스카이카에 대해

[천재소녀]

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지난 5월 말경에 외신을 통해 국내에도 보도됐던 일명 '스카이카'(Skycar)는 미국 캘리포니아 주에 위치한 작은 항공 회사인 몰러 인터내셔널이 개발한 것입니다.

이 회사의 창립자이자 엔지니어인 폴 몰러가 30여년간의 연구 끝에 개발한 '스카이카'는 4명을 태우고 최고 시속 6백km를 낼 수 있다고 합니다.

연료 1L로 8km 정도를 날아갈 수 있는 것으로 알려졌습니다. 일반적인 승용차는 가솔린 1L로 12-15km 정도를 달릴 수 있습니다.


외신에 따르면, 개발자인 몰러는 크기가 작으면서도 큰 힘을 내기 위해 보통의 자동차에 사용되는 피스톤 엔진 대신 로터리 엔진을 도입했습니다.

이 엔진에서는 엔진의 연소실에서 피스톤이 왕복운동을 하는 것이 아니라 삼각형 모양의 회전자(rotor)가 회전운동을 하고,
이 힘이 곧장 동체 밑에 있는 회전날개로 연결돼 상승에 필요한 힘을 내게 됩니다(분당 약 6천회전 정도).


'스카이카'는 8개의 로터리 엔진을 이용해 각각의 탑승석 밑에 붙은 4개의 회전날개를 돌림으로써 약 1천kg 정도의 무게를 떠받들 수 있는 상승력을 얻습니다.
그리고 탑승석 뒤에 붙은 4개의 프로펠러가 차체를 앞쪽으로 추진합니다. 일단 이륙하고 나면 날개와 탑승석의 형태로 인해 양력이 생기므로 엔진이 하는 역할은 크게 줄어 적은 연료로도 비행이 가능하다고 합니다.



그러나 '스카이카'가 해결해야만 하는 문제점도 많습니다.
현재의 '스카이카'는 완전히 수제품으로 만들어졌기 때문에 가격이 대단히 비싸고(약 12억원 정도), 대량생산이 이루어져 가격이 떨어지더라도 여전히 7천만원대에 이릅니다. 뿐만 아니라 85dB에 달하는 큰 소음도 문제입니다.
그러나 멀지 않아 영화 '블레이드 러너'에서 볼 수 있었던 '스피너'와 같은 날아다니는 차가 대중화될 그 날이 올 것입니다.







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몰러사에 의해 발명된 Volantor 는 헬리콥터만큼 수직 이착륙을 할수 있고, 비행기 만큼 빨리 출발지에서 도착지까지날아갈 수 있으며 또한 짧은 구간을 여행하는데도 사용될 수 있다. 자동컴퓨터가 Volantor를 제어한다. 파일럿은 단순히 비행을 지켜보면서 몇가지 조작만 하면 된다.( 조종사는 비행조종면장이 있어야한다. )



< 기체 >

VTOL항공기가 출력을 효율적으로 사용하기 위해서는 순항고도에서 항력을 줄이기 위해서 공기역학적으로 효율적이게 설계할 필요가 있다. 만약 항공기가 공기역학적으로 설계되지 못하면 순항하는데 연료소모가 증가하고, 최대 순항반경도 즐어들게 된다. 이상적인 항공기의 기체는 무게당 출력비가 커야한다. 따라서 가벼워야 되고, 또한 기본적으로 안정성과 안전성을 위해 강해야 한다.



* 항공역학적인 효율의 결정은 다음과 같다.


1. 비행기가 높은 순항속도로 비행할 때 비행기를 지나가는 공기가 추진시스템,기체를 효율적으로 지나가는가...?


2. 비행기가 작은 전단면을 가지고 있는가...?


3. 비행기가 공기와 접촉하는 표면이 많지는 않은가...?



4. 공기역학적인 표면이 기류 분리로부터 자유로울수 있도록 충분한 유선형인가, 그래서 깨끗한 공기역학적 디자인인가...? (난류)



5. 기체 디자인이 높은 속도에서 큰 양력대 항력비를 만족하는가..?



