플라잉카와 도심 항공 모빌리티 동체 디자인의 차별점 고찰

2.1 항공 모빌리티의 등장과 성장

2009년에 구글(Google)의 자율주행차량 실험을 계기로 사용성(使用性; Usability)의 개념이 주목받기 시작했으며, 이를 바탕으로 모빌리티 서비스(Mobility service) 개념이 등장하기 시작한다. 이에 따라 기존의 육상 운송 수단의 하드웨어 개발 중심의 기술에서 항공기를 포함하는 다양한 유형의 모빌리티로 기술 범위가 확대된다. 그리고 최근에는 다양한 유형의 도심 항공 모빌리티(UAM)가 출현하고 있다.

｢삼정 KPMG(Samjong KPMG)｣의 보고서에 따르면, 서기 2030년에는 전 세계에서 UAM 이용자는 연간 1,200만 명, 그리고 서기 2050년에는 4억 4,500만 명까지 늘어날 것으로 전망하고 있다. UAM을 주로 이용할 10개 도시로는 토쿄, 상하이, 베이징, 델리, 뉴욕, 서울, 로스앤젤레스, 뭄바이, 오사카, 광저우를 꼽았다.²⁾

또한, 한국경제신문은 UAM의 세계시장규모가 서기 2030년에 730조 원에 달할 것이라고 분석하면서, “UAM은 해외에서 먼저 시작됐지만 2025년에 국내에서 서비스 시작을 목표로 이제 시장이 열리는 단계이고 개념도 점차 정립되는 상황”이라는 내용과 아울러 “미국, 독일, 일본 등 여러 나라가 UAM 시장의 패권을 노리고 있다³⁾”는 국토교통부 관계자의 설명도 보도했다.

정부 역시 장기적으로는 항공기와 자동차의 중간 형태인 UAM 분야의 시장이 새로운 경제의 돌파구가 될 수 있을 것으로 내다보고 있다.⁴⁾ 이러한 추세를 뒷받침하듯 현대자동차는 ｢CES 2020｣에서 도심지용 항공 모빌리티를 출품했다. 이러한 상황으로 볼 때 근 미래에는 항공 모빌리티 분야의 비중이 크게 증대될 것으로 보인다.

2.2 항공 모빌리티 기술과 문제점

도심 항공 모빌리티 개발 이전부터 개인용 항공기 시장이 큰 비중을 가지고 있었던 미국은 항공기의 관제와 운용의 규제를 명확히 하기 위해 1996년에 ｢미국항공우주국(NASA)｣에서 개인용 항공기(PAV)의 기준을 공식적으로 제시했다. 여기에서 개인용 항공기는 5인 미만의 승객 탑승, 순항속도 240 ~ 320 km/h, 운전면허 보유자 누구나 운전 가능, 비행 거리 1,300 km 수준이면서, 개인이 이용하는 것이 가능한 기체라는 등이라는 내용을 제시하고 있다.⁵⁾

이 기준 이외에도 항공 모빌리티에서 요구되는 필수 요소는 첫째, 수직이착륙(VTOL; Vertical Take off and Landing) 기술로서, 제자리에서 이륙하고 원하는 곳에 착륙할 수 있어야 한다.

둘째는 높은 수준의 자동화 기술로, 도심지의 복잡한 환경에서 비행하기 위해서는 정밀한 관제(管制)시스템(Air traffic control system)이 필요하다.

셋째는 분산 추진 기술로, 대형 엔진을 쓰는 기존의 항공기와 달리 소형화된 추진 장치로 동력을 분산시킴으로써 소음 감소와 신뢰성 향상, 기체 형태의 다양화가 가능하다.

네 번째는 배터리 기술로, 소음과 배기가스 발생이 없는 전기 동력을 위한 배터리 개발이 요구된다.

