비행의 미래를 위한 동력: 수소 동력 eVTOL 설계

크고 분주한 도시가 당신을 둘러싸고 있습니다. 거리는 붐비고 높은 건물들이 하늘을 향해 뻗어 있습니다. 당신은 약속에 늦었습니다. 그러나 자동차를 잡아 타는 대신 당신은 위를 쳐다봅니다. 전기 수직 이착륙(eVTOL) 차량을 기다리는 것입니다. eVTOL은 헬리콥터처럼 수직으로 이륙하고 착륙하는 소형 항공기이며 지속 가능한 전기 추진 시스템을 사용하며 단거리~중거리를 주행하도록 설계되었습니다.

이 시나리오는 아직 현실이 아니지만 미국연방항공청(FAA)은 2028년까지 이를 실현할 수 있도록 준비하고 있습니다. 이러한 노력의 일환으로 FAA는 첨단 항공 모빌리티(AAM)를 위해 노력하고 있으며, 이를 "새로운 항공기와 다양한 혁신적인 기술을 활용하여 운송 수단을 보다 효율적이고 지속 가능하며 공평하게 선택할 수 있는 기회를 제공하는 신흥 항공 생태계"라고 설명합니다. AAM을 국가항공우주시스템(NAS)에 통합할 때 FAA의 최우선순위와 법적 책임은 통행하는 대중의 안전을 보장하는 것입니다. 이와 같은 안전한 운행은 이 공간을 통해 운영되는 많은 회사들이 보장해야 합니다.

이러한 회사 중 하나는 운송 산업에 혁명을 일으켜 세상을 변화시키겠다는 사명을 가진 Alaka'i Technologies입니다. 이를 달성하기 위해, 회사는 단순히 eVTOL 항공기 개발만 하고 있지 않습니다. Alaka'i는 수소 연료 전지를 사용하여 모터에 동력을 공급하는 전기를 생성하는 eVTOL 항공기인 Skai를 개발하고 있습니다.

Alaka'i의 마케팅 책임자인 Hugh Kelly는 "우리는 수소 연료 전지를 전력원으로 사용하는 유일한 업체라는 점에서 특별합니다."라고 말합니다. 수소 연료 전지의 많은 이점 덕분에 Alaka'i 팀은 수소를 항공 모빌리티에 이상적인 에너지로 보고 있습니다.

이 작업이 왜 중요한지, 수소의 이점 및 시뮬레이션이 팀이 보다 지속 가능한 미래를 만드는 데 어떻게 도움이 되는지 자세히 살펴보겠습니다.

항공 모빌리티에서 eVTOL 및 수소 연료 전지의 역할

인구가 증가하고 도시가 확장됨에 따라 사람과 제품을 운송해야 하는 필요성도 증가합니다. 향후 몇 년 동안 이로 인해 기존 인프라에 상당한 부담이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 2030년까지 5억 명의 메가시티 주민들이 교통 문제를 겪을 것으로 예상됩니다. 이것이 바로 도시 항공 모빌리티(UAM)가 필요한 이유입니다.

UAM은 이러한 요구사항을 충족할 수 있는 안전하고 효율적인 운송 시스템을 구현하는 것을 포함합니다. eVTOL과 같은 새로운 기술은 UAM에서 중요한 역할을 하며, 단거리 항공 택시부터 단거리 도심 간 노선에 이르기까지 항공 서비스의 격차를 메웁니다. 보다 넓은 범위에서 AAM 목표를 살펴보면, 인도주의 단체를 지원하고 수색 및 구조 임무를 지원하는 등의 일에 eVTOL이 도움이 될 수 있습니다.

eVTOL은 잠재적 응용 분야가 광범위하다는 것 외에도 전력을 사용하므로 환경 관점에서 유용합니다. Alaka'i 팀의 경우 이 전력은 수소 연료 전지에서 생성됩니다. Alaka'i 는 이러한 고유한 설계 선택이 다음과 같은 많은 이점을 가지고 있다고 말합니다.

• 재생 에너지원을 사용하여 수소 연료를 생산할 때 CO₂ 배출량이 거의 0에 가깝습니다. Alaka'i는 이미 전기 분해를 통해 생산되는 친환경 수소를 사용하고 있습니다. 이는 재생 가능한 전기를 사용하여 물에서 수소를 추출하는 전기화학 공정입니다.
• 효율성이 향상됩니다. 보다 일반적인 내연기관 엔진과 비교할 때 연료 전지는 더 효율적일 수 있으며, 연료의 화학 에너지를 60% 이상의 효율로 전기 에너지로 변환할 수 있습니다.

설계를 선택할 때 Alaka'i 팀은 운송 산업에 혁명을 일으키고 Skai가 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 가장 편리하고 깨끗하며 안전한 방법이 되도록 하는 것을 목표로 합니다. 그러나 먼저 설계를 최적화하고 완벽하게 작동하는지 확인해야 합니다. 이것이 바로 시뮬레이션이 필요한 이유입니다.

