항공기 혁명, 더 빠르고 더 멀리 여행한다

[기업이 만드는 지면][GE × Weekly BIZ]

- 항공기의 심장,차세대 엔진 혁명이 친환경 항공기 발전 이끌어

세라믹 신소재 혁신… 엔진 무게는 줄이고 고온 내구성 높여

3D프린팅으로 항공기 엔진 무게 감소… 연비 및 효율성 증가

- 항공기 미래, 엔진 연료 혁명

바이오 연료 상용화 눈앞에

- 항공기산업도 '빅데이터'가 효자 노릇

항공기 유지보수 효율 높여 항공기 고장 최소화

항로 최적화로 보다 빠르고 효율적인 여행 가능

국제민간항공기구(ICAO)에 따르면, 전세계 항공교통량이 2030년까지 현재 3000만대에서 6000만대로 2배 가량 증가(여객기 기준)할 것이라고 한다. 국내 항공운항도 마찬가지다. 올 초 국토교통부에 따르면 국내외 여행수요 증가와 저비용항공사 운항 확대 등에 힘입어 작년 연간항공교통량이 지난해 대비 6% 증가한 58만5000대(일평균 1603대)를 기록했다. 지난 10년간 교통량은 고유가사태('05)와 글로벌 경제위기('09)에 따른 일시적인 감소를 제외하고 연평균 5% 이상의 증가 추세를 유지하고 있다. 특히, 최근 5년간('09~'13)은 연 6.4% 이상 증가, 세계교통량 평균 증가 예측치(4.7%)를 훌쩍 뛰어넘었다.

이처럼 항공기 사용률이 증가하면서, 보다 빠르고 친환경적인 기술에 대한 관심도 함께 증가하고 있다. 우리와 가장 가까운 운송수단인 자동차가 보편화되면서 연료 효율성, 즉 연비가 자동차 선택에 중요한 요건으로 여겨지고 있듯이, 항공도 이제 연비와 효율을 따지는 시대가 된 것. 항공기 기술은 대표적인 고첨단 기술인 만큼, 연비와 운영 효율을 높이는 기술에도 최첨단 혁신 기술이 적용된다. 신소재 개발 및 3D프린팅 제조를 통해 무게를 크게 줄이면서도 내구성을 강화하고, 친환경 연료를 적용할 수 있는 기술을 개발하는 등, 항공 기술에도 다양한 혁신이 지속되고 있다.

항공기 이용 빈도가 증가하고 있지만, 여전히 일반 승객에게는 비용 부담이 크다. 항공기는 최첨단 기술이 밀집된 기체 자체도 고가이지만, 거대한 기체를 날게 하는데 필요로 하는 연료가 운영 비용의 가장 큰 비중을 차지한다. 따라서 항공기 이용의 증가에 따라 항공사가 증가하고, 이는 항공사 간 경쟁력 강화에 대한 요구로 이어지면서 비용 효율을 높이는 것이 중요한 경쟁력이 되었다.

비용 효율을 높이는데는 엔진기술 혁신이 핵심이다. 엔진은 항공기를 구성하는 기술 중 항공기의 무게와 연료 소비에 중요한 역할을 차지한다. 고온과 무게에 대한 내구성을 높이면서도 무게를 줄이는 혁신 기술을 통해 연비와 운영 효율을 높일 수 있다. 이러한 엔진 혁신 기술은 세라믹 등 기존에 사용하지 않았던 신소재 개발과 3D 프린팅 기법을 통해 무게를 줄이면서도 내구성을 강화할 수 있는 기술이 개발되면서 비약적인 친환경 기술 발전이 이뤄졌다.

최근 GE와 프랑스 항공 업체 Snecma와의 합작회사인 CFM 인터내셔널은 차세대 항공기 엔진이라 불리는 'LEAP'엔진을 개발했다. LEAP 엔진은 상용 제트엔진 최초로 연료노즐을 3D 프린터로 생산하였으며 특수 세라믹 합성물을 소재로 사용했다. 세라믹 소재는 극심한 고온과 무게를 견딜 수 있어 엔진 내구성을 높일 수 있다. 또한 3D 프린터로 연료노즐을 제작해 부품의 불필요한 부분을 최소화해 무게를 줄이면서도 내구성을 높였다.