그리고 마지막으로 낙하산 등을 포함한 안전 기술로, 비상 상황에서 탈출하기 위한 낙하산 기술을 들 수 있다.⁶⁾ 이외에도 NASA의 설문과 분석에 따르면 1/4의 사람들은 새로운 기술을 환영하지만, 또 다른 1/4은 상용화가 돼도 이용하지 않을 것이라는 의사를 보이면서도, 절반에 가까운 사람들은 신기술에 대해 기대하고 있는 것으로 나타나고 있다. 아울러 맨해튼, 보스턴, 마이애미 등 인구가 밀집된 지역에서 검토가 가능한 사업 모델이라고 판단하는 관점도 볼 수 있다.⁵⁾

또한 낮은 고도로 운행하는 비행체에 설치된 카메라와 센서들은 불가피하게 다양한 영상정보를 수집하게 되므로, 아파트 거주민들의 사생활 침해 문제도 제기될 것으로 보인다.⁵⁾ 이 내용을 정리한 것이 Table 1이다.

Table 1

Analysis of requirements and problems for UAMs

또 다른 문제로는 소음 발생과 도시미관의 영향도 예상되고 있는데, 현재 개발되는 항공 모빌리티는 기존 항공기나 헬리콥터 등에 비하면 조용하다고 알려져 있으나, 그럼에도 소음 문제는 지속적으로 대두될 것으로 보인다. 이외에도 창밖에서 비행체가 저공⋅근접 비행할 때 불안감이 야기된다는 주장도 있으며, 이에 따라서 UAM 정거장 건설 시에 입지와 관련해 NIMBY(Not in my back yard) 현상과 같은 지역 이기주의가 대두될 가능성도 예상된다고 한다.

2.3 항공 모빌리티의 실용화

항공 모빌리티의 실용화가 가장 먼저 시작된 분야는 드론(Drone)을 이용한 배달업으로, 대체로 2 ~ 3 kg 중량의 물품을 10마일 거리 범위에서 20분 이내의 시간에 직접 배달(Door to door)하는 것이었다. 이와 관련해 골드만삭스는 무인 배송 시장에서 2030년에 최초로 이익이 발생할 것으로 예상하고 있다.⁷⁾

여기에서 드론 간의 충돌을 방지하기 위한 관제시스템이 필수이므로, 미연방항공청(FAA)과 NASA는 클라우드 기반의 무인항공기 관제시스템(Real time tracing system)을 개발 중이다. 그러나 현재까지 무인 시스템기술의 신뢰성이 높지 못하므로, 관제의 신뢰성 확보는 지속적인 과제가 될 것이다.

또 다른 항공 모빌리티 실용화 유형은 ｢에어 메트로(Air metro)｣인데, 이는 지하철과 같이 정해진 노선과 시간에 맞추어 운항하는 것이다. 교통체증이 극심한 도시 간, 혹은 도심을 연결하는 수직 이착륙 플라잉카를 운행하게 되며, 2 ~ 5명이 탑승할 수 있다. 약 20 ~ 150 km의 거리를 비행하며, 정류장에서는 3 ~ 6대가 동시에 출발하는 것이 가능하고, 충전시설과 접객시설이 완비돼 있다. 이에 대해 NASA는 에어 메트로 시장에서 2028년에 최초로 수익이 발생할 것으로 예상하고 있다.⁵⁾

이는 골드만삭스의 무인 배송 손익분기점의 예상 시점인 2030년보다 더 빠른 것으로, 무인 배송이 전달의 정밀성과 안전성 확보에 시간이 더 필요하고, 현재는 교통체증을 해결하고자 하는 요구가 더 높으므로, ｢에어 메트로｣는 그를 위한 비용을 지출할 의향의 승객이 더 많을 것이라는 판단에 의한 것으로 보인다.

다른 유형의 항공 모빌리티는 ｢에어 택시(Air taxi)｣이며, 이는 에어 메트로와 달리 높은 문전연결성(門前連結性)을 가지고 있다. 이를 위해서는 ｢에어 메트로｣의 정류장에 비해 작은 규모의 정류장이 더욱 광범위하고 밀도 있게 건설돼야 함을 의미한다. ｢에어 택시｣의 비행체는 에어 메트로와 비슷한 크기의 것이 사용될 것으로 보이나, 이용 인원은 1명 기준이며, 운행 시 개인이 부담해야 할 비용도 비싸다. 이에 따라 2030년까지도 에어 택시는 이익을 내지 못할 것으로 NASA는 예측⁵⁾하고 있다.

