황룽 黃榮
팡쭈왕 方祖望 <차이신주간> 기자

▲ 텍스트론에비에이션의 6인승 세스나 스카이마스터. 2020년 10월 앰페어는 이 기종을 개조해 만든 하이브리드 세스나 333 항공기로 500㎞ 이상 시험비행에 성공했다. 텍스트론 누리집

전기자동차업계는 수소연료전지 등 다른 재료를 채택한 배터리 기술을 시도했고, 전기항공기도 그 흐름을 따라갔다. 황쥔 베이징항공우주대학 교수는 “랴오닝통용항공연구원이 창청자동차(長城汽車)의 수소연료전지차 개발 경험을 참고해 그 배터리를 루이샹 시리즈 전기항공기에 적용할 계획”이라고 말했다.
배터리 기술 외에 전기항공기의 전기추진시스템 기술은 모터와 전자제어장치 기술에 의존한다. 롤스로이스, 프랫앤드휘트니, 사프랑, 하니웰 등 항공업계 주요 기업은 이미 관련 부속품 개발에 나섰지만 아직 대규모 양산을 시작하지 못했다. 첸위핑 칭화대학교 차량모빌리티대학 연구원은 “대다수 전기항공기가 실험실 시제품 수준이고 전기자동차의 현행 기술을 그대로 가져왔다’’며 “독자적인 기술 평가지표와 공급망 체계도 없고 산업적 차원에서 중요한 성과가 나오지 않았다”고 지적했다.

하이브리드의 비교우위
순수 전기 방식의 일반항공기를 시장에 공급할 여건을 갖추지 못하자 일부 기업은 하이브리드 방안을 시도했다. 2016년 설립된 스타트업 앰페어는 제일 먼저 하이브리드 일반항공기를 개발한 회사다. 앰페어는 텍스트론에비에이션의 6인승 ‘세스나 337 스카이마스터’ 기종을 개조했다. 이 항공기의 항공유 엔진 2대 가운데 하나를 전기모터로 ‘개조’하고 나머지 하나는 그대로 두었다. 앰페어 쪽은 “이런 방식으로 내연기관 엔진과 전기모터가 비행할 때 동력을 공급하는 기능을 개선하고 연료비를 50~75% 절감할 수 있다”고 밝혔다.
2020년 10월 ‘하이브리드 세스나 333’ 항공기가 미국 캘리포니아주 카마리오공항에서 헤이워드이그제큐티브공항까지 시험비행을 완료했다. 비행시간은 약 2시간50분, 비행거리는 341마일(약 548㎞)이었다. 이 기종의 시험비행을 계속하고 2021년 말까지 감항증명 절차를 마무리할 계획이다.
“순수 전기항공기에 비해 하이브리드는 상업적 시장화와 기술 타당성에서 강점이 있다.” 앰페어의 판쉬 중국 대표는 “항공유 엔진 하나를 남겼기 때문에 하이브리드의 비행거리를 늘릴 수 있다”고 말했다. 500㎞ 안팎의 비행 수요를 맞추는 것이 목표다. 좌석 수가 많고 적재량이 무거운 일반항공기에 적용하면 다양한 상업적 용도로 쓸 수 있다.
새 기종을 개발할 필요 없이 현재 사용하는 기종을 개조했기 때문에 감항증명을 받을 가능성도 크다. ‘하이브리드 세스나 333’은 동력시스템에 대해서만 부가형식증명(STC)을 신청하면 된다. 새 기종이 감항증명을 받으려면 항공기에 쓰인 모든 부품을 검증해야 하므로 시간이 오래 걸리고 비용도 많이 든다. 스젠위안 텍스트론에비에이션 중국전략영업 담당 부사장은 “배터리 기술에서 중대한 성과가 나올 때까지 하이브리드가 적절한 과도기적 방안”이라고 말했다.

항공자동차의 장단점
항공업계와 자동차업계는 전기항공기의 새로운 시장인 항공자동차의 가능성도 모색하고 있다. 항공자동차는 육지에서 달릴 수 있고 하늘을 날 수도 있는 운송수단이다. 수평으로 이륙하는 플라잉카와 수직으로 이착륙하는 eVTOL이 주요 개발 방향이다. 항공업 관계자는 “도심 지역에서 지상교통을 대체할 운송 도구를 개발해 교통체증을 해결하려는 목적으로 항공자동차를 연구하기 시작했다”고 말했다. “플라잉카는 활주로가 있어야 이륙할 수 있다. 도심에 그럴 만한 곳이 없기 때문에 활주로 건설은 비현실적이고 체증을 더 악화시킬 것이다. 사실상 이런 기술은 일종의 유사과학이다.”
eVTOL은 헬리콥터와 비슷한 전기항공기로, 현재 연구가 가장 많이 진행되는 기술이다. 에어버스와 보잉, 우버, 현대자동차, 제너럴모터스(GM) 등 항공과 자동차 분야 대기업이 이 시장에 진출했다. 상하이에 본사가 있는 eVTOL 개발업체 펑페이항공(峰飛航空)의 셰자 부사장은 “eVTOL은 활주로가 필요 없어 다양한 상황에 적용할 수 있는 것이 장점”이라고 주장했다. 황쥔 교수는 “고정익 전기항공기와 달리 eVTOL은 도시에서만 운행하기 때문에 항속거리가 100㎞ 정도면 된다”며 “eVTOL 개발은 어렵지 않다”고 말했다.
그러나 항공자동차를 시장에 출시하려면 감항증명과 공역관리, 소음통제 등의 문제를 해결해야 한다. 공역관리에 대해 영국연구투자기구(UKRI)는 2021년 7월 발표한 보고서에서 “수많은 항공자동차가 도심 상공에서 운행하려면 새로운 공역관리 규칙과 기술이 필요하다”며 “그렇지 않으면 항공자동차의 대규모 운행이 제한받을 것”이라고 지적했다. “반대로 고정익 전기항공기는 현행 민항 규칙과 제도를 기반으로 하면 된다.” 황쥔 교수는 고정익 전기항공기가 항공자동차보다 일찍 시장에 도입될 것으로 예상했다.

