UAM:eVTOL 운용 범위

이전 글에서 eVTOL의 정의와 기체 구조에 따른 분류를 해봤습니다. eVTOL은 기체 구조에 따라 크게 멀티콥터, 복합형, 그리고 틸트형의 세가지 형태로 나눌 수 있다고 했습니다.

멀티콥터의 경우 다수의 회전블레이드에 의해 호버링 효율이 높고 안전성 측면에서 우수하다고 했습니다. 또한 고정익이 없다보니 기체를 작게 만들 수 있어 수직 이착륙을 위한 공간을 복합형과 틸트형에 비해 적게 차지한다는 장점도 있습니다. 하지만 이동을 위해서는 각 회전익의 출력을 제어하는 방식으로 이동하기 때문에 이동 속도가 매우 제한적이며 장거리 운항이 불가하다는 단점이 있습니다. 멀티콥터가 이동하는 원리를 그림으로 보면 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

멀티콥터의 이동

왼쪽에는 멀티콥터가 수직 이착륙하는 것을 설명하기 위한 그림이며, 오른쪽은 멀티콥터가 수평으로 이동을 하는 것을 설명하기 위한 그림입니다. 위의 그림 왼쪽에 나타나 있는 것처럼 멀티콥터가 수직 이착륙하기 위해서는 멀티콥터에 장착된 각각의 회전익에서 발생시키는 양력(붉은색 화살표)의 총합이 중력(파란색 화살표) 보다 세면 이륙을 하게되고, 그 반대로 회전익에서 발생시키는 양력(붉은색 화살표)의 총합이 중력(파란색 화살표) 보다 적으면 하강을 하게되고, 양력의 총합과 중력이 같으면 호버링을 하게 됩니다. 하지만 이때 주의해야 하는 것이 멀티콥터 각각의 회전익에서 발생 시키는 양력은 모두 동일하게 유지되어야 한다는 것입니다. 예로들어 4개의 회전익이 있다고 한다면 4개의 회전익에서 발생시키는 양력이 동일하게 커지거나 작아지거나 해야된다는 것입니다. 즉, 상승하기 위해서는 멀티콥터의 회전익 출력을 동일하게 키워야 하고 하강하기 위해서는 멀티콥터의 회전익 출력을 동일하게 낮춰야 합니다. 만약 각각의 회전익의 출력이 달라서 이것에의해 발생되는 양력에 차이가 나면 멀티콥터는 회전하게되거나 한쪽방향으로 움직이게되는 효과를 발휘 할 수 있습니다. 따라서 이동을 위해서는 기체를 이동하고자하는 방향으로 기울일 수 있도록 회전익의 출력을 제어해서 가능하게 됩니다. 

오른쪽 그림에 멀티콥터 회전익의 출력을 다르게 설정해서 기체를 기울이고 한쪽방향으로 수평이동하기 위한 그림을 나타내고 있습니다. 왼쪽 방향으로 기체를 이동시키기 위해서는 기체 왼쪽에 장착된 회전익의 출력을 오른쪽 회전익의 출력보다 낮게하고 오른쪽 회전익의 출력을 높게하면 왼쪽 방향으로 이동이 가능합니다. 하지만 기체가 중력을 이기고 공중에 떠 있으면서 왼쪽으로 수평 이동 하기위한 힘 모두를 회전익의 출력에만 의존하기 때문에 이동 효율이 떨어진다고 말할 수 있습니다. 따라서 이동속도가 느리고 에너지 효율이 낮아 장거리 이동에는 적합하지 않게됩니다. 하지만 저속의 근거리 이동과 호버링이 요구되는 곳에서는 매우 뛰어난 성능을 발휘할 수 있을 것이라는 기대를 해 볼 수 있습니다.

복합형과 틸트형같은 경우 날개(고정익)가 있어 수평이동에 효과적이라고 했는데 이것은 수평이동을 위한 추력(앞으로 나가려는 힘)이 충분히 크면 날개에서 기체가 공중에 떠있도록 할 수 있는 양력이 자동으로 발생하기 때문입니다. 즉, 추력과 양력을 모두를 회전익의 출력에만 의존하는 멀티콥터에 비해 복합형과 틸트형은 추력에 의해 덤(?)으로 날개에서 양력을 얻기 때문에 수평이동에 더 효과적이라고 할 수 있습니다. 따라서 멀티콥터에 비해 더 먼거리를 효과적으로 비행가능하게 됩니다. 

고정익을 사용한 이동

그러면 eVTOL의 기체 구조에 따라 제공되는 서비스가 달라 질 수 있을 것으로 예상 할 수 있는데 간단하게 한번 나눠보면 다음과 같이 구분해 볼 수 있습니다.

eVTOL 운용 범위

위 그림에 나타나 있는 것과 같이 기체 구분에 따라 eVTOL의 운용 범위가 달라 지고, 서비스도 달라지게 될것으로 예상됩니다. 멀티콥터 같은 경우 70~120km/h의 이동속도로 도시내 운용이 목적인 서비스에 적당할 것이고, 복합형의 경우 시속 150~200km/h의 속도로 도시와 도시사이의 이동 서비스에 적합할 것으로 보입니다. 또한 틸트형 eVTO의 경우 도시를 뛰어넘어 지역과 지역을 사이를 시속 300km/h의 속도로 빠르게 이동하며 RAM(regional area mobility:지역 이동)서비스를 제공 할 수 있을 것으로 예상됩니다. 특이한점은 지역간 운용에서 한국의 경우 부산에서 후쿠오카까지 비행이 가능할 수 있다는 예상을 해 볼 수 있습니다. 놀라운 일이 될 것으로 예상됩니다!  여기까지 기체의 구분에 따른 예상 서비스 범위를 한번 예상해 봤는데 미래의 하늘은 어떻게 바뀔지 한번 상상해 볼 필요가 있습니다.

UAM 개념도 by NASA

위의 그림은 NASA가 UAM의 개념을 그림으로 나타내고 있는 것입니다. 미래의 도시 모습은 건물과 건물 사이를 eVTOL들이 날아다니는 것으로 상상해 볼 수 있겠습니다. 그럼 eVTOL들이 날아다니면서 어떤일을 할 수 있을까 생각해 보면 지상에서 돌아다니는 차량들이 수행하는 모든 일을 하늘에서도 수행한다고 생각하면 됩니다. 지상의 자동차들이 어떤 임무를 수행하나 한번 생각해 보면 사람들의 요청에 따라 목적지를 이동하는 TAXI 서비스, 일정한 노선을 반복적으로 이동하는 버스나 전철같은 메트로 서비스, 화물을 배송하는 택배 서비스등이 있습니다. UAM도 eVTOL을 사용해서 지상의 TAXI와 같은 AIR TAXI, 메트로 서비스와 같은 AIR Metro, 그리고 택배와 같은 AIR Cargo서비스 등이 제공될 수 있습니다. 추가적으로 공공서비스 분야에서 생각할 수 있는 법집행, 긴급의료 및 119 서비스, 뉴스, 기상 관측등의 다양한 서비스가 미래 사회에는 eVTOL에 의해 제공될 수 있습니다. 

중국 EHANG사의 EH 216