3.1 EHang AAV

중국의 승객과 물류용 비행 모빌리티 제조업체 ｢EHang｣은 2014년도에 광저우(广州)에서 설립됐으며, 2016년도의 CES에 처음으로 1인승 항공 모빌리티 모델 ｢EHang 184｣를 출품했다. 이후에도 ｢Ghost｣, ｢EHang 216｣ 등 소형 비행 모빌리티를 지속적으로 내놓고 있다.

｢184｣ 모델은 개발 이후 1,000여 회의 시험 비행을 거친 것으로 알려져 있으며, 수직이착륙(VTOL; Vertical takeoff and landing) 방식이다. 프로펠러는 본체로부터 돌출/수납되며, 이착륙을 위한 작동 공간은 2인승이 8.7 m²이다. 이는 중형급 5인승 세단형 승용차의 점유 공간 8.7 m²(4.7 × 1.85 m로 가정 시)와 같은 수준이다.⁸⁾

Fig. 2

EHang 184, 2016

Table 2

Specification of EHang 184

3.2 Lillium Jet

2015년에 다니엘 비간트(Daniel Wiegand) 등 4명에 의해 독일 뮌헨에 세워졌으며, 2016년에 첫 시험 제작 기체의 비행에 성공하였다. 2017년에 2인승 시험 비행 성공 후 2017년에서 2019년 사이에 5인승 시험 비행체 실험 성공하였다. 2020년 3월 23일에 구체화 된 비행체를 발표했으며, 이를 토대로 2024년까지 인증 획득 및 양산 체제 구축을 목표로 하고 있다.

추진 및 비행 동력원으로 쓰이는 36개의 전기 모터는 기존 항공기의 유압장치와 기어박스 등을 쓰는 방향타와 수평 안정기를 대신해 기체 자세 조정 기능을 하므로, 어느 방향으로도 추진력을 낼 수 있는 구조이다. 이로써 기존 제트 항공기의 1/1,000 수준의 단순한 부품 구성으로 운항 시에 유지보수 비용이 적을 것이라고 홍보하고 있다.

전기 모터에 의해 이륙하는 경우 일반적인 화물차량 운행 수준의 소음만 유발되며, 지상 이동 중에는 별도의 전기 모터로 일반적인 전기 차량과 비슷한 소음으로 주행할 수 있다. 그러나 날개폭(Wing span)이 11 m⁹⁾라는 것 이외의 기체 제원은 공개된 내용은 없다.

Fig. 3

Lillium Jet, 2017

Table 3

Specification of Lillium Jet

3.3 AeroMobile

에어로모빌(AeroMobile) 회사는 2010년에 설립됐으며, 2013년에 버전 2.5를 내놓았고, 2014년의 버전 3.0을 거쳐 2017년에 내놓은 버전 4.0의 시제품 이후, 2020년도에 상업적으로 출시했다. 그리고 2025년에 버전 5.0을 내놓는 것을 목표로 하고 있다. 5.0버전은 4인승으로 지상 활주 없이 수직 이착륙이 가능한 성능으로 개발¹⁰⁾되고 있다고 알려지고 있다.

｢에어로모빌 4.0｣ 버전은 두 장의 주익(主翼)이 뒤로 접혀 수납되는 구조이며, 단거리 활주(STOL; Short takeoff and landing)에 의한 이착륙 방식을 가지고 있다. 또한 네 개의 바퀴로 지상 도로를 최고 속도 100 km/h까지 주행하는 것이 가능하다. 4.0의 기체 제원은 날개를 접은 상태에서 길이×폭이 각각 6.1 × 2.2(m)이나, 날개를 펼친 가로 폭(Wing span)은 8.8 m이다.

