도심 항공 모빌리티(UAM)를 위한 복합재 항공 구조물 발전

하늘을 나는 자동차의 개념은 1960년대 초 만화 제트슨 가족부터 1970년대 스타워즈의 랜드스피더, 그리고 최근 SF 작품들에 이르기까지 대중문화에서 오랫동안 예고되어 왔습니다. 이들이 약속하는 미래는 일상 교통이 제3의 차원인 하늘로 확장되어, 현대 통근의 골칫거리인 교통 체증과 혼잡을 피할 수 있다는 것입니다. 또한 그러한 손쉬운 운송 수단이 바로 코앞에 와 있으며, 극복할 수 없는 기술적 과제는 아니라는 가정이 깔려 있었습니다. 오늘날 제트슨 가족 방영 60여 년이 지난 지금, 우리는 마침내 그러한 교통 혁명의 문턱에 서 있는 것으로 보입니다.

현재 전 세계 대도시권에서 향후 5년 내 승객 및 화물 운송을 돕기 위한 여러 항공기 개발 프로그램이 제조 및 비행 시험 단계에 진입해 있습니다. 이 항공기들은 모두 배터리 구동 방식이며, 복합재료가 제공하는 경량화와 고강도 특성에 크게 의존하고 있습니다.

UAM, AAM, eVTOL

이 교통 혁명은 여러 이름으로 불립니다. 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기에서 시작되었으나, 이는 때로 너무 구체적이어서 업계는 도심 항공 모빌리티(UAM)라는 용어로 전환했습니다. NASA는 첨단 항공 모빌리티(AAM)를 선호하는데, 이는 기술의 도시 중심적 성격을 배제하면서 더 넓은 범위를 포괄합니다. 그럼에도 AAM은 본질적으로 도시 환경을 위해 설계되었습니다.

명칭이 무엇이든(여기서는 더 일반적인 UAM을 사용) 이 장르의 항공기는 두 가지 기능 중 하나를 수행하도록 설계되었습니다. 하나는 조종사가 탑승하거나 자율 비행하는 에어택시 서비스로, 25~400km 거리에서 지점 간(헬리포트/공항 간) 인원을 수송하는 것입니다. 다른 하나는 유사한 환경에서 자율 화물 운송을 제공하는 것입니다.

UAM을 이끄는 경제성과 지표는 수많으며, 여기서는 모두 다루지 못합니다(KPMG가 기술과 그 배경을 잘 소개합니다). 하지만 가장 큰 동인 중 하나는 지구의 급속한 도시화입니다. UN에 따르면 2050년까지 세계 인구의 68%(약 71억 명)가 도시 지역에 거주하게 됩니다. 이는 교통 인프라에 막대한 압력을 가해 자동차 이동을 점점 어렵게 만들 것입니다. 도시 상공의 공역으로 이동을 확장하면 이 압력을 완화할 수 있을 것으로 기대됩니다. 그래서 UAM 시장이 급성장하고 있습니다.

항공우주 품질, 자동차 생산량

시장 힘과 경제성과 무관하게 UAM 제조사들은 이전에 탐구되지 않았던 복합재 제조 영역에 진입했습니다. UAM 항공기가 운항하려면 대형 상용기와 유사하게 항공 운항을 관장하는 당국의 인증을 받아야 합니다. 미국은 FAA, 유럽은 EASA가 담당합니다. 인증을 획득하려면 항공기가 특정 안전 및 성능 지표를 충족해야 합니다. 인증 요건을 충족하기 위해 복합재를 사용하는 것은 비록 간단하지 않지만, 몇 가지 일반적인 소재 및 공정 조합으로 충분히 달성 가능합니다.

그러나 UAM 제조사들은 수백 대, 아니 수천 대에 이르는 양산 물량도 고려하고 있습니다. 이는 보잉 787이나 에어버스 A350의 월 8대 생산 속도와는 완전히 다릅니다. 이러한 생산 속도를 달성하려면 고품질의 규격품 항공 구조물을 반복 가능하고 신뢰성 있게 효율적으로 생산할 수 있는 공정, 공정 제어 및 자동화 기술의 개발이 필요합니다. 따라서 UAM 제조는 복합재 업계의 흔한 구호인 "항공우주 품질, 자동차 생산량"의 대표 주자가 되었습니다.

