첨단 항공 모빌리티 소개 및 eVTOL의 미래

대도시의 복잡한 교통 체증에 갇혀 있다면 인구가 밀집된 지역을 이동하는 더 나은 방법이 있을지 자문해 볼 수 있습니다. 지면의 제약에 갇히는 대신 3차원으로 움직여서 하늘을 가로질러 짧은 거리를 이동할 수 있다면 어떨까요?

공상 과학 소설처럼 들릴지 모르겠지만, 이 아이디어가 근거 없는 것은 아닙니다. 전기 수직 이착륙(eVTOL) 차량을 예로 들어 보겠습니다. eVTOL은 활주로 없이 이륙과 착륙이 모두 가능한 소형 항공기로, 인구 밀도가 높은 교외와 도심 지역에서도 운행할 수 있습니다.

또한 eVTOL은 사람과 화물을 수송하는 새롭고 효율적이며 지속 가능한 유인 및 무인 운송 수단을 통해 항공 산업을 발전시키는 것을 목표로 하는 첨단 항공 모빌리티(AAM)에서도 중요한 역할을 할 가능성이 큽니다. AAM은 응급 서비스부터 대중교통에 이르기까지 많은 산업에 활용될 것입니다.

그런데 eVTOL은 AAM을 발전시키는 데 정확히 어떻게 사용될까요? 그리고 이 분야의 혁신가들은 어떤 과제와 기회에 직면하고 있을까요?

AAM 및 eVTOL의 현재 상태에 대해 간략히 알아보기

AAM의 정확한 탄생 시기는 논란의 여지가 있지만, AIAA(American Institute of Aeronautics and Astronautics)의 항공학 수석 이사인 Jim Sherman은 AAM이 2009년경에 초기 단계의 eVTOL이었던 NASA Puffin 프로젝트로 시작되었을 수 있다고 말합니다. 그 후, 2010년에 Joby Aviation은 상용 eVTOL을 개념화하기 시작했습니다. 이후 몇 년 동안 급성장하는 전기 비행 및 수직 이착륙 시장은 Archer, Vertical Aerospace, Lilium, Volocopter와 같은 기업들의 지원에 힘입어 큰 성장을 이루었습니다.

AAM의 기반이 되는 기술은 수년 동안 개발 중이었지만, NASA가 연구를 더욱 효과적으로 진행하기 위해 ‘첨단 항공 모빌리티(Advanced Air Mobility)’라는 용어를 만들어낸 것은 2020년경이었다고 Sherman은 말합니다. 그 이후로 AAM이라는 개념은 교외 항공 운송을 위한 지역 항공 모빌리티(RAM), 중소 규모의 드론을 사용하여 도시 지역의 저고도 항공 운송을 수행하는 도심 항공 모빌리티(UAM) 등 뚜렷이 다른 몇 가지 하위 영역을 포함하도록 확장되었습니다.

AAM 및 eVTOL 시장에 진출하는 기업의 초기 급증세는 점차 줄어들었지만, Archer, Joby Aviation, Vertical Aerospace 등의 몇몇 조직은 점점 더 입지를 굳히고 있습니다. 이 중 Joby Aviation 및 Archer는 향후 몇 년 안에 항공기 인증을 받는 것을 목표로 하고 있습니다. 또 다른 회사인 OneSky는 동일한 분야에서 무인 교통 관리(UTM)와 AAM 운항을 원활하게 하는 저고도 교통 관리 시스템을 개발하고 있습니다.

eVTOL은 AAM 퍼즐의 필수 요소이지만, 아직 광범위하게 구축할 수 있는 상황은 아닙니다. Synopsys와 합병된 Ansys의 저명한 엔지니어인 Sherman과 Prem Andrade에 따르면 eVTOL을 설계하고 개발하는 엔지니어들은 다음을 비롯한 몇 가지 주요 난관에 직면해 있습니다.

