1. 서 론
2. 국내외 도심항공교통(UAM) 개발동향
2.1. 국내 도심항공교통(UAM) 개발동향
2.2. 국외 도심항공교통(UAM) 개발동향
3. 국내 항공기 인증규정 및 운용요구사항 분석
4. 특별감항증명 사례 분석
5. 국내 수송용 기체수소 안전관리규정 분석
6. 결 론
1. 서 론
대도시 도심의 교통 정체를 해결하기 위한 방법의 하나로 전기수직이착륙기(eVTOL:electric Vertical Takeoff & Landing)을 활용한 도심항공 모빌리티(UAM: Urban Air Mobility)의 관심이 증가하고 있다. 도심항공교통은 지상과 항공을 연결하는 3차원 도심 항공 교통체계로, 도심 상공에서 사람이나 화물을 운송할 수 있는 차세대 교통체계로 전기추진시스템을 활용한 eVTOL 항공기는 소음을 절감하고 CO2배기가스를 절감한 친환경적 운용이 가능하고, 별도의 공항 활주로와 같은 거대 인프라가 필요없이 수직이착륙이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 국내 K-UAM로드맵에서도 eVTOL을 활용한 UAM과 기존 버스·택시·철도·PM(Personal Mobility)이 혼합된 Seamless 형태의 교통서비스(MaaS:Mobility as a Service)로 활용될 것으로 예상하고 있다.(1,2) 최근 개발되고 있는 eVTOL의 경우 기존의 항공기와는 달리 전기추진시스템을 이용하고 멀티로터형, 복합형, 틸트로터형과 같은 다양한 추진형태를 띄고 있어 미국의 FAA(Federal Aviation Administration)와 유럽의 EASA(European Union Avitaion Safety Agency)는 eVTOL에 적용할 수 있는 규정을 기존에 항공기 인증 규정을 제/개정을 통해 진행하고 있다. 미국의 경우 항공기, 항공기 엔진 또는 프로펠러가 새롭거나 특이하게 설계된 경우 14 CFR Part 21 특별기술기준을 적용하고 있고 유럽의 경우 전기/하이브리드 추진시스템(EHPS)을 위한 SC E-19로 eVTOL의 추진시스템에 대한 적합성을 인증하고 있다. 국내의 경우도 기존 국내 항공기 인증규정에 적용이 불가능 하여 eVTOL에 대한 인증기준과 안전기준에 관한 합리적인 새로운 기술기준 수립의 필요성이 제기되고 있다. 하지만 eVTOL은 많은 장점에도 불구하고 리튬배터리를 이용하는 전기추진형태를 띄고 있어 개발중인 eVTOL 배터리에서 화재가 발생한 사례가 있고 배터리를 기반으로 매년 증가하는 국내 전기차 화재 사고 추이를 볼 때 eVTOL에 잠재적인 위험성이 매우 크다할 수 있으며 또한 리튬이온 배터리는 다른 동력원에 비해 상대적으로 무거워 기체의 항속거리와 적재 용량을 감소시켜 효율성이 떨어진다. 따라서 리튬이온배터리의 한계점을 극복하기 위한 해결책으로 기체 수소연료기반 eVTOL에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있으나 이와 관련된 연구, 특히 인증 및 안전과 관련된 기준 연구는 미흡한 실정으로 이에 대한 연구가 활성화된다면 배터리의 경량화와 화재의 위험성을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 충전시간, 주행거리 측면에서도 우수하며 배터리 폐기 시 발생하는 환경문제 또한 해결해 줄 수 있으로 크게 기대된다.(3) 이에 본 연구는 순수 전기동력을 이용하는 eVTOL의 특별감항증명 사례를 통해 수소항공모빌리티의 항공기기술기준을 수소연료 적용성 측면에서 검토하고, 국내 수소관련 안전규정을 검토하여 수소항공모빌리티의 수소연료장치 기술기준을 제시함으로써 eVTOL의 전기동력 시스템의 안정성 및 효율성을 보완할 수 있는 수소 연료 기반 도심항공모빌리티의 항공기술기준(안)의 기초를 마련하고자 한다.
2. 국내외 도심항공교통(UAM) 개발동향
2.1. 국내 도심항공교통(UAM) 개발동향
국토교통부는 Table 1과 같이 도심항공교통을 초기(2025년~) 수도권 중심의 기내 탑승·조종을 목표로 하고 있으며, 성숙기(2035년~)까지 전국으로 학대된 자율비행 도입을 목표로 하고 있다.(4) UAM은 기존 버스·택시·철도·PM(Personal Mobility)이 혼합된 Seamless 형태의 교통서비스(Maas:Mobility as a service)로 활용될 것으로 예상된다. 현재는 순수 전기동력을 이용한 기종이 주로 개발중이나, 항속거리와 적재무개의 한계로 인해 향후 장거리 비행용 하이브리드, 수소연료 등의 개발 추진을 목표로 하고 있다.
