몸통으로 뜨고 꼬리 팬으로 민다…미래 여객기 연비 17% '쑥'

미래 항공기는 동체 자체의 힘으로 떠오르고 꼬리에 달린 팬으로 비행할 전망이다.

미국 항공 스타트업 일렉트라(Electra)가 주도하고 미시간대학교(U-M) 연구팀이 참여한 공동 연구진은 8일(현지시간) 미국항공우주학회(AIAA) 항공 포럼에서 차세대 터보전기 여객기 콘셉트 디자인을 공개했다.

이 항공기는 오는 2050년 상용화될 표준 여객기보다 에너지 효율이 17% 더 높은 것이 특징이다. 이번 프로젝트는 미 항공우주국(NASA)의 '환경 지속가능성을 위한 첨단 항공기 콘셉트'(AACES 2050) 프로그램의 일환으로 진행됐다.

새 항공기 콘셉트는 기존과 다른 독특한 외형과 동력 시스템을 갖췄다. 우선 '더블 버블' 형태로 불리는 넓고 납작한 동체를 적용해 기체 자체에서 추가적인 양력을 얻도록 설계했다. 승객 탑승 공간에 불과했던 동체가 날개 역할의 일부를 담당하는 셈이다.

동력원으로는 날개 아래에 기존 터보팬 엔진을, 동체 후방에는 전기로 구동되는 팬 여러 개를 함께 배치했다. 동체 후방의 전기 팬은 항공기 표면을 따라 흐르는 느린 공기 흐름(경계층)을 빨아들여 뒤로 밀어내는 '동체 경계층 흡입'(BLI) 기술을 사용한다. 이를 통해 항공기 후류에서 발생하는 에너지 손실과 항력을 줄이고 추가적인 추력을 얻는다.

이러한 혁신적인 설계는 미시간대 연구팀의 고도화된 시뮬레이션 기술 덕분에 가능했다. 연구팀은 항공기의 공기역학, 구조, 추진 및 열 관리 시스템 등 복잡한 요소들을 동시에 최적화하는 '다분야 설계 최적화' 기법을 활용했다.

연구팀은 이를 통해 20개의 서로 다른 항공기 구조와 10만개 이상의 시나리오를 평가했다. 초기 저해상도 시뮬레이션에서는 날개와 꼬리에 많은 소형 전기 프로펠러를 분산 배치하는 방식이 유력했으나, 고해상도 시뮬레이션 결과는 달랐다.

미시간대 항공우주공학과 조교수 괴친 치나르는 "고해상도 분석 결과, 다수의 소형 프로펠러를 쓰는 방식은 무게, 항력, 열 발산 문제 때문에 비효율적이었다"며 "대신 현재의 콘셉트 디자인이 더 우수하다는 결론을 내렸다"고 설명했다.

이번 프로젝트에는 아메리칸 항공, 하니웰 에어로스페이스, 록히드마틴 스컹크웍스, 매사추세츠공과대(MIT) 등 주요 항공업계 및 학계 파트너들이 함께 참여했다.