항공기 중량감소, 연료소비 감소를 위한 노력

중량을 감소하는 것은 더 많은 탑재를 가능하게하고 연료 효율을 좋게한다. 좋은 연료 효율은 그만큼 매연을 적게 배출하여 미래에 친환경적 연료로 각광을 받을 것이다.
항공기 무게를 줄이는 아이디어는

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1. 비행기는 이륙시 가장 많이 필요한 추력을 내고 연료를 가장 많이 소모한다. 이륙을 위해 이륙전용 보조 추력장치를 지상에 설치하여 항공기를 뛰워주는 방법(마치 항공모함에서 캐터펄트를 사용하는 방안과 유사)을 적용하면 많은 연료를 절감하거나 그만큼 연료를 적게 탑재하여 경제적일수있다.

2. 1번 시스템에서 더욱 발전한 형태로 랜딩기어 없이 동체를 이륙전용장치에 얹어 발사하는 형태로 운영하며, TGV 열차처럼 자기부상식으로 비행기를 발사시키는 방법도 고려되고있다. 착륙할때도 자동으로 속도를 맞추어 비행기를 안착시키는 방법 등이 제기되고있다. 그렇게 되면 이륙을 위한 연료를 탑재하지않고, 항공기 시스템중 가장 무거운 부분에 해당하는 랜딩기어를 달지 않음으로 인해 매우 경제적 효과가 크다는 것이다.만일 기술적인 어려움이 있다면 우선 낙하산으로 착륙하는 방법도 고려할수있으나, 낙하산의 바람영향이나, 위치 정확성, 낙하산 실패시의 Back up System등에는 의문점이 많이 제기된다.

3. 또한 B-2처럼 비행기를 만들 경우 부수적인 구조가 줄어들어 구조물 무게가 감소한다. 부수적인 효과로는 공항주변의 이착륙시 소음문제도 해결된다.

4. 열 효율이 높은 연료를 사용할 경우 현재의 기술로 1.5배의 항속 거리를 낼수있으며, 이럴 경우 연료 탑재 공간을 줄이고 연료 탑재 량을 줄여서 무게를 줄일수있다.

5. 군용기처럼 공중 급유를 할 경우 연료 탑재 무게를 훨씬 줄이고, 작은 크기의 항공기로도 지구 반대편까지 비행 할수있으므로 경제적이다. 물론 공중대기중인 대형의 공중 급유기도 효율적인 방법을 택하여 여러 항공기에 공중 급유가 가능해야한다.

편대비행을 통한 연료 감소

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가을 하늘 많은 오리들이 V 자형 편대를 이루면서 비행하는 것을 볼수있다. 이것은 장거리를 날개짓 하면서 갈때 서로 편대 비행을 하여 조금이라도 더 힘을 덜 들이기위한 자연의 방법이다. 현대의 항공기들은 충돌 방지를 위해 서로 근접 비행을 못하도록하고 관제탑은 비행 경로 통제를 한다. 하지만 미래의 항공기는 이와 반대로 서로 편대 비행을 요구할수있다. 현재의 연구 내용은 장거리 비행에서 편대 비행을 할 경우 연료가 약 40%까지 절감 될 수있다고 판단한다. 편대비행을 통해 연료가 절감되는 실험은 이미 NASA에서 F-18을 이용하여 연구한 경험이있다.

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상상도와 같이 항공기도 편대비행에 맞게 다이아몬드 형으로 설계하고, 간격을 0.8미터로 조밀하게 비행을 하면 기존 저항을 60% 줄일수있다고 한다. 하지만 적벽대전에서 배를 서로 묶어서(연환계) 항공모함처럼 단단하게 할려고 했고, 한번의 불로 패망한 조조군대처럼, 한대가 사고날 경우 편대비행하는 모든 항공기에 영향을 주는 대형참사를 우려해야하며, 이러한 우려는 결국 전 편대군 항공기가 공중 넷트웍이나 인공위성을 통해 하나의 컴퓨터 조종통제를 받는 방법 뿐일 것이다. 현재의 컴퓨터 기술에 따르면 그리 먼 미래의 이야기는 아닐듯 하다.

