통계에 따르면 전세계 중에는 13,000대 정도의 대형 여객기가 떠나니는데 이들 비행기의 각각은 1년에 1회는 낙뢰를 맞는다고 한다. 그렇지만 이 낙뢰로 여객기가 사고를 일으켰다는 이야기는 들은 바가 없다. 또 이들 낙뢰로 승객이나 승무원이 감전됐다는 이야기도 없다. 비행기와 하늘, 또 번개와 하늘은 끊을래야 끊을 수 없는 관계에 있다. 따라서, 비행기와 번개도 끊을래야 끊을래야 끊을 수 없는 관계에 있다. 즉, 번개는 금속에 떨어지기 쉽다고 말하는데 비행기느 그 금속으로 되어 있다. 또, 비행기는 비행 중에는 공기와의 마찰로 인해 정전기를 대전하기 쉬운 상태로 된다. 비행기의 뇌해의 영향, 또는 비행기를 번개로부터 지키기 위해서 많은 연구가 옛적부터 행하여져 왔다. 본고에서는 어려운 이야기는 빼고 비행기와 벼락에 대해서 간단하게 소개한다.
전기동력을 기반으로 하는 전기추진비행기는 화석연료 사용에 따른 CO2 발생을 줄여서 지구온난화에 대응할 수 있고 에너지의 효율적 사용을 통해서 장기적으로 비행기의 운용비용을 줄일 수 있다. 이런 이유로, 미국과 유럽연합 등 선진 항공국가에서는 미래의 완전한 전기비행기 구현을 위한 혁신적 기술개발을 선도적으로 진행하고 있다. 현재, 국내에서는 기존 2인승 엔진 비행기를 전기추진비행기로 개조하는 연구개발이 진행 중에 있다. 개조대상 비행기는 KLA-100으로써 엔진 장착공간과 부조종사 공간을 활용하여 배터리 팩을 설치하고, 30분의 비행시험을 목표로 하고 있다. 해당 목표를 달성하기 위해서는 배터리 성능이 보장되어야 하는데, 개조 비행기에는 비출력 150Wh/kg, 중량 200kg 그리고 C-rate 3~4인 리튬-이온(Li-ion) 배터리가 설치된다. 본 논문에서는 설계된 배터리 팩이 장착된 전기추진비행기의 비행 가능성을 사전에 점검하고자 한다. 이를 위해 30분 비행 프로파일을 시동 및 활주단계, 이륙단계, 상승단계, 순항단계, 하강단계, 착륙 및 활주단계로 구분하고, 각 단계에서 요구되는 배터리 용량을 계산하여 최종 목표로 하고 있는 30분 비행 가능 여부를 평가하였다. 또한, 비행속도에 따른 비행 가능시간과 항속거리를 분석하여 전기추진비행기용 배터리 팩의 비행성능을 파악하였다.
리니어 모터는 18세기 중반에 발명되어 초기에는 섬유공업에서의 방적기 북으로 개발되어 사용되었었다. 그 후 1946년 미국 웨스팅하우스에서 리니어모터를 이용하여 항공모함에서 비행기 이, 착륙 보호장치인 electropult를 개발한 이래로 여러분야에의 응용이 확산되기 시작되었다.
지속 가능한 발전을 위해, 한정된 자원인 석유의 고갈을 막기 위해 석유를 수송에너지로 주로 사용하는 자동차에서 바이오 디젤이나 연료전지, 전기자동차 등 다양한 대안이 제시되고 있다. 그러나 식량 가격 상승, 낮은 안정성, 인프라 확충 등의 문제의 해결이 필요할 뿐만 아니라, 석유의 소비를 감소시키는 대신, 지구에서 소비할 수 있는 다른 형태의 에너지를 소모한다는 측면에서 근본적인 에너지 문제의 해결책의 모색이 필요하다. 19세기 후반, 백열전구의 필라멘트 용도로 사용되기 시작한 탄소 섬유는, 철에 비해 5배 가볍고 강도는 10배가 높으며 내열성이 뛰어난 소재로서, 복합소재의 형태로 제조되어 비행기, 우주선, 풍력 발전 블레이드 등 다양한 산업 분야에서 소재의 장점을 발휘하는 재료로 적용 분야가 확대되고 있다. 특히 비행기 분야에서는 최근 비행기 몸체 구조에 기존 알루미늄 합금을 탄소섬유복합재가 대체하고 있으며, 최근에는 부피 기준 50% 가량까지 탄소섬유 복합재를 사용하여 비행기를 제작하고 있다. 이에 따라 기존에 비해 20% 가량 연료 소모가 감소하여, 비행기 한 대 당 연간 2,700톤의 이산화탄소 배출을 저감하고 있다. 이와 같이 탄소섬유 복합재를 다양한 분야에 적용함으로써, 에너지 문제에 대한 보다 근본적인 접근이 가능하다. 그러나 탄소섬유 복합소재는 금속 등 기존 재료에 비해 높은 가격으로 상용 자동차 등 에너지 소비량이 많은 분야에 널리 적용되는데 한계가 존재한다. 이와 같이 높은 탄소섬유의 가격은, 원가의 50% 가량을 차지하는 PAN 원사 가격과 나머지 반절에 해당하는 안정화/탄화 공정 비용에서 기인하는 것으로, 미국의 ORNL (Oak Ridge National Laboratory), 한국의 KIST 복합소재연구소 등에서는 원사, 안정화 공정, 탄화 공정 등 다양한 측면에서 탄소섬유 복합재의 가격을 절감할 수 있는 방안을 연구 중이다. 미국 ORNL에서는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 기존에 열을 이용해 수행하던 탄화 공정 비용을 크게 절감하고 있으며, KIST에서는 대기압 플라즈마를 이용하여 기존에 열을 이용해 2시간 가량이 소요되는 안정화 공정을, 대기압 플라즈마를 이용하여 30분여로 단축된 시간에 수행하는 공정을 개발 중이다. 본 발표에서는 탄소섬유 복합재의 개요와, 탄소섬유 가격 절감 방안으로서의 플라즈마에 대해 논의하며 대기압 플라즈마의 다양한 응용에 대해 소개할 예정이다.