이러한 첨단 제조 기법을 통해 효율은 기존보다 14% 높이고 배기가스 배출량은 현저히 줄인 고효율의 친환경 기술인 LEAP 엔진이 탄생했다. LEAP 엔진은 에어버스의 차세대 항공기 A320neo와 보잉 737 MAX에 탑재되는 등 현재 20개국에서 수주량이 6,000 대 이상 기록하고 있다.

또한, GE 역사상 가장 빠른 판매속도를 기록한 GEnx엔진은 세계 최초로 팬블레이드와 케이싱에 경량복합소재를 사용하여 연료효율성은 높이고 소음을 줄였다. 이 엔진을 장착한 대한항공의 차세대 화물기는 기존 화물기 대비 연비효율이 17% 증가하고, 이산화탄소 배출량은 17% 감소했다.

엔진 자체의 기술 개발을 통해 연료 효율을 높이는 기술과 더불어, 보다 친환경적인 대체 연료를 적용하는 기술 개발에도 활발한 움직임이 있다. 유럽연합은 지난해 유럽 지역에 취항하는 모든 항공사에 대해 2012년에는 CO₂배출량을 2005년보다 3%, 2013년에는 5% 줄이도록 결정했는데, 이러한 흐름이 대체에너지에 대한 더욱 활발한 개발로 이어질 것으로 예상된다.

특히 최근엔 바이오연료가 항공기 엔진 대체연료로 주목받고 있다. 바이오연료는 생물유기체인 바이오매스에서 얻은 대표적인 친환경 연료다. 2008년 바이오연료를 이용한 4기의 GE CF6 엔진을 장착한 버진 아틀란틱 항공의 점보제트기가 런던에서 암스테르담으로의 첫 비행을 마쳤다. 이 비행의 성공은 항공 산업계에서의 바이오 연료 가능성을 시사했다. 2010년에는 '그린 호넷' 이라 불리는 해군 F/A-18 전투비행기가 카멜리나 연료와 등유를 절반씩 혼합한 연료로 비행하는데 성공했다. 이 전투기는 GE F414 엔진 2기를 달고, 음속의 1.7배를 돌파했다. 최근에는 지난 6월 브라질에서 열린 'Rio+20(UN지속가능발전 정상회의)' 기간 동안 브라질 항공 제조업체 엠브라에르가 GE의 바이오 연료 엔진을 장착한 비행기 이륙 시험을 실시하기도 해, 바이오연료의 상용화가 가까워졌음을 보여주었다.

한국에서는 KAIST 양지원 교수가 이끄는 차세대 바이오매스 연구단이 공군 연구분석평가단과 공동으로 미세조류를 활용한 항공기 연료 개발에 나섰다. 연구단은 9월부터 기름생산에 돌입, 내년 여름에 GE F404 엔진을 장착한 FA-50 경전투기에 바이오 연료를 주입하여 비행실험에 나선다는 계획이다.

항공 엔진 및 운영 효율 개선은 엔진 외적인 기술 진화를 통해서도 이뤄지고 있다.기업들은 엔진 관리에서부터 부품과 시스템 통합, 항공 서비스 지원까지 통합적인 솔루션을 제공한다. 상용 및 군용 항공기를 위한 통합 항전시스템, 기계 시스템, 전력공급 시스템 및 최첨단 항공교통관리 시스템을 공급하기도 한다. 특히, IT 기술의 발달로 소프트웨어 산업을 적용한 시스템 개발이 한창이다. 항공 시장을 선도하고 있는GE의 경우, 산업인터넷과 빅데이터의 활용 등 기술적인 혁신을 통해 고객사들이 운영의 효율성을 높이고 있다.

GE는 산업인터넷인 플라이트이피션시서비스(Flight Efficiency Services)솔루션을 통해 항공사들의 운영 효율을 높이도록 돕는다. 이는 항공기에서 생성되는 데이터를 실시간으로 수집하고 축적된 데이터를 분석해 항공사 운영을 최적화 하도록 돕는 솔루션이다.