Table 1.
Market changes of UAM in Korea
국내 기업 또한, 기체 설계 및 제작, 통신, R&D 등 UAM 제반 기술 전반에 걸쳐 국내 타 기관과 업무협력 강화 및 전문 인력 확보, 글로벌 기업과의 협업을 활발히 진행 중이다. 한화시스템은 국내 기업 중 첫 eVTOL 시장에 진출한 가운데 항공·위성 분야의 경쟁력을 바탕으로 기체 개발을 적극 추진 중에 있다. 한화시스템은 2024년 기체 개발을 시작으로 2025년 시범운행을 목표로 하고 있다.(5) 한화시스템의 계열사인 한화에어로스페이스는 국내 유일 헬기, 전투기 엔진 제작 기업으로 2020년 기준 9000대 이상의 항공기 엔진을 생산하였다. 또한, 2019년부터 미국 ‘오버에어’와 ‘버터플라이’라는 이름의 기체를 개발 중이며, 영국 도심공항 건설사 스카이포츠와 인프라 개발 업무협약을 체결하는 등 UAM기술 개발에 앞장서고 있다. 한화시스템에 이어 현대자동차 또한 자동차에서 도심항공으로 모빌리티 확장을 위해 대규모 투자에 나섰다. 전기 배터리뿐만 아니라 수소연료전지 기술에도 강점을 가지고 있는 현대자동차는 2026년 배터리와 수소전지 등 두 개 이상의 동력원을 사용하는 하이브리드 파워트레인 방식의 화물용 UAM출시를 목표로 하고 있으며, 2028년까지 수소연료전지를 이용한 여객용 UAM출시를 목표로 하고 있다. 또한, 현대자동차는 도심 속 UAM의 상용화를 위한 주요 과제 중 하나인 수직이착륙 시설(버티포트) 구축 프로젝트에 영국의 ‘어반에어포트’와 함께 참여하였다. 국내 주요 기업의 UAM개발 현황은 Table 2와 같다.
Table 2.
UAM Development status of domestic companies
2.2. 국외 도심항공교통(UAM) 개발동향
미국을 포함한 중국, 유럽 등 UAM 시장 주도권 확보를 위해 국가적 차원의 민간 지원정책이 다양하게 마련되고 있으며, 이에 따른 세계 UAM 시장규모는 지속적으로 커질 것으로 전망된다. 2040년까지 글로벌 전기차(EV) 판매량은 연평균 18.9%씩 증가할 것으로 전망되지만, 같은 기간 UAM의 시장규모는 Table 3과 같이 연평균 30.3%씩 증가할 것을 예상된다.
Table 3.
Overseas UAM market size forecast (Unit: billion dollars)
모빌리티 플랫폼의 발달로 셔틀행 UAM은 물론 수요자 맞춤형 시티택시 비중 또한 증가할 것으로 전망된다. 미래 UAM 시장에 대한 기대가 높아짐에 따라 일부 글로벌 항공 및 자동차 제조사 또한 시험비행 단계의 기체 모델을 개발 중에 있다. 직업 사업에 진출하지 않은 업체(Daimler AG, Toyota 등)들도 비행체 개발 스타트업에 투자를 하며 UAM시장에 영향력을 확보하려는 노력을 보이고 있다. eVTOL 제작에 선두주자로 꼽히는 Joby Aviation은 UAM 플랫폼 구축을 주도한 Uber Elevate사업을 인수하면서 모빌리티 서비스로 사업을 확장 중이다.(6,7) 국외 UAM 시장에 진출을 준비 중인 기체모델들을 조사 후 정리하면 Table 4와 같다.
Table 4.
Current status of overseas UAM development
3. 국내 항공기 인증규정 및 운용요구사항 분석
항공기의 운항을 위해서는 항공기의 감항기준이 항공기기술기준에 충족하여야 한다. 국토교통부가 고시한 국내 항공기기술기준은 항공기의 비행형태나 특성에 따라 Table 5와 같이 구성되어 있다. 국내 항공기기술기준은 미국의 항공기기술기준인 FAA 14 CFR Airworthiness Standards와 동일한 항목으로 이루어져 있으며, 미국의 Airworthiness Standards을 기반으로 국내 항공기기술기준을 규정하고 있다고 할 수 있다.