에어택시 서비스 선두주자 중 하나는 예상대로 우버(Uber)로, 우버 엘리베이트(Uber Elevate)라는 항공 라이드셰어링 서비스를 만들었습니다. 우버 엘리베이트는 자사를 위해 항공기를 제작할 여러 UAM 제조 파트너와 계약했습니다. 여기에는 오로라 플라이트 사이언스(Aurora Flight Sciences), 벨(Bell), 엠브라에르(Embraer), 현대자동차, 잔트 에어 모빌리티(Jaunt Air Mobility), 조비 에비에이션(Joby Aviation), 오버에어(Overair), 피피스트렐 버티컬 솔루션스(Pipistrel Vertical Solutions)가 포함됩니다.

우버의 차량 설계 및 구조 책임자 미샤 폴락(Mischa Pollack)은 CAMX 2020 발표에서 자사 서비스가 2023년까지 몇몇 도시에서 초기 인증을 받고, 2026년 확장, 2028년 본격적인 규모 확대를 예상한다고 밝혔습니다. 2035년까지 우버 엘리베이트는 50개 이상의 시장에서 항공 라이드셰어링 서비스를 제공하며 연간 10,000대의 UAM 항공기 수요가 발생할 것으로 전망했습니다. 그는 "이 수치는 여전히 상업용 항공우주 제조 속도에 가깝지만, 복합재 제조 기술이 여전히 진화해야 한다"고 말했습니다.

그러한 진화는 어떤 모습일까요? 폴락의 양산 희망 사항은 기본적으로 복합재 업계가 수년간 예상해 온 산업화 로드맵입니다: 연간 최대 4,500톤의 고탄성/고강도 탄소섬유, 자동 테이프 및 섬유 배치를 통한 자동화 증대, 압축 및 풀트루전 공정의 확대, 섬유 강화 적층 제조의 전략적 활용, 자동화된 본딩 및 용접, 실시간 인라인 검사, 폐기물 제로 또는 최소화, 저에너지 소재의 사용 증대, 재활용 소재의 실질적 활용, 지속 가능한 에너지·소재·공정 전략 적용 등입니다.

다행히 복합재 업계에는 그러한 수요를 충족할 공급망을 개발할 몇 년의 시간이 있습니다. 그동안 각 UAM 제조사가 양산으로 전환하는 방식은 다양합니다. 일부는 아래에서 언급하듯 모든 생산을 내부에서 수행합니다. 일부는 시제품 제작은 내부에서 하지만 양산은 파트너에게 이관할 계획입니다. 또 다른 일부는 처음부터 서드파티 파트너와 협력하여 그 전략을 양산까지 유지합니다.

오늘날 에어택시 또는 화물 운송용 UAM 항공기 개발에 착수한 기업은 100곳이 넘지만, 비행 시제품이나 데몬스트레이터를 제작할 만큼 충분한 자금을 확보한 곳은 소수에 불과합니다. 이들은 다음과 같습니다: 베타 테크놀로지스(Beta Technologies, 미국 버몬트주 사우스 벌링턴), 이항(EHang, 중국 광저우), 조비 에비에이션(Joby Aviation, 미국 캘리포니아주 산타크루즈), 릴리움(Lilium, 독일 뮌헨), 피피스트렐(Pipistrel, 슬로베니아 아idovščina), 볼로콥터(Volocopter, 독일 브루흐잘), 위스크(Wisk, 미국 캘리포니아주 마운틴뷰).

