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도심형 항공 모빌리티 시대의 개인용 항공기(Personal Air vehicle) 역사와 최근 개발 동향

김채형 (한국항공우주연구원 한국형발사체개발사업본부) 2022-12-19

최근 국내외에서 도로 교통과 항공 분야의 협업으로 가장 큰 주목을 받고 있는 것은 UAM(Urban Air Mobility) 즉 도심형 항공 모빌리티이다. 이는 도로교통 시스템의 과잉화를 해결하고 섬이나 산간지역의 시장 및 문화 교류를 증진시키는 것을 목적으로 한다.
국내에서도 정부와 현대자동차나 한화와 같은 대표적인 국내 대기업들이 참여하여 K-UAM 로드맵이 발표되면서 2030년 이후 본격적인 상용화를 목표로 사업이 진행중이다. 승객과 화물을 싣고 비행과 이착륙 및 주행을 하는 PAV(Personal Aviation Vehicle) 개발 및 양산, PAV가 이착륙하고 운용되기 위한 인프라 구축, 이를 관리하고 운용하는 인력, 그리고 운송시스템, 플랫폼 등 UAM 하나로 파생되는 산업과 이와 연계된 다양한 일자리 창출로 거대 모빌리티 생태계가 구성될 것이다.

UAM은 현재 진행중인 사업으로 이와 관련된 다양한 보고서와 연구 논문들이 최근에 많이 나오고 있다. UAM이 가능하게 된 이유는 PAV의 기술 개발이 성숙 단계이며, 이와 관련된 제도와 인증 시스템이 구축되었기에 가능하다. 이에 해당 동향 보고서에서는 UAM 생태계의 핵심이라 할 수 있는 PAV의 지난 역사와 최근 개발 동향에 서술하고자 한다.

개인용 항공기(PAV, Personal Air Vehicle)는 이전에는 하늘을 나는 자동차(flying car)와 같은 의미로 사용되었다. 하늘을 나는 자동차는 자동차처럼 주행을 하면서 필요에 의해 날개가 나오거나 헬리콥터와 같이 비행 모드로 전환되어 비행이 가능하다. 하늘을 나는 자동차 또는 개인용 항공기는 최근에 나온 개념이 아닌 1900년대 초반부터 있던 개념이다. 이 시대에서는 라이트 형제에 의해 항공기가 발명되어 제작되기 시작했고, 자동차는 대량 생산이 시작되던 시대이다.

1917년에 Glen Curtiss는 Aeroplane[1]이라는 비행 자동차를 처음으로 선보였고, 1937년 Waterman Aerobile이 첫 비행을 하였다[2]. 1973년까지 AVE Mizar처럼 비행 자동차는 말 그대로 경량 비행기에 차량을 결합한 형상을 하고 있다. 고정익 방식의 비행 자동차는 많이 선보였으나 수직 이착륙이 되는 비행 자동차는 Ford가 1956-1958년 선보인 Volante Tri-Athodyne[4]로 지금의 드론과 비슷한 형상을 하고 있다. 일반적으로 헬리콥터처럼 자동차 위에 프로펠러를 설치하여 접었다 폈다 하는 방식이다. 하지만 수직이착륙 방식의 비행 자동차는 기술적인 어려움으로 인해 최근에 선보이고 있으며 드론의 개발과 함께 UAM용으로 사용될 개인용 항공기는 드론 형태를 주로 하고 있다. 보고서에서는 PAV 즉 개인용 항공기가 최근에 자주 사용되는 용어이다 보니 이후에는 개인용 항공기 또는 PAV로 통일하겠다.

개인용 항공기는 도시 지역에서의 복잡한 교통상황을 해결하고 세계 경제의 성장에 따라 그 요구가 증가하고 있다. 개인용 항공기는 크게 고정익 방식과 수직 이착륙 방식으로 구분되며, 초기에는 기술수준이 낮은 고정익 방식이 개발되었지만 현재는 도시의 복잡한 지역에 맞게 좁은 곳에서 이착륙이 가능한 수직 이착륙 방식의 비행 자동차 개발이 주류를 이루고 있다. 또한 드론 시장이 커짐에 따라 쿼드로터 성능과 비행제어 및 배터리 기술의 발달로 인해 전기 에너지와 프로펠러를 사용한 개인용 항공기 개발이 활발히 진행되고 있다.