최근 개발된 가벼운 항공기들은 많은 실험을 통해서 이러한 조건을 만족하여 비행성능을 최대한 발휘한다. 공기역학적 운동을 측정하는것은 승객 수송 효율( PTE : Passenger Transport Efficiency ) 을 사용한

다.

PTE = (승객수 * 거리 / 연료소모량)



몇몇의 4인승 항공기는 STOL ( Short takeoff and landing ) 을 장치하지 않고 높은 착륙속도를 가지고 250MPH에서 약 70의 PTE를 가지기도 한다. (플랩, 슬레이트, 등등..) 높은 PTE 와 고속 디자인을 설계하는 키 포인트는 위에서 얘기한 공기역학적 요구 5개를 만족시키는 기체구조를 시뮬레이션을 통해 찾는 것이다. 예를들어, 길고 가느다란 항공기는 유선형임에 틀림없으므로 매우 작은 전단면을 가지고 있다. 그러나 지나친 Wetted plate를 가질지도 모른다.



①효율적인 VTOL 항공기의 조건은 항공기 주위를 흐르는 기류가 항공기를 따라 수평으로 지나가야한다. 만일 그렇지 않고 중간에서 분리되거나 흐름이 깨지면 난류,후류가 발생하고, 실제항력을 증가 시키기 때문이다.



②25ft 2 이하의 전단면적을 가지고 있는 VTOL 항공기는 네명의 승객까지 들어올릴 수 있다.



③15이하의 공기접촉면적비를 가지기 위해선 효율적인 기체 디자인이 필요하다.



④공기 접촉으로 인한 항력계수(CDwet) 은 항공기의 기류를 측정하는 좋은 방법이다. 잘 디자인된 항공기는 순항중에 0.0005의 항력계수를 가질 수 있다. 풍동실험실에서의 테스트에서는 CDwet이 0.004 이하로도 나온다.

⑤양력대 항력비 (L/D) 는 넓은 면적을 가지고 큰 가로세로비를 가질 수록 커진다. 그러나 이러한 양항비는 단지 순항속도보다 낮은 속도에서만 유용할 것이다. 양항비가 너무 크면 순항속도에 가까워질수록 항력이 증가 하기 때문이다. 이러한 이유로 최근의 항공기들은 재래식 항공기의 양항비보다 낮은 양항비를 가지고 있다.




스카이카의 부품 대부분은 가벼우면서도 강한 성능을 지닌 FRP(Fiber Reinforced Plastic) 복합소재로 만들어져 있다. 스카이카는 1000시간 이상의 250mph의 풍동실험실에서 실험을 함으로써 적합한 공기역학적 디자인을 했다.







< 엔진 >

위의 예에서 본것처럼 VTOL항공기는 수직이륙 과 안전한 착륙을 위해서 많은 힘을 필요로한다. 엔진은 그 자체로 항공기를 스스로 들어올려야하기 때문에 가벼울 필요가 있다. 경제성또한 그 다음으로 많이 주시해야할 부분이다. 구입가격, 사용비, 유지비와 같은 중요한 사항은 비용이 너무 많이 들면 엔진은 실용적이지 못하다. 끝으로 실질적으로 효율적이며 환경친화적이어야한다. 이상적으로 완전연소 엔진은 대부분의 쉽게 운용되는 연료를 사용할수 있어야 한다. 내장된 동력장치의 무게는 자신의 무게를 초과하면 안되며, 엔진은 힘을 밖으로 방출할수 있도록 가벼워야한다. VTOL 항공기의 가격을 결정하는 중요한 요소가 바로 엔진이다. 만약 항공기가 착륙을 하기 위해서 200lb/ft이상의 힘이 필요할 경우,



