냉전 기간 동안 미국과 소련은 항공기에 연료를 공급하는 방법으로 액체 수소를 연구했습니다. 이 깨끗한 연료가 마침내 모퉁이를 돌 수 있을까요? 매년 해변을 보기 위해 플로리다주 웨스트 팜 비치를 방문하는 수천 명의 관광객 중 소수만이 마을 가장자리에 버려진 산업 부지를 발견합니다. 잊혀진 진입로를 막고 있는 게이트에 "CAMERAS FIREARMS NOT PERMITTED ON THIS PROPERTY"라고 적힌 흐릿한 표지판이 붙어 있었습니다. Apix 비료 공장이 한때 비밀을 숨겼다는 몇 안 되는 단서 중 하나였습니다.
10평방마일(25.9평방킬로미터) 부지는 1950년대 후반에 소련의 핵무기를 염탐하려는 미국의 노력의 중심에 있었던 비밀 정부 시설이었습니다.
농부들을 위한 비료를 생산하기 보다는 아마도 세계 최대의 액화수소 생산지였을 것입니다. 이 생산지는 프로젝트 순탄( Project Suntan )에 필요한 것이었 습니다. 이것은 1956년에 시작된 록히드 U-2 정찰기를 대체하기 위한 "일급비밀 너머" 프로젝트에 부여된 코드명입니다.
Lockheed CL-400 Suntan은 정찰기라기보다는 우주선이나 Thunderbird와 비슷했습니다. Lockheed의 천재 디자이너이자 비밀스러운 Skunk Works 설립자인 Kelly Johnson이 이끄는 이 다트 같은 비행 기계는 30,000m(100,000ft)에서 마하 2.5로 비행하도록 설계되었으며 피부 온도는 177ºC(350ºF)이고 범위는 4,800km(3,000마일)입니다. ) 액체 수소로 구동됩니다. 즉, 수소는 약 -423ºF(-253C)의 극저온 온도로 냉각됩니다. Burbank California에 기반을 둔 Skunk Works는 일반적인 기업의 감독이 없는 기업 내 기업이었습니다.
엔지니어들은 소련 상공의 U-2 비행이 액체 수소 발전소 건설을 목격한 후 소련과의 "수소 경쟁"에 있다고 믿었습니다. 미국인들은 소련이 U-2를 격추하기 위해 자신들의 우주선/정찰기 또는 고속 비행, 고속 요격기를 개발하고 있다고 확신하게 되었습니다. 소련의 진정한 동기는 1957년에 스푸트니크가 액체 수소 추진 로켓 위에 발사되었을 때 분명해졌습니다.
프로젝트의 여러 측면이 성공적이었음에도 불구하고 Skunk Works 팀은 오늘날 설계자들이 여전히 직면하고 있는 수소 동력 항공기의 두 가지 문제를 해결할 수 없었습니다. 첫 번째는 범위였습니다. 수소는 기존의 항공 연료인 등유에 비해 매우 가볍고 단위 질량당 3배 더 많은 펀치를 담지만 동일한 히트를 내기 위해 항공기에서 4배의 부피가 필요하고 저장하기 까다롭습니다.
액체 수소는 더 높은 에너지 밀도(장거리 주행에 중요)를 포함하고 강력하고 무거운 탱크가 필요하지 않은 대안적인 가압 수소 가스에 비해 장점이 있습니다. 그럼에도 불구하고 Johnson의 Project Suntan 설계는 B-52 폭격기만큼 길었지만 Johnson이 미 공군에 약속한 범위에는 도달하지 못했습니다.
두 번째 문제는 더 컸다. 충분한 액체 수소를 생산하는 것이 가능하다는 것이 입증되었지만, 수소 동력 비행기를 운영하는 데 필요한 인프라는 다른 문제였습니다. 등유는 엄청난 양의 휘발성 액체 수소를 전 세계 공군 기지로 운송하고 저장하고 항공기에 안전하게 연료를 공급하는 것과 비교할 때 너무 저렴하고 편리했습니다.
록히드 팀이 Skunk Works에 수백 갤런의 액체 수소를 저장했을 때 방문 과학자는 그들에게 경고했습니다. "맙소사… 당신은 버뱅크를 폭파시킬 것입니다." 나중에 그들은 화재가 발생하여 일급 비밀 시설, 이웃 공항 및 버뱅크 자체를 파괴할 수 있는 거대한 폭발을 일으킬 뻔했을 때 이 예언을 상기했습니다.
이제 차세대 엔지니어들은 탄소 배출 제로에 대한 약속에 박차를 가하여 더욱 긴급하게 수소 동력 비행을 추구하고 있습니다.
