미국의 스타트업 항공기 제조사인 엘렉트라(Electra)는 최근 2050년 차세대 주력 여객기 컨셉 모델을 출시했다. 이 하이브리드 솔루션은 100명 이상의 승객을 태울 수 있다. 전기화, 고급 공기역학적 레이아웃, 통합 차체 및 전원 설계를 통해 배기가스를 줄이면서 효율성을 향상시킵니다. 이 프로젝트는 NASA의 AACES 2050(Advanced Aircraft Concepts for Environmental Sustainability) 프로그램의 일환으로, 기존 공항 인프라와 호환되는 동시에 차세대 환경 친화적인 여객기를 위한 실현 가능한 경로를 탐색하는 것을 목표로 합니다.

Electra는 기존 기체에 "플러그인" 전기 모터를 적용한다는 아이디어와 달리 전체 기체 구조와 추진 시스템에서 출발하여 공기 역학적 설계와 추진 레이아웃을 깊이 결합하여 연비와 환경 성능을 동시에 향상시키려고 합니다. 이 컨셉 항공기는 이전에 MIT가 제안한 D8 "그린 여객기" 연구 계획을 기반으로 합니다. 가장 중요한 외관 특징은 소위 "이중 버블" 동체입니다. 두 개의 원통형 동체 부분이 평행하게 융합되어 있으며, 이는 1940년대 보잉 377 Stratocruiser의 구조가 "횡방향" 90도였던 구조에 대한 현대적 해석과 유사합니다.

Electra는 "이중 버블" 동체가 동체 길이를 늘리지 않고 객실 공간을 늘릴 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 동체 자체가 많은 양의 양력을 견딜 수 있도록 하여 전체 레이아웃을 일종의 날개-동체 융합 설계에 가깝게 만든다는 점을 지적했습니다. 동체가 양력 생성에 참여할 수 있도록 함으로써 날개에 가해지는 구조적 부담을 크게 줄일 수 있어 날개 크기가 줄어들고 항력과 무게가 이중으로 증가합니다.

진정한 "독창성"은 하이브리드 추진 시스템에 반영됩니다. 날개 아래에는 2개의 터보팬 엔진이 장착되어 있어 대부분의 추력을 제공하고 통합 메가와트 발전기를 통해 기체의 전기 시스템에 전력을 공급합니다. 동체 후면에는 전기모터로 구동되는 팬 3개가 배치됐다. 이 팬은 동체 후면에 내장되어 있으며 전면 터보팬 발전 시스템과 통합된 터빈-전기 하이브리드 추진 아키텍처를 형성합니다.

직관적인 관점에서 볼 때 이 레이아웃은 다소 불필요해 보입니다. 터보팬이 직접 추력을 생성할 수 있는데 왜 먼저 전기를 생성한 다음 선풍기를 구동하고 중간에 여러 에너지 변환 손실을 추가해야 합니까? Electra가 제시한 대답은 공기 역학적 설계에 있습니다. 이 시스템의 핵심은 항공기 표면의 경계층 공기 흐름을 사용하여 항공기의 여파로 인해 낭비될 에너지를 회복하는 것입니다.

이 계획에서는 날개 아래 터보팬을 나셀 파일론을 통해 날개 아래에 매달아 항공기 본체 표면의 경계층에서 의도적으로 멀리 떨어뜨려 항공기의 비행 속도와 일치하고 상대적으로 균일한 유동장을 갖는 자유 흐름 공기를 흡입함으로써 전통적인 의미에서 "깨끗한" 공기 흡입 조건을 유지합니다. 동시에, 더 두껍고 낮은 속도의 경계층 공기 흐름 층이 동체 표면에 형성됩니다. 이 저에너지 공기 흐름은 동체를 따라 뒤쪽으로 전개됩니다. 자연적으로 떨어지도록 허용하면 꼬리 부분에 난류가 형성되어 항공기의 전반적인 공기 역학적 효율성이 저하됩니다.

Electra의 AACES 2050 컨셉 항공기에는 꼬리 부분의 동체 구조에 직접 내장된 3개의 전기 팬이 있어 저에너지 경계층 공기 흐름을 적극적으로 흡입하고 흐름이 완전히 빠져나와 후류를 형성하기 전에 다시 에너지를 공급할 수 있습니다. 이 "꼬리 재가속" 과정을 통해 후류 와류의 형태로 손실되었을 에너지를 부분적으로 회수할 수 있고, 몸체의 후류를 "수축"할 수 있으며, 저항이 크게 감소하여 전반적인 추진 효율이 향상되고, 연료 소비 및 배기가스 배출이 감소하며, 더 작고 가벼운 엔진 구성을 사용할 수 있습니다.

Electra는 이 아이디어가 이론적으로는 매우 훌륭하지만 본체 내부에서 메가와트급 전력의 장거리 전송에 대한 안전성과 효율성, 모터 및 전력 전자 장치의 열 관리, 꼬리에 있는 선풍기로 인해 발생할 수 있는 소음 문제 등 엔지니어링 실무에서는 여전히 여러 가지 과제에 직면해 있다고 강조했습니다. 이러한 핵심 기술이 비용 및 신뢰성 제약 하에서 엔지니어링될 수 있는지 여부는 향후 10년 정도 내에 점차적으로 극복해야 할 어려운 문제입니다.

Electra의 제품 전략 이사인 Parker Vascik 박사는 전기화의 가치는 설계자가 이전에 엔진을 배치할 수 없었던 위치에 추진 장치를 배치할 수 있게 하여 전체 레이아웃 수준에서 더 큰 자유와 이점을 얻을 수 있다는 것이라고 말했습니다. 그는 이 개념의 목표는 서류상으로 효율성을 높이는 것뿐만 아니라 기존 항공사 운영 모델 및 공항 인프라와의 호환성을 유지하면서 "실제로 구축하고 감항성을 인증하고 사용할 수 있는 솔루션"을 제안하는 것이라고 지적했습니다.