(마력/항공기무게)~0.5



이런 경우 VTOL항공기는 1000마력가량의 엔진이 필요하고, 무게당마력비는 2 정도 된다. 터빈은 이런 결과를 만족시킨다. 그러나 1000마력 터보샤프트엔진이 $300,000 정도 하는 것에 비해,작은 100마력 터보 샤프트 엔진은 $100,000 정도이다. 더 작은 터보샤프트 엔진은 좋지 않은 연비를 가지고 있다. 충분히 비싼 가격의 터보펜엔진을 사용한 디자인도 생각될수 있을 것이다. 헤리어기와 같은 착륙장치에 사용되는 터보팬엔진은 단지 마력당 1.5 lb만큼만 떠올릴수 있다. 그래서 해리어기는 VTOL모드에서 40,000마력의 엔진이 필요하다. 적은 연료소모량으로 2HP/lb 의 힘이 필요한데, 이에 적합한 두 가지 경우의 엔진이 경제적 비용을 볼 때 가능하다.



* 터보차져 or 슈퍼차져 연료분사 2-사이클엔진. 이 엔진은 개량될 필요가 있다.



* 알루미늄 하우징을 사용한 로터리엔진, 주변장치일부와 공랭식 로터. 이런 디자인의 엔진은 이미 존재한다.



몰러사의 로터리엔진은 Outboard Marine Corporation(OMC)의 기술로 반켈타입의 엔진을 개발해왔다. 각각의 로터가 회전하는 과정에서 각각 세 개의 삼각형 모양의 로터 공간사이에서 네 번의 폭발, 연소과정이 일어난다. 완전히 1회전하는 과정에서 엔진은 4행정을 세 번 수행하게 된다. 그래서 로터리엔진은 높은 무게당 출력비를 낸다. 그리고 적당한 가격과 출력에 비해 매우 엔진의 크기가 매우 작다. M400 모델에 사용된 150마력 모델은 한사람은 거뜬히 나를수 있다. 8개의 로터리 엔진이 M400모델에 사용된다. 반켈 타입 로터리 엔진은 보통 간단하기 때문에 매우 신뢰성이 있다. 몰러 로터리 엔진에서 움직이는 부분의 수 (듀얼 로터) 는 대략 4기통 피스톤 엔진의 70%정도에 불과하다. 로터리 엔진은 또한 여러 종류의 연료가 사용가능하다. 볼랜터의 몰러 로터리 엔진은 기본적으로 무연휘발류를 사용하도록 되어 있지만, 우리는 최근 군에서 디젤 엔진 사용능력과 다른 제품에서의 천연개스 사용또한 사용가능함을 보였다.



< Applications >

<비용>



시초부터 볼랜터는 직접비용, 간접비용 모두 최소화 하도록 디자인 되었다. 스카이카는 디젤부터 천연개스까지 대부분의 연료를 사용가능하는 엔진을 사용한다. 그래서 어디에 위치하던지 전세계 어느곳에서나 급유가 용이하다. 가솔린을 사용하면, 스카이카는 20mpg를 가질수 있도록 되어 있다. 900마일의 비행반경을 지녀서 앞으로 헬리콥터를 대체하게 될 것이다.



주차공간을 포함한 지면에서의 유용성은 차량의 크기에 크게 영향을 받는데 아담한 크기의 스카이카는 보통의 자동차 차고에서 보관할 수 있다. 또한 스카이카의 랜딩기어는 짧은거리의 주행성능을 제공한다. 처음에 소개되었던 M400 , 4인승모델을 볼랜터 기술은 6인승인 M600 으로 확장할 수도 있고, 1인승용인 M100으로도 만들 수 있다. 이것은 군, 민항수송 등에 효율적인 경제성을 가질 수 있게 한다.





<시간 >

VTOL과 속도로 무장한 스카이카는 빠른 반응속도를 보인다. 탐색, 구조, 응급구조, 마약단속, 감시, 위험한 순간에 수송과 같이 1분 1초를 다루는 일에 사용될 수 있다.

