1. 서론 (p.5)

o“2050년 미래 항공교통 시스템”의 기초를 확립하기 위해 필요한 연구과제는 어떠한 것들이 있는가?“

o EREA는 이 목적을 달성하기 위해 필요한 연구 및 이와 관련된 문제를 정의하여 해답을 얻고자 하고 있음

o 이에 대한 해답을 얻기 위해 다음과 같은 두 가지의 연구 과제를 수행하였음

o 첫째 : “EREA:미래에 대한 비젼-2050년 미래의 항공교통 시스템”에 대한 연구보고서를 2010년에 발간, 2050년의 항공 산업 전반에 대한 4 가지의 시나리오를 분석한 후, 관련 기술적 문제점들과 추가적인 연구개발이 필요한 사항에 대한 권고사항을 수록함

o 둘째 : 상위개념의 항공 산업 연구인 “항공노선 2050:유럽 항공 산업의 비젼”을 2011년에 발간하고, 연구결과 도출된 권고사항들을 유럽위원회 보고서의 관련 산업 목표사항들에 포함시킴

o 본 보고서는 상기 2가지 연구사업 중 두 번째 사업에 대한 결론을 제시함

o 연구결과 유럽이 항공 산업의 설계, 제조 및 운용 - 특히 환경적 지속가능성 측면에서 주도적 역할을 수행하기 위해서는 다음과 같은 5 가지 분야에서의 연구가 우선적으로 수행되어야 함

< 우선 연구대상 항공분야>

2. 기체형상 : 미래지향적인 외형(p. 8)

1) 기체형상

o 민간항공기의 형상은 1920년대 이후로 거의 근본적인 변화가 없다고 할 수 있음

o 거의 예외 없이 모든 비행기 승객들은 원통형태의 동체(Fuselage) 및 꼬리부분에 탑승하고, 엔진은 날개 하부 또는 후미부에 장착되는 형태를 벗어나지 않음

o 비록 비행역학(aerodynamics) 및 비행조정 시스템(Flight Control System)분야에 상당한 발전이 이루어지긴 했지만, 이러한 분야 보다는 신개념 설계재료 및 설계방법을 이용한 미래 항공기에 대한 혁신적인 아이디어 도출방법이 변화를 주도하고 있음

o 개별 항공기 차원의 기술(Single Aircraft Technical Level)

- 항공역학의 효율성 개선을 위한 능동/수동적 유체흐름 조절시스템 및 호환 가능한 고양력 장치(High-lift Device)에 대한 연구 필요

o 재료(Material) 및 구조(Structure)

- 사용 재료의 특성을 기반으로 하는 설계방법

- 통합 구조형태 및 구조와 기능의 통합방안

o 항공기 전반에 대한 기술수준 (Overall Aircraft Level)

- 비행영역 보호(Flight envelope protection)를 위한 항공기 형상 개선 및 자체 유지관리기능을 통한 안전성 향상시스템과 더불어 항공기 기체 전반에 대한 비행 모니터링 및 통합적 기체 건전도 평가분야에 연구역량을 집중

< 혁신적 기체형상 >

 

2) 항공기 형태 (Aircraft Configuration) (p. 9)

o 동체날개 통합기체(Blended Wing Body)

- 현재 사용되는 재래적인 항공기 형상은 양력을 발생시키는 구조물(날개)와 적재중량을 부담하는 구조물(동체, Fuselage)가 분리되어 비행체가 비대해지고 과도한 항력(Drag)을 유발시킴

- 날개형태의 비행체는 가장 항공 역학적으로 효율적인 구조이나, 연관분야의 기술적인 난제가 많이 발생함

- 동체날개 통합기체는 항공기 형상에 대한 훌륭한 대안이 될 수 있으며, 이에 수반되는 구조적 문제점들은 첨단 복합재료 기술 및 생산방법의 개발로 해결이 가능함

 

<동체날개 통합기체>

 

o Prandtl 기체 개념

- 날개크기와 양력이 같을지라도, 주익(Wing)과 미익을 연결하여 연속화 시키면 이착륙, 상승 및 하강시와 같은 저속 상황시 항공기의 항력을 20% 이상 감소가 가능함