1958년 Johnson은 그의 유명한 무뚝뚝함으로 인해 워싱턴에 있는 그의 급여 관리자에게 자신이 "개를 키우고 있다"고 말했고 프로젝트에 쓴 약 9천만 달러를 상환했습니다. 수소 동력 비행기는 그의 오랜 경력 중 몇 안 되는 실패 중 하나가 되었습니다. Johnson과 그의 Skunkworks가 새 연료를 작동시킬 수 없다면 아무도 할 수 없다고 생각하기 쉽습니다.
몇몇 다른 항공기 엔지니어들은 동의하지 않았습니다. 1988년 4월 15일, 다소 평범해 보이는 소련의 실험용 항공기 투폴레프 Tu-155 는 액체 수소를 사용하여 비행했으며 개조된 여객기는 계속해서 약 100회를 비행했습니다. 소련의 붕괴로 프로그램이 축소되었지만 그 이후로 소수의 수소 동력 소형 비행기 또는 UAV(무인 항공기)가 비행했습니다. 보잉의 팬텀 아이(Phantom Eye)는 2012년 6월 1일 고고도, 장기 내구성, 액체 수소 동력 드론의 프로토타입이 처음으로 비행했습니다. 9번의 비행 중 마지막 비행에서 팬텀 아이는 16,500m(54,000 피트). 자금 부족은 결국 드론을 정지시켰습니다.
이제 차세대 엔지니어들은 탄소 배출 제로에 대한 약속에 박차를 가하여 더욱 긴급하게 수소 동력 비행을 추구하고 있습니다. (항공산업은 현재 전 세계 탄소배출량의 약 2.4%를 책임지고 있습니다 .)
이러한 설계의 대부분은 액체 수소를 사용하여 연료 전지에 전력을 공급하거나 엔진에서 연소하거나 이 두 가지를 조합하여 전기를 생성합니다. 상대적으로 무겁고 단열된 탱크에 액체 수소를 저장해야 하기 때문에 수소와 함께 날개를 포함한 항공기 설계를 재고할 기회가 옵니다. 더 가벼운 등유를 날개에 저장할 수 있기 때문에 미래의 항공기가 훨씬 다르게 보일 수 있습니다. 또한 어떤 경우에는 1950년대로 거슬러 올라가는 관행을 재고할 기회이기도 합니다.
KLM Royal Dutch Airlines의 급진적 혁신 선임 관리자인 Arlette van der Veer는 "프로세스가 오랫동안 혁신되지 않으면 설계에 오작동이 생길 수 있습니다."라고 말합니다. "예를 들어, 화물 또는 지상 서비스의 동료들은 항공기 설계 프로세스의 마지막 지점이고 그것은 큰 문제입니다. 그들은 현재 로봇이 갈 수 없기 때문에 짐을 옮기는 비행기의 뱃속에 등을 대고 누워 있습니다. 다른 솔루션에는 너무 좁습니다."
전체 크기의 Flying-V는 Airbus A350과 거의 같은 크기입니다.
2020년 7월 델프트 대학의 팀은 플라잉-V(Flying-V)라고 불리는 수소 동력 상용기의 근본적이고 새로운 디자인을 테스트하기 위해 네덜란드 국경을 넘어 독일 니더작센에 있는 Fassberg 공군 기지로 운전했습니다. 그들의 밴 뒤에는 독특한 파란색과 흰색의 KLM 상징으로 장식된 3m 너비(10피트) 스케일 모델이 있었습니다. 연구원, 엔지니어, 무인 항공기 조종사를 포함한 팀은 일주일 동안 대학의 항공 우주 연구소에서 열심히 일한 것이 시간 낭비가 아니었음을 증명했습니다.
Delft는 세계 최고의 기술 대학 중 하나이며 북유럽에서 가장 큰 항공 우주 공학 학부 중 하나를 보유하고 있습니다. Flying-V는 KLM과 Airbus의 지원을 받아 베를린 공대 학생 Justus Benad가 고안했습니다. V자형 구조의 두 팔에 승객 객실, 화물칸, 연료 탱크가 통합되어 있어 기존 항공기보다 20% 더 효율적인 근본적이고 새로운 디자인입니다. 풀 사이즈 플라잉-V는 에어버스 A350과 크기가 비슷하고 승객 수(300명 이상)도 비슷하고 같은 출발 게이트를 사용할 수 있다.
Flying-V는 날개와 동체가 뚜렷한 구분선 없이 매끄럽게 블렌딩되어 있어 '블렌디드 윙'이라고 불리는 일종의 항공기다. 종종 비행 날개라고 불리는 이 날개는 기존의 튜브 및 날개 항공기보다 효율적이고 수소 탱크를 위한 충분한 공간이 있기 때문에 수소 동력 항공기에 자연스럽게 적합합니다.