여기에 소개된 모든 UAM 항공기에는 몇 가지 공통 특징이 있습니다. 첫째, 비교적 작으며 2~4명의 승객 또는 동등한 중량의 화물을 수용합니다. 둘째, 거의 모두 자율 비행합니다. 셋째, 완전 전동식이며 충전식 배터리에 의존합니다. 넷째, 수직 이착륙을 가능하게 하는 리프팅 로터를 사용합니다. 여기에 나열된 모든 UAM 제조사가 자사 기체에 복합재를 어떻게 적용하는지 CW와 공유하려는 것은 아니었습니다. 다음은 제공된 정보를 요약한 것입니다.

베타 테크놀로지스(Beta Technologies)

조용하지만 빠르게 나아가고 있는 베타 테크놀로지스는 최대 5명의 승객을 수송할 수 있는 파일럿 탑승형 eVTOL ALIA 250c를 개발 중입니다. 이 기체는 4개의 리프팅 로터와 1개의 추진 로터를 갖추고 있습니다. 리프팅 로터는 동체 상부 날개 전후방의 붐에 위치하며, 추진 로터는 수평 미익 뒤 동체 후미에 있습니다. ALIA 250c의 목표 항속거리는 400km이며, 승객 수송용으로 설계되었지만 최초 적용 분야는 출시 고객인 유나이티드 테라퓨틱스(United Therapeutics)를 위한 인체 장기 수송입니다.

ALIA 250c의 모든 복합재 구조물 제조는 블루 포스 테크놀로지스(BFT, 미국 노스캐롤라이나주 모리스빌)가 담당합니다. BFT는 항공우주 최종 시장을 위한 복합재 부품 및 구조물의 설계, 엔지니어링, 툴링, 시제품 제작 및 양산을 전문으로 합니다. BFT의 미래 프로젝트 부사장 숀 헤르만(Shawn Herrmann)은 베타 테크놀로지스가 ALIA 250c에 다수의 중량 및 성능 조건을 제시해 팀이 특히 도전적이었다고 전했습니다. 그는 BFT가 베타 설계의 세 가지 요소에 따라 움직였다고 말합니다: 전체 기체 중량 대비 최소 구조 중량 비율 25% 엄수, 공기역학적 블렌딩이 필요한 다중 구조-구조 인터페이스를 가진 고도로 윤곽진 형상, 최소한의 조인트를 가진 고도로 일체화된 구조.

"베타는 아무도 시도하지 않은 항속거리 설계 지점을 목표로 하기 때문에, 호버링 시 빈 중량 비율을 희생하지 않으면서 크고 효율적인 날개를 탑재해야 합니다." 헤르만은 말합니다. "구조물에서 1파운드를 덜어내면 그만큼 배터리에 할당할 수 있어 항속거리가 늘어납니다."

첫 번째 기체 제작을 위해 BFT는 일반적인 저온 경화 표준 모듈러스 프리프레그 대비 성능 저하 없이 소프트 툴링에 적합한 공정을 사용해 공격적인 중량 목표를 달성해야 했습니다. "당사의 독자적인 인퓨전 기반 공정과 소프트 툴링 접근법을 결합하면, 프리프레그 기반 시제품용 카본 툴링을 제작하는 데 걸리는 시간과 동일하게 실험용(비행 가능) 기체 전체를 제작할 수 있음을 발견했습니다."라고 헤르만은 설명합니다.

헤르만은 BFT가 지난 5년간 시제품용 1차 구조물에 레진 인퓨전 기술을 개발해 왔다고 밝혔습니다. ALIA 프로그램에서는 소재 및 공정 테스트를 추가로 수행해 인퓨전 기술을 반복 개선함으로써 프로그램에서 요구하는 구조 중량 비율을 달성하는 기계적 물성을 도출했습니다. 게다가 실온 경화와 독립형 후경화만 필요한 레진 시스템으로 이를 달성했습니다. 또한 BFT는 ALIA 구조물을 가능한 한 적은 조인트로 제작하고자 했으며, 이는 50피트 길이의 날개와 리프팅 로터를 지탱하는 두 개의 35피트 붐 등 긴 일체형 구조물을 의미합니다.

