항공기 설계의 혁신
일반적으로 양산용 항공기의 설계는 20세기 중반 이후로 근본적인 변화를 겪지 않았다. 수십 년 동안 대형 항공기는 보잉 747 및 에어버스 830 계열과 같은 기종이 대표적으로 보여주는 ‘튜브 앤 윙(tube and wing)’ 구조를 채택해 왔다. 마찬가지로, 고정익 양산 항공기의 추진 시스템은 가스 터빈 엔진이 발명된 이후로 크게 발전하지 않았다. 또한 회전익 항공기는 1940년대에 최초의 대규모 양산 헬리콥터인 시코르스키 R-4가 개발된 이후로 실질적으로 변함이 없었다.
그렇긴 하지만, 항공우주 산업에는 보트 V-173 ‘플라잉 팬케이크’, 전방으로 휩쓸린 날개를 가진 그루먼 X-29, MIT의 이온 풍력 구동 시제기 등 파격적인 실험용 항공기가 항상 존재해 왔습니다. 이러한 혁신의 전통은 항공우주 설계와 기술 발전을 계속해서 이끌고 있습니다.
오늘날 항공우주 산업 혁신의 핵심 동력은 지속 가능성, 즉 효율성 제고와 배출량 감축입니다. 이전 기사에서는 항공우주 산업의 탈탄소화를 위해 대체 에너지원에 대한 연구가 어떻게 진행되고 있는지 살펴보았습니다. 이번 기사에서는 항공기 설계의 두 가지 핵심 분야인 공기역학과 추진 시스템 분야에서 이루어지는 혁신이 지속 가능성 문제를 어떻게 해결하고자 하는지 살펴보겠습니다. 특히, 날개 설계의 혁신과 분산형 전기 추진 시스템의 도입에 대해 집중적으로 다룰 것입니다.
날개 설계
항공기 배출 가스의 주요 요인 중 하나는 공기역학적 효율이며, 이는 항공기의 양력 대 항력 비율로 정의될 수 있습니다. 따라서 항력을 줄임으로써 공기역학적 효율을 높일 수 있습니다. 아마도 항력을 줄일 수 있는 가장 큰 기회는 날개 설계를 통해 얻을 수 있을 것입니다. 이에 따라, 공기역학적 효율을 극대화하기 위한 날개 설계들이 수년에 걸쳐 등장해 왔습니다.
이러한 설계의 한 예로 카나드 날개 배치를 들 수 있습니다. 카나드 날개 배치는 항공기 전방에 배치된 작은 날개(카나드 날개)를 항공기 후방에 배치된 주 날개와 결합하여 사용하는 방식입니다. 카나드 날개 배치의 효과는 복잡하고 다양하지만, 이를 통해 항공기의 전체 항력을 줄일 수 있습니다. 그러나 이는 항공기의 안정성과 상충 관계를 빚게 됩니다. 하지만 날개 설계가 발전함에 따라, 양산형 항공기에서도 카나드 날개가 더 널리 사용될 가능성이 높습니다.
공기역학적 효율을 높이기 위해 고안된 다소 파격적인 날개 설계의 한 예로는 ‘블렌디드 윙(blended wing)’이 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이, 블렌디드 윙 설계는 항공기의 동체를 날개와 자연스럽게 연결하여 항공기 전체가 양력을 발생시키도록 설계된 것입니다. 현재 미국 기업 제트제로 (JetZero, 2050년까지 항공 분야의 순배출 제로 달성을 목표로 하는 영국 정부의 전략과 혼동하지 말 것 )가 블렌디드 윙 설계를 개발 중이다. 제트제로는 자사의 설계가 일반적인 상업용 여객기에 비해 연료 배출량을 절반으로 줄일 수 있다고 주장한다.