- 이러한 기체 운용시 항공기의 중량이 기존 항공기 형태에 비해 무거워 지지 않는다면 연료 소모량을 약 10% 정도까지 절감이 가능

o 틸트 로터 항공기체(Tilt-Rotor)

- 틸트로터 기체는 헬리콥터의 부양능력과 터보프롭 기체의 고속기동성을 혼합한 형태로서, 헬리콥터의 고속기동시 주로터(Main Rotor)의 추력손실로 인한 속도한계를 극복할 수 있는 기술임

o 개인승용항공기(Personal Air Transport)

- 개인 승용항공기로서 짧은 거리를 이동하는 소형항공기는 대단히 적은 온실가스를 배출하고 손쉬운 조정기능의 이점을 제공함

- 저고도 및 저속운항을 특징으로 하며, 최대 8명 정도의 탑승인원으로 엔진을 포함하여 대부분의 시스템이 전기동력으로 구동되며, 높은 수준의 자동화기술이 필요함

 

< 틸트 로터 항공기>

 

o 초음속 상업항공기

- 북아메리카, 유럽, 아시아 및 남아메리카의 대도시들을 연결하는 초음속 상업 항공기는 전세기(Charter)나 정기여객 항공편에 비해 실질적인 사업성을 확보함

< 초음속 상업 항공기>

 

o 기술적 난제

- 초고온에 견디는 탄소섬유 자재의 개발

- 음속 돌파시 발생하는 소음문제의 해결

- 조종이 쉽고, 신뢰성이 높은 기체

- 배출가스가 적고, 고속의 추진력 발생장치

3) 새로운 기체에 적용되는 신기술(p. 11)

o 항력감소(Drag Reduction)

- 와류(Vortex)에 의한 항력을 감소

항공기는 양력의 발생시 주변 공기를 지면방향으로 꺽여서 흐르게 하는 특성이 있는데 이로 인해 발생되는 와류에 의해 비행저항이 발생되며, 이 저항은 전체 항공기 저항의 33% 이상을 차지함

이를 저감시키기 위해 날개를 크게 하거나, 날개 끝의 형상을 개량하여 항력을 감소시킴

- 마찰점성(Viscous)에 의한 항력을 감소

마찰점성 항력은 항공기 항력의 2/3를 차지하는 요소로서, 마찰항력과 점착항력으로 구성됨

o 컴퓨터 제어 항공조종 기술의 개발로 항공기의 노출표면적을 감소시키고, 항공기 외형을 난류(Tubulence)발생을 감소하도록 개선하여 항력을 감소

- 항공기 주변 공기흐름의 층류(Laminar flow)유도로 항력을 감소

항공기 표면을 가능하면 유선형으로 제작하여 주변 공기흐름을 층류흐름으로 유도, 이로 인하여 소모연료량을 5~10% 절감이 가능

o 소음감소

- 항공기 소음은 운항시 외장재와 엔진 등의 위치에 의해 발생됨

- 이러한 본체소음은 이/착륙시 엔진소음에 필적할 만큼 크게 발생하여 항공기 하부에서 느끼는 소음의 대부분을 차지함

- 본체소음에 대한 주요원인은 다음과 같음

. 플랩장치(Flap)

. 날개 전방에 위치한 슬랫장치(Slat)

. 착륙바퀴 및 바퀴 홈

. 주 날개 및 꼬리날개

. 동체

- 상기 장치들의 운항 중 발생소음을 감소시키는 다양한 기술이 필요

 

o 중량감소 : 가장 효율적인 방법 (p. 13)

