첨단 제조 기술의 도움으로 날아오르는 청정 항공

• 항공은 8770만 개의 일자리를 지원하고, 모든 무역의 3분의 1을 뒷받침하고, 국내 총생산의 4.1%를 견인하고, 배출량의 2.4%를 차지하는 거대 글로벌 산업이다.
• 항공은 환경에 미치는 영향을 줄이고 산업이 성장하는 만큼 유해성을 상쇄하기 위해 제너레이티브 디자인과 적층 제조를 활용할 수 있다.
• 첨단 제조 기술은 더 가볍고 효율적인 항공기를 생산하여 항공업계가 국제 배출 가스 목표에 더 가까워지도록 돕는다.

1903년 12월 17일, 기적 같은 일이 미국 노스캐롤라이나주의 키티 호크 상공에서 일어났다. 바로 오하이오주 데이턴의 자전거 가게 주인이던 형제 오빌 라이트와 윌버 라이트가 공기보다 무거운 항공기로 통제되는 지속적 동력 비행에 최초로 성공한 것이다. 그들의 비행기인 라이트 플라이어(Wright Flyer)는 겨우 12초간 공중에 머물렀고, 약 37m(120피트)를 이동했으며, 최고 속도는 약 시속 11km(시속 6.8마일)이었다. 이 비행은 짧았지만 그 영향력은 컸다. 거의 120년 후, 항공업은 8770만 개의 일자리를 지원하고, 모든 무역의 3분의 1을 뒷받침하고, 세계 국내총생산(GDP)의 4.1%를 견인하는 거대한 산업이 되었다.

항공운송활동그룹(Air Transport Action Group, ATAG)에 따르면, 항공 산업은 매우 커서 만약 이를 국가 경제 규모로 환산한다면 대략 인도네시아 또는 네덜란드의 규모로 세계에서 17번째로 클 것이며, 항공 운송 수요가 향후 20년간 연평균 3%씩 증가하여 2038년까지 1억 4300만 개의 일자리와 약 7780조 원(6.3조 달러) 규모의 GDP를 지탱할 것으로 예상한다.

이는 끝없는 방랑벽을 지닌 수백만 명의 글로벌 관광객들과 국경과 바다를 건너 사업을 하고 싶어 하는 여러 글로벌 기업에 좋은 소식이다. 그러나 환경 및 에너지 연구소(Environmental and Energy Study Institute, EESI)에 따르면 항공은 전 세계 탄소 배출량의 약 2.4%를 차지하기 때문에 환경에는 나쁜 소식일 수 있다.

항공업의 탄소 배출량은 자동차, 전기 생산, 그리고 산업 및 농업 부문에서 생산되는 탄소 배출량보다 적다. 그러나 상업용 항공기를 다시 국가에 비유해 본다면 항공은 세계에서 6번째로 큰 오염원이며 이는 독일과 일본 사이의 규모에 해당하는 순위다. EESI에 따르면 지난 60년 동안의 항공기 효율 개선을 고려하더라도, 코로나19 팬데믹 이전에 항공 여객업은 세계에서 가장 빠르게 성장하는 온실가스 배출원이었다.

예를 들어 지난 7월 네덜란드 항공사 KLM을 상대로 사상 최초의 그린워싱 소송을 제기한 네덜란드의 환경단체 화석 연료 해방 네덜란드(Fossielvrij NL)와 같은 항공업 비판자들은 더 적은 항공기를 띄우는 것만이 항공 운송이 환경에 미치는 영향을 줄이는 유일한 방법이라고 주장했다. 그러나 항공 분야는 항공 산업의 성장을 저해하지 않으면서도 첨단 기술을 활용하여 비행의 환경적 영향을 줄이기 위해 엔지니어링의 힘에 희망을 품고 있다.