국가적인 규모로 진행된 개인 항공기 프로젝트는 미국의 NASA에서 진행되었으며, 유럽의 재정적 지원을 받아서 일부 프로젝트가 진행되기도 하였다. NASA에서는 개인이 운행 가능한 소형 비행기의 시스템적인 부분에 대해 중점을 맞추어 개발이 진행되었다.

미국의 NASA에서는 1994-2001년동안 AGATE (Advanced General Aviation Transport Experiments) 프로젝트로 개인 비행을 위한 허브와 바퀴살 항공노선과 고속도로의 결합을 위한 부분에 중점을 맞추었다[5]. 2007-2008년 EPATS(European Personal Air Transportation System) 프로젝트는 어떤 기상 조건에서도 비행이 가능하고 사용자 기반의 장거리 비행이 가능한 안전하고 친환경적인 시스템 구축에 초점을 맞추었다[6].

2011-2013년 METROPOLIS 프로젝트는 미래 도시에서 비행하는 다수의 항공기와 항공 교통에 대해 중점을 맞추었다[7]. 2009-2012년 PPLane 프로젝트는 미래 개인 비행 교통 시스템을 정의하고 시스템적 접근을 실현하는데 중점을 두었다[8]. 2011-2013년 SAT(Small Air Transport) 프로젝트는 '문에서 문까지 4시간 이내'라는 내용으로 현재 지상 운송 시스템과 미래 항공 시스템 사이의 간격을 채울 수 있는지에 대한 내용을 담고 있다[9].
SAT 프로젝트가 현재 UAM이라 불리는 도심형 항공 모빌리티의 모태라 할 수 있다. 개인 항공기라는 개념 역시 자기 집 대문에서 나와 여러 교통수단(즉, 자동차, 기차, 배, 비행기 등)을 갈아타면서 목적지(문)까지 가는 게 아닌 하나의 교통수단으로 최단 시간으로 가고자 하는데 목적이 있다.

마지막으로 2011-2014년 MYCOPTER프로젝트는 복잡한 운송 환경에서의 비행 시스템의 자동화, 사용자 중심의 항공 상호작용, 비행 훈련, 사회-기술적 환경에 대한 모든 포괄적인 내용을 담고 있다[10].

최근에 비행 검증 인증을 받았거나 개발 실물 모델을 선보이고 시험 비행 등이 이루어진 개인형 항공기의 최근 동향에 대해 알아보겠다.

EHang184는 중국 광저우의 EHang 기술회사에서 개발하였으며, 2016년에 선보인 세계 최초로 자동비행과 승객탑승이 가능한 개인용 항공기이다[11]. 쿼드로터 방식이며, 한 로터에 한쌍의 프로펠러가 달려 있다. 130 km/h 속도로 비행이 가능하며, 비행거리는 16 km, 비행고도는 500 m이다.
2018년 2월까지 약 1000회 이상의 비행테스트가 수행되었다. Ehang216 (최고속도 160 km/h, 항속 130 km, 비행거리 16 km)은 16개의 프로펠러가 달려 있으며, 2인승 탑승이 가능하다. 2018년까지 사람이 탑승하여 1000회 이상 비행하였으며, 25분동안 최대 30-40 km 비행이 가능하다.

EHang 216버전은 2020년 3월 노르웨이 민간 항공국의 사전 운행 승인을 받았으며 이는 유럽에서의 첫 승인이다. 같은 해에 CAAC(Civil Aviation administration of China)의 상업적 용도의 비행 승인을 허가 받았다. EHang 216F는 비행고도를 600 m까지 성능개량을 했으며 기체에 화재가 발생할 경우 개별 카메라를 통해 모니터링하며 소화액을 150 L 탑재하여 만일의 화재에 대해 대비하고 있다. 2022년 7월에 EHang 216은 Expo 2025 오사카 개최 기념으로 간사이 지역, 규슈 지역, 시코쿠 지역, 오카야마/후쿠시마 지역 일본 4개 지역에서 비행시범을 가진 바가 있다. 일본이 섬지역이 많은 것을 고려하면 이번 비행은 바다, 육지간 비행 능력을 선보인 셈이다. 이번 비행에서 약 80 kg 수화물을 싣고 비행을 했으며 이는 일본의 UAM 프로젝트의 일환으로 물류시스템에 대한 향후 관심을 보인 것으로 사료된다.