헬리콥터가 옛날부터 좁은 입출구를 드나들고 비행기가 할수 없는 이러한 일을 수행하였다. 하지만 헬리콥터는 최고 속도가 125mhp정도밖에 되지 않으므로 이런 일을 수행할때는 비행기 만큼 빠른 속도를 가질수 없다. 300마일이라는 좁은 반경과 최고 15,000ft 라는 제한된 고도 때문에 일을 수행하는데 한계가 있었다. VTOL능력을 이용한 스카이카는 헬리콥터만큼 유연한 접근을 수행한다.

더욱이 스카이카는 350mph 라는 최고속도를 가지며 900마일의 반경과 30,000foot 의 최고순항고도를 가지고 있다. 또한, M400은 헬리콥터보다 더 빠른 분당 상승률을 지니고 있다.







< Safety >

아무리 잘 설계된 엔진이라도 기계의 수명이 다하는 동안 고장을 일으킬 가능성은 존재한다. 새의 충돌로 인한 엔진,팬의 고장과 같은 조종사의 의지과 상관없이 그러한 사태가 일어날 가능성이있다. 앞에서 얘기한 VTOL항공기가 실제 크기일때는 큰 팬을 가지고 높은 순항효휴을 지닌 터보제트기관이 필요해질 것이다. 30LB/ft 이상의 팬은 Auto-rotation이 불가능해진다. 그래서 더 큰 disk-loading을 사용하는 항공기는 back-up시스템이나 , 장치고장의 위기순간에 승객을 구할수 있는 시스템을 필요로 한다.



이러한 관심은 안전과 편안함모두를 제공하는 모델 Volantor을 개발해왔다. 항공에서 최대의 관심은 바로 안전이다, 그래서 다음의 안전 장치들을 디자인함으로써 더욱더 안전한 설계를 할수 있었다.



* Dual Engine - 엔진고장의 경우, 충분한 힘은 안전과 정확한 착륙을 보장해준다. M400은 8개의 엔진을 가지고 있기 때문에, 한,두개의 엔진이 고장나더라도 안전하게 운항할 수 있다. 다른 헬리콥터나 비행기와는 달리 M400은 네 개의 엔진 나쎌을 가지고 있다. : 각각 두 개의 로터리엔진으로 되어있다. (Dual-rotor). 컴퓨터로 제어되는 이 엔진들은 독립적으로 제어되고, 엔진 하나가 고장나더라도 수직 착륙을 가능하도록 해준다.



* Redundant Computer Stabilization Systems - 스카이카는 안정성,조종를 관리하는 컴퓨터 시스템이 이중으로 독립적으로 이루어지고 있다. 컴퓨터 고장은 백업시스템을 불가능하게 만들수도 있다. M400은 세 개의 독립적인 컴퓨터를 지니고, 그중 오직 한가지만 비행을 하는데 사용된다.



*Redundant Fuel Monitoring - 이중 시스템이 연료의 양과 질을 측정하고 적절한 경고를 해준다.



*Aerodaynamically Stable - 불안정한 경우에 불충분한 파워로 공중을 hover 할때가있다. 스카이카의 공기역학적인 안전성과, 좋은 Slide-slope 은 조종사로 하여금 추락하기 전에 안전한 장소로 기동할 수 있도록 해준다.



*Automated Stabilization - hover과 transition을 하는 동안 컴퓨터가 스카이카의 비행을 제어하기 때문에 파일럿은 단지 속도와 방향만 입력해주면 된다. 스카이카가 순항중에 일어 날수 있는 갑작스런 돌풍은 컴퓨터가 자동으로 막아준다.



*Inherent Simplicity of the Engines - 로터리엔진은 움직이는 부분이 별로 없다. 그래서 유지가 덜 필요하고, 부서지거나, 낡아지는 경우가 드물다.



