UAM 시대의 핵심 기술, 분산 전기 추진이란?
도심항공교통(UAM)이 현실화되기 위해서는 배터리와 기체 설계뿐 아니라 추진 시스템의 효율성과 안전성도 중요하다.
UAM 항공기는 도심에서 이착륙하고 기존 공항보다 훨씬 복잡한 환경에서 운항해야 한다. 따라서 자동차와 같은 지상 이동수단보다 소음에 민감할 수밖에 없으며, 추진 장치 가운데 일부에 문제가 발생했을 때도 안정적인 비행을 유지할 수 있는 제어 기술이 필요하다.
이러한 요구에 대응하는 대표적인 개념이 **분산 전기 추진(DEP·Distributed Electric Propulsion)**이다.
DEP는 하나의 대형 엔진이나 소수의 추진 장치에 모든 추력을 의존하는 대신, 여러 개의 전기 모터와 프로펠러 또는 로터를 분산 배치하는 구조를 의미한다.
전기모터는 개별적으로 제어하기가 비교적 쉽기 때문에 각각의 로터에 필요한 회전속도와 추력을 조절할 수 있다는 것이 중요한 특징이다.
DEP 시스템은 어떻게 구성될까?
분산 전기 추진 시스템은 일반적으로 배터리 또는 전력 저장장치, 전력변환장치, 전기모터, 추진 로터, 비행제어 컴퓨터 등의 요소가 서로 연결된 구조를 갖는다.
| 구성 요소 | 주요 역할 |
|---|---|
| 배터리 | 추진에 필요한 전기에너지 저장 |
| 전력변환장치 | 모터에 필요한 전력 제어 |
| 전기모터 | 전기에너지를 회전력으로 변환 |
| 로터·프로펠러 | 회전력을 추력으로 변환 |
| 비행제어 컴퓨터 | 자세·추력·모터 상태 등을 종합적으로 제어 |
| 센서 | 회전속도, 전류, 온도, 진동 등의 상태 감시 |
핵심은 여러 추진 장치를 독립적으로 제어할 수 있다는 점이다.
예를 들어 기체가 특정 방향으로 회전해야 한다면 비행제어 시스템은 각 로터의 추력을 서로 다르게 조절해 필요한 힘과 모멘트를 만들어낼 수 있다.
이런 구조는 UAM의 수직이착륙과 자세 제어에도 중요한 역할을 한다.
왜 UAM에서 소음 저감이 중요할까?
UAM이 도심에서 운항하려면 안전성뿐 아니라 소음 문제도 해결해야 한다.
헬리콥터와 같은 기존 회전익 항공기의 경우 로터에서 발생하는 공력 소음이 중요한 환경 문제로 거론된다.
DEP는 여러 개의 작은 로터를 사용하는 방식으로 설계할 수 있기 때문에 소음 저감을 위한 다양한 방법을 적용할 수 있다.
대표적인 방법이 로터 회전속도와 추력을 개별적으로 제어하는 것이다.
모든 로터가 동일한 조건으로 작동하도록 고정하는 것이 아니라 비행 상황에 따라 각각의 회전속도를 조절하면 특정 주파수에서 소음이 지나치게 커지는 현상을 줄이는 방향으로 시스템을 설계할 수 있다.
또한 로터의 크기와 위치, 블레이드 형상, 회전 방향 등을 함께 최적화하면 소음과 진동을 줄일 수 있는 가능성이 있다.
다만 로터 개수를 늘린다고 자동으로 소음이 줄어드는 것은 아니다.
로터가 많아지면 각각에서 발생하는 소음이 상호작용할 수 있기 때문에 실제 기체에서는 공력해석과 음향해석을 함께 수행해야 한다.
DEP의 또 다른 장점, 추진력 분산
DEP에서 특히 주목할 부분은 추진력을 여러 개의 로터에 분산한다는 것이다.
하나의 추진장치가 전체 추력의 상당 부분을 담당하는 구조에서는 해당 장치에 문제가 발생했을 때 영향이 커질 수 있다.
반면 여러 로터가 독립적으로 작동하는 DEP 구조에서는 특정 로터의 상태가 정상적이지 않을 때 다른 로터의 추력을 조정하는 방식으로 대응할 수 있다.
이것을 흔히 고장허용(Fault Tolerant) 제어의 관점에서 바라본다.
로터 하나가 고장 나면 어떻게 할까?
DEP에서 중요한 연구 분야 중 하나가 바로 추진 로터 고장에 대한 대응이다.
예를 들어 8개의 로터가 각각 독립적으로 추력을 발생시키는 기체를 생각해보자.
정상적인 상황에서는 8개 로터가 비행제어 시스템의 명령에 따라 필요한 추력을 분담한다.
그런데 한 개의 모터나 로터에 이상이 발생하면 비행제어 컴퓨터는 해당 추진장치의 상태를 감지하고 필요한 경우 다른 로터의 추력을 재분배해야 한다.
개념적으로 보면 다음과 같은 과정이다.
고장 감지 → 고장 로터 식별 → 가용 추력 계산 → 다른 로터 추력 재분배 → 자세 안정화 → 비상 운항 또는 착륙
이 과정이 빠르게 이루어져야 기체의 자세 변화와 고도 손실을 최소화할 수 있다.
로터 고장 대응의 핵심은 ‘추력 재분배’
| 상황 | 제어 시스템의 대응 |
|---|---|
| 정상 비행 | 각 로터에 필요한 추력 배분 |
| 일부 로터 출력 저하 | 다른 로터의 추력 보정 |
| 로터 완전 고장 | 가용 로터 중심으로 추력 재배분 |
| 비대칭 추력 발생 | 롤·피치·요 모멘트 보정 |
| 다중 고장 | 비행 가능 영역 판단 후 비상 모드 |
여기서 중요한 것은 단순히 다른 모터의 출력을 높이는 것만이 아니다.
