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100년간의 항공 기술 혁신: 미래 100년은 어디로 갈 것인가




혁신이란 무엇인가?

이 질문에 대한 GE리서치의 답은 다음과 같다. 혁신이란 여러 전문 분야의 전문 지식, 광범위한 업계 경험 및 거대한 산업 규모에 대한 접근을 통해 고유한 기술 솔루션을 구현하는 것이다. 이렇게 혁신을 추구하는 마음가짐이 GE리서치와 GE항공이 성공적으로 협업할 수 있었던 이유다. GE항공 창립 100주년을 기념해, GE리서치와 GE항공이 구현한 과거, 현재 그리고 다음 세기의 비행을 정의하는 혁신적인 항공 기술을 소개한다.

비행기가 하늘에 떠 있기 위해서는 재료의 구성, 미세 구조, 그리고 그 외 다른 요소들이 주변 환경과 어떻게 상호작용하는지가 중요하다. GE리서치의 재료 특성화 팀은 60년 이상의 경험을 바탕으로 상용 제트 엔진용으로 새로운 재료와 코팅의 개발, 분석 및 검증에 대한 상당한 전문 역량을 확보해 왔다. GE항공은 이러한 포괄적인 일련의 기술을 활용해, 빠르고 정확하게 해답을 얻을 수 있는 최적의 분석 기술이 무엇인지 알아낸다. GE리서치는, GE항공과 협업으로 항공우주 산업에 밀접하게 연관되어 왔기 때문에, 안전, 신뢰, 효율의 모든 요소를 동시에 갖춘 엔진의 필요성을 매우 잘 알고 있다.


재료 혁신

항공 우주 산업의 재료 분야에서 가장 중요한 기술 혁신 중 하나로 세라믹 복합소재(CMC, Ceramic Matrix Composite)의 도입을 꼽을 수 있다. GE리서치는 초기부터 CMC 기술 개발을 주도했으며, 세라믹 소재의 고온 대응 능력을 활용해 금속처럼 내구성 있는 소재로 엔지니어링 했다. GE항공의 리더십과 지원을 바탕으로, GE리서치는 실험실 수준에서 유망한 기술 정도로 그쳤던 CMC를 실제 비즈니스에서 가치 있는 재료로 현실화했다.

그래서 어떤 물질이 탄생했을까? 고온을 견디는 경량 CMC의 무게는 기존에 사용하던 금속의 3분의 1에 불과하지만, 내구성이 뛰어나며 대부분의 고급 금속보다 약 150도 높은 섭씨 1,315도를 견딜 수 있다. CMC는 LEAP 엔진의 최고온 부에 쓰이며, 오늘날 하늘을 날고 있는 수백 대의 협동체(narrow-body) 항공기에 이 엔진이 탑재되어 있다. 비행기의 엔진은 구성 부품이 가벼울수록, 그러면서도 작동온도가 높을수록 더 좋은 성능이 나오고, 더 높은 효율이 나온다. 이를 모두 충족하는 CMC는 게임 체인저라 부를 수 있다.

신소재 개발 만이 아니다. GE리서치와 GE항공은 정비 프로세스 개선을 위해 혁신적인 열 보호 코팅법 개발에도 앞장섰다. 더 높은 효율의 엔진에 대한 수요는 증가하고 있으며, 엔진이 높은 효율을 보이려면 더 높은 온도에서 작동해야 한다. 그러므로 고온의 가스로부터 금속 부품을 보호하는 코팅의 필요성 또한 증가하게 된 셈이다.

열 차폐 코팅(TBC, Thermal Barrier Coating)은 높은 열 구배(thermal gradient)를 생성하는 얇은 단열재로, 고온 가스로부터 합금이 안전하게 작동할 수 있도록 보호하는 역할을 한다. 먼지가 많은 환경에서 작동하는 엔진의 경우 내구성이 개선된 TBC의 필요성은 더욱 높다. 항공기가 이륙하는 동안 엔진이 흡입한 먼지의 산화물이 코팅에 침투해 코팅을 손상시킨다. 코팅이 손상되면 금속은 보호막 없이 속살을 뜨거운 가스 경로에 그대로 노출시키게 된다. GE는 지금도 최신 개량형 TBC를 개발 중이다. CMC와 TBC를 통한 경량화, 고온 대응은 연료 효율 향상으로 이어졌고, 이로 인해 항공기는 그 어느 때보다 더 멀리, 더 오래 날아갈 수 있게 됐다.

GE항공은 이러한 기술 혁신을 통해 지난 100년 동안 항공 산업의 미래를 밝혀 왔다. 그리고 GE리서치는 이러한 기술 혁신을 통해 지속적으로 새로운 차원의 항공 기술을 추구해온 혁신의 본산이었다. 오늘날 GE리서치는 GE항공이 항공우주 산업의 디지털 혁신을 이끌도록 지원하고 있다. 항공 전자 공학, 그리고 항공기의 추진시스템 그 자체에 전력 시스템을 싣는 것 또한 연구하고 있다. 그렇다, 전기 엔진이다.

GE항공은 유지 관리, 수리 및 정밀 검사 전반에 걸쳐 디지털 솔루션을 개발하고 있다. GE항공이 만든 65,000대의 제트 엔진이 하늘을 날고 있으며, GE항공의 서비스 포트폴리오는 엄청난 성장 가능성을 보인다. GE항공이 직면한 주요 과제 중 하나는 제트 엔진의 정비 시간을 개선하는 것이다. 새로운 디지털 지원 솔루션이 해결에 도움이 되리라 기대되는 분야다.