1. 안전 보장: 모든 제품은 FAA(Federal Aviation Administration) 및 EASA(European Union Aviation Safety Agency)의 기존 및 향후 안전 표준을 충족해야 합니다. Andrade는 "첨단 항공 모빌리티에서 안전은 매우 중요"하다고 말합니다.
2. 효율성 및 지속 가능성 극대화: eVTOL은 헬리콥터보다 더 효율적이며, 이러한 이점은 지속적인 기술 발전으로 훨씬 더 두드러질 것입니다. 지속적인 발전을 위해서는 더욱더 효율적인 전력 시스템과 배터리를 설계해야 합니다.
3. 소음 최소화: eVTOL은 이미 헬리콥터보다 약 100배 더 조용하지만, 소음 공해를 최대한 줄이는 것을 최우선 과제로 삼고 있습니다.
4. 인프라 구축: eVTOL을 사용하려면 항공기 아래에서 발생하는 강한 하향 바람(다운워시 및 아웃워시라고 함)을 처리할 수 있는 수직 이착륙장과 착륙 및 배터리의 빠른 충전을 위해 최적화된 충전 시설을 만들어야 합니다.
5. 도시 환경에 배치: 건물 주변 및 건물 위의 비행 경로를 결정하고 바람을 처리하며 착륙 및 충전소에 적합하고 허용 가능한 구역을 찾는 것은 도시에서 운영의 상당한 과제입니다.

이러한 과제는 시간이 지남에 따라 진화하므로 eVTOL 개발자들은 설계 및 계획에 적응할 수 있어야 합니다. 예를 들어 Sherman은 EASA는 eVTOL이 상용 항공기만큼 안전해야 한다고 발표했습니다. 이러한 변경에는 필요한 중복성과 안정성을 달성하기 위한 비용과 테스트의 증가가 필요할 것입니다.

또 다른 예로 안전 표준인 FAR(Federal Aviation Regulations) Part 23은 지난 10년 동안 많은 변화를 거쳤는데, 규범적인 측면을 줄이고 검증에 더 집중하는 방향으로 바뀌었습니다. 이 새로운 절차를 완전히 거친 회사는 아직 없지만, Joby Aviation 및 Archer와 같은 eVTOL 개발사는 인증을 획득하기 위해 조만간 이 어려움을 극복해야 할 것입니다.

AAM의 미래 단계에서 eVTOL을 성공적으로 배치하려면 엔지니어는 설계 최적화와 관련된 기술적 과제를 균형 있게 조정하고, 지자체와 협력하여 인프라를 구축하며, 개발 주기 동안 변경될 수 있는 규정에 유연하게 적응할 수 있어야 합니다.

AAM을 향한 발전 속도를 높이려면 어떻게 해야 할까요?

이러한 과제를 해결하는 것은 발전을 위해 필수적이지만, 간단하지 않습니다. 이 과정을 지원하기 위해 전 세계 혁신 기업들은 Ansys 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 설계를 최적화하고 안전성을 검증하며 AAM 시스템에 대한 전반적인 신뢰를 구축하고 있습니다.

Ansys 시뮬레이션을 활용한 eVTOL 최적화

엔지니어는 Ansys 다중물리 시뮬레이션 툴을 사용하여 eVTOL 설계를 정확하고 종합적으로 분석하여 출시 기간을 단축하고 AAM을 향한 발전을 가속화할 수 있습니다.

예를 들어 eVTOL 설계로 인한 소음 공해를 최소화하려는 엔지니어의 경우를 가정해 보겠습니다. Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 압력파와 음향을 모델링하여 각 설계 반복에서 발생하는 소리를 파악할 수 있습니다.

물론 음향 모델링은 시뮬레이션 소프트웨어가 설계 최적화에 도움이 될 수 있는 한 가지 방법일 뿐입니다. 다른 사용 사례에서는 설계 최적화, 구조 분석, 배터리 열 관리, 추진 시스템 최적화, 전기광학 적외선(EOIR) 센서 분석 및 기타 평가를 위해 전자기, 광학, 열, 구조 및 공기역학 시뮬레이션을 결합합니다.

시뮬레이션 소프트웨어를 통한 안전성 검증 및 안전 표준 충족

또한 eVTOL 설계자 및 제조업체는 시뮬레이션을 활용하여 규정 준수 및 인증을 더욱 빠르고 효율적으로 달성할 수 있습니다. 몇 가지 주요 활용 사례는 다음과 같습니다.

• 예측적 상태 관리, 유지 관리 등의 안전 모니터링을 위한 디지털 트윈 생성
• 인공지능 및 머신러닝(AI/ML) 솔루션을 사용하여 경량 검증 실행
• 자율주행 시스템 안전 검증 설계
• SAE International의 민간 항공기 및 시스템 개발 지침 ARP4754B, 미국 국방부의 군사 표준(MIL-STD) 882E 시스템 안전 등의 기존 표준에 대한 가상 검증, 유효성 검사 및 분석을 통한 인증(CbA) 준수

Sherman은 "여러 테스트 사례와 시뮬레이션을 매우 빠르게 실행할 수 있다는 사실 덕분에 오늘날 우리가 이 위치에 있을 수 있게 되었다"고 말합니다. 시뮬레이션 툴은 안전에 중요한 구성 요소가 안전하고 안정적이며 규제 표준을 준수하고 신뢰할 수 있는지 확인하는 데 유용하며, 이는 AAM의 구현 및 수용에 필수적입니다.