수소 동력 eVTOL 항공기 개발

Alaka’i는 Skai를 만들어내기 위해 Ansys Apex 채널 파트너인 SimuTech 그룹과 파트너십을 맺고 Ansys 스타트업 프로그램에 참여했습니다. Alaka'i는 Ansys 스타트업 프로그램 회원으로서 Skai를 개발할 때 직면한 과제를 극복하기 위해 필요한 시뮬레이션과 지원 및 교육을 합리적인 가격에 이용할 수 있었습니다. 과제 중 하나는 수소 연료 전지를 냉각시키는 것이었습니다.

이 문제의 핵심은 간단합니다. 수소 연료 전지는 열을 발생시키므로 적절한 냉각 시스템이 필요합니다. 그러나 이 문제를 해결하는 것은 말처럼 쉽지 않습니다. Alaka'i의 시뮬레이션 전문가이자 전산유체역학(CFD) 엔지니어인 Behrouz Karami는 내연기관 및 제트 엔진과 비교할 때 연료 전지는 “더 낮은 온도에서 작동하지만 여전히 많은 열을 발생시킨다”고 말합니다. 여기서 냉각에 대한 과제가 생겨나는데, 연료 전지의 뜨거운 표면과 여름 날씨 사이의 온도 차이가 적은 경우를 예로 들 수 있습니다. 이렇게 작은 온도 차이는 열 전달을 더 어렵게 만듭니다.

이 과제를 해결하기 위해 팀은 Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어와 PEM(폴리머 전해질 막) 연료 전지 모델을 사용하여 연료 전지가 경험할 수 있는 다양한 시나리오를 연구했습니다. “이 모든 작업은 ‘사무실의 제어된 온도 환경’에서 이루어졌습니다.”라고 Karami는 재치 있게 말합니다. Skai의 수소 연료 전지의 냉각 시스템을 정확하게 해석하기 위해 이러한 시뮬레이션에는 물을 통과시키는 펌프가 있는 냉각 시스템 루프 모델링, 최첨단 라디에이터, 작은 입자를 제거하는 필터, 호스, 인터쿨러, 압축기의 냉각 및 관련된 모든 것의 정확한 형상 모델링이 포함되었습니다. Alaka'i의 엔지니어링 책임자인 Finn Arcadi는 "Ansys는 이 모든 영역을 고충실도로 처리할 수 있는 폭넓은 툴이었습니다."라고 말합니다.

이 팀은 또한 업무에 Ansys Discovery 3D 제품 시뮬레이션 소프트웨어를 사용했습니다. Karami는 "Ansys Discovery 시뮬레이션 소프트웨어는 설치가 매우 쉽고 배우기 쉬우며 엔지니어링 문제에 적합합니다."라고 말합니다. 설계자는 Discovery 소프트웨어를 사용하여 설계 단계 초기에 구조 분석, 유동 문제 및 압력 강하를 쉽게 실행할 수 있습니다. 이러한 방식으로 더 많은 팀 구성원이 시뮬레이션의 힘에 액세스할 수 있습니다.

Arcadi는 이 시점까지의 작업을 반영하여 시뮬레이션을 통해 "작동 중인 제품을 구현하는 데 많은 시간을 절약할 수 있습니다."라고 말합니다. 오차 여유가 낮은 다양한 시나리오에서 4,000~5,000파운드의 차량을 연구하는 것은 필수적이며, Alaka'i 팀은 이 목표를 달성하기 위해 시뮬레이션을 활용합니다. 또한, 팀은 시뮬레이션이 테스트를 실행하는 데 필요한 프로토타입 수와 작업자 시간을 최소화함으로써 비용을 절감하고, Skai와 같은 제품의 경쟁력을 높이는 데 어떻게 기여하는지를 강조합니다.

도시 항공 모빌리티의 미래를 향한 전망

Alaka'i 팀이 상상한 Skai의 미래에는 예상 주행 거리가 약 250마일인 간편한 운송 옵션을 제공하여 개인에게 새로운 차원의 자유를 제공하는 eVTOL 항공기가 있습니다. 또한 팀은 Skai를 사용하면 오염과 교통 혼잡을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 재난 구호와 같은 중요한 분야에서 필수 작업자를 도울 수 있다고 낙관합니다.

이러한 목표를 달성하기 위한 다음 단계를 위해 Alaka'i 팀은 시뮬레이션 사용을 확장하여 Skai의 소음 레벨을 인구 밀집 영역에 맞게 낮게 유지하고 공기 역학을 통해 회사의 설계를 더욱 최적화할 수 있도록 음향 분야를 해석하고자 합니다. 이 두 가지는 모두 Ansys 시뮬레이션 소프트웨어로 달성할 수 있습니다.

시뮬레이션이 연구자와 엔지니어가 항공우주 분야의 판도를 바꾸는 데 어떻게 도움이 되는지 자세히 알고 싶으십니까? 항공 우주 산업 개요를 확인하십시오. 또한, 항공기 설계에 도움이 되는 Ansys의 제품에 대해서도 자세히 알아보십시오.