이 중 일종의 네비게이션 서비스와 같은 역할을 하는 RNP(Required Navigation Performance) 시스템은 이번 브라질 월드컵 기간 브라질 GOL항공사에서 적용한 바 있다. GE의 RNP 시스템은 항공기가 공항에 착륙을 시도할 때마다 최적의 루트를 제시하는 시스템으로, 실제 항공기 운항 경로, 기존의 운항 데이터 등을 분석하여 최적화된 경로를 파악해 알려줄 뿐 아니라, 최단운항거리 경로를 파악할 수 있어 연료소비 절감에도 도움이 된다.

상공은 물론 지상에서도 활주로 운영의 최적화 솔루션 등 항공 운영 효율화 증대에 많은 역할을 하는 기술이다. 쉽게 말해서 '실시간 교통정보 + 네비게이션'의 두 기능이 결합된 것이다. 지금까지는 각 공항이 정해 놓은 절차가 있고 항공기들이 그것을 따라 착륙허가를 받고 공항에 접근할 수 있었다면, RNP는 지상에서 송출하는 라디오 주파수대신 GPS 신호를 이용해 각 항공기에 공항에 착륙할 때마다 가장 효율적인 접근 방법을 제시한다. RNP시스템은 기존의 인프라의 효율을 높임으로써 여행객들의 대기시간 감소, 관제의 효율성 증대, 항공사의 비용절감과 인프라 개선이라는 선순환을 가능케 한다.


한국, 항공산업 날개를 달다

우주항공 산업은 첨단 기술이 집약되어 있고 산업 파급 효과가 큰 대표적 고부가가치 산업이다. 이에 선진국들은 국가주도로 항공 산업을 육성하고 있으며, 중국과 일본은 군용기와 민수기를 이미 자체적으로 개발 및 생산하고 있다. 한국에서는 방위산업을 중심으로 가장 활발하게 항공 산업이 진화해 왔다. 최근 한국산 항공기 T-50을 인도네시아, 이라크, 필리핀에 수출하는 쾌거를 이루며, 한국 항공산업의 가능성에 대한 기대를 한층 높이는 계기가 되었다.

T-50은 한국 최초의 국산 초음속 고등 훈련기로 한국항공우주산업(KAI)과 록히드마틴이 공동 개발했다. 이는 GE의 F404엔진을 장착해 고등훈련기에서는 보기 드물게 마하 1.5 의 최고 속도를 자랑한다. 또한 한국은 기동헬기 수리온을 자체 개발했다. 수리온을 개발해 우리나라는 세계에서 11번째 헬기 개발국이 되었다.

수리온에 탑재된 GE의 회전익 항공기 터보샤프트 엔진인 T700 엔진은 험준한 산악지형에서 비행하기 적합한 성능을 갖추고 있어, 척박한 환경에서도 최소한의 유지보수만으로 안정적인 비행이 가능하다.

항공산업은 첨단 기술 집약 산업으로 기술 발전, 일자리 창출 및 수출 효과 등 산업적 파장이 큰 고부가 가치 산업이다. 이에 한국 정부도 한국형 차세대 항공기 개발 사업인 KF-X(보라매 사업) 및 MRO(창정비) 사업 육성을 위한 방안을 고민 중에 있다.

한국이 항공 산업의 세계적인 국가로 도약하기 위해 국가주도와 기술력을 갖춘 민간 기업들의 활발한 참여가 이뤄져야 한다. 선진 기술을 가진 GE와 같은 기업과의 협력을 통해 T-50과 수리온을 개발하고 수출까지 성공할 수 있었던 것과 같이 정부와 민간의 협력이 무엇보다 중요하다. 과거 70~80년대 조선해양 산업에 대한 정부의 전폭적인 지원과 대기업들의 활발할 참여를 통해 오늘날 한국이 조선해양 산업의 일류 국가로 도약할 수 있었듯이, 항공 산업도 세계 일류 국가로 도약하기 위한 움직임이 시작되고 있다.

[GE코리아 콘텐츠팀]

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