Fig. 4

AeroMobile 4.0, 2017

Table 4

Specification of AeroMobile 4.0

｢에어로모빌 5.0｣ 버전의 기체 제원은 아직 완전하게 공개되지 않았으나, 동력은 Rotax 912의 4기통 항공기 엔진을 사용하며, 항속거리는 435마일, 전기 동력의 비행과 상승용 로터 2기, 4인승이라는 정도의 정보만 공개된 상태이다. 또한, 2027년을 목표로 개발중인 ｢AM Next｣모델은 후미와 양측 날개에 별도의 프로펠러를 추가해 기동성과 안정성을 향상시켰다.

Fig. 5

AeroMobile AM NEXT, 2027

3.4 Hyundai UAM

2020년 1월에 현대자동차는 미국 소비자 가전전시회(CES)에서 도심 항공 모빌리티로 ｢S-A1｣을 공개하였다. 이후2020년에 항공 모빌리티 전문 기업 ｢슈퍼널(Supernal)｣로 독립했다. 이 기종은 비행 이동 수단 특성상 저속 이동은 어려우나, 공간을 가로지르는 이동이 가능하다. 기체의 길이와 폭, 높이가 10.7 × 16 × 15 (m)의 대형 동체로서, 미국 항공우주국이 정의하는 소형 PAV에는 해당하지 않는 대형 기체이므로, 전문적인 조종사가 필요하다.

｢S-A1｣은 기체 크기로 인해 시가지의 이착륙은 어려우므로, 도시와 도시 사이를 오가는 노선에 사용될 것으로 보인다. 수직 이착륙 기능을 가진 여객기의 형태로, 2023년부터 LA와 댈러스를 운행할 예정이라고 발표했으며, 환승용 거점 허브(Hub)에 이착륙하는 콘셉트를 통해 미래 도시의 변화도 제안하였다.¹¹⁾

Fig. 6

Hyundai UAM S-A1, 2020

Table 5

Specification of S-A1

3.5 Volocopter

2011년에 설립된 독일의 비행 택시 스타트업으로 본래 사명은 ｢e-Volo GmbH｣이었으나, 2017년 7월에 ｢볼로콥터(Volocopter)｣로 변경하였다. 현재 독일 브루흐잘(Bruchsal)에 본사를 두고 있으며, 다임러, 지리자동차, 인텔 등의 기업이 주주로 참여하였다.

18개의 로터를 장착한 구조로 현재까지 개발된 도심 항공 모빌리티 가운데 가장 상용화에 근접했다는 평가를 받고 있으며, 2019년 싱가포르에 최초로 볼로콥터 착륙장을 설치하였다.¹²⁾

2022년에는 우리나라에 법인을 설립해 2024년부터 운행 시작을 준비 중인 것으로 알려져 있으며, 100 % 전기로 구동되는 비행 모빌리티에 의한 택시 서비스를 선보일 것으로 알려져 있다. 기종으로는 휠 타입 랜딩기어(Landing gear)를 장착한 장거리용 ｢볼로지언(Voloregion)｣과 헬리콥터 형태의 랜딩 스키(Landing ski)를 장착한 드론 형태의 시가지용 비행체 ｢볼로시티(Volocity)｣ 등이 있으나, 일부 제원만 공개하고 있다.

Fig. 7

Volocopter Volocity, 2022

Table 6

Specification of Volocopter

3.6 기타 비행체

이들 기종 이외에도 수직 이착륙 기체로 ｢오로라 플라이트(Aurora Flight Science)｣와 ｢보잉(Boeing)｣이 합작으로 ｢VTOL X-Plane｣ 이라는 이름의 고속비행체를 개발¹³⁾하고 있음이 알려져 있으나, 홈페이지에는 군사 목적이라고 안내되어 있고 상세한 정보가 공개된 부분은 없다.

이외에도 ｢바하나(Vahana)｣와 ｢에어버스(Airbus)｣가 공동으로 개발하고 있는 1인승 틸트 윙(Tilt wing)의 자율 비행 수직이착륙기 ｢eVTOL｣이 홈페이지에 소개¹⁴⁾되고 있으나, 기술적인 내용은 알려지지 않은 상태이다.