바로 그 사명을 완수하기 위해 유럽연합은 이전의 클린 스카이 2 공동 사업(Clean Sky 2 Joint Undertaking)을 기반으로 한 클린 에비에이션 공동 사업(Clean Aviation Joint Undertaking)의 항공기 연료 효율을 높이기 위한 연구 프로젝트에 약 5조 원(40억 유로)을 지원했으며, 이 프로젝트의 궁극적인 목표는 2030년까지 온실가스 순배출량을 30% 이상 줄이는 것이다. 클린 에비에이션 사업의 수혜자 중에는 뮌헨에 있는 GE 에어로스페이스(GE Aerospace) 첨단 기술팀, 드레스덴 공과대학교, 그리고 함부르크 공과대학교가 주도하고 오토데스크 UK가 합류한 기술 성장을 지원하는 컨소시엄이 있으며, 이들은 더욱 에너지 효율이 높은 차세대 항공기 엔진을 재조명하기 위해 공동 연구 활동을 하고 있다.

MOnACO(대규모 적층 제조 부품 제조(manufacturing of a large-scale additive manufacturing component)의 줄임말) 공동 연구 활동은 적층 제조를 통한 대규모 항공기 엔진의 터빈 부품 설계, 최적화 및 검증에 중점을 둔다. 문제의 구성 요소인 터빈 센터 프레임은 필수적인 부품이기 때문에 복잡하며, 100개 이상의 개별 부품으로 구성된다.

런던 오토데스크 리서치의 앤디 해리스(Andy Harris) 수석 연구 책임 엔지니어는 "우리가 궁극적으로 계획한 것은 이러한 부분을 하나로 통합하는 것"이라고 말했다. 터빈 센터 프레임을 간소화하면 부품 제조가 쉬워진다. 그리고 무엇보다 가벼워진다. 해리스는 이어 “터빈 센터 프레임의 무게를 줄임으로써 연료를 적게 사용하고 탄소 배출을 줄일 수 있다. 또한 연료를 적게 사용하면 항공기를 더 저렴하게 운항할 수 있다. 따라서 경제적 이익뿐만 아니라 환경적 이익도 있다”고 말했다.

하지만 100개가 넘는 부품을 합치는 것은 쉬운 일이 아니다. 이를 달성하기 위해 MOnACO는 제너레이티브 디자인과 적층 제조를 모두 활용했다. 먼저 팀은 설계 매개 변수와 성능 요구 사항을 정의했다. 그런 다음 오토데스크 Fusion 360(퓨전 360)을 사용하여 여러 재료와 제조 공정을 활용하는 다양한 설계 옵션을 자동으로 생성했다.

해리스는 "이 소프트웨어는 강성, 강도 및 안전 요소와 같은 설계의 성능과 재료, 제조, 설계 자체에 기반한 부품의 질량 및 비용에 대한 정보를 제공한다”며 "그래서 클라우드에서 모든 디자인을 생성하고 너무 비싸거나 너무 무거운 디자인을 제거할 수 있다. 이는 매우 신속하게 디자인 탐구를 수행하는 대단히 강력한 방법”이라고 말했다.

팀은 궁극적으로 서로 다른 설계 반복을 네 번 거쳤고, 반복된 설계 각각은 엄격한 테스트를 거쳤다.

해리스는 "우리는 처음에 구조 시뮬레이션, 유체 시뮬레이션, 제조 시뮬레이션을 수행한 다음 함부르크에서 이러한 부품 중 일부를 제작하고 드레스덴에서 테스트했다"며 팀이 시뮬레이션과 실제 프로토타입의 성능을 비교했다고 덧붙였다. 해리스는 이어 "그렇게 할 때마다 부품의 실제 동작을 더 잘 이해할 수 있었고, 다음 설계 반복에 정보를 제공하는 데 사용했다. 네 번째 마지막 반복을 끝낼 때까지 매번 시스템 내의 강성, 질량 감소 및 압력 강하를 개선할 수 있었다"고 말했다.

팀이 마지막 반복으로 얻은 주요 이점은 격자 구조 설계에 의한 공기열 관리이다. 이는 매우 복잡한 기하학적 구조를 중심으로 설계를 용이하게 하는 Fusion 360의 새로운 도구 오토데스크 Volumetric Kernel(볼류메트릭 커널) 덕분에 가능했다.