SureFly는 2인승 하이브리드 전기 수직이착륙 PAV이다[12]. 미국 트럭회사인 Workhorse 그룹에서 디자인으로 했으며, 2019년에 Moog Inc사가 이 프로그램을 인수했다. 비행거리는 110 km, 비행시간은 2.5시간, 고도는 1.5 km이다. 2018년 봄에 첫 10초간의 비행이 성공했으며, 이는 FAA 인증 비행시험에 포함되어 그해 가을에 FAA 승인을 받았다. 2020년 비행제어 전문 회사인 Moog는 SureFly가 자율비행이 되도록 개발 중이며, Workhorse와 함께 SureFly가 배송이 가능할 수 있도록 하는데 협업 중이다.

Volocopter GmbH는 독일 항공회사인 Bruchsal이 만든 전기 멀티로터 PAV이며 항공 택시 용도로 개발되었다[13]. Volocpter VC1는 2인승이며 2011년 10월에 최초로 사람을 태우고 비행에 성공하였다. 2019년 Volvo 자동차, Terrafugia, Lotus 자동차와 파트나 계약을 맺고 Volocopter 개발을 진행했으며, 2019년 10월 싱가폴의 마리나 베이에서 세계 첫 택스 정거장인 VoloPort를 공개하였다. Volvo 2X는 최대 항속 100 km/h, 비행거리 27 km, 비행고도 2 km이다. 최근에 공개된 VoloCity는 항공 택시로 운행될 예정이며 EASA(European Aviation Safety Agency)의 요구조건과 비행 규격을 만족한다[14]. Volocopter는 초기 모델을 포함하여 11년동안 약 1500 비행테스트를 수행하였으며 18개의 로터와 9개의 재충전 배터리를 추력원으로 하고 있다. 비행거리는 35 km, 최고 속도는 110 km/h이다. VoloCity는 2인용으로 VoloPort와 연계하여 UAM을 구성하는 계획을 가지고 있으며 2024년 파리 올림픽에서 첫 승객을 탑승한 비행을 선보일 예정이다.

Boeing은 자회사인 Aurora이 제작하나 개인 항공기 초기 모델을 2019년 1월에 전기동력으로 수직이착륙이 가능하며 비행거리 50 마일의 PAV 비행시험에 성공한 바가 있다[15]. Boeing의 개인 항공기는 Kitty Hawk Cora와 비슷한 형상을 하고 있다[16]. 동체 전방에서 후미 날개의 긴 봉에 수직 이착륙을 위한 8개의 로터가 있으며 항공기 후미에는 비행 추력을 얻기 위한 프로펠러가 장착되어 있다. 기존의 PAV가 주로 드론 형상을 하고 있는 것에 비해 차별화된 형상을 하고 있다. 하지만 2020년 9월 이 사업을 담당하던 부서인 Boeing NeXt는 Boeing 그룹의 737 MAX groundings (보잉기의 충돌 사고로 전수 조사)과 COVID-19에 따른 항공사들의 재정악화로 관련 개발은 중단된 상태이다.

Cora는 2018년 Google창업주 Larry Page의 투자를 받은 Kitty Hawk가 개발한 2인승 무인비행 가능 전기 동력 수직이착륙 PAV이다[17]. Cora는 11m의 날개에 12개의 프로펠러가 달려 있으며, 이를 사용하여 수직 이착륙이 가능하다. 항속 비행시에는 꼬리에 달려있는 3개의 프로펠러를 사용하여 전진 비행이 가능하다. 항속은 180 km/h, 비행거리는 100 km이다. Kitty Hawk회사는 Cora를 2017년 항공택시목적으로 뉴질랜드에서 수차례 비행시험을 하였다. Cora는 미국 내에서 고도 5000 ft에서 비행가능 허가를 받았으며, Boeing과 Kitty Hawk는 2019년 벤처회사 Wisk를 창업하여 2020년에 1000회 이상의 비행시험 기록을 가지고 있다. 2021년 Zephyr Airworks는 뉴질랜드에서 항공 택시 운용 계획을 세우고 있으며 Air New Zealand와 함께 비행 서비스를 할 계획이다. 2022년 Wisk Aero는 Boeing으로부터 4억 5천만 달러의 투자금을 얻어 Wisk Cora 무인 항공 택시를 개발 중이다. 이는 앞서 이야기했던 Boeing이 직접 개발했던 개인 항공기 대신 재정적인 이유로 인해 자회사인 Wisk Aero를 통해 개인 항공기를 개발하는 것으로 사료된다. 현재 개발 중인 개인 항공기는 Generation 6으로 불리며 4인승 항공 택시로 개발 중이다. 비행 고도는 2500-400 ft, 날개를 포함한 길이는 50 ft, 비행 거리는 144 km, 순항 속도는 110-120 knots, 충전시간은 15분이다.