첫 ALIA 제작에 사용된 레진 시스템은 내부에서 개발된 것으로 공식 인증 소재는 아닙니다. 헤르만은 이것이 시제품 제작에는 충분하지만, ALIA가 양산 단계에 들어가면 인증 요건으로 인해 다른 소재 및 공정 결정이 필요할 것이며, 프리프레그로 전환할 가능성도 있다고 인정합니다. "인증이 양산 기체의 소재 선택을 주도하는 주요 동인이 될 것입니다." 헤르만은 말합니다. "양산 기체는 외형과 중량이 비슷하겠지만, 인증과 고속 생산에 적합한 소재와 공정을 채택할 것입니다."

베타가 공개하지 않은 양산 물량에 대한 기타 고려사항으로는 소재 및 공정 흐름, 자동화 등이 있습니다. BFT는 이미 전자에 착수했으며, 후자는 거의 확실하다고 헤르만은 말합니다: "자동화는 설계에 사용되는 기계적 물성을 산출해야 하며, 공장이 설계된 속도로 생산하고 예측된 최소 반복 비용으로 제작해야 하며, 손상 허용 설계 접근법에서 가정한 결함 크기 및 밀도 가정과 일치하는 라미네이트를 반복 가능하고 신뢰성 있게 생산함을 입증해야 합니다. 우리는 레이업, 검사, 트리밍/드릴링, 조립 등 다양한 수준의 자동화를 활용한 양산의 미래를 보고 있습니다."

이항(EHang)

약간 다른 접근법을 취하는 이항은 2인승 에어택시 또는 화물(에어 로지스틱스) 수송용 자율 헬리콥터형 eVTOL 이항 216을 개발 중입니다. 이 기체는 동체 하부에서 방사형으로 뻗은 구조 암에 각각 장착된 8개의 동축 로터를 특징으로 합니다. 로터 암은 수직으로 접어 올려 기체 보관을 용이하게 합니다. 볼로콥터의 볼로시티(VoloCity)처럼 이항 216은 스키드형 착륙 장치를 사용합니다. 최대 탑재량 220kg, 최대 항속거리 35km입니다.

이항 216의 비행 영상은 풍부하며, 이 기체가 인원 및 화물 운송체로서의 능력을 입증합니다. 2020년 5월, 이항은 중국 민용항공국으로부터 이항 216을 에어 로지스틱스 목적으로 사용하는 세계 최초의 상업적 시범 운영 승인을 받았다고 발표했습니다. 이어 2020년 7월에는 캐나다 교통부 민간항공국으로부터 특별 비행 운영 인증서를 받아 캐나다 퀘벡에서 이항 216 시험 비행을 할 수 있게 되었습니다.

이항 216의 복합재를 포함한 전략적 제조 파트너는 항공우주 제조사 FACC AG(오스트리아 리드 임 인크라이스)입니다. 이항과 FACC 모두 이번 취재를 위해 CW에 복합재 소재나 공정 정보를 공유하지 않았지만, FACC는 개발 중인 항공기 최적화 및 양산 계획 수립을 위해 이항과 협력할 것이라고 밝혔습니다. 또한 인증, 애프터마켓 유지보수 서비스, 연구개발도 지원할 예정입니다.

조비 에비에이션(Joby Aviation)

가장 주목받는 AAM 프로그램 중 하나는 조비 에비에이션이 개발 중인, 아직 이름이 정해지지 않은 파일럿 탑승형 헬리콥터형 eVTOL로, 최대 4명의 승객을 태운 에어택시 수송을 목표로 합니다. 조비 기체의 특징은 6개의 틸트 로터입니다. 2개는 동체 상부 날개에, 2개는 꼬리 날개에 장착됩니다. 3륜 착륙 장치를 사용하며, 항속거리 240km, 최고 속도 320km/h입니다.

조비는 항공 라이드셰어링 서비스 우버 엘리베이트와 다년간 상업적 파트너십을 맺고 있지만, 자체 라이드셰어링 서비스 출시도 검토 중입니다. 어느 쪽이든 2023년 서비스 개시를 목표로 합니다.

