도심 항공 모빌리티(UAM)는 기체, 인프라, 운항, 그리고 서비스를 포함 합니다. UAM에 필수적인 요소로 비행 기체를 대표하는 eVTOL을 꼽을 수 있는데 오늘은 eVTOL에 대해서 간단히 살펴보도록 하겠습니다.
eVTOL은 전기적 추진으로 수직 이착륙이 가능한 PAV(personal air vehicle)를 의미합니다. PAV는 개인 이동을 위한 비행체를 의미합니다. eVTOL의 가장 큰 특징은 내연기관이 아닌 전기 모터를 사용해서 수직 이착륙이 가능하다는 건데, 전기 추진을 이용한다는 것은 환경 오염의 주범인 배기 가스의 배출이 없고 소음 발생이 현저하게 줄어듦을 의미 합니다. 또한, 수직 이착륙이 가능하다는 것은 활주로가 필요 없어져 공간을 절약할 수 있다는 것을 의미합니다. 따라서 eVTOL은 배기 가스 배출 없이 조용히 수직 이착륙이 가능해 도심지역에서도 비행이 가능한 PAV라고 조금은 길게 정의해 보는 것도 좋을 듯 합니다.
근데 한가지 더 중요한 특징이 있는데 도시를 비행한다는 것에 있어 안정성이 매우 중요한 요소가 되는데 이것은 분산 추진이라는 것으로 설명 할 수 있습니다. 분산 추진은 여러 개의 엔진을 사용해서 비행한다는 의미인데 간단하게 드론을 생각해 보면 프로펠러가 여러개 달려 있는 것을 쉽게 떠올릴 수 있습니다. 분산 추진의 장점은 매우 많은데 하나씩 살펴 보면 다음과 같습니다.
분산 추진을 위해 프로펠러가 여러개 달려 있다고 했는데 쉽게 생각해 보면 프로펠러가 여러개 있다면 프로펠러 하나가 고장 나더라도 비행이 가능하다는 특징이 생깁니다. 또다른 분산 추진의 특징은 조정 응답성을 향상 시킬 수 있다는 겁니다. 조정 응답성이란 조정 명령을 내렸을 때 그 명령이 먹힐 때 까지 걸리는 시간을 말합니다. 도심지역에는 빌딩이 매우 많으며 빌딩과 빌딩 사이의 공기 흐름에 의해서 빌딜풍이라는 예상 불가능한 외부 왜란이 발생하는데 프로펠러가 많으면 기체의 조정 응답성이 향상되어 빠르게 기체가 균형을 잡을 수 있습니다. 따라서 eVTOL의 정의를 조금 더 길게 다시 정의해 보면 "분산 전기 추진을 사용하여 배기 가스 배출이 없고 조용하며 안정성이 좋은 도심에서 비행이 가능한 수직이착륙기체"라고 할 수 있습니다.
위에 보이는 그림에 eVTOL의 특징을 반영한 기체의 예를 나타냈습니다. 여러개의 프로펠러라를 가지고 있다는 용어는 앞으로 멀티콥터(multicopter)라는 말로 바꿔서 부르도록 하겠습니다. 멀티콥터의 멀티는 다중 또는 여러개라는 말이고 콥터는 짧은 프로펠러라는 뜻 정도라고 생각하면 됩니다. 따라서 여러개의 짧은 프로펠러를 갖는 기체를 멀티콥터형의 eVTOL이라고 생각하면 되겠습니다.
위에 그림에 나타나 있는 멀티콥터의 경우 뭔가 아쉬워 보이는데 그게 뭘까 생각해 보면 날개가 없다는 것입니다. 즉, 수직이착륙이 가능하고 안정성도 좋고 제자리 비행(호버링)에도 탁월하지만 날개가 없어 뭔가 아쉬운 상태라는 것입니다. 그럼 날개가 있으면 뭐가 좋은지 생각해 보면 날개가 있으면 활공이 가능하고 수평방향으로 이동할때 빠르게 이동이 가능하다는 겁니다. 다르게 생각해 보면 멀티콥터형의 기체는 날개가 없어 이동성능이 떨어진다는 걸로 이해하면 됩니다.