차세대 추진방법
현대 상업용 항공기는 1만천대 이상이 비행을 하고있으며, 대당 출력은 12만 파운드를 넘는다. 불과 20~30년만에 이루어낸 성과다.
환경문제로 말미암아 많은 화력발전소가 원자력으로 바뀌고있고, 많은 가솔린 엔진 자동차가 전기 자동차로 바뀌고있는 시점에 향후 가장 매연을 많이 내는 장치로 유일하게 항공기만 남을 것으로 예상되어 항공기의 추진방법에 대해 연구가 이루어지고있다. 보잉 747한대가 한시간을 비행하면 5만명의 인구가 1년간 마실 산소를 소비한다고 한다.

1. 원자력 엔진
원자력 엔진은 미소 양국이 냉전으로 핵우위를 점하고자 할때 핵폭격기에 탑재할려고 했던 엔진 형태이나, 당시의 기술로는 거대한 핵 반응로와 승무원간의 핵차폐 문제로 백지화된 기술이다.
기술적인 불가능요소는 분명히 해결이 가능하겠지만, 핵 반응로를 탑재한 항공기가 비행을 한다는 사회적 불안감이 아마도 핵 추진 항공기의 현실화에 가장 큰 걸림돌이 될 것으로 보고있다. 그외에도 항공사고 발생시에 방사능 누출문제 또한 장래 현실화에 큰 걸림돌이 될것이다. 일부 전문가들은 핵연료의 현실화전에 다른 대체 연료가 등장 할 것으로 보고있다.

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<핵연료를 이용한 여객기 상상도>

2. 연료전지 항공기
작은 건전지에 많은 에너지를 보관하는 것이 전지산업의 가장 핵심 분야이다. 전지 자동차생산에도 가장 핵심은 배터리이다. 이런 발전 추세로 간다면 항공기도 연료전지를 활용 할 수 없으란 법은 없다. 세계의 연구소들은 좀더 작은 부피에 좀더 많은 에너지를 보관할 수 있는 전지를 생산하기위해 총력을 기울이고 있으며 일부 국가는 국가 전략산업으로 지정하여 연구중에있다.
현재 항공기에서는 보조동력을 순수하게 전지로 대체하는 수준까지는 이러렀지만 주 동력원까지는 아직 모자라는 상태이다.
미국이나 유럽의 군수무기 연구소들은 작은 UAV(무인기)에 연료전지를 이용하여 추진하는 방법을 연구하고있으며 상당히 진전된 상태이다.
아마도 현재의 자동차가 완전 전지자동차로 가기전에 하이브리드 개념으로 가솔린과 전지를 병합하듯이, 수소 연료전지 항공기 출시 이전에 하이브리드 개념의 항공기 또는 수소 연료전지와 태양전지가 복합된 항공기가 먼저 나오지는 않을지 조심스럽게 추측 해 볼만하다.

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<연료전지와 제트엔진을 병합한 Hybrid 개념의 항공기는 이미 구체적으로 제시되어있다>

3. 태양열 에너지
항공기의 추진제 (또는 보조 동력)로 태양열이 제기된 것은 오래전의 일이다. 특히 고고도에서 태양열의 이용은 공짜이면서 거의 무제한적이다. 현재로서는 연료전지와 태양열을 병행을 해야만 하는데, 지금의 기술로는 항공기 무게의 반을 전지로 채워야 하는 상황이다. 하지만 이착륙시에나, 야간에 비행해야하는 장거리 비행시에는 더많은 축전지가 필요하므로 효용성은 없다하겟다. 태양전지 효율도 문제다. 현재 대형기 기준의 나랙를 기준하여 태양전지판을 부착하면 약 25Kw의 전력이 생산되는데, 실제 비행을 위해서는 10,000 kw의 전지가 필요하다. 즉 필요량의 0.25% 밖에 생산할 능력이 되지 않는다. 하지만 축전지와 태양광 발전장치 기술의 발달은 반드시 이 기술의 실용화를 이끌어갈 것이다.

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<태양열 전용으로 비행하는 것은 현재의 기술로는 열전지판의 효율이 가장 큰 넘어야하는 기술이다>

모듈 개념, 재형상이 가능한 비행기.