▲ 2020년 2월 싱가포르 에어쇼에서 선보인 에어버스의 E-Fan X 항공기 모델. 같은 해 4월 에어버스는 E-Fan X 개발을 중단하고 수소에너지 항공기 개발사업 계획을 내놓았다. REUTERS

중대형기 전동화 고심
세계 최대 항공기 제조사인 에어버스와 보잉은 전기항공기 분야에서 다양한 연구사업을 진행했다. 이런 사업은 고정익 일반항공기와 eVTOL 분야에 집중됐다. 에어버스는 2010년부터 1인승 고정익 전기항공기 ‘크리크리’를 개발했고 같은 해 9월 첫 시험비행에 성공했다. 2015년 7월에는 2인승 고정익 기술검증용 전기항공기가 영국해협 비행에 성공했다. 동시에 eVTOL 기종인 바하나와 시티에어버스도 기본적인 시험비행을 마쳤다.
보잉은 2018년 혁신사업부서 넥스트를 설립하고 eVTOL 2개 기종을 개발했다. 하지만 2년 뒤 사업부서를 개편하면서 넥스트를 해산시켰고 eVTOL 개발사업도 종료했다. 이후 보잉은 외부 투자 형식으로 위스크에어로에 자금을 댔다. 위스크에어로는 2인승 eVTOL 기종을 연구하는 초기기술기업이다. “현행 기술을 기준으로 보면 소형 항공기에 순수 전력 구동 방식을 적용할 수 있다. 일부 단거리 항공기에서는 하이브리드 기술의 타당성이 높다.” 크리스 레이먼드 보잉 최고지속가능책임자는 서면 인터뷰에서 이렇게 답변했다.
사실 항공 분야에서 중대형 항공기의 시장점유율이 가장 높고 탄소배출량도 가장 많다. 따라서 중대형기의 전기동력화가 항공업계의 주요 과제다. 중대형기는 지선 항공기와 간선 항공기로 나뉜다. 지선 항공기는 100석 이하 항공기를 말하고, 좌석 수가 더 많으면 간선 항공기로 분류된다.
2017년 11월 에어버스는 롤스로이스, 지멘스와 공동으로 하이브리드 지선 항공기 E-Fan X를 개발한다고 밝혔다. 이 사업은 단종된 100석급 지선 항공기 BAE146/RJ100을 개조해 만드는 것이다. 터보팬엔진 1대를 전기모터로 바꾸고 터보팬엔진 3대는 그대로 뒀다. 2년 넘게 연구와 시험을 진행한 에어버스는 2020년 4월 E-Fan X 개발사업을 종료한다고 밝혔다. 에어버스는 “사업에 대한 우선순위를 수정한 것”이라며 “처음부터 신기술을 이해하기 위한 시연 프로젝트였을 뿐 상업화 계획은 없었다”고 설명했다.

또 다른 선택지
외부에서 보면 보잉과 에어버스의 결정은 단기간에 중대형기의 전동화가 불가능하다는 의미로 해석된다. 중국항공공업그룹(AVIC) 산하 AVIC 에어로시스템(中航機載系統有限公司) 수석 전무 리카이셩은 2019년 작성한 논문에서 미 항공우주국(나사)의 연구를 인용해 “순항 상태의 대형 항공기를 구동하려면 배터리 에너지밀도가 최소 1천Wh/㎏이 돼야 한다”고 지적했다. 현행 기술로는 도달할 수 없는 기준이다.
E-Fan X 사업을 종료한 뒤 에어버스는 수소에너지 항공기 개발사업 ‘ZEROe’를 발표했다. 100~200석급 항공기 3개 기종을 개발해 2035년부터 사용한다는 계획이다. 보잉은 ‘지속가능한 항공연료’(SAF)로 기존 항공유를 대체하는 기술에 주력하고 있다. 2030년 전까지 모든 민용항공기가 100% SAF 연료로 비행하도록 할 계획이다. 이런 연료는 식용으로 쓸 수 없는 농업용 폐유와 지방을 원료로 하며, 탄소배출량이 상대적으로 적다.
하지만 수소에너지나 SAF 등 신기술이 기존 항공유를 대체할 수 있을지는 불투명하다. 수소연료는 생산, 운송, 저장에서 업계가 협력해 극복해야 할 어려움이 많다. SAF 연료는 낮은 생산능력 때문에 대량생산으로 원가를 낮추기가 어렵다. 최종적으로 어떤 기술이 보급될지 지금은 전망하기 힘들다. 에어버스는 “수소에너지와 SAF, 전력(하이브리드) 등 다양한 해결 방안이 항공업 생태계에서 공존할 것”이라고 답변했다.

ⓒ 財新週刊 2021년 제37호
飛機能否電動化
번역 유인영 위원