Table 5.
Korean airworthiness standards(8)
UAM의 대표적인 비행형태는 Table 6과 같이 Vectored Thrust, Lift+Curus, Multicopter 등으로 형태가 다양하다. Vectored Thrust는 틸트윙 방식과, 프로 틸트 로터 방식으로 나뉜다. 틸트 윙 디자인은 고정 날개에 다수의 프로펠러가 탑재되어 있으며, 축을 중심으로 회전하여 추력 방향을 제어하는 방식이다. Lift+Curus는 독립 모터를 사용하여 이륙 및 순항한다. 고정된 수직 프로펠러가 기체 상단에 장착되어 헬리콥터와 유사한 양력을 제공하고, 수평 프로펠러는 날개에 장착되어 추력을 제공한다. Multicopter는 다중 고정 로터로 작동되는 헬리콥터와 유사한 작동 구조를 가지고 있으며, 대형 드론의 형태를 띄고 있다고 할 수 있다. 국내 항공기기술기준에서 규정하고 있는 항공기의 형상은 Table 7과 같이 크게 고정익항공기, 회전익 항공기, 드론으로 분류 할 수 있다. 하지만 UAM의 경우 고정익과 회전익의 형상적 특징을 모두 가지고 있어 고정익과 회전익 항공기로 분류하기 모호하다. 또한 연료중량을 제외한 자체중량이 150 kg을 넘기 때문에 드론으로 규정할 수 없다. 이처럼 UAM의 운용을 위해서는 기체인증을 위한 국내 규정이 시급할 뿐만 아니라 도심간 운항을 위한 기체부속 및 부속품, 소음과 같은 추가적인 안전규정이 필요하다.
Table 6.
Classification by UAM propulsion type
Table 7.
4. 특별감항증명 사례 분석
국내 항공기기술기준과 미국 Airworthiness Standards는 새롭게 정의되거나 기존 규정에서 규정할 수 없는 특수항공기의 경우 형식증명 신청하여 특별감항증명서를 받도록 규정하고 있다. 미국의 Joby Aviation은 2018년 전기 수직이착륙장치 JAS4의 형식증명을 신청했으며, FAA는 2022년 JAS4의 형식증명을 승인하며 특별감항기준을 발표하였다. JAS4의 특별감항기준 Table 8과 같이 Part 23 Normal Category Airplanes을 기반으로 Part 33 Aircraft Engines, Part 35 Propellers의 개정안을 포함하여 규정하였으며, 2020년 FAA로 부터 특별기술기준을 받은 항공기용 전기엔진 SC magniX를 기반으로 전기엔진에 대한 서브파트(Subpart)를 규정하였다.(10) 이러한 JAS4 특별감항기준을 수소적용성 측면에서 검토한다면 수소항공모빌리티의 항공기기술기준 마련에 기반이 될 수 있다. JAS4 Airworthiness Criteria는 전기배터리의 화재의 위험성을 추가 및 변경하였으나, 수소 연료 적용 시 누출로 인한 화재, 폭발에 대한 추가적인 위험성을 고려해야 한다. JAS4 Airworthiness Criteria NPRM의 내용 중 수소연료계통의 요구도를 필요로 하는 규정에 대해 검토 후 발췌하여 정리하면 다음 Table 9와 같다.(11)
Table 8.
JAS4 Airworthiness Criteria
JAS4 Airworthiness Criteria는 기존 특별감항기준에서 전기배터리의 화재의 위험성을 추가 및 변경하였으나 수소연료기반 eVTOL은 배터리 기반의 eVTOL과는 전혀 다른 수소연료 시스템을 적용하고 있다. Table 9는 JAS4의 특별감항기준 중 수소연료 시스템이 적용 시 안전성 측면에서 검토될 수 있는 항목을 발췌하였으나 검토 결과, 일반적인 내연기관의 위험성에 관한 내용으로 수소연료 기반 eVTOL과는 전혀 다른 시스템 적용으로 인해 JAS4의 특별감항기준의 항목을 일부 추가하거나 수정하는 작업만으로는 수소 연료 누출로 인한 화재 및 폭발에 대한 안전성을 확보할 수 없기에 안전관리 측면에서 별도의 수소연료장치, 특히 기체수소연료장치에 대한 기술기준 제정이 필요하다. UAM에 사용되는 기체수소시스템의 경우 수소자동차에 사용되는 기체수소시스템과는 달리 UAM에 사용되는 수소시스템의 경우는 인구의 밀도가 높은 도심 상공에서 운항한다는 점과 추락 시 발생하는 사고의 강도를 고려할 때 수소전기차와는 다른 특수성과 위험성 측면에서 수소연료 기반 eVTOL의 안전관리에 관한 구체적인 규정이 더욱 필요할 수 있으나 본 연구는 항공 운항 안전과는 별도로 수소연료장치 측면에서 용기 크기와 개수, 충전압력 등을 고려할 때 수소자동차의 시스템과 유사한 형태로 사용될 것을 예상하기에 이에 한정하여 분석을 수행하였고, 기존 수소자동차에 사용되는 기체수소시스템의 향후 규정 개정 방향을 미리 반영한 수소연료시스템의 국제조화 과정도 함께 분석하여 연구를 진행하였다.