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여객기든 화물기든, 화물의 양이 많든 적든 그 목적이나 크기를 필요에 따라 조절 할 수있는 항공기로 마치 레고를 조립하듯이 부분부분을 나누어 서로 Section교체 할 수있는 항공기 개념이다. 이를 Modular aircraft라 한다. 또한 비행 목적이나 환경에 따라 자체의 구조물을 변형시켜, 필요에 따라 날개를 변형시키고, 보조익을 추가로 탈부착이 가능한 등의 자체변형 개념 항공기는 Morphing aircraft라 한다. 한 항공기를 만들면서 여러 형태의 구조물을 동시에 만들어 필요에 따라 선택하여 사용 할 수 있는 항공기, 예를 들어 엔진 4개를 단 여객기로 사용하다가, 엔진 2개를 단 수송기로 사용하다가, 필요시 조용한 엔진으로 바꿔달고 동체 한 섹션을 빼낸 소형 VIP전세기로 사용하는 등의 여러형태를 한꺼번에 생산하여 운영자가 필요에 따라 형태를 변경시켜 사용할수있는 개념이다. reconfigurable aircraft는 Modular의 하부개념으로 보면된다. 말그대로 비행기 트랜스포머시대가 오는 것이다.

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단거리, 무인기 형태의지역간 운행 여객기

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사람의 조종이 불필요한 단거리용 운반 수단이 등장 할 것이다. 현재의 교통수단은 허브 공항을 중심으로 지역항공이 무수하게 나누어져있다. ICAO에서 구상하는 하나의 방법으로 작은 지역에서는 수직 이착륙에 사람의 조종이 필요 없는 택시 같은 비행체로 허브공항으로 이동하고 허브공항에서 대륙간 장거리 비행을 하는 것이다.
날으는 택시 같은 경우 위상이나 지상 중계 시스템을 이용하여 정해진 경로로 자동으로 비행하며 서로 충돌 방지시스템을 중앙 통제시스템과 자체 시스템에 내장하고, 정해진 경로에 따라 움직이는 것이다. 이렇게 되면 많은 공항 소요를 줄일수있고 적자 투성의 지역 항공노선을 항공기, 활주로, 관제 시설, 비상조치 조직등을 불필요하게 운영할 필요가 없다.

글라이더 기반 여객기

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<헬리오스 열전지 전용 항공기. 열전지가 부족하면 글라이더 방식으로 높은 양력을 이용하여 장거리 비행이 가능하다. 필요할 경우 연료를 사용하여 앞서 설명한 하이브리드 개념을 적용 할 수도있다.NASA에서 연구중이다>

글라이더와 같은 여객기로 글라이더는 대개 1: 55의 날개 가로세로비를 가진다. 여객기는 가장 큰 것이 1:15의 가로세로비이다. 가로세로비가 클 경우 작은 엔진으로 장거리 비행이 가능하고, 엔진이 꺼진상태에서도 많은 거리를 안전하게 비행가능하며, 연료 소모가 상당수준으로 감소한다. 이착륙속도가 낮아 공항 주변의 소음 문제도 상당수 해결이 가능하고 활주로 길이가 길 필요가 없어 공항 운영비도 줄어든다. 하지만 속도면에선 마하 0.4이상은 기술상 불가하다. 200석 규모의 여객기를 기준할때 기존의 1/4정도의 연료만으로도 비행이 가능하다고 판단하고있다.

지면 효과를 이용한 WIGE(Wing in ground effect craft)

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WIGE 선은 사실상 소련에서 많이 생산되었다. WIGE선은 지면에 가까이 비행을 하면서 지면효과를 이용하여 상당히 연료를 절감할수있다. 지금까지의 WIGE는 대부분 실험용으로 제작되거나 특수 목적으로만 이용되었다. 이제 여객기도 WIGE로 제작하여 그 효용성을 판단할 때가 되었다. 현재의 자료에 따르면 약 200석의 여객기를 1000nm을 항해할때 연료는 약 50~60%가 절감되는 것으로 조사되고있다. 하지만 가장 큰 약점은 지면가까이 비행함에 따른 경로의 제한과, 속도의 제한이다 속도는 최대 400 Km/h정도인 것으로 알려져있다.