GE리서치는 새로운 현장 검사 및 재료 기술을 항공기 및 정비 과정에 적용하고 있다. 이를 통해 정비 시간의 단축과 비용의 최적화를 이뤄낼 수 있었다. 엔진을 항공기 날개로부터 떼어내 검사해야 하는 시기를 보다 정확하게 예측하고, 엔진 제거 전 작동 점검에 있어서도 정밀 검사에 필요한 부품 교체 수준을 최적화할 수 있었다. 요약하자면, 디지털 기술의 도입은 항공기 이용률과 GE항공의 고객인 항공사들이 서비스할 수 있는 승객 수를 늘리면서 비행 중단이나 불필요한 점검을 줄이는 데 도움이 된다.

GE는 전기 항공기에 대한 개발도 연구 중이다. 전기 항공기는 NASA와 같은 주요 항공우주 산업 분야의 전문 기관과 기업들이 큰 관심을 가지고 있는 분야이기도 하다. GE리서치 기술을 바탕으로, GE항공은 탄소화합물을 하늘에 남기지 않는 친환경 비행기를 만드는 데 최적의 조직이라고 볼 수 있다. 전기 비행기의 주요 과제는 상용 항공기가 하늘을 날 수 있을 만큼 강력하면서도 작고 가벼운 전기 기반 추진체를 설계하는 것이다.

GE 연구원들은 GE의 전력 사업 분야에서 축적한 세계 최고의 실리콘 카바이드 재료 기술, 전기 구동력과 모터에 대한 풍부한 경험을 활용해 전기 추진 시스템을 위한 기초를 만들 수 있다. GE리서치는 수 세대에 걸쳐 에너지 및 운송 산업 분야에서 콤팩트하고 전력 밀도가 높은 전력 기반 제품을 설계해 왔으며, 뛰어난 하이브리드 항공기를 만들기 위해 노력하고 있다. 여러분이 생각하는 것보다 훨씬 빠르게 번개 이외의 전기가 하늘을 누빌 것이다.


미래의 100년

다음 100년을 내다보며, GE리서치는 항공우주 산업의 차세대 혁신, 즉 극초음속(hypersonic) 항공 여행으로 이어질 근본적인 기술 개발에 중점을 두고 있다.

시속 3,500마일(5,633km)을 넘는 극초음속의 속도라면 1시간 이내에 지구 어느 곳에나 도달할 수 있다. 흥미로운 이야기지만, GE리서치 첨단 추진 기술 수석 과학자 나렌드라 조시(Narendra Joshi)는 극초음속 여행은 앞으로 수십 년 동안은 현실화되지는 않을 것이라 믿는다. 고속 비행에서 패러다임 전환을 이뤄내려면 고온 재료, 열 관리, 추진 구조 및 소음 감소와 같이 많은 주요 구성 요소 관련 연구가 선행돼야 한다. 하지만 GE리서치는 이에 도전할 준비가 돼 있다.

GE리서치와 GE항공은 이미 CMC와 TBC를 통해 엔진 속의 화산 같은 온도를 견딜 수 있는 고온 대응 재료 개발 문제를 해결했다. 그러나 소리보다 5배나 빠르게 여행할 때는 초음속 기체의 외부에서 발생하는 섭씨 815도의 고온을 견딜 수 있는 더 강력한 재료와 첨단 냉각 시스템, 그리고 TBC가 필요하다. 이 복잡한 기술 문제를 해결하기 위해 GE리서치는 재료에 대한 전문 지식을 3D 프린팅 경험과 결합해, 회전 데토네이션 엔진 (RDE, Rotating Detonation Engine)과 같은 극초음속 비행의 첨단 추진 플랫폼을 견딜 수 있는 열 관리의 새로운 아키텍처를 설계하고 있다.

GE는 5 년 가까이 RDE기술을 개발해 왔다. 이 기술은 속도를 5배까지 높일 수 있게 해 극초음속 여행에 충분한 힘과 추력을 제공할 수 있는 방법으로 손꼽힌다. 그러나 비행기의 속도가 빨라지면 소닉 붐 현상과 같은 새로운 문제가 발생한다. GE리서치는 NASA와의 협력과 항공과 풍력발전에서 얻은 경험을 통해, 전산 유체 역학, 음향 및 연소에 대한 깊은 전문 지식을 쌓을 수 있었고, 이를 활용해 문제를 해결해 나가고 있다. 극초음속 비행에는 기술적 위험이 있다. 하지만 GE리서치는 혁신적인 엔진의 신뢰성과 기능을 보장하는 데 필요한 기술을 이해하는 데 상당한 진전을 이루었다.

GE리서치는 지난 수십 년 동안 항공 우주 산업에서 첨단 추진체, 재료 및 기타 지원 기술 개발을 주도해왔다. 여러 학문에 걸쳐, 그리고 다양한 부서에 걸쳐 다양한 GE의 연구원들은 모두 함께 GE의 미래를 보고, 움직이고, 만들어 나가고 있다. GE리서치는 GE항공을 포함한 다양한 GE 사업부들과 긴밀하게 협력하고 있으며, 이는 연구 결과물을 실존하는 제품으로 만들어낼 수 있는 GE만의 원동력이다.
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