라이트 형제의 첫 비행과 초음속 여객기 콩코드의 등장 사이에는 불과 66년밖에 차이가 나지 않았습니다. 따라서 엔지니어이자 낙관주의자인 저는 우아한 콩코드가 마지막으로 비행한 이후 거의 25년 동안 항공 여행 속도가 오히려 느려진 것에 대해 깊은 실망감을 느낍니다. 자동차 애호가들은 자부심을 가져도 좋습니다: 수십 년간 항공우주 기술이 자동차(터보차저, 탄소 섬유, 공기역학, 세라믹)로 흘러들어온 후, 자동차 세계가 놀라운 방식으로 그 답례를 할 준비가 되어 있기 때문입니다.
초음속 콩코드의 진정한 아킬레스건은 4개의 롤스로이스 터보제트 엔진의 엄청난 연료 소모량이었습니다(보도에 따르면 이륙 전 지상에서만 1~2톤의 연료를 소비했다고 합니다!). 이는 항공기의 항속거리를 제한했고, 결과적으로 초고수익 태평양 횡단 노선을 운항할 수 없게 만들었습니다. 이 까다로운 문제를 어떻게 해결할까요? 자동차가 할 수 있는 방식(일종의)으로: 하이브리드화입니다!
샌프란시스코에 본사를 둔 Astro Mechanica는 애스턴 마틴 발키리, 로터스 에비야, 징거 21C, 맥머트리 스페일링 “팬 카”는 물론 포뮬러 E 경주차와 같은 도로 위 로켓에 동력을 공급하는 Helix 전기 모터를 통합하는 작업을 진행 중입니다. 초음속 항공기를 “전동화”한다는 것은 어떤 모습일까요?
이 모터들은 Astro Mechanica가 제안하는 “Duality” 터보전기 적응형 엔진(TAE) 개념의 팬 단계에 동력을 공급할 것입니다. 기존 제트 엔진은 기계적으로 팬을 터빈에 연결하여, 매우 다양한 비행 조건에서 두 부품이 절충적으로 작동하도록 강제합니다.
분리된 설계는 압축과 발전을 독립적으로 최적화할 수 있습니다. 특히 흡입구 램 압축이 전체 압력 상승에 크게 기여하는 고속에서 더욱 그렇습니다. 이는 불필요한 작업을 줄이고 전체 효율을 향상시킵니다. 전기 압축기 팬은 동일한 엔진이 저속에서는 터보팬(오늘날 아음속 비행의 최첨단 기술), 고속에서는 터보제트(콩코드, MiG-21), 초음속 비행 시에는 램제트(SR-71, 공대공 미사일)와 유사하게 작동하도록 합니다.
전기는 어디서 오는 걸까요? 기내에는 배터리가 있지만, 이는 마일드 하이브리드 자동차에서처럼 단순히 버퍼 역할만 합니다. 두 개의 추진 장치에 있는 4개의 팬 모터가 사용하는 전력의 대부분은 발전기 역할을 하는 유사한 Helix 모터에 동력을 공급하는 별도의 터빈 엔진에 의해 필요에 따라 생성됩니다(따라서 연료-전기 변환 손실이 발생합니다).
고속에서 Duality의 전기 구동 압축기 단계는 잠재적으로 공회전(idle) 상태가 될 수 있습니다. 이를 풍차처럼 작동시키면 약간의 에너지를 생성할 수 있지만, 이 이점이 공기 흐름 제한으로 인한 효율 손실보다 클지는 아직 확실하지 않습니다. 연료는 주로 램 공기 압력이 공급하는 과도한 압축기 작업을 피함으로써 절약됩니다. 즉, 모든 버퍼 배터리는 지상에서의 모든 HVAC 및 전력 요구를 충족하도록 설계될 것이며, 주 터빈을 가동하지 않고 전기적으로 팬에 동력을 공급하여 항공기를 무배출로 지상 이동(택싱)시킬 수 있습니다. (창립자 겸 CEO 이안 브룩은 초기 소형 항공기에 40kWh, 200파운드의 배터리를 구상하고 있습니다.)
명확히 할 점: 실제 Helix SPX242-94 슈퍼카 모터는 이미 초음속 배기 흐름을 입증한 개념 증명 시험 발사에 사용되었지만, 유사한 “대량 생산” 하드웨어를 기반으로 하는 맞춤형 5세대 Helix 모터는 저온, 저압, 고고도 환경에서 사용할 수 있도록 강화되고 있습니다. 희박한 공기에서는 전기가 아크를 발생시키기 더 쉽습니다(고정자 상 간 또는 접지로). 이를 방지하려면 고정자 권선 주변에 더 많은 절연이 필요합니다. Helix는 위성 발사체(주 비행 제어 액추에이터)용 모터를 개발했기 때문에, 이미 영하 90도에서 작동 가능한 모터를 보유하고 있습니다.
마지막으로, 모터의 효율이 98.4~98.8%이지만, 모터당 거의 1메가와트의 2%는 여전히 관리해야 할 많은 열이며, 높은 연속 정격 출력을 유지하려면 고정자와 회전자 자석 모두에 대한 최첨단 냉각이 필요하며, 이는 여러 냉각 회로를 통해 처리됩니다. 이 모터들은 이륙 및 상승 중에 가장 열심히 작동합니다.