- 항공기 기체의 중량을 감소시키는 것은 효율적인 수송을 위한 가장 중요한 요소임

- 이러한 목적을 달성하기 위해서는 한 분야만으로는 부족하며, 다음과 같은 여러 분야에서의 신기술이 적용되어야 함

- 통합적 구조설계 : 복합재료 및 제조기술의 개발

- 항공탄성학적 형상 : 항공기 운항 중 구조부재의 변형을 감안하여, 이로 인한 하중증가를 최소화 하는 계획

- 자체치유 물질 : 장기간 사용으로 인한 노후 자재의 자체적인 보수가 가능한 복합 신소재 개발

- 사용 재료기반의 구조설계 : 항공기 제작시 초 경량 CFRP 등을 사용하여 총 생애기간 동안의 개념으로서 탄소발생량을 감소

- 객실 창문의 변형 : 기존의 창문은 항력을 유발하고, 하중을 증가시키므로, 경량의 항력저감용 스크린 구조로 대체

- 신소재의 개발 : 열탄성(Thermoelastic) 복합재료 및 나노기술을 접목한 신소재개발로 항공기의 경량화 가능

 

4) 기술의 제휴(Interdisciplinary) 및 통합(Intergration)

o 제조기술 : 구조부재(Panel)의 대형화 및 직접화(Integration)

o 복합재료와 이와 연관된 제조기술은 보다 효율성이 높은 비정형의 항공기 기체제작을 가능하도록 함

o 항공기의 건전도 및 운행상황의 온라인 모니터링

 

3. 추진 장치(Propulsion)

1) 미래의 추진장치 : 환경보호

o 현대의 항공기에 추진력을 발생시키는 터보팬엔진은 그 효율성 측면에서 한계에 다다르고 있음

o 연료소비 및 배출가스 측면에서 이보다 한 단계 진일보하기 위해서는 추진 장치 개념과(또는) 항공기 기체형상의 획기적인 변화가 필요함

<기술대비 투자시간> <기술대비 투자/항공기 형태>

 

2) 재래식 엔진을 기반으로 한 신기술 (p. 17)

o 이중반전 노출로터(Contrarotating Open Rotor)

- 기체의 후면에 탑재된 첨단방식의 코어에 의해 회전하는 이중반전 회전로터

- 현재 사용되는 최신 터보팬 엔진의 연료사용량 대비 30% 적은 연료 사용량을 나타냄

 

o 이중반전 팬(Contrarotating Fan)

- 높은 팬 효율과 엔진직경 감소가 가능한 엔진으로 항력, 연료소비량 및 배출가스량을 감소시켜줌

<에어버스 항공기의 일반형 노출 로터 >

 

o 인터쿨러 시스템(Intercooled System)

- 중간 냉각장치(Intercooled System)에 의해 냉각되는 엔진은 대단히 낮은 연료소모량과 배출가스량을 나타냄

- 이러한 장치의 도입으로 인해 감소되는 연료량과 배출가스량은 일반 재래적 터보팬 엔진에 비해 30% 가량 연료를 절감

o 나노기술(Nanotechnology)

- 나노기술을 이용하여 터보팬 엔진의 블레이드에 부식방지 코팅을 효율적이고 보다 완벽하게 다층시공이 가능

- 이러한 시공효과는 블레이드 교체주기를 길게 하여 운용비용을 절감

o 충격회전엔진(Rotating Detonation Engine)

- 폭발성 연소방식으로 연료를 연소할 경우 일반 연소실 엔진에서도 대단히 큰 연소압력을 획득

- 이러한 방식은 대단히 간단한 연소실 구성이 가능하여 엔진크기의 축소가 가능

- 높은 압력의 발생으로 연료효율성을 향상시키고, 연료소모량 및 배출가스량을 감소함

- 주요 연구대상으로는 연소실 내부의 폭발유발 장치 및 연료 혼합비 등에 집중되고 있음

o 충격파 엔진(Pulse detonation Engine)

- 충격파 엔진이란 일반 재래식 가스터빈 발화주기에서 충격파를 발생시키도록 하여 대단히 높은 압력을 발생시켜 연료효율을 높이고 엔진의 크기를 작게 할 수 있는 기술

- 일반적으로 약 10% 정도의 연료절감효과가 있음

o 피스톤 엔진 연료분사기술

- 고압 및 고속의 직분사기술은 일반항공기와 더불어 무인항공기와 같은 군사목적으로 사용됨

- 여러 가지 다양한 연료에 적용이 가능

 

3) 혁신적 기술 (p. 19)

o 지속가능한 대체 연료

- 비 생태연료(Non-biofuels)