Fig. 8

Aurora-Boeing UAM, 2016

Fig. 9

Vahana-Airbus eVTOL flight, 2019

4.1 기체 디자인의 차별화 요인

3장에서 살펴본 항공 모빌리티 특징을 요약한 Table 7을 살펴보면, 이들 모두 도심을 운항한다는 공통점을 가지고 있으며, 항공 모빌리티로서의 주요 특징은 이착륙 방식, 비행 특성, 탑승 인원, 문전연결성 등의 관점으로 살펴볼 수 있다.

Table 7

Comparisons of air mobility models

4.2 기체 디자인 요인

4.2.2 캐빈 조형

항공 모빌리티의 기체는 날개를 제외하면 객실이 존재하는 캐빈의 형태가 중심이 되는 항공기 기체와 개념적으로 같은 조형체이고, 공기역학을 고려한 유선형 형상이다. 이에 비해 플라잉카의 차체는 캐빈의 비중이 상대적으로 높은 조형을 보여준다. 여기에 더해서 차륜 구동 및 조향을 위해 차량의 구조를 가진 동체 외부 디자인이 필요하다.

지상 주행이 필요한 플라잉카는 주행 시에 차체의 좌우 롤링 모멘트(Rolling moment)를 억제해야 하는 요구에 따라 윤거(輪距; Wheel tread)를 가능한 한 넓게 확보해야 하며, 그에 따라 캐빈의 폭이 넓어지는 것이 불가피하다. 이로써 실내에서는 2인 좌석의 가로방향 배치(Transverse layout)가 가능해지지만 캐빈은 길이 대비 폭이 넓은 비례를 가지게 된다. 이는 상대적으로 길이 대비 폭의 비례가 좁은 항공기 캐빈이 세로방향 배치(Tandem layout) 지향성과 대비되는, 승용차 차체와 유사한 상자형 조형이 에어로모빌에서 나타남을 볼 수 있다(Fig. 10).

Fig. 10

Cabin width comparison of UAM(S-A1) and Flying car(AeroMobile 1.0)

이처럼 캐빈의 폭이 넓어져 부피가 커질수록 동체의 전면투영면적(全面投影面積; Cverall projection area)이 증대되어 항력계수(抗力係數; Coefficient of drag)가 높아지므로, 고속의 공기역학에서는 불리하다.지상 주행이 요구되는 플라잉카와 비행 전용 UAM의 캐빈은 이처럼 상반된 맥락에 의한 조형성을 가지므로 구분된 접근이 요구된다. 한편, ｢볼로콥터｣의 ｢볼로시티｣ 모델과 같이 드론의 형식에 가까운 구조에서는 캐빈의 전폭 대비 추진기 전체 직경 차이가 큰 것을 볼 수 있다.

5.1 기체 디자인 변화 요인

지금까지 살펴본 주요 항공 모빌리티의 동체 디자인 특징을 Fig. 11의 분석 맵에서 각각의 특성을 가시화 시켜 그 성격을 정리하였다. 여기에서 항공 모빌리티의 특성은 비행 전용과 지상 주행을 구분하는 세로축과 기체 특성이 드론에 가까운 것인가, 또는 항공기에 가까운 것인가의 구분의 가로축으로 구성해 살펴볼 수 있다.

Fig. 11

UAM fuselage type analysis map

이 축을 바탕으로 항공기 기체 유형의 비행 중심의 UAM과 지상 주행을 포함한 플라잉카, 그리고 드론 형태의 구분에서는 바퀴의 유무에 따라 지상 착륙 시 항공기 특성을 가진 유형과 완전한 수직 이착륙 기능의 기체를 구분하여 캐빈 조형의 차별점을 살펴볼 수 있다. 이것을 바탕으로 캐빈 폭과 전체 폭과의 비례, 가변익과 고정익, 그리고 차량의 이미지 중심인지 비행체의 이미지 중심 등의 특성으로 항공 모빌리티를 구분할 수 있다.