포괄적인 디지털 엔지니어링 툴로 확신 가능

엔지니어는 Ansys의 시뮬레이션 및 디지털 엔지니어링 툴을 사용함으로써 eVTOL의 회전자가 움직이는 모습, 임무 환경 및 기타 요인을 연구하여 전체적인 운영 상황을 파악할 수 있습니다.

예를 들어 Ansys STK(Systems Tool Kit) 디지털 미션 엔지니어링 소프트웨어는 고해상도 지형, 영상, 무선 주파수(RF) 환경을 비롯해 시간 흐름에 따른 변화를 관찰할 수 있는 사실적인 3D 시뮬레이션 내에서 eVTOL을 구성하는 복잡한 시스템을 모델링할 수 있습니다.

이처럼 포괄적인 분석은 설계 프로세스 초기에 문제를 감지하는 데 필수적이며, 이를 통해 나중에 개발 및 배포 과정에서 잠재적으로 생명을 위협할 수 있는 문제를 피할 수 있습니다.

또한 Ansys 소프트웨어는 항공기의 주문형 항로와 정기 항공편의 균형을 맞춰야 하는 혼잡한 지역에서 운항 시 발생하는 어려움을 일부 해결하는 데도 유용할 수 있습니다. 엔지니어와 운영자는 Ansys 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 항공 교통을 모델링하고 eVTOL의 존재가 항공 교통에 미치는 영향을 파악할 수 있습니다.

Andrade는 Ansys가 엔지니어가 임무 요구 사항 및 개념부터 설계, 검증, 안전 및 운영에 이르기까지 모든 단계를 수행할 수 있도록 지원하는 솔루션을 제공한다고 말합니다. 이처럼 포괄적이고 원활한 디지털 엔지니어링 워크플로를 통해 엔지니어는 한 곳에서 모든 분석을 수행할 수 있으므로 효율성이 향상되고 시간과 비용이 절약됩니다.

하늘을 향한 비전: AAM 및 eVTOL의 미래

AAM 및 eVTOL은 운송에 관한 우리의 사고방식을 획기적으로 바꿀 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이 기술로 도시와 교외 지역 전역에서 사람들의 이동, 화물 운송, 의료 응급 상황 지원 등의 미래를 새롭게 만들 수 있습니다. Andrade는 "글로벌 eVTOL 항공기 시장은 2030년까지 234억 달러에 이를 것으로 예상된다"라고 말합니다.

eVTOL 및 AAM의 지속적인 발전을 촉진하는 몇 가지 핵심 기술은 다음과 같습니다.

1. 자율성: 자율주행 시스템이 민간 항공우주 분야에 도입되려면 시간이 걸리겠지만, "자율성은 방위 관점에서 매우 중요하다"고 Andrade는 말합니다.
2. 디지털 트윈: 디지털 트윈은 "예측적 상태 관리 및 비행 중인 자산의 상태 확인과 같은 모든 측면에서" 유용하다고 Andrade는 말합니다. 디지털 트윈의 주요 이점은 두 가지로 나눌 수 있습니다.
   • 설계 및 개발 프로세스 중에 디지털 트윈을 활용하여 가상 환경에서 설계를 효율적이고 정확하게 연구하고 개선할 수 있습니다.
   • 설계가 운영에 적용된 후 디지털 트윈을 사용하여 이상을 더 효과적으로 평가하고 예방 조치를 비교하는 등의 작업을 수행할 수 있습니다.
3. 무선(OTA) 업데이트: 중요한 임무와 관련된 설계가 점점 더 복잡해짐에 따라 정기적인 업데이트를 수행하고 지속적인 기능 및 규정 준수를 보장하는 것이 어려울 수 있습니다. OTA 업데이트를 통해 엔지니어는 현장에서 차량에 소프트웨어 업데이트를 구현하여 지속적인 개선을 가능하게 합니다.

Sherman은 AAM 및 eVTOL의 미래를 내다보며 "합법적인 산업으로 자리 잡는 것을 보고 싶다"고 말합니다. Sherman은 모든 사람이 효율적이고 진화하며 유용한 eVTOL을 탈 수 있는 미래를 상상하며, 무엇보다 유용성을 강조합니다.

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