농산물 폐기물, 고체 폐기물 및 산업폐기물 등에서 추출하는 다양한 비 생태연료의 개발이 활발히 진행 중

- 생태연료 (Biofuels)

생태연료의 사용시 온실가스 배출량을 15% 까지 절감이 가능하며, 미래세대의 연료공급 상황의 안전성을 향상시킴

- 수소연료

수소는 제트엔진, 내연기관 및 연료전지 등 다양한 분야에서 연료로 사용될 수 있음

o 전기추진장치

- 완전 전기동력 비행기

연료전지 등을 이용한 전력으로 전기모터를 내연기관 대신에 사용하여 추진력을 획득

- 고효율 전기에너지 저장장치

- 축전지 전기 동력

축전지를 지상에서 충전 후 전기모터에 전기를 공급하여 비행기의 동력으로 사용

- 연료전지(Fuel Cells)

소형 항공기의 동력 모터에 전기를 공급하는 방식으로 연료전지의 사용이 점차 현실화 되고 있음

- 태양광 연료 전지(Photovoltaic Fuel Cell)

주로 고공에서 장기간 활동하는 소형 항공기의 동력제공 용도로 사용됨

- 하이브리드 전기터빈(Hybrid Electric Turbine)

강력한 중량대비 추력을 발생시켜 항공기의 이륙시 고출력을 발생하고, 순항 시에는 전기에너지를 사용하는 엔진

- 초고속 추진장치

램제트(Ramjet) 또는 스크램제트(Scramjet)엔진을 사용하여 초고도에서 고속운항이 가능

- 저질소 화합물 연소 램제트 엔진(Low NOX combustor ramjet)

램제트 엔진에 공기-수소 화합물을 연소할 경우 고농도 질소화합무리 방출됨

이 경우 오존층의 손상을 야기 시켜 질소화합물의 발생을 저감시키는 방법이 필요

- MHD 스크램 제트 엔진 (Magneto Hydro Dynamic Scramjet)

기존의 스크램 제트엔진을 자기(Magneto)-수소(Hydro)-동력(Dynamic)바이패스 시스템을 이용하여 성능을 개선

연소효율을 높이고 엔진크기를 소형화 가능

- 원자력 추진 장치

군사적 목적으로 1950년대부터 연구개발 시작

200ton 규모의 항공기에 80ton 크기의 원자로가 필요

이러한 원자로 중량의 70%는 방사능 차폐시설의 중량임

 

4) 대체안 (p.22)

o 추진장치의 기체 내부설치

- 동체날개 통합기체와 같이 추진장치를 동체 내부에 위치하거나 분산시킴

- 항력이 감소하고 비행기 동체 주변의 유속을 균일하게 하여 연료 효율성 개선

o 연소효율 개선을 위한 태양광 사용

- 동체날개 통합기체들은 형상 조건상 기체 상부에 광전지 소자의 설치가 용이

- 광전기 발생으로 연료효율의 개선과 더불어 번개 등의 기상현상에 대한 항공기 안전성 향성

 

4. 부가장치 (On Board Subsystem) (p. 23)

o 항공기의 승무원, 여객, 항공기 관리 시스템 등의 기능을 수행하는 장치를 부가장치라 함

o 새로운 부가장치에 대한 연구에는 다음과 같은 두 가지 방법이 있음

o 상향식(Bottom-up approach) : 현재의 항공기 시스템을 분석하여 이들에 대한 혁신적인 개선가능성 모색

o 하향식(Top-Down approach) : "미래의 EREA 비젼" 및 "항공노선 2050비젼" 등에 제시된 혁신적, 창의적인 아이디어를 분석하고 이들을 실현할 수 있는 방법을 모색하는 방법

 

1) 부가장치 개발의 주요 분야

o 전천후 비행시스템

o 혁신적 에너지 사용기술

o 첨단 기체상태 모니터링 및 진단기술

o 메타시스템(Meta-System) : 나날이 복잡해지는 항공기의 각종 부가기능을 관장하는 상위시스템의 설치

o 시스템 엔지니어링 : 항공기의 제반성능을 판단하고, 인증을 부여하는 전문적 시스템 개발

o 대규모 항공기 기체

o 표준화 및 모듈화

o 다목적, 재조정이 가능한 다용도 부품화 (Adaptive, reconfigurable, multi - purpose hardware)