Airbus는 자체적으로 액체 수소 동력 항공기를 위한 세 가지 Zero 개념을 발표했으며 그 중 하나는 2035년까지 서비스에 들어갈 수 있습니다. 그것들은 다소 전통적인 모습의 단거리 터보프롭과 대륙간 제트 여객기, 그리고 더 급진적인 혼합 날개입니다. 더 우주 비행기처럼.
무공해 상업용 항공기 구현을 목표로 하는 영국 프로젝트인 FlyZero는 자체 제작하기 전에 수소 동력 여객기의 27가지 다양한 구성을 평가했습니다. 여기에는 2개의 동체(하나는 수소용, 다른 하나는 승객용)가 포함된 비행기부터 승객 위에 탱크가 있는 곤돌라 설계 및 비행 날개가 포함됩니다. 최근에 공개된 자체 개념은 초박형 날개를 가진 기존 여객기의 부풀려진 버전처럼 보이는 샌프란시스코나 델리로 논스톱으로 비행하는 중형 항공기를 위한 것입니다.
항공기 설계는 많은 것 사이의 타협이며 비행기를 설계할 때 나선형에 빠질 수 있습니다 – David Debney
미래의 수소 동력 상용 항공기를 위한 다른 많은 디자인이 있습니다. FlyZero의 수석 엔지니어인 David Debney는 "최소한의 벌금으로 이러한 수소 탱크를 항공기의 어디에 배치할 수 있는지가 문제입니다."라고 말했습니다. "예를 들어 날개 사이에 거대한 수소 탱크를 놓고 두 개의 캐빈을 가질 수 있는 기발한 아이디어를 보았습니다. 하나는 뒤쪽에, 하나는 앞쪽에 있지만 분리되어 있어야 합니다. 규정에 따라 허용되지 않습니다.
"항공기 설계는 많은 것 사이의 타협이며 비행기를 설계할 때 나선형에 빠질 수 있습니다. 비행기를 더 무겁게 만들면 더 많은 양력이 필요하고 그것은 더 큰 날개를 의미합니다. 더 큰 날개는 더 많은 무게를 의미합니다. 그래서 더 많은 양력이 필요하지만 더 큰 날개의 무게는 더 많이 나가는 식입니다."
Flying-V의 경우 수소는 Kelly Johnson이 인식했을 것이며 등유 동력 버전에는 필요하지 않은 절충안을 의미합니다. "우리는 두 가지를 희생했습니다. 첫 번째는 [수익성에 영향을 미칠] 화물량의 약 2/3입니다."라고 Delft University of Technology의 항공우주 공학부의 조교수인 Roelof Vos는 말합니다. 그는 또한 프로젝트의 기술 책임자입니다. "우리는 승객의 수하물을 위한 충분한 양을 갖게 될 것이지만 그 이상은 없을 것입니다. 두 번째는 우리가 수소를 위해 사용할 수 있는 양과 우리가 그것에 대해 얼마나 멀리 날 수 있는지입니다." 수소 동력의 Flying-V는 런던에서 케이프타운까지 논스톱으로 비행할 수 있지만 등유 동력 버전은 시드니까지 갈 수 있습니다.
2020년 7월 16일 Delft 팀의 노력이 결실을 맺었습니다. Flying-V의 축소 모델은 오래된 전시 격납고의 문을 통해 Fassberg의 콘크리트 앞치마로 옮겨졌습니다. 오후 3시 30분이 조금 넘어서 두 개의 전기 모터가 굉음을 내며 5분 동안의 성공적인 처녀 비행을 위해 하늘로 날카롭게 상승했습니다. Vos는 "스케일 모델의 비행은 Flying-V가 문제 없이 우수한 핸들링 품질로 제어 가능하게 비행할 수 있음을 보여줍니다."라고 말합니다.
Airbus의 기술 운영 책임자인 Mark Bentall은 "수소 항공기가 이제 비행했기 때문에 연료의 기본 사항과 항공기의 기본 사항을 알고 있습니다"라고 말했습니다. 항상 최신 기술을 활용할 것입니다."
컴퓨터 모델링 덕분에 연소에 대한 이해 수준이 켈리 존슨 시대보다 훨씬 더 발전했습니다. – David Debney
탄소 섬유를 사용하면 엔지니어가 더 가볍고 강력한 구조를 만들 수 있습니다. 마찰 교반 용접(FSW)과 같은 쉽게 간과되는 새로운 제조 기술은 보다 정확한 고품질 접합을 제공합니다. 회전하는 도구의 마찰로 인해 발생하는 열을 사용하여 서로 다른 두 재료를 융합합니다. Skunk Works 팀은 나무 모델과 풍동을 사용하여 Suntan을 설계했습니다. 오늘날 컴퓨터 설계 및 시뮬레이션 도구는 엔지니어가 매우 정확한 설계를 빠르고 저렴하게 생성하는 데 도움이 됩니다.