태양전지, 연료전지, 이차전지와 같은 동력시스템을 사용하는 EAV2 전기비행기의 특정 비행 전 구간에서 걸쳐 필요한 추진요구전력에 대한 분석을 수행하고, 이를 통해 비행영역에서 최적의 추진시스템 무게로 공급가능전력에 대한 동력 시나리오를 논의하였다. 그 결과 길이 6m, 폭 0.35m의 글라이더형 전기추진비행의 위해서는 최적의 추진시스템 무게는 7.06kg이며, 연료전지 500W와 이차전지 100W의 전력으로 비행가능함을 알 수 있었다.
공학적인 측면에서 볼때 20세기 초반이 자동차나 비행기와 같은 수송수단의 개발시기였다면 20세기 후반은 컴퓨터시대였다고 할 수 있을 것이다. 전문가들 중에서 다가오는 21세기는 인공지능소자의 개발시대가 될것이라고 전망하는 사람이 많다. 아마도 그리 멀지 않은 때에 사람과 비슷한 인지기능과 지능을 갖는 로봇트가 위성탐사를 위해 제작되어지리라 기대해 봄직하다.
위성항법장치 즉, GPS는 Global Positioning System의 약자로서, 비행기 · 선박 · 자동차뿐만 아니라 세계 어느 곳에서든지 인공위성을 이용하여 자신의 위치를 정확히 알 수 있는 시스템이다. 우리에게는 현재 지피에스(GPS)라고 더 잘 알려져 있다. GPS는 원래 미국에서 군사적 목적으로 1978년부터 개발이 시작되었다. 당초에는 요격미사일의 유도 등을 위하여 주로 사용되었으나, 냉전시대가 끝나면서부터 민간 영역으로 그 이용 범위가 점차 확대되어 현재는 항공기, 선박, 차량의 자동항법시스템 등에서 매우 유용하게 사용되고 있다. 그렇다면 지금부터 그 구성과 원리 등에 대해서 자세히 알아보도록 하자.
고속전철은 비행기가 활주로에서 이륙하는 속도를 능가하는 시속 300km이상의 고속으로 운영되는 열차로서 고도의 제어기술이 총동원되는 기술의 결합체이다. 고속전철내의 전자 장치들은 단지 추진이나 제동의 기능뿐만 아니라 차량의 상태에 대한 모니터 링, 온라인 진단, 여행자 정보서비스 및 테스트용 백업 등 다양한 기능을 수행하게 되어 있으며, 이러한 기능들을 보다 안전하고도 효율적으로 수행하기 위하여 분산제어방식으로 구축되고 있다. 특히 20량까지 연결하여 운영하는 고속전철의 특성상 각 차량에 고루 분산되어 있는 분산제어시스템을 효과적으로 지원하기 위한 제어네트웍은 고속전철 제어시스템의 중추적인 역할을 담당하고 있다고 하겠다.(중략)
본 논문에서는 전기동력 추진기관을 사용하는 비행체의 추진시스템에 대하여 분석하고, 무게분석을 통하여 PAV의 전기동력시스템을 살펴보았다. 현재 1,000 kg의 PAV를 개발할 경우 PEMFC와 리튬전지를 조합한 추진기관이 내연기관을 대체할 수 있을 것으로 예상된다. 내연기관을 대체하기 위해서는 연료전지 출력밀도 2.5 kW/kg, 배터리 에너지밀도 0.75 kWh/kg 이상의 성능이 요구된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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