Honeywell은 GE, Pratt & Whitney, Rolls Royce 만큼 다양한 엔진 라인업을 가지고 있지 않지만 Turboshaft, APU(1) 등 조금 더 작은 사이즈의 엔진에서 강점을 보이고, 특히 APU 시장을 장악하고 있는 회사입니다. Honeywell에서 APU를 기반으로 하는 하이브리드 엔진을 만드려고 한다는 기사를 보니 강점을 최대한 활용하여 시장을 공략하려는 듯 하여 상당히 전략적인 움직임이라는 느낌이 들었습니다.
잘 정리되어있는 기사는 아니다보니 Honeywell 외에 다른 회사에서 개발중인 엔진도 간략하게 소개되어 있어 유사한 Electric 또는 Hybrid 엔진 개발에 각 사가 어떻게 다른 방식으로 접근하고 있는지 비교하는 재미가 있습니다.요즘 핫이슈인 eVTOL 관련 내용도 약간 소개되어 있어서 분석할만한 가치가 있다고 판단되었습니다. 기사가 꽤 길어서 약간씩 포맷을 수정하고 중요한 부분 위주로 짚어봤습니다.
APU, 보조 동력 장치는 가랑비님의 유튜브 영상에 설명이 잘 되어 있으니 참고해주시기 바랍니다.
Honeywell의 HGT1700 APU(Airbus A350용) 기반의 1MW 출력의 하이브리드 엔진의 컨셉 3D 모델
현재 배터리 기술의 범위를 넘어 더 크고 더 많은 능력을 갖춘 전기 항공기에 대한 관심이 증가함에 따라 전력 공급 업체는 터빈 및 피스톤 엔진의 핵심 에너지를 활용하는 하이브리드 시스템의 개발이 가속화되고 있습니다.
Honeywell과 Safran을 포함한 가스 터빈 제조업체는 신흥 하이브리드 부문에서 처음으로 야심을 드러 냈으며 General Electric과 Rolls-Royce도 적극적으로 참여하고 있습니다. Pratt & Whitney의 Project 804라는 PW100 기반의 하이브리드 연구는 최근 지연되고 있지만 EcoPulse에 PT6 Turboprop을 제공하고 있습니다. (2)
Safran: Distributed hybrid propulsion system 등 전반적인 추진, 모터 관련 부품 Airbus: Battery 장착, 공기 역학적으로 최적화 Daher: 부품/시스템 설치, 비행 시험 및 전반적인 분석 Pratt & Whitney: PT6 Turboprop 제공??
EcoPulse는 하이브리드 기체인데 Pratt & Whitney에서 PT6 turboprop을 공급한다는게 선뜻 이해가 가지 않는데 EcoPulse 홍보 영상도 같이 보니 이해가 갑니다. 위 기사만 보면 마치 하이브리드 엔진 개발에 뭔가 참여하는 듯하게 쓰여있지만 영상에 나오듯이 기체의 앞 프로펠러는 이륙 후에는 돌지 않는 것으로 나옵니다. 날개에 달린 하이브리드 엔진만이 돌고 있네요.
기존 엔진 업체들이 기존의 엔진과 완전한 전기화 사이의 최적 지점을 모색하는 도중 신규 업체(즉, Honeywell)가 소형 화물용 및 에어 모빌리티용 틈새 시장을 공략하려 하고 있습니다. 하이브리드 전기 스타트업인 VerdeGo는 광범위한 수직 이착륙, 단거리 및 기존의 하이브리드 시스템을위한 185kW (248hp) 디젤 기반(3) 하이브리드 시스템을 인증하고 생산할 계획을 공개함으로써 업계 내 입지를 한 단계 끌어올리고 있습니다.
VerdeGo에서는 Continental Aerospace Technologies의 CD-265 엔진을 기반으로 하이브리드 시스템을 만든다고 합니다. Jet Fuel도 사용 가능한 엔진입니다. VerdeGo에서는 Bio fuel까지 사용가능하도록 개발 중이라고 합니다. VerdeGo 및 타사의 하이브리드 엔진 개발에 대한 Vertical Flight Society의 심도있는 기사가 있는데 VerdeGo의 비중이 가장 높게 다뤄져있습니다.
부끄럽지만 전 사실 비행기 엔진에도 디젤 엔진이 쓰이는 줄 몰랐습니다. 찾아보니 2차대전 이후로는 거의 사라졌지만 아직 소형 비행기 시장에서 명맥을 유지하고 있고, 특히 2010년대부터는 본문과 같이 사이즈가 작은 새로운 비행체가 개발되면서 새로운 형태의 디젤 기반의 엔진도 개발되고 있다고 합니다. 디젤은 SFC가 낮고, 항공유보다 구하기도 쉬운데다가 자동차용 디젤 엔진 기술도 많이 좋아져서 항공용에도 적용되고 있다고 합니다. 활주로에 국한되지 않고 더 자유로운 공간에서 뜨고 내리는 비행체의 경우 만약을 위해 디젤을 사용할 수 있는게 장점일 수 있을 것 같습니다.