흥미로운 참고 사항: 모터는 팬을 직접 구동할 것입니다. 모터와 팬의 크기가 모터가 관성 한계에 도달하는 속도와 팬 블레이드 끝이 공기역학적 속도 한계에 도달하는 속도가 거의 같도록 설계되었기 때문입니다.
Astro Mechanica는 10년 이내에 초음속 여행을 현실로 만들기 위해 노력하고 있습니다. 먼저 대형 고속 무인 시스템을 개발하는 것입니다. 그러나 장기적인 목표는 오늘날의 이코노미석 요금에 가까운 가격의 초음속 여객 비행입니다. 이 너무 오래 기다려온 목표를 달성하기 위해 브룩은 세 가지 접근법을 제안합니다.
Duality의 획기적으로 향상된 효율성이 첫 번째 명백한 방안입니다. 두 번째는 Duality에 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 것입니다. LNG는 에너지 기준으로 제트 연료보다 상당히 저렴하고, 이를 위해 설계된 항공기의 항속거리를 늘릴 수 있는 더 높은 비에너지(specific energy)를 제공하며, 연소 시 CO₂ 배출량이 약 20~30% 적습니다. 그러나 LNG 급유 인프라를 구축하는 데는 수년이 걸리지 않더라도 수십 년이 걸릴 수 있습니다.
Astro Mechanica가 초음속 여행 비용을 절감하기 위해 구상하는 세 번째 방법은 전용기와 유사한 정기 소형 항공기 서비스인 JSX(구 JetSuiteX)와 소형(5~8인승) 초음속 제트기를 소규모 공항에서 운항하는 “항공 여행용 Uber” 호출 모델 사이의 어딘가에 해당하는 비즈니스 모델을 채택하는 것입니다.
속도는 어느 정도이며, 소닉 붐은 어떻고, 외부 재질은 무엇입니까? Astro Mechanica는 마하 2.25~2.70(시속 1,726~2,072마일, 콩코드의 1,354마일보다 훨씬 높음)을 목표로 합니다. 이 항공기는 더 가볍고 양력 분산에 더 유리한 형상으로 설계되어 항공기를 뒤따르는 소닉 붐 원뿔을 훨씬 더 작고 조용하게 만들 것입니다. 특히 항공기의 순항 고도인 60,000피트에서 들을 때 더욱 그렇습니다.
이는 콩코드의 알루미늄 외피(최대 300도)에는 너무 빠른 속도이고, SR-71 블랙버드에 사용된 티타늄(660도)은 이상적인 공기역학적 형상으로 성형하기에는 너무 어렵습니다. 따라서 브룩은 비스말레이미드(또는 BMI, 480도)라는 열경화성 수지에 탄소 섬유를 주로 입힌 티타늄 구조를 사용하고, 표면 열이 가장 큰 부분(예: 날개 앞전)에만 티타늄을 사용할 것으로 예상합니다.
다시 모터로 돌아가서, Astro Mechanica는 Duality 엔진과 완제 항공기를 모두 공급할 계획을 가지고 있습니다. Helix는 현재와 같이 모터를 공급하고 McLaren은 실리콘 카바이드 인버터를 공급할 수 있지만, 회사는 다른 공급업체도 확보했습니다.
Helix가 항공우주 응용 분야에서 얻은 교훈 중 지상의 전기차(EV)에 적용될 수 있는 것은 무엇일까요? 수석 엔지니어 데릭 조르다누-베일리는 삼중 3상 아키텍처를 큰 교훈 중 하나로 꼽습니다(모터당 3개의 인버터, 현재 800~900볼트 아키텍처를 사용하여 충분한 전류를 공급하는 최선의 방법). Helix의 혁신적인 고전압 연결 기술은 Duality가 요구하는 높은 연속 출력 밀도를 달성하는 데도 중요했으며, 이는 모터스포츠와 고성능 양산차에도 적용될 가능성이 높습니다. 한편, 모터스포츠 유형의 냉각 시스템을 보다 일반적인 모터 아키텍처에 통합하는 것은 잠재적으로 양산차나 포뮬러 E에 이점을 제공할 또 다른 발전을 의미합니다.
언제쯤 “하이브리드” 초음속 차량을 호출할 수 있게 될까요? 브룩은 앞으로 몇 년 안에 비행기를 띄울 것으로 예상하지만, 저렴한 LNG 연료 초음속 비행을 호출할 수 있게 되는 것은 적어도 2030년대 중반 이전에는 어려울 것이라고 인정합니다.
초음속 여행을 연구하는 5개 회사 중에서 저는 효율성 향상을 위한 Astro Mechanica의 전략에 가장 깊은 인상을 받았습니다. 이 개발 단계에서 회사 자금을 조달하는 데 필요한 “재정 엔진”에도 예리한 주의를 기울이고 있다는 점도 고무적입니다. 브룩이 자세히 설명할 수 없는 단기 납품 가능한 제품에 대한 수많은 계약이 체결되어 있습니다.
델타 항공을 타고 평균 시속 560마일로 300만 마일 이상을 직접 여행한 사람으로서, 저는 마하 속도의 비행을 빨리 경험해보고 싶습니다. 행운을 빕니다, Helix와 Astro Mechanica!