네덜란드 업체인 PAL-V(Personal Air and Land Vehicle)은 세계 최초로 비행 자동차 Liverty의 공공도로 주행 허가를 EASA로 받았다[18]. 이는 개인 비행기가 처음으로 공공 도로를 주행하고 받은 허가이다. PAL-V는 2009년에 EASA의 소형 로터 항공기 사용 승인(CS(Certification Specifications)-27)을 받기 위해 1500 개가 넘는 기준을 만족하여야 했으며 2012년에 10년간의 비행, 도로 주행 및 각종 테스트 결과를 토대로 승인을 받았다. 실제 사람이 탑승하여 도로 주행을 하면서 배출가스, 고속 주행 등 테스트를 2020년 2월에 진행되었고 최종적으로 승인을 받아 일반 자동차와 동일한 번호판을 받았다. EASA 허가는 미국과 중국을 포함한 전세계의 80% 시장에서 공식적으로 인증을 받고 있는 규정이기에 해외 수출 시장에서 별도의 인증이 필요하지 않다. Liverty는 2인 탑승체이며 무게는 664 kg이며 수화물은 20 kg, 최대 이륙중량은 910 kg이다. 엔진은 자동차 엔진을 사용하며 자동차용 연료인 Euro 95, Euro 98, E10 연료를 사용한다. 도로 주행 모드에서 최고 속도는 160 km/h, 정지상태에서 최대 가속까지 9초가 걸리며, 엔진은 100 마력, 연비는 7.6 l/100km이며, 주행 거리는 1315 km이다. 비행 모드에서는 순항 속도는 140 km/h, 최대 속도는 180 km/h, 최대 수직 상승 속도는 50 km/h, 최대 고도는 3.5 km이다. 적정 탑재중량은 246 kg, 비행 활주 거리는 330 m, 비행거리는 400-500 km이다. 일반 개인이 Liverty를 운행하기 위해서는 약 1200개 항목에 대한 시험을 통과해야 하며 150 시간 이상의 비행 시간을 수료해서 비행 자격증을 받아야 한다.

국내의 경우 서론에서 이야기한 것처럼 K-UAM으로 정부와 기업 협업으로 진행이 되고 있다. 가장 대표적으로 언급되는게 현대자동차이다. 현대 자동차의 미국 자회사인 Supernal은 2020년 미국 Las Vegas에서 열린 CES(Consumer Electronics Show)에서 S-A1 모델을 선보인 바가 있다[19].

S-A1은 4인승으로 무인 비행이 가능하다. 항속은 290 km/h, 비행거리는 97 km, 비행고도는 305 m ~ 610 m, 재충전 시간은 5-7 분 정도로 예상하고 있다. 총 8개의 프로펠러를 가지고 있으며 4개는 틸트 로터가 가능하여 전진 및 수직 이착륙에 사용되며 나머지 4개는 수직 비행에만 사용된다. S-A1는 영국 기업인 Urban Air Port가 개발하고 있는 Air One과 결합된 UAM 시스템을 개발 중이다[20].

국내 중소기업 중에서는 2022년에 개최된 ‘2022년 드론쇼 코리아’에서 숨비라는 업체가 개인용 항공기의 실물을 선보인 바가 있다[21]. 숨비는 기존에 국방기술연구원(ADD)과 드론을 개발하여 군사용 드론을 납품한 이력이 있는 업체로 숨비가 선보인 개인용 항공기는 축간 거리 4 m, 높이 2.5 m로 60분 이상 비행이 가능하다. 2018년부터 개인용 항공기 개발을 시작하여 실내에서 비행 시험은 완료한 상태이며 야외 시험을 준비중이며 화물용 개인 항공기도 개발을 할 예정이다.

필자가 2020년 이전에 개인용 항공기에 대한 기고를 할 때만 해도 PAV는 미래형 항공기 또는 호기심 많은 벤처 기업이 접근하는 분야였다. 코로나 19로 대형 항공기 업체들이 재정적 어려움을 겪은 것과 반대로 UAM 시장이 대두되면서 PAV의 개발은 매우 빠른 속도를 보이고 있다. PAV는 드론 기술을 포함한 4차산업 발전과 매우 관계가 깊으며 배터리 기술, 통신, 자동 제어 기술 등의 발달이 이루어졌기에 PAV의 실용화는 생각보다 빠른 시일에 이루어질 것으로 사료된다.

K-UAM 로드맵
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