간단하게 날개가 있는 비행기와 없는 헬리콥터의 특징을 한번 비교해 보고 가겠습니다. 날개가 있는 비행기를 고정익이라고 말하는데 고정익은 움직이지 않는 날개(익)를 의미합니다. 고정익은 비행기가 앞으로 전진할 때 날개 아래쪽과 위쪽의 기압차가 발생하게 되고 이 기압차에 의해 비행기를 뜨게하는 양력이 발생하는 원리로 비행을 하게됩니다. 장점은 수평방향으로 빠른 이동이 가능하다는 것이고, 단점은 이착륙에 긴 활주로가 필요하다는 것입니다. 헬리콥터의 경우 날개가 회전한다는 의미로 회전익이라고 합니다. 회전익의 장점은 수직이착륙이 가능하고 제자리 비행(호버링)이 가능합니다. 단점은 치명적으로 고정익이 고장나면 바로 추락해야 한다는 것입니다.(날개가 없기 떄문에 활공이 불가능)
그럼 eVTOL을 타고 멀리 그리고 빠르게 가고 싶다면 날개는 필수 요소가 됩니다. 단순히 멀티콥터에 날개만 달면 되지 않을까 생각해 볼 수 있는데 그런 기체가 있습니다.
위에 나타난 형태의 기체를 잘 살펴 보면 날개가 있고 날개에 수직이착륙이 가능한 회전익이 장착되어 있는 것을 확이할 수 있습니다. 날개에 수직 이착륙이 가능한 회전익만 있으면 앞으로 비행 할 수 없기 때문에 기체 뒷쪽에 보면 수평 이동을 위한 추진 블레이드가 달려 있습니다. 즉, 수직 이착륙을 할 때는 날개에 달린 여러개의 회전익을 가동시켜 이륙하고 충분한 고도에 도달하면 수평 블레이드를 작동시켜 앞으로 비행하면 됩니다. 당연히 수평비행을 할때는 수직 회전익들은 꺼야 되겠죠. 이런 형태의 eVTOL을 복합형이라 합니다. 복합형은 Lift+Cruise라고 하는데 Lift는 수직이착륙을 말하며 Cruise는 비행을 의미합니다. 근데 잘생각해 보면 날개에 뭔가 주렁주렁 달고 있으면 비행 할 때 공기의 저항을 받기 쉬운데, 복합형의 경우 멀티콥터에 비해 비행효율은 좋지만 수평비행 할 때 공기의 저항 즉, 항력을 받는 단점이 있습니다. 하지만 도심에서 비행이 가능한 분산 전기 추진의 기능의 기체라는 것!
이쯤 되면 수직 회전익을 접었다 폈다 하면 되지 않을까라는 의문을 가질 수 있습니다. 그래서 틸트형이라는 eVTOL이 있습니다.
위에 나온 기체를 보면 고정익(날개)도 있고 회전익도 여러개 달려 있습니다. 가장 큰 특징은 고정익에 장착된 회전익의 각도를 변화 시킬 수 있다는 것입니다. 어떻게?..다음과 같이 말이죠!
이착륙할 때 회전익의 각도를 수직 방향으로 바꾸고, 비행시에는 회전익의 방향을 수평 방향으로 바꾸는 겁니다. 이렇게 되면 비행시에 비행을 방해하는 요소가 없어 공기저항의 영향을 줄일 수 있는 장점을 확보 할 수 있다는 겁니다. 이런 형태의 비행체를 틸트형이라고 한다고 했는데 전문 용어로는 vectored thrust라고 합니다. 이것은 thrust(추진, 추력)의 방향(vectored)을 바꿀 수 있다는 의미입니다. 따라서 틸트형의 경우 복합형에 비해 수평이동의 효율이 높아 장거리 비행이 가능하다는 장점이 있습니다. 반대로 틸팅 구조 로터의 설계가 어렵다는 단점이 있습니다.
조금 다르게 접근해 보면 고정익이 있으면서 작은 로터를 많이 달아 로터를 쉽게 틸팅하면 좋지 않을까라는 상상해 볼 수 있습니다.
위에 나와 있는 eVTOL 기체가 그런 상상을 가능하게 만들어 가고 있는 형태의 기체입니다. 이것은 집에 있는 헤어 드라이어기를 줄줄이 날개에 달아놓은 형태라도 보시면 됩니다.(극단적인 비유이기는 합니다.^^) 작은 덕트형 로터가 앞뒤 날개에 달려 있는 것을 확인 할 수 있습니다.
덕트형 로터의 실제 구동 원리는 헤어 드라이어기와 동일 합니다. 이것도 마찬가지로 수직 이착륙, 전이, 그리고 비행에 따라 로터의 각도를 변화 시키면서 비행합니다. 하지만 작은 구조의 로터를 다수개 장착함으로써 로터가 받는 기계적 부담을 분산 시킬 수 있고 로터 블레이드가 덕트에 쌓여있는 것에 의해 안저성 측면에서도 큰 장점이 있습니다.
지금까지 말한 eVTOL의 기체에 따른 장점과 단점을 간단히 정리 했습니다. 한번 읽어 보시면 이해 되실거라 생각됩니다. 다음번에는 eVTOL의 비행특징을 정리할 예정입니다.
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