한쪽 로터가 정지하면 기체에 비대칭적인 힘과 회전 모멘트가 발생할 수 있다.
따라서 비행제어 시스템은 각 로터의 추력을 조절하면서 기체의 롤, 피치, 요를 동시에 안정화해야 한다.
결국 DEP의 장점은 하드웨어를 여러 개로 나누는 것에서 끝나는 것이 아니라, 분산된 추진장치를 실시간으로 제어하는 소프트웨어와 제어 알고리즘까지 포함해야 완성된다.
이중화 제어가 중요한 이유
항공 분야에서 ‘이중화’는 단순히 같은 부품을 두 개 설치한다는 의미로만 볼 수 없다.
전력 공급, 센서, 통신, 비행제어 컴퓨터 등 여러 시스템에서 특정 구성품에 문제가 발생하더라도 전체 기능을 유지할 수 있도록 중복성과 독립성을 확보하는 것이 중요하다.
DEP에서는 여러 모터와 로터가 분산되어 있기 때문에 이러한 구조 자체가 추진계통의 일부 분산성을 제공한다.
하지만 이것만으로 안전성이 자동으로 확보되는 것은 아니다.
실제 항공기에서는 모터 고장뿐 아니라 전력계통 고장, 인버터 이상, 센서 오류, 통신 오류, 제어 컴퓨터 문제까지 고려해야 한다.
따라서 고장 감지 알고리즘과 비행제어 시스템을 함께 설계하는 것이 중요하다.
DEP가 UAM에 적합한 이유
DEP의 가장 큰 특징을 정리하면 다음과 같다.
첫째, 전기모터의 빠른 제어가 가능하다.
전기모터는 추진장치별로 독립적인 제어가 가능하기 때문에 기체의 자세와 추력을 정밀하게 조절하는 데 유리하다.
둘째, 추진장치 배치의 자유도가 높다.
여러 개의 모터와 로터를 기체 구조에 맞춰 분산 배치할 수 있다.
셋째, 고장 대응 전략을 설계할 수 있다.
일부 추진장치에 문제가 발생했을 때 나머지 추진장치를 활용해 추력을 재분배하는 제어 전략을 적용할 수 있다.
넷째, 소음 최적화 가능성이 있다.
로터별 회전속도와 작동 조건을 조절하고 블레이드 설계를 최적화해 도심 환경에서 중요한 소음 문제를 줄이는 방향으로 개발할 수 있다.
하지만 해결해야 할 기술적 과제도 있다
DEP가 장점만 가진 것은 아니다.
모터와 인버터, 전력변환장치가 여러 개 필요하기 때문에 시스템이 복잡해질 수 있다.
또한 여러 로터가 서로 가까운 위치에서 작동하면 로터 간 공력 간섭이 발생할 수 있다.
전력계통 역시 중요한 문제다.
여러 개의 모터에 안정적으로 전력을 공급해야 하며 배터리의 에너지 밀도와 열관리 문제도 함께 해결해야 한다.
무엇보다 항공 분야에서는 일반적인 전기차보다 훨씬 높은 수준의 신뢰성·고장허용성·검증이 요구된다.
따라서 DEP의 상용화를 위해서는 추진 효율뿐 아니라 전력계통, 열관리, 소음, 제어 소프트웨어, 인증까지 통합적으로 개발해야 한다.
UAM DEP 기술의 핵심 정리
| 핵심 기술 | 기대되는 역할 |
|---|---|
| 분산 전기 추진 | 여러 모터·로터를 이용한 추진력 분산 |
| 개별 모터 제어 | 로터별 추력 조절 |
| 소음 최적화 | 회전속도·로터 설계 등을 통한 소음 저감 |
| 고장 감지 | 모터·로터 이상 상태 판단 |
| 추력 재분배 | 정상 추진장치의 출력 조정 |
| 이중화·고장허용 제어 | 일부 시스템 이상에도 비행 안정성 확보 |
| 통합 비행제어 | 추력과 자세를 동시에 제어 |
마무리
**UAM 분산 전기 추진(DEP)**은 단순히 전기모터를 여러 개 사용하는 기술이 아니다.
여러 추진장치를 분산 배치하고 각각의 출력을 정밀하게 제어하면서 소음, 효율, 안정성, 고장 대응을 동시에 고려하는 통합 기술에 가깝다.
특히 로터 하나에 문제가 발생했을 때 다른 추진장치의 추력을 재분배하고 기체의 자세를 안정화하는 고장허용 제어 기술은 UAM의 안전성을 결정하는 중요한 요소가 될 수 있다.
앞으로 UAM이 실제 도심에서 운항하기 위해서는 배터리 성능만큼이나 이러한 분산 추진·소음 저감·이중화 제어 기술의 완성도가 중요해질 것으로 예상된다.
결국 UAM의 경쟁력은 ‘얼마나 멀리 날 수 있는가’뿐만 아니라 얼마나 조용하고 안정적으로, 그리고 일부 시스템에 문제가 발생했을 때도 안전하게 운항할 수 있는가에 의해 결정될 가능성이 크다.
출처
- NASA, Distributed Electric Propulsion 관련 항공 연구 자료
- NASA, Advanced Air Mobility(AAM) 연구 자료
- FAA, Advanced Air Mobility 관련 자료
- European Union Aviation Safety Agency(EASA), Innovative Air Mobility 관련 자료
- National Academies, Advanced Air Mobility 관련 연구 자료
출처 확인용 공식 사이트:
NASA
FAA
EASA
National Academies