Table 9.
Hydrogen applicability in JAS4 airworthiness criteria
5. 국내 수송용 기체수소 안전관리규정 분석
기체수소시스템의 경우 수소저장용기의 변형 및 파손으로 인한 화재, 폭발의 위험성이 있어 용기 및 용기 부속품에 관한 안전관리가 필수적이다. 특히 UAM에 사용되는 수소시스템의 경우 인구의 밀도가 높은 도심 상공에서 운항한다는 점과 추락 시 발생하는 사고의 강도를 고려할 때 수소시스템의 체계적인 안전관리와 구체적인 규정이 필요하다. 특히, 기체수소연료기반 eVTOL의 수소시스템은 전기를 생산 및 저장하는 연료전지와 배터리 외에 수소를 저장하는 다량의 내압용기 등으로 구성되어 있으며, 이러한 수소 내압용기는 수소전기차 기준 700 bar(70 MPa) 이상의 고압으로 충전되어 내압용기와 수소연료장치에서 결함이 발생할 경우 매우 큰 인적, 물적 피해를 초래할 수 있으므로 향후 기체수소연료 기반 보급 및 전주기 안전관리에 있어 매우 중요하나 현재 안전관리 규정에 대한 연구는 전무한 상태이다. 본 연구에서는 UAM에 사용되는 기체수소시스템의 경우 수소자동차에 사용되는 기체수소시스템 크기와 개수, 충전압력 등을 고려하여 유사한 형태로 사용될 수 있을 것으로 예상되며 이에 대한 분석이 필요하다. Figure 1에서 보듯 현재 수소자동차의 수소시스템은 크게 용기, 용기부속품, 센서 등으로 구성되어 있고 자동차용 내압용기 안전에 관한 규정(제2020-1018호) [별표4], [별표7], [별표11]에서 용기제조 및 검사, 용기부속품 제조 및 검사, 수소연료장치 설치 및 장착검사에 대한 세부기준을 규정하고 있다. 따라서 국내 자동차용 내압용기 안전에 관한 규정 중 UAM 운항과정 중 생기는 특수성과 위험성을 고려하여 검토가 필요한 세부항목을 발췌 후 정리하면 다음 Table 10과 같다.(12,13) 제시된 국내 수소전기차의 기체수소저장시스템 관련 법규는 유럽 수소전기차 법규 EC79/2009, EU406/2010을 기반으로 자동차관리법 시행규칙[별표 5의4]에 근거하여 국토교통부고시 자동차용 내압용기 안전에 관한 규정이 제정되었다. 하지만 이후 유럽 뿐만 아닌 북미, 아시아 국가를 포함한 국제 경제 협력체인 UN ECE(United Nations Economic Commission for Europe) 유럽 경제 위원회에서 자동차와 자동차에 부착·사용되는 장치 및 부품의 세계기술규정 제정에 관한 협정에 따라 유럽의 경우도 신차 및 기존차에 22년 7월부터 기존 적용되던 EC79/2009, EU406/2010 기준이 삭제되고 GTR No.13 1단계를 기반으로한 UN R134로 관련 규정이 대체되었다. 수소경제 선점 및 국제 흐름에 발맞추기 위해 정부는 국토교통 분야 규제개선 건의 과제 중 수소전기차 내압용기 인증기준 국제조화를 추진하여 26.6월까지 개정안을 마련할 예정이라고 밝혔기에 현행 수소전기차 수소 내압용기 관련 규정은 기존에는 유럽 규정과 조화되어 있었으나 유럽 규정이 GTR No.13 1단계 기반으로 대체되었기에 국내 기준도 이에 맞춰 조화 과정이 불가피하다. 자동차용 내압용기 기준이 국제조화되는 방향으로 전개될 시 UAM에 사용되는 기체수소시스템의 경우도 이에 맞춰 안전 규정의 제정이 진행되어야 할 것으로 판단된다.
Table 10.