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<현재 실용화된 가장 대형의 러시아의 Be-200 WIGE 비행선>

고속의 비행선
비행선은 2차대전때 매우 유용한 교통수단으로 여겨졌으나, 충전가스의 안전성 문제와 고속을 향하는 항공산업에 밀려 지금은 거의 스포츠 용도 이외에는 사용되지 않고있다. 하지만 가스의 안전성은 충분히 해결된 시점에서 최대속도 200Knot의 비행선 제작에 많은 회사들이 관심을 기울이고있다. 빠른 기간내에 충분한 결과가 나올 것으로 기대되는 기술이다.

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보이지 않는 비행기

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<주택의 지붕 위에는 소음을 제거하는 장치가 부착되고 비행기는 투명하게 만들어 질것이다>

공항주변에는 비지니스 하는 사람들에게는 편리성의 이유로 매우 선호하나 주민들에게는 소음과 이착륙 자체로 인해 불안해 한다.
소음은 현재의 기술로는 동일 주파수의 역 파장을 만들의 반 소음효과(Anti noise)를 이용하는 방법이 등장할 것이다. 안티 노이즈 기술은 이미 실험단계에 들어갔으며, 안티노이즈 기술은 항공기가 아닌 공항 주변의 지역에 고정적으로 설치하거나 집안에 설치되는 방법이다. 소음이 감지되면 자동으로 반 소음을 만들어 소음 파장을 상쇄시켜준다. 소음을 상쇄시키는 기술 이외에 눈으로 보이지않게하는 기술도 등장한다. 공항 주변 주민들이 아예 공항이라는 인식 자체가 안되도록 한다는 것이다.
현재 제기되고잇는 기술은 LCD를 이용한다. 항공기 배면에 위치한 카메라는 항공기 하부의 지형을 촬영하여 항공기 상부의 LCD로 화면을 보낸다. 우측의 카메라는 화상을 좌측 LCD로 보내는 등의 방법으로 비행기를 마치 투명한 듯 하게 만들어주는 방식이다. 또다른 방법은 electro-chromic polymer material을 이용하여 주변의 색상에 따라 표면의 색상을 자유 자재로 바꿀수있도록 하는 방법도 연구되고있다.

극초음속 비행 및 우주로 비행

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<미공군에서 연구중인 X-43B의 개념.극초음속 비행으로 우주 공간까지 비행이 가능하다>

연료를 절감하기 위해서는 저속 비행이 매우 효과적인 방법으로 소개되었다, 지면효과를 이용한 WIGE, 태양열, 전지구동엔진, 긴 날개형태 등등은 저속 비행에 근본을 두고있다. 현재 마하를 넘는 실용 여객기는 콩코드 뿐인데, 속도는 마하 2를 기록하고있다. 음의 벽에서 요구되는 저항을 이기기 위해 위해 엄청난 양의 연료를 소모해야하며, 효용성 보다는 단지 부자들의 경험을 위한 여객기에 불과하다.
이제 모든 사람들이 현실적인 비용으로 초음속 비행으로 대륙간 이동이 요구되고있고, 많은 이론과 실험단계를 밟고있다. 목표는 마하 5를 넘어서 전세계 어디라도 몇 시간이내에 도착할수있도록한다.
새로운 supersonic ramjet 기술(scramjets)은 액체 수소 연료를 병합하여 기존의 램제트에 액체수소를 분사하여 세계 어디라도 2시간 주파를 할수있는 기술이다.