마지막 날개 설계 사례로는 스트럿 또는 트러스로 보강된 날개를 사용하는 것이 있습니다. 이 구성에서 날개는 날개와 항공기 동체 사이를 연결하는 스트럿이나 트러스에 의해 구조적으로 지지됩니다. 이러한 추가적인 구조적 지지 덕분에 더 길고 가느다란 날개를 사용할 수 있게 되며, 이는 비행 중 항력을 줄여줍니다. 이러한 날개 구성을 채택한 항공기의 예로는 보잉 X-66이 있으며, 이 기종의 시제기는 2028년에 비행할 예정입니다.
분산형 전기 추진 시스템
항공기 설계 분야에서 비교적 최근에 등장한 또 다른 혁신 기술은 분산형 전기 추진(DEP)입니다. DEP는 일반적으로 3개 이상의 독립적으로 제어되는 전기 추진 장치를 배열하여 활용합니다. 일부 DEP 시스템은 다수의 추진 장치를 사용하며, 그 수가 두 자릿수에 달하는 경우도 있습니다. 추진 장치는 일반적으로 항공기 날개의 날개폭 전체에 걸쳐 배치된다. DEP는 공기역학적 추진 결합, 즉 항력과 양력을 상호작용시켜 항력을 줄이고 양력을 증가시키는 방식 등 여러 기전을 통해 항공기의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 DEP는 추진 장치의 이중화를 통해 안전성을 높이고 소음을 저감할 수 있어, DEP를 활용하는 항공기는 초단거리 및 도시 교통 수단으로 특히 적합합니다. 이러한 유형의 항공기로는 릴리움(Lilium) 제트기와 에어버스 시티에어버스 넥스트젠(Airbus CityAirbus NextGen)이 있습니다. DEP를 활용하는 대형 항공기의 예로는 에어버스 E-Thrust와 NASA의 N3-X가 있습니다.
통합 혁신: 공기역학과 추진 기술
미래의 항공기는 아마도 공기역학과 추진 시스템 양쪽의 혁신을 결합할 것으로 보입니다. 앞서 언급한 항공기가 바로 그 예입니다. 또 다른 예로는 올해 첫 비행을 성공적으로 마친 ‘에어버스 레이서(Airbus Racer)’가 있습니다. 에어버스 레이서는 언뜻 보기에는 일반적인 헬리콥터처럼 보입니다. 그러나 기존 헬리콥터와 달리, 레이서는 혁신적인 박스형 날개 설계를 활용하여 공기역학적 효율을 높이고 양력을 발생시키며, 주 로터와 두 개의 푸셔 프로펠러를 통해 추력을 생성합니다. 이러한 요소들이 결합되어 효율성이 향상되었으며, 그 결과 동일한 최대 이륙 중량 등급의 기존 헬리콥터에 비해 연료 소비를 20% 절감할 수 있다고 합니다.
요약
앞으로 수십 년 동안 항공기의 외관이 크게 달라질 것이라고 상상하기는 어렵다. 하지만 지속가능성을 추구하는 과정에서, 한때는 파격적이라고 여겨졌던 디자인 요소들이 양산형 항공기에 서서히 도입되기 시작할 수도 있다. 어쨌든 역사와 최근의 발전 양상이 보여주듯이, 항공기 설계 분야의 혁신 가능성은 무궁무진하다.
Barker Brettell에는 귀하의 혁신 기술을 상용화할 수 있도록 지원해 드리는전담 항공우주 전문팀이있습니다. 당사의 특허 변리사들은 컴퓨터 구현 발명 및 전자공학부터 재료과학 및 기계공학에 이르기까지 항공우주 분야에서 활용되는 모든 기술 분야에 걸쳐 풍부한 지식과 경험을 보유하고 있습니다. 본 기사에 대해 더 자세히 논의하고 싶으시다면, 저자나 평소 상담하시는 Barker Brettell 변리사에게 문의해 주시기 바랍니다.
“오늘날 항공우주 산업의 혁신을 이끄는 핵심 동력은 지속가능성, 즉 효율성 제고와 배출량 감축입니다.”