조비는 이번 취재를 위해 자사 항공기의 복합재 소재 및 공정 정보를 CW와 공유하지 않았습니다. 하지만 조비가 산타크루즈 시설 내외에서 상당한 복합재 제조 역량을 개발해 온 것은 잘 알려진 사실입니다. 조비의 첨단 개발 담당 존 게리구이스(John Geriguis)는 CAMX 2020 발표에서 조비의 산업화 목표가 우버의 폴락이 제시한 것과 유사하지만, 자사 복합재 제조 운영에서 피하고 싶은 것으로 표현했습니다: 폐기물 최소화, 소재 유효기간 없음, 소재 아웃타임 제한 없음, 인적 자원 이슈 없음, 인적 변수에 의존하지 않음, 육안 검사 없음, 최종 조립 후 수리 없음. 게리구이스는 또한 조비가 현재 열경화성 레진 시스템을 사용하지만, 향후 세대 기체에는 열가소성 복합재를 통합할 기회가 있다고 언급했습니다.

릴리움(Lilium)

독일 기업 릴리움은 파일럿 탑승형 고정익 eVTOL 에어택시 릴리움 제트(Lilium Jet)를 개발 중이며, 최대 4명의 승객이 탑승할 수 있습니다. 이름에 '제트'가 붙지만, 릴리움 제트는 각 날개 전방과 수평 꼬리날개에 장착된 36개의 틸팅 덕트 팬으로 구동됩니다. 도시 간 서비스를 위해 설계되었으며, 항속거리 300km, 최고 속도 300km/h입니다. 릴리움은 릴리움 제트 비행 시험을 완료했으며, 2019년 10월 자사 사이트에 영상을 게시했습니다. 7월에는 도레이(Toray, 일본 도쿄)와 탄소섬유 공급 계약을 체결했다고 발표했습니다. 발표에 따르면 도레이는 초기 기술 데몬스트레이터 추가 제작을 위해 릴리움에 직접 탄소섬유를 공급하고, 릴리움 제트가 시제품 및 양산 단계에 진입하면 릴리움의 협력사에 탄소섬유를 납품할 예정입니다.

릴리움의 수석 프로그램 책임자 이브 옘시(Yves Yemsi)는 탄소섬유 복합재가 동체, 날개, 플랩을 포함한 릴리움 제트의 모든 1차 구조물에 사용될 것이라고 밝혔습니다. 릴리움으로부터 피드백과 정보가 약속되었으나 아직 전달되지 않았습니다.

피피스트렐(Pipistrel)

다소 이례적인 사례는 피피스트렐로, 승객이 아닌 항공 화물 및 에어 로지스틱스 용도의 자율 eVTOL 누우바 V300(Nuuva V300)을 개발 중입니다. 8개의 리프팅 로터와 1개의 추진 로터를 사용하며 최대 탑재량 460kg입니다. 화물은 동체 내부에 보관되며 측면 또는 노즈 섹션에서 접근합니다. 피피스트렐은 현재 첫 누우바 V300 시제품을 제작 중이지만, 이미 양산 주문을 받아 연간 "수백 대"를 제조할 계획입니다.

피피스트렐은 복합재 항공 구조물 제조 분야에서 25년 이상의 경험을 보유하고 있으며, 누우바 V300에 부품 교환성, 현장 수리성, 빠른 경화 공정에 집중하고 있습니다. 에폭시 기반 프리프레그만 사용하며, 주로 핸드 레이업과 실온 경화로 가공하고, 소형 부품에는 가끔 오토클레이브 경화를 적용합니다. 피피스트렐은 기체가 양산에 들어가면 오토클레이브 외 프리프레그 기반 자동화를 광범위하게 활용할 것으로 예상합니다.