해리스는 “다량의 고온 가스가 엔진의 이 부분을 통과하며 극도로 뜨거워지고 많은 열을 잃는 경향이 있다”며 “격자를 사용하여 뜨거워지는 내피를 외피와 분리함으로써 내부에서 외부로의 열 전달이 현저히 감소한다. 이를 통해 엔진의 수명 동안 16 기가줄의 열 에너지가 절약될 것으로 추정한다. 즉 더 많은 에너지가 엔진을 통과하고, 터빈을 구동하고, 엔 뒤로 나온다는 것”이라고 말했다.

간단히 말해 엔진이 더 효율적으로 작동한다.

하지만 그런 효율은 일반적인 제조 공정을 통해 얻을 수 있는 것이 아니다. 따라서 팀은 적층 제조, 특히 레이저 분말 소결 방식(laser powder-bed fusion)으로 전환했다. 여기서 금속 분말은 점진적으로 층층이 적층되고 고출력 레이저를 사용하여 소결된다.

함부르크 공과대학교의 더크 헤르조크(Dirk Herzog) 연구원은 "적층 제조는 제너레이티브 디자인 접근법에서 비롯될 수 있는 거의 모든 것을 구축할  자유로운 설계를 제공한다"며 "이 기술은 다른 방법으로는 달성할 수 없는 엄청난 대량 절감의 잠재력을 분명하게 보여줬다"고 말했다.

이 경우 MOnACO에 따르면 대량 절감 효과는 30% 이상이다. MOnACO는 설계를 마무리한 뒤 GE 적층 설비에서 실물 크기의 시제품을 제조하고, 오토데스크 시설에서 추가 후가공을 거쳐 인쇄된 설계를 의도한 설계와 비교해 검증했다. 항공에 존재하는 엄격한 안전 표준 때문에 부품이 실제 항공기에 대규모로 통합되기까지는 여러 해가 걸릴 것으로 보인다. 그럼에도 불구하고 이 프로젝트는 항공산업이 환경에 미치는 영향에서 유의미하게 개선하는 데 중요한 단계다.

헤르조크는 "항공은 여전히 탄소 배출에 크게 기여하고 있다"며 “그리고 장기적으로 전기 비행이 이를 해결할 수 있지만, 화석 연료 동력 항공기의 배출량을 줄일 수 있는 모든 가능성을 당분간 활용할 필요가 있다"고 말했다.

뮌헨에 있는 GE 에어로스페이스 항공 기술의 아시시 샤르마(Ashish Sharma) 선임 엔지니어는 이 프로젝트가 대규모 부품 및 구성 요소에 대한 제너레이티브 디자인과 적층 제조의 실행 가능성을 증명한다고 밝혔다. 그는 “항공 우주 산업 전체가 아주 큰 흥미를 보이고 있다”며 동일한 기술과 공정을 다른 엔진 부품에 적용하여 모든 부분에서 빠짐 없이 더 높은 효율을 달성할 수 있다고 강조했다.

클린 에비에이션 공동 사업의 프로젝트 책임자인 크리스티나 마리아 마르가리티(Christina-Maria Margariti)는 "부품 수를 대폭 줄이는 것은 조립 비용과 시간을 줄여 경쟁력을 향상시키는 데도 기여한다"고 말했다.

클린 에비에이션은 2050년까지 운용 항공기의 75%를 대체하는 것을 목표로 2035년까지 시장 파괴적인 신제품 출시를 지원한다. 제조 속도는 특히 유럽 그린 뉴딜 이니셔티브의 일환으로 2050년까지 탄소 중립 경제를 달성하기로 약속한 유럽 연합에 매우 중요한 이점이다. 마르가리티는 "따라서 2035년까지 새로운 항공기 서비스에 진입하고 2050년까지 환경 목표에 도달할 수 있을 만큼 높은 항공기 교체율을 달성하려면 시장에 진입하는 시간이 빨라지고 생산 속도가 증가해야 한다"며 “설계 및 제조 공정 시간 측면에서 이루어지는 모든 개선 사항은 이러한 목표를 달성하는 데 매우 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.