Classification and details of technical standards for hydrogen fuel equipment for hydrogen UAM
기체수소연료기반 eVTOL의 핵심인 수소저장시스템에 관한 안전규정 제정의 근본은 수소전기차의 안전 규정의 변화와 조화과정에서 살펴볼 수 있으며 시스템의 안전을 확보하기 위한 시험의 특징을 검토하여 이를 반영할 필요가 있다. 유럽의 경우 GTR No.13 조화 시 기존 EC79에서 누락 내용이 많아 이를 보완하기 위해 GTR No.13을 100% 조화시킨 ECE R134 외에 재료시험은 별도 규정인 2021/0535를 제정하여 반영 노력하였다. ECE R134(2015)는 GTR No.13 phase1과 비교 시 용기, TPRD(Thermally-Activated Pressure Relief Device), Shut off-valve & Check valve 등의 주요 장치의 인증테스트 내용이 모두 동일하게 조화된 상태이다. ECE R134와 2021/0535의 주요 특징을 살펴보면, 기존 기준과 비교 시 철학적 차원에서 완전히 변화된 Performance 기반 시험 및 평가가 핵심이라 할 수 있다. 기존 EC79/EU406 제정 철학은 용기의 타입을 지정하여 설계 제약이 발생되는데 반해 GTR No.13 조화로 인한 ECE R134와 2021/0535의 제정 철학은 성능(Performance) 기반 평가를 통해 해당 용기의 안전성을 보장하는데 초점을 두고 있다. 따라서 기존 EC79/EU406 와 같이 용기 종류별 평가법을 따로 구분하지 않기에 특정 타입에 대한 소재 항목은 삭제되었고 Figure 2에 나타낸 두가지 시퀀스 시험을 통과하면 필드에서 예상되는 수준의 피해 및 노화를 충분히 견딜 수 있음이 입증된다는 논리를 인증테스트 방법론에 반영하고 있다. 이처럼 수소전기차의 경우 국제조화 추진 계획이 정해진 만큼 기체수소연료 기반 eVTOL의 경우도 세계기술기준의 개정내용을 종합적으로 추가 검토하여 항공기기술기준 내에 시스템의 안전성을 검증하기 위한 별도의 파트가 구성되어 안전기준이 개정되어야 할 것으로 판단된다.
6. 결 론
본 연구에서는 배터리 기반 eVTOL의 위험성과 한계점을 극복하기 위한 해결책으로 기체 수소연료기반 eVTOL에 대한 안전성 기술기준 제정에 관한 연구의 필요성을 제기하였고 이를 위해 FAA 기준은 물론 해외 관련 규정을 선제적으로 살펴보고 검토하였다. 또한, UAM의 상용화를 위해 현재 개발되어지고 있는 eVTOL의 현황과 한계점을 분석하고, 국내 항공기기술기준을 검토하여 UAM의 항공기 인증규정과 운용요구사항에 대한 문제점을 살펴보았다. UAM 항공기체 자체에 대한 연구 외에 위험성이 내재된 수소연료장치, 특히 기체수소연료장치에 대한 기술기준은 현재 국내외에서 공식적으로 연구되고 제정된 바가 없고 액체 수소연료를 이용한 수소항공모빌리티가 정착되기 전에는 기체 수소연료장치를 향후 몇 년간 사용해야 됨이 불가피하므로 이에 대한 기술 기준을 타 기준과, 국내 기준, 해외 기준을 참조하고 세심히 검토하여 정책 및 기준 연구를 통한 제정안을 도출하기 위해 eVTOL의 특별감항증명사례를 기체수소적용성 측면에서 검토하고, UAM에 적용할 수 있는 국내 수송용 수소안전관리 규정을 면밀히 검토하여 eVTOL의 한계를 보완할 수 있는 기체 수소연료기반 eVTOL에 대한 안전성 기술기준 제정에 관한 연구를 진행하였다. UAM의 상용화를 위해서는 순수 전기 동력 eVTOL의 주행거리 한계를 극복해야 할 뿐만 아니라 도심 속 안전한 운항을 위한 안전관리 규정이 필수적인데 본 연구에서는 전기배터리 한계를 극복할 수 있는 기체수소연료기반 eVTOL의 항공기기술기준을 eVTOL의 특별감항증명 사례를 수소적용성 측면에서 검토하여 제시하고, 국내 자동차용 내압용기 안전에 관한 규정을 항공기 적용성 측면에서 면밀히 검토하여 기체수소항공모빌리티의 항공기기술기준(안)을 제시함으로써 UAM 운용의 안전성 향상과 도심항공교통망 구축에 기여할 것으로 판단된다.