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극초음속 여객기의 비행 패턴은 지상에서부터 고도 40Km 까지는 자체의 엔진으로 가속 상승을 한후 엔진을 끄게 된다. 하지만 항공기는 고도 60Km까지 지속 상승을 하고, 그 다음부터는 지구로 낙하하게된다. 약 35Km까지 낙하 한 후에는 대기권의 밀도를 이용하여 물수제비 뜨듯이 다시 우주로 튕겨서 비행하게된다. 이러한 Bouncing(또는 Skip)은 수차례 계속되며, 매 Bouncing마다 450km씩 비행을 하게된다. 이렇게되면 1만킬로미터의 비행에 18회의 Skip이있고, 약 72분이 소요된다. 이러한 비행 방식은 콩코드와는 달리 저항이 적은 고고도 비행을 활용하고, 중력을 이용하므로 연료도 기존 항공기의 반이면 가능하다고한다. 물론 이방식에는 무리가 따르다. 먼저 40Km 상공까지는 지구 중력 가속도(1G)이상이 작용하고 엔진을 끄고 비행하는 동안은 중력보다 낮은 심지어는 무중력 상태에 들어가기도 하며, 매 Bouncing마다 수 'g'가 걸릴것이므로 우선 군용기에 사용이 되었다가 안전성 확보와 'G'에 대한 대응방법이 구체화된 후 상용화가 될 것으로 예상된다. 만일 엔진의 파워가 마하 24를 돌파할 정도면 지구 탈출 속도에 해당하므로 우주공간을 이용한 비행이 가능하게되며, 더욱 효율적인 초음속 여객기가 될 것이다. 전문가들은 50년 이내에 이 기술이 가능할 것으로 예상하고있다. 하지만 안정적이고 안락한 여행까지는 좀더 많은 시간을 필요로 할것 이다.

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승객의 안락함을 추구하는 여객기

The sleeping passenger

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대형 여객기를 탑승할려면 공항대기시간이 길고 탑승 수속에도 많은 시간이 소요된다. 탑승이 완료된 후에도 주변 사람들의 짐정리로 인해 매우 불편하다. 사실상 국내선의 경우 비행시간보다는 이런 수속시간과 대기시간이 더많이 소요될수도있다. 새로운 비행 기술은 비행 탑승 인원에 맞추어 1, 2, 3인용 등의 캐빈이 주어지고, 이 캐빈내에 자신의 짐을 들고 들어가면 공항 종사자들이 또는 자동시스템으로 캐빈을 항공기에 적재하여 대륙간의 이동과, 최종 종착지까지 환승 없이 캐빈내에서 잠을 자고, 휴식을 취할 수있는 개념이다. 복잡하고 좁은 이코노 클라스 좌석에서 잠을 설치는 그러한 불편도 사라지는 것이다. 하지만 문제는 과연 얼마나 많은 공간에 얼마나 많은 캐빈을 탑재할수있는가라는 경제적인 면과 탑승자가 지불할수있는 비용의 한계가 현재의 비지니스 석의 비용효과를 능가할수 있어야한다. 미래 광동체 여객기가 등장하고 위에서 살펴본 연료 효율을 추구하면서 속도 보다는 안락함을 추구하는 저속의 여객기가 실용화되면 이러한 문제들은 점차 해소될 것으로 본다.

투명한 동체

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효율적인 비행방법과 많은 수송공간 확보에는 전익기가 최적안이란 것은 자주 거론된다. 전익기의 문제점은 단지 몇명만이 아름다운 하늘을 감상할수있다는 점이다. 지금의 10열이상의 대형기에서도 단지 2열만이 창측에서 아름다운 하늘을 바라볼수있으며 나머지는 그냥 화면의 영화를 보면서 지루함을 달래야 한다. 향후 전익기 형태의 여객기가 등장하면 이는 더 많은 승객이 창가의 혜택을 볼수없다. 그래서 등장한 미래 항공기 개념이 가능한 구조물 대부분을 투명한 구조로 바꾸어 모두가 하늘을 즐길수있도록 하는 것이다. 물론 이를 싫어하는 고소 공포증 승객도 있으므로 선택적인 공간이 마련되어야 할것이지만 하늘을 즐기는 사람은 마치 알라딘의 날으는 양탄자를 탄 기분일 것이다.
현재의 기술로는 투명성이있는 고강도의 물질이 개발되지 않았지만 혁신적인 물질이 개발되어도 아마도 강도를 유지하기 위해서 기체의 무게가 증가하는 단점은 따라다닐 것이다. 만일 고고도로 비행을 하게되면 태양의 강한 자외선과 이로 인한 불편한 등도 고려되어야 할 사항이다.

항공/해운/철도