볼로콥터(Volocopter)

볼로콥터가 개발 중인 볼로시티(VoloCity)는 2인승 자율 헬리콥터형 eVTOL입니다. 바퀴 달린 착륙 장치 대신 스키드를 사용하며, 18개의 리프팅 로터로 구동됩니다. 최대 탑재량 200kg, 최고 속도 110km/h, 항속거리 35km입니다. 볼로시티의 로터는 동체 상부에 고정된 구조 림에 배치되며, 12개는 림 원주 상에 등간격으로, 6개는 림 안쪽 더 작은 직경에 위치합니다. 각 로터 직경은 2.3m, 림 전체 직경은 11.3m입니다. 볼로콥터는 현재 볼로시티 예약을 받고 있으며, 2023년 서비스 개시를 희망합니다.

볼로콥터는 볼로시티 기체 전체, 로터 플레인, 시트에 복합재를 적용하고 있다고 밝혔습니다. 시제품과 데몬스트레이터는 이름이 밝혀지지 않은 복합재 제조 파트너가 탄소섬유와 유리섬유를 습식 레이업으로 제작합니다. 레진 종류는 밝혀지지 않았으나 에폭시일 가능성이 높습니다. 볼로콥터는 "시간 제약과 목표를 고려할 때, 우리의 필요와 양산 일정에 부합하는 인증된 소재를 사용하는 것이 중요했다"고 설명했습니다. 볼로시티가 양산 단계에 진입하면 오토클레이브 외 프리프레그로 전환할 예정이며, 제작은 "해외 제조사"가 맡을 것이라고 덧붙였습니다.

볼로콥터가 연간 몇 대의 볼로시티를 생산할지는 미지수이나, 이번 취재에 대한 회사 측 답변에 따르면 "수천 대" 규모이며, "확실한 것은 현재 항공기 제조사보다 자동차 제조사에 가까운 생산 속도를 달성하려 한다"는 것입니다.

위스크(Wisk)

위스크는 보잉(미국 워싱턴주 시애틀)과 키티호크(미국 캘리포니아주 팔로알토)의 합작 투자로, 2인승 자율 고정익 eVTOL 에어택시 코라(Cora)를 개발 중입니다. 코라는 12개의 리프팅 로터(각 날개 전후방에 3개씩)와 동체 후미 꼬리 부분 앞에 위치한 1개의 추진 로터로 구동됩니다. 3륜 착륙 장치를 사용하며, 최대 항속거리 40km, 최고 속도 160km/h입니다.

위스크는 코라의 모든 1차 구조물을 독자적인 레진 및 섬유 조합을 사용해 내부에서 복합재로 제작한다고 밝혔습니다. 위스크는 "이미 검증된 솔루션에서 설계를 시작하는 것이 일반적으로 더 쉽기 때문에" 인증된 소재를 선택했다고 전했습니다. 제조 공정은 레이저 가이드 핸드 레이업에 진공 백 하의 오토클레이브 외 통합 공정입니다. 완성된 구조물은 한계 하중 시험, 열화상 검사, 초음파 검사로 평가됩니다. 생산이 확대됨에 따라 "현재 eVTOL에 예상되는 생산 속도"를 충족하기 위해 자동화 기술을 통합할 예정입니다. 또한 코라가 양산 단계에 들어가도 내부 제조를 유지하며, 용량 제약 시 협력사가 보충 생산을 담당할 것이라고 밝혔습니다.

제조사/기체	추진 방식	조종	수용 인원	최대 항속거리	최고 속도
베타 테크놀로지스 ALIA	리프팅 로터 4개, 추진 로터 1개	파일럿 1명	승객 5명	400km	274km/h
이항 이항 216	로터 16개(8쌍)	자율	승객 2명 또는 220kg	35km	130km/h
조비 (미정)	덕트 틸트 팬 36개	파일럿 1명	승객 4명	300km	300km/h
릴리움 릴리움 제트	틸팅 덕트 팬 36개	파일럿 1명	승객 4명	300km	300km/h
피피스트렐 누우바 V300	리프팅 로터 8개, 추진 로터 1개	자율	화물 460kg	300km	220km/h
볼로콥터 볼로시티	로터 18개	자율	승객 2명 또는 200kg	35km	110km/h
위스크 코라	리프팅 로터 12개, 추진 로터 1개	자율	승객 2명 또는 180kg	40km	160km/h