소형항공기에 장착되는 추진기관의 기술동향을 조사하고 검토하였다. 현재 소형항공기 시장은 피스톤 엔진과 터보프롭, 터보팬엔진이 대부분의 시장을 점유하고 있으며, 지속적으로 기술개발이 진행되고 있다. 피스톤엔진의 경우, 기존의 가솔린엔진 외에 디젤엔진이 새롭게 부각되고 있다.디젤엔진은 상대적으로 비용이 낮고 구입이 용이한 연료(Jet A)를 사용하는 장점을 토대로 소형항공기 시장 수요가 증가하고 있으며, 신뢰성과 효율을 높인 새로운 엔진들이 개발되고 있다. 가스터빈엔진의 경우, 새롭게 떠오르고 있는 VLJ 시장 수요를 겨냥한 소형 터보팬엔진 사용이 증가하고 있으며, 향후 수요가 급격히 증가할 것으로 예상된다. 한편, 최근의 고유가 상황 및 환경 영향성을 고려하여 기존의 화석연료를 사용하지 않는 전기추진방식 도 개발되고 있다. 향후 소형항공기 추진기관은 더욱 높은 신뢰성과 안전성을 토대로, 성능과 효율 향상은 물론 친환경적인 특성을 갖도록 개발될 것이다.
소형항공기에 장착되는 추진기관의 기술동향을 조사하고 검토하였다. 현재 소형항공기 시장은 피스톤 엔진과 터보프롭, 터보팬엔진이 대부분의 시장을 점유하고 있으며, 지속적으로 기술개발이 진행되고 있다. 피스톤엔진의 경우, 기존의 가솔린엔진 외에 디젤엔진이 새롭게 부각되고 있다.디젤엔진은 상대적으로 비용이 낮고 구입이 용이한 연료(Jet A)를 사용하는 장점을 토대로 소형항공기 시장 수요가 증가하고 있으며, 신뢰성과 효율을 높인 새로운 엔진들이 개발되고 있다. 가스터빈엔진의 경우, 새롭게 떠오르고 있는 VLJ 시장 수요를 겨냥한 소형 터보팬엔진 사용이 증가하고 있으며, 향후 수요가 급격히 증가할 것으로 예상된다. 한편, 최근의 고유가 상황 및 환경 영향성을 고려하여 기존의 화석연료를 사용하지 않는 전기추진방식 도 개발되고 있다. 향후 소형항공기 추진기관은 더욱 높은 신뢰성과 안전성을 토대로, 성능과 효율 향상은 물론 친환경적인 특성을 갖도록 개발될 것이다.
Technical trends of propulsion system for small aircraft are investigated. Currently, most small aircraft are equipped with piston engine, turboprop and turbofan engines, and the technology development is going continuously. For piston engines, new diesel engines are arising besides gasoline engine....
Technical trends of propulsion system for small aircraft are investigated. Currently, most small aircraft are equipped with piston engine, turboprop and turbofan engines, and the technology development is going continuously. For piston engines, new diesel engines are arising besides gasoline engine. The diesel engines use relatively low-cost and easy to get fuel(Jet A), so the demand for small aircraft is getting increased, and new engines with high reliability and efficiency are being developed. For gas turbine engines, application of small turbofan is getting increased for newly arising VLJ market and the engine demand will be rapidly increased in the future. On the other hand, some electric propulsions without fossil fuels are being developed without high cost of fuel and environmental effects. In the future, propulsion system for small aircraft will be developed having enhancement of performance and efficiency with higher reliability and safety.
Technical trends of propulsion system for small aircraft are investigated. Currently, most small aircraft are equipped with piston engine, turboprop and turbofan engines, and the technology development is going continuously. For piston engines, new diesel engines are arising besides gasoline engine. The diesel engines use relatively low-cost and easy to get fuel(Jet A), so the demand for small aircraft is getting increased, and new engines with high reliability and efficiency are being developed. For gas turbine engines, application of small turbofan is getting increased for newly arising VLJ market and the engine demand will be rapidly increased in the future. On the other hand, some electric propulsions without fossil fuels are being developed without high cost of fuel and environmental effects. In the future, propulsion system for small aircraft will be developed having enhancement of performance and efficiency with higher reliability and safety.
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문제 정의
Continentale 1997년 GAP 프로그램의 내연기관 개발주관업체로 선정되어 최신 기술을 극대화한 완전히 새로운 엔진코어 개발에 착수하였다. 정 격출력 200 hp, 회 전속도 2, 200 rpm, 중량 300 lb급의 디젤엔진 개발을 통해서 획득비용의 획기적인 감소, 운용의 용이성 증대, 중량, 소음 및 진동의 감소, 배기가스 저감, 유지정비의 최소화, 그리고 엔진 수명의 향상을 목표로 하였다. 그림 9는 Continental의 200마력급 디젤엔진 개발형상을 나타낸 것이다.
제안 방법
그림 6은 Thielert의 Centurion 2.0 모델로서 FADEC (Full Authority Digital Engine Control)에 의한 전자식 단일 레버 제어 방식을 적용하여 안전성과 효율을 극대화하였으며 동급의 가솔린엔진에 비해 우수한 성능을 구현하였다.
“반디호”의엔진은 Lycoming의 250 마력급 수평대향형 피스톤 엔진으로 연료분사식 6기통이며, 각각의 실린더마다 2개의 점화플러그가 장착되어 높은 고도에서도 점화의 신뢰성을 높여준다. 또한 공랭식을 적용하여 항공기 비행 중에 유입되는 외부 바람에 의해 효과적으로 냉각되도록 설계되었다.