David Debney는 "컴퓨터 모델링 덕분에 연소에 대한 이해 수준이 켈리 존슨 시대보다 훨씬 더 발전했으며 이는 등유 엔진에 도움이 되었지만 수소 동력 항공기에는 더 도움이 될 것"이라고 말했습니다. "항공기의 효율성 향상은 수용해야 하는 수소 연료의 양에 막대한 도움이 되며, 이것이 바로 달라진 점입니다.
"만약 1950년대의 공기역학과 엔진 기술을 사용하고 있었다면 같은 임무를 수행하기 위해 훨씬 더 많은 수소가 필요했고, 이는 부피 측면에서 매우 불리합니다."
혁신은 계속됩니다. Ultima Forma는 런던 남쪽에 위치한 영국 기술 회사입니다. 연료 탱크는 무겁습니다. 수소는 강철과 같은 금속에서 부식 취성을 유발하지만 구리에서는 덜합니다. Ultima Forma는 경량 탄소 섬유 연료 탱크 내부를 위해 구리로 만든 초박형 라이너를 개발하고 있습니다. 동일한 기술을 수소 운송에 사용할 수 있습니다.
다른 팀에서 배운 교훈을 공유할 수 있다면 지구뿐만 아니라 모든 사람의 이익입니다. Arlette van der Veer는 "최고의 디자인은 한 쪽에서 나올 수 없다는 것을 확실히 알고 있습니다."라고 말합니다. "정말 파괴적인 것은 최고의 디자인을 생산하기 위해 다양한 제조업체의 지식을 결합하는 개방형 지식 공유 경제입니다."
결정적으로 상업용 항공은 매일 수소를 다루는 다른 산업에서 배워야 합니다.
전 세계적으로 약 5,000억 달러(3,700억 파운드)가 수소 인프라에 사용될 것으로 예상되지만 Johnson이 직면한 모든 문제가 해결된 것은 아니며 수소가 지역적으로 또는 중앙에서 생산되는지 여부, 배포 방법 및 방법을 포함하여 일부 문제가 해결되지 않았습니다. 항공기 제조업체나 항공사가 자체적으로 해결하기에는 너무 큽니다.
그런 다음 근처에 있는 승객과 함께 항공기에 연료를 보급하는 방법(로봇 팔이 하나의 아이디어임)과 안전 규정이 무엇인지에 대한 문제가 있습니다. 저가 항공사 easyJet의 비행 운영 이사인 David Morgan 기장은 "그것은 엄청난 작업입니다."라고 말합니다. "그리고 그것은 첫 번째 비행기가 현장에 도착하기 훨씬 전에 시작하려는 일입니다."
결정적으로, 상업용 항공은 매일 수소를 사용하는 다른 산업에서 배워야 합니다. Bentall은 "Zero를 일찍 대중의 관심을 끌게 된 이유 중 하나는 이를 실현하기 위해 생태계로 일해야 하기 때문입니다."라고 말합니다. 공항, 항공사 및 제조업체 간의 대화가 시작되었습니다.
그런 일이 일어나지 않을 수 있는 데는 여러 가지 이유가 있지만 2030년대 언젠가 상업적으로 실행 가능한 수소 동력 항공기가 하늘을 날 것이라는 좋은 징후가 있습니다. 비록 처음에는 오늘날 히드로 공항과 같은 공항에 줄지어 있는 비행기처럼 보일 수도 있습니다.
"수소에 적합한 미래 지향적인 디자인이 몇 가지 있습니다."라고 Morgan은 말합니다. "그러나 수소 함대로 전환할 때 하고 싶지 않은 것은 전환이 실제 문제가 되도록 모든 것을 너무 급진적으로 만드는 것입니다."
"안전은 우리가 하는 모든 일의 유일한 목적입니다. 하지만 제가 연구에서 발견한 것은 모든 새로운 테스트 방법에도 불구하고 오늘날에도 여전히 우세한 1960년대 또는 1970년대의 사고 방식과 접근 방식이 있다는 것입니다."라고 van der Veer는 말합니다. "가장 완벽한 항공기를 설계했다면… 동체도 없고, 원통형도 아니고, 컴퓨터가 '아니오'라고 하는 경우일 것입니다. 인증 기관은 이전에 본 적 없는 항공기 설계에 대한 인증 방법을 개발해야 합니다. "
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