*Enclosed Fans - 각각의 나쎌은 엔진과 팬을 보호하고 있어, 항공기에 치명적인 상처를 주는 가능성을 줄인다. Volantor의 VTOL 상승은 네 개의 덕트팬을 통해 발생된 기류가 수직이륙시 날개판의 젖힘에 의해서 아래로 흐르게 함으로써 기류로부터 얻어진다.





*Dual Parachutes - 비록 완전히 파원가 나간경우라도 당신과 승객은 보호된다. 앞 뒤에 있는 두 개의 기체 낙하산이 volantor로 하여금 항공기의 손상 이나 어떠한 사고도 없이 안전한 착륙을 하게 한다. 낙하산으로 조종사,승객,스카이카 모두 안전을 보장 받는다. Ultra-light Aircraft Industry 에 의해 개발된 낙하산은 비행물체가 평형을 잃었을 때, 150ft 위에만 있다면 안전하게 착륙을 할 수 있게 한다. 만일 항공기가 앞으로 나가는 속도만 가지고 있다면 그 보다 더 낮은 고도에서도 안전하게 착륙할 수 있다. Spread Gun을 이용하여 낙하산을 펼때도 안전한 착륙을 할 수 있다. 엔진 하나가 고장 났을 때 가장 좋은 방법은 최소한의 엔진으로 hover를 할 만큼 충분한 파워를 낼 수 있게 하는 것이다. 멀티-엔진시스템 또한 백업시스템으로 조정할 수 있다. 왜냐하면, 연속적인 엔진 고장이 일어나는 동안 낙하산을 펼칠 수 있는 충분한 시간이 있기 때문이다. 8개의 독립된 덕트와 덕트당 하나의 엔진을 가진 VTOL항공기에서 엔진 하나의 고장은계속 공중에 떠 있기 위해선 54%의 파워를 필요로 한다. 같은 수의 엔진을 가지고 네 개의 나쎌을 가진 항공기 ( 나쎌당 두 엔진) 는 엔진 고장으로 인한 추락을 막기위해서 36%의 힘을 필요로 한다.



VTOL 항공기의 안전한 운행을 위해서는 25ft이하에서도 hover 동안 땅에서 움직이는 것과 같이 움직일 수 있어야 한다. 이륙후 전진 비행은 가능한 빨리 이루어져야 한다.25ft 고도에서 엔진고장이 일어났을때는 사고 없이 빨리 착륙 되어야 한다. 25ft 이상에서 기체는 앞으로 나가고 약간의 양력을 얻을 수 있다. 그래서 두 번째 엔진이 고장나는 위기가 발생 할 수도 있다. 이러한 경우 다수의 엔진 고장과 비행은 완벽하지 않다. 공기역학적인 양력은 낙하산이 완전히 펼쳐지는 동안 항공기의 비행시간을 늘려준다.



그래서 특별히 Spread Gun을 이용하면 낙하산의 전개는 25ft이하에서 일어 날 수 있다. 어떤 경우, 새로운 개념의 항공기는 예상치 못한 상태를 넘길 수 있도록 설계된다. 그래서 이중 안전 시스템은 승객의 안전을 보장하는데 적당하고, 필수장치이다.



*Emergency Options - 스카이카는 어디든지 착륙 할 수 있고, 그래서 갑작스런 날씨 변화나 착륙장치의 고장으로 인한 위험한 상황을 피할 수 있다.

간단, 내구성, 여분을 강조하면서, 몰러사는 이러한 혁기적인 항공기 고유한 특성의 안전성을 보장하고 있다.







< Performance >

스카이카의 활동은 헬리콥터의 최고속도보다 3배나 빠른 것을 포함해 어떤 헬리콥터보다 월등하다. 높은 수행력을 지닌 항공기와 비교 했을때에도 스카이카는 수직 이착륙을 할 수 있어 , 더 안전하고 비용도 덜 든다. 이러한 폭넓은 수행력은 비행에 있어서 VTOL과 높은 속도의 결합으로 인해 발생된다. 이러한 융통성은 여러 운송수단으로 자리 잡을 것이다.