5.2 캐빈의 디자인 요인

4장 2절의 기체 디자인 요인과 Fig. 11의 분석 맵을 종합해 보면, 전폭, 캐빈 폭과 길이의 비례, 이착륙 방식, 착륙장치 형태, 접근성, 그리고 승객 인원 등으로 대별된다. 이들은 Table 8에서와 같이 다시 정리할 수 있다.

Table 8

Implications for fuselage design factors

이들 중 지상 주행 비중이 낮은 UAM은 착륙장치에서 주행용 차륜의 비중은 높지 않거나 없으며, 기체는 NASA의 구분에서 개인용 항공기 기준이었던 5인 기준으로 그 이상의 탑승 인원을 수용하는 기체가 될 가능성이 크다. 아울러 이륙과 비행을 위한 추진력이나 양력을 발생시키는 날개와 프로펠러 구조가 안전사고 예방을 위해 승객의 동선과 겹치지 않는 위치와 높이에 배치돼야 한다.

도로 주행을 전제로 차량 구조를 가진 동시에 플라잉카는 5인승 이하(실제로는 2인승) 내외의 개인용 항공 모빌리티의 성격이 중심이 되며, 조형에서는 지상 주행과 비행이 공존하므로 휠 아치(Wheel arch)와 펜더(Fender) 등과 객실(Cabin) 형태에서 차량으로서의 조형성 확보와 유선형을 양립시키는 디자인이 요구된다.

또한, 플라잉카는 비록 휠 트레드 확보를 위해 넓은 캐빈이 불가피하지만, 날개를 수납한 상태에서 기존의 자동차와 함께 도로를 운행하기 위해서는 캐빈 본체와 수납된 날개를 포함한 전체 폭이 2.5 m 이하여야 한다.

5.3 디자인 차별성의 시사점

항공 모빌리티의 동체 디자인 차별화 요인을 화물 운반용 드론 유형이나 지상 주행과 비행이 가능한 플라잉카, 그리고 항공기 유형의 UAM 등의 대상으로 살펴보았다. 이를 통해 동체 디자인에서 운전석과 동승석 중심의 캐빈 형태의 플라잉카는 비행 모빌리티와는 명확한 차이를 보여준다는 점을 확인할 수 있었다.

캐빈의 크기에서 ｢에어로모빌｣은 전체크기가 5.9 × 2.2 × 1.5(m)의 승용차와 유사한 동체 크기이나, UAM 기체의 ｢S-A1｣은 10.7 × 16 × 15(m)의 대형 버스 이상의 동체 크기로 오히려 더 크지만, 캐빈의 길이 대비 전폭 비례는 오히려 더 좁은 비례로서 상반된 모습을 보여주고 있다.

이와 아울러 UAM은 차륜이 동체 디자인에서 변수로 나타날 만큼의 비중을 가지지 않는 특징도 볼 수 있다. 대신에 UAM은 스키 형태의 착륙장치를 가지거나 착륙 포트를 사용하게 되므로, 보다 단순한 유선형 동체를 가지는 점도 대비된다. 즉 동체와 차륜의 관계성 또한 하나의 변수가 될 것으로 보인다. 이 내용을 요약해 플라잉카와 UAM의 기체 디자인의 차별점을 정리한 것이 Table 9이다.

Table 9

Implications for fuselage design of air mobility by types

동체의 차별점으로 종합하면 플라잉카는 캐빈이 상대적으로 넓은 비례를 가지는 데에 비해서 UAM은 비행기 기체의 형태에 가까운 좁고 긴 비례의 캐빈을 가지게 된다. 또한 날개에서 플라잉카는 수납 기능한 가변익을 가지지만, UAM은 추진 장치 구조의 가변성이 있을 수 있으나, 날개 자체는 고정익을 가지게 된다는 점을 볼 수 있다.

전반적인 성격으로 볼 때 플라잉카는 NASA가 구분한 5인승 이하의 개인용 항공 모빌리티의 성격에 근접되지만, UAM은 5인승 이상의 대중성을 가진 항공기로서의 이동 수단의 성격에 더 근접한 특성이 있음을 볼 수 있다.