 

2) 연구 분야 : 상향식 접근방법 (p. 25)

o 재설정 가능(Reconfigurable)통신시스템

o 적용성이 우수한(Adaptive)통신시스템

o 일체형 안테나(Conformed Antenna) : 비행기 동체와 일체화함으로서 저항의 감소

o 고화질 시각신호 시스템(Enhanced Vision System)

o 종합 시각신호 시스템(Synthetic Vision System) : 위기 상황시 종합 항공안전관련 정보제공 시스템

o 환경에 기초한 UAV(Unmanned Aerial Vehicle, 무인항공기) 지상활주 및 자동 착륙분야

o 보조동력 유닛을 위한 연료전지

o 항공기 동력계통 정보소통시스템(Powerline data communication in aircraft)

o 무선 데이타 통신 시스템

 

3) 연구분야 : 하향식 접근방법

o 고수준 ATS(항공교통시스템, Aircraft Transport System)안전성 확보장치

o 고성능 ATS 적용성 확보

o 비행비용 절감방안

o 환경오염 감소방안

o 비행 쾌적성 향상

o 항공보안 향상

 

5. 항공교통의 완전 자동화 추구 (p. 29)

o 항공교통의 자동화를 추구하는 방안은 다음과 같은 3가지의 주요 분야로 나뉨

 

1) 완전 자동화로 가는 방안

o 4차원 ATM 계약(Contract)

- 항공기 관리를 전 세계적인 차원에서 효율적으로 통합 관리하기 위한 혁신적인 개념

o 자동 항공 교통 관리 체계

- 항공기에서 자동적으로 모든 항공운항에 필요한 제반정보를 획득 및 공유가 가능

- 공항별로 별도의 관제탑이 필요하지 않으며, 원거리의 관제탑이 여러 공항을 동시에 관리하는 것이 가능

o 항공기의 자동화

- 항공교통에 필요한 각종 정보를 자동적으로 취득이 가능한 항공기의 자동화 시스템

 

2) 해결과제

o 현실적인 모델의 개발

- 항공교통 시스템이 점차 복잡해지고 상호 연결성이 고도화됨에 따라 충분히 현실적인 모델개발이 어려움

- 시스템간의 상호작용의 시험(Test)의 시행이 가장 큰 난관임

o 인간과 기계간의 소통(Interface)

- 인간과 기계장치간의 차세대 소통시스템을 설계하는데 가장 어려운 점은 어떤 정보들이 미래에는 필요 없게 되는지를 판단하는 것임

- 정보의 양이 점차 과다해 짐에 따라 반드시 수행되어야 할 차세대 제어시스템의 결정이 필요

< 항공교통 시스템(ATS)자동화 권고사항 및 중요도 비교표 >

 

o 이 밖에 정보취득(Data Mining), 센서융합(Sensor fusion) 등 다양한 기술적 난제들이 산적되어 있음

 

6. 공항 (p. 35)

1) 공항 2050 : 효율성과 성능측면에서의 혁신

o 환경적 측면

- 온실가스의 대폭적인 감소 및 외부소음의 감소방법이 가장 중요

o 성능

- 항공교통의 주요 인자로서 수용 가능한 항공교통량 및 여객량에 대한 신뢰성 있는 추정

o 사용자 편의성

- 교통수단의 연계에 의존하지 않는 문 앞에서 문 앞까지(door-to-door) 개념의 신뢰성 높고 안락한 교통 환경 구현

o 안전성

- 높은 수준의 시스템, 운용 및 절차와 관련된 안전성 확보

 

2) 2050 공항의 일반적 개념

o 항공교통 관리는 지역 및 개별공항 보다는 공항 네트웍과 연관됨

o 지상과 항공부분의 연계성에 대한 개념 재정립 필요

                <공항 네트웍 >                                     < 공항의 진화 >

 

3) 공항 2050에 나타난 기술들 (p. 43)

o 공항의 기능과 요소에 따라 여러 가지 다양한 필요기술을 망라함