료 사용량을 12%나 줄일 수 있다고 합니다.

새에게서 배우기

첨단 기술의 발전과 별개로, 연료 사용량을 줄이는 가장 쉬운 방법은 항공 교통 관리 체계를 개선하는 것입니다. Borschberg에 따르면 항공 교통 관리 시스템이 개선될 경우 비행기가 더 빠르게 착륙 및 이동하고 더 많은 직항로로 운행할 수 있습니다.

스탠포드 대학의 연구자들은 철새의 비행 대형을 본떠 비행기들이 비행할 수 있다면 각 비행기 사이에 3~8km 정도 거리를 두어도 연료 사용량을 12%나 줄일 수 있다고 합니다. 그 이유는 비행 시 날개가 일으킨 와류가 비행 후에도 길게 남아있기 때문입니다. 와류는 그 위를 나는 비행기가 공중에 떠 있는 것을 도와줌으로써 연료 소비를 줄여줍니다.

Borschberg는 언젠가 비행기들이 지상에서 조정 기능을 수행하는 항공 교통 관리 시스템 없이 대형을 이루어 비행할 것이라고 합니다. 그는 "비행기끼리 서로 대화하여 비행경로를 조정할 것입니다"라고 말합니다. "앞으로 60년 안에는 실현될 것이라고 생각합니다." 하지만, 그조차도 미래의 비행기가 어떤 모습일지 정확히 단정 지을 수는 없다고 합니다. "라이트 형제나 찰스 린드버그의 비행기에서 현재의 747 여객기가 날아다니는 모습을 상상하기는 어려운 법이죠."

Tellier는 항공기의 미래를 하늘을 나는 컴퓨터로 묘사합니다. "미래의 하늘을 누비는 비행기의 모습을 상상한다면, 외부 구조상으로는 지금보다 단순하지만 내부에 사용되는 시스템과 기술은 훨씬 정교해질 것 같습니다. 지금보다 더욱 지능적이고 효율적인 모습으로 발전하겠죠. 아마도 지난 20년간 끊임없이 발전해온 휴대폰과 비슷한 양상일 겁니다. 항공 기술 역시 휴대폰과 유사한 과정으로 변화할 것입니다."

재질이 더 가벼워지거나, 시스템 또는 배터리가 더 복잡해지거나, 새로운 비행 대형을 개발하는 등 방법이 어떠하든, 확실한 점은 60년이 지나면 훨씬 더 적은 양의 연료로 비행하는 청정 비행기가 하늘을 날아다닐 것이라는 점입니다.

그밖에 어떤 변화가 기다리고 있을까요?

형태 변환

비행기의 형태를 완전히 바꿈으로써 효율을 높일 수 있다는 사실이 여러 연구 결과에 의해 밝혀지고 있습니다. 그러나 기존의 공항 인프라에 적합하지 않은 형태의 항공기는 도입하기가 매우 어려울 것입니다. 실제로 변화하려면 엄청난 규모의 투자가 필요하기 때문입니다.

수소

수소 연료는 무겁기 때문에 이를 사용하려면 새로운 엔진과 기체가 필요하고, 이러한 이유로 향후 수십 년 간은 이 연료를 사용하기 어려울 것입니다. 그러나 에어버스의 모회사인 에어버스 그룹(구 EADS)에서는 무공해 초음속 여객기(ZEHST)를 개발 중에 있습니다. 수소 연료 제트기는 음속에 가까운 속도로 비행할 수 있습니다.

식물성 연료

수많은 항공 전문가들은 어떤 비행기 설계가 등장하든, 어떤 대형으로 비행하든 관계없이 앞으로도 오랫동안 가장 많이 사용되는 동력원은 액체 연료일 것이라고 예측합니다. 몇몇 항공사는 이를 감안하여 바이오 연료에 점점 집중하는 추세입니다. 보잉사는 최근 제휴사인 남아프리카항공(SAA)과 함께 담뱃잎을 사용한 바이오 연료를 사용하기로 약속했습니다. SAA는 식물의 씨앗에서 추출한 기름을 제트 연료로 변환하여 2015년에 시험 비행을 진행할 예정입니다.

하이브리드에서 수소 연료 비행기까지, 100년에 이르는 친환경 비행의 여정

1979년 4월 최초로 인간을 태운 태양 발전 비행기는 3분간 고도 12m에서 0.8km의 거리를 비행하였습니다. 비행기 조종사이자 비행기 제작자였던 Larry Mauro는 해당 모델을 더욱 발전시켜 언젠가는 "다른 연료 없이 오직 비행하면서 얻은 태양열 전기만으로 온종일 이륙과 비행을 계속할 수 있는 비행기를 만들고 싶다"고 언론에 이야기했습니다.

그로부터 35년이 지난 2015년 3월 9일 월요일 오전, 오로지 태양 광선에서 얻은 연료로 세계 일주를 시도한 최초의 비행기 솔라임펄스 2(Si2)가 등장했습니다.

그러나 Mauro가 예상한 것처럼 과연 태양열 비행기가 항공 산업의 미래일까요? 항공 전문가들은 현세대가 살아생전에 태양열 비행기를 타게 될 가능성은 매우 낮다고 합니다. 항공 산업의 미래가 태양열이 아니라면, 과연 무엇일까요? 자세히 알아보기…

참고: 동영상, 인포그래픽 및 기사는 본래 bbc.com의 특집 광고로 2014년 6월 27일부터 2014년 9월 5일까지 방영되었으며, BBC 상업 광고 프로덕션 팀이 다쏘시스템과 제휴하여 제작한 것입니다.

이미지 정보
Progress Eagle - Oscar Vinals
Solarimpluse.com