여기서는 소형항공기에 적용되는 추진기관에 관해서, 현재 주도적인 위치를 점유하고 있는 피스톤 엔진과 터보팬엔진을 중심으로 적용사례와 기술개발 동향을 조사 분석하였다.
항공기용 연료전지 개발과 관련하여, Aerovironment 사의 Puma 소형 무인항공기에 적용된 하이브리드 연료전지 시스템도 주목되어야 한다. 이 시스템은 Protonex Technology사에 의해 첨단 에너지 저장 및 추진기술개발 프로그램의 일환으로 개발된 것으로, 이륙 또는 기동비 행시 리튬-이온 배터리에서 최대 동력을 제공하고 연료전지가 배터리를 재충전시켜 비행하는 동안 지속적인 동력을 제공하는 시스템으로 최대 9시간의 체공 시간을 기록하였다. 전기모터는 내연기관보다 훨씬 높은 효율을 발휘하므로, 개인용 항공기에 바람 또는 태양에너지에 의해 충전되는 배터리와 연료전지를 접목시킬 경우 가장 친환경적 인 운송수단이 될 수 있다.
대상 데이터
현재 소형항공기용 디젤엔진은 미국의 Thielert를 위시하여 4~5개사에서 상용화 수준의 엔진을 개발 또는 판매하고 있으며, 기존 가솔린엔진 대비 높은 성능과 효율을 목표로 하고 있다. 대표적인 사례로 Cessna 182 기종은 SMA사의 230마력급의 디젤엔진을 장착하고 2006년에 FAA 인증을 획득하였다. 표 3은 대표적인 소형 디젤엔진의 종류와 제원을 나타낸다.
성능/효과
Pipistrel 에서 개발한 이 항공기는 2인승으로 중량이 단지 705 lb에 불과하며, 고성능 리튬-이온 배터리의 동력을 이용하여 자체적인 이륙은 물론 최대 1시간의 체공이 가능한 놀라운 효율을 보여주고 있다. Pipistrel 전기추진 항공기는 이륙시 30 KW의 전기모터를 사용하여 상승한 후 기류를 타고 조용하게 활공할 수 있으며, 기존의가솔린 엔진을 탑재한 Taurus와 거의 대등한 성능을 갖는 것으로 제시되었다.
후속연구
시험 항공기는 2인승으로 중량이 약 800 kg, 최대 비 행시간이 45분에 이르며, 이륙시에는 배터리 전력 이 사용되 었으나 비 행 중에는 연료전지의 전력에만 의존했다. 수소 연료전지는 향후 소형항공기의 주 동력원으로서, 미래의 친환경적인 추진시스템으로 적용이 가능할 것으로 예측된다. 항공기용 연료전지 개발과 관련하여, Aerovironment 사의 Puma 소형 무인항공기에 적용된 하이브리드 연료전지 시스템도 주목되어야 한다.
또한 일본의 Honda는 자체적으로 개발한 Hondajet를 통해 신형 터보팬엔진을 선보였으며 인증획득과 더불어 본격적인 판매를 눈앞에 두고 있다. 앞으로도 새롭게 고급화된 소형항공기들이 속속 등장하여 기존의 노후화된 소형항공기를 대체할 것으로 기대된다. 미국은 이미 1990년대 후반에 침체된 소형항공기 시장을 활성화시키기 위한 노력의 일환으로 NASA7가 주도하는 GAP(General Aviation Propulsion) 프로그램을 추진한 바 있다.
유럽에서는 연료전지 기술을 적용한 소형항공기 개발을 목표로 3년간 450만 유로가 투입되는 ENFICA-FC(Environmentally Friendly Inter City Aircraft powered by Combustibles Cells) 프로젝트를 진행하고 있다. 이 기술이 완성되면 도시권에서 주야간으로 운항하는 소형항공기에 채택될 수 있을 것으로 기대된다.
이를 위해 기존 엔진 대비 성능을 더욱 높이고, 운용비용 및 소음과 배출가스 수준은 더욱 낮추도록 노력 해야 할 것으로 사료된다.
이스라엘의 Aeronautics Defence Systems는 Aerosky 2 무인기를 대상으로 하이브리드 배터리/피스톤 엔진 초도비행시험을 실시할 예정이다. Aerosky 2의 하이브리드엔진은 이륙시 피스톤엔진을 사용하고 목적지까지 비 행하는 동안 배터리시스템으로 전환한다.
이 경우 단지 1갤런의 가솔린으로 30분의 추가적인 비 행을 유지할 수 있다. 하이브리드 엔진은 향후 다양한 방식으로 소형항공기 에 적용이 가능할 것으로 예상된다.
한편, 기존의 피스톤엔진과 터빈엔진을 대체하기 위 한 신개념의 추진방식으로, 화석 연료를 사용하지 않는 전기추진(Electric Propulsion) 방식의 소형항공기개발이 적극적으로 추진되고 있으며, 이를 통해 경제적 비용 감소는 물론 CO2 배출, 소음 등 환경에 미치는 악영향을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
향후 디젤엔진이 본격적으로 상용화될 경우 기존 가솔린엔진과 더불어 소형항공기 시장의 지배적인 지위를 유지할 수 있을 것으로 기대된다.
향후 소형항공기용 추진기관 기술개발의 지향점은 친환경, 고효율, 저비용 엔진개발로 요약할 수 있다. 이를 위해 기존 엔진 대비 성능을 더욱 높이고, 운용비용 및 소음과 배출가스 수준은 더욱 낮추도록 노력 해야 할 것으로 사료된다.
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