참고로 항공유는 Jet Fuel(케로신 기반 - 터빈용)과 Avgas(가솔린 기반 - 왕복엔진용) 등이 있습니다. 항공유에 대한 간단한 설명은 GS 칼텍스의 아래 영상을 참고해주시기 바랍니다.
하지만 노련한 터빈 제조업체들에게조차 이 신생 시장은 예측하기 어렵다는 것이 입증되었습니다. Safran은 두 개의 터보 제너레이터(4)프로젝트로 시장을 초기 선점하려 했으나 물거품이 되었습니다.
- Zunum Aero의 하이브리드 전기 ZA10 중형 항공기의 동력 공급 업체로 2018 년 말에 선정 된 지 몇 주만에 재정적인 문제 발생
- Bell의 Nexus 전기 수직 이착륙 (eVTOL) 하이브리드 엔진 업체로 선정되었으나, Bell이 2020년 초에 완전한 전기 비행기로 방향을 전환
Honeywell은 이미 400-500kW 시스템은 2019 년에 처음 발표했던 바 있었으나(4), HGT1700 APU를 기반으로 한 고출력 1 메가 와트 터보제네레이터를 준비하고 있습니다. 더 큰 규모로의 이동은 Honeywell이 더 많은 전력 수요를 요구하는 시장의 변화에 맞추기 위함입니다. 이 전환은 2019 년 중반 일본에 기반을 둔 자동차 부품 업체 Denso와의 협력 계약으로 완전한 기점이 되었습니다.(5)
자동차 부품 업체 및 QR코드를 개발한 회사로 우리에게도 친숙한 Denso(덴소)와 Honeywell은 구체적으로 서로 어떤 역할인걸까요? UAM(Urban Air Mobility)용 하이브리드 또는 All electric aircraft 연구 개발이라고만 나와 있고, 상세한 정보는 공개되지 않았습니다. Honeywell에 직접 문의한 기사에 따르면 모터, 모터 컨트롤러 개발이라고 하는데 구체적으로 공개되어있지는 않습니다.
얼마 전 5월 24일에 Aviation Week에 짧은 추가 기사가 발행되었는데 유료 회원에게만 공개되어 있습니다. 특별한 내용은 없고, 잠재 고객들과 협의 중이며 내년까지 비행용으로 쓸 수 있는 제품을 만들 계획이라고 합니다.
그 이후로 하이브리드 전기 시장은 더 큰 탑재량과 더 긴 범위를 요구하는 임무를위한 다양한화물 및 승용차 프로젝트로 급증하기 시작했습니다. 영국의 Faradair Aerospace를 포함한 다양한 신생 기업이 새로운 하이브리드 전기 유형을 개발하고 있으며, 지난 12 월에 Honeywell과 시스템 및 터보 발전기 장치에 대한 MOU를 맺은 바 있습니다. (Faradair Aerospace는 Bio Electric Hybrid Aircraft를 개발하고 있습니다.)
VerdeGo의 VH-3-185 코어 하이브리드 유닛
HGT1700에 대한 재조명에도 불구하고 회사는 HTS900 터보 제너레이터에도 새로운 관심을 보이고 있습니다. Honeywell의 전력 시스템 사업 개발 담당 선임 이사 인 Taylor Alberstadt는 “우리는 설계 작업을 완료하고 200kW 발전기 2 개에 HTS900을 결합했지만 테스트를 시작하지는 않았습니다." 우리는 이 시스템에 대한 여러 잠재 고객과 대화를 나누고 있으며 해당 프로그램의 요구 사항에 맞게 본격적인 개발 및 테스트를 시작할 것입니다."
Alberstadt는 더 작은 시스템에 "중대한" 관심이 있다고 말합니다. "고객과의 논의 및 고객의 특정 요구 사항을 바탕으로이 활동을 앞으로 진행할 가능성이 높습니다."라고 그는 말합니다. HTS900 시스템에 대한 초기 테스트 작업은 3 분기에 데모 테스트를 시작할 더 큰 HGT1700 장치의 개발에 도움이되었습니다. "특히 소프트웨어 제어 개발과 엔진 및 발전기의 통합에서 교훈을 얻었습니다."라고 그는 덧붙입니다.
HGT1700 시스템은 HTS900 기반 장치보다 2.5 배 더 강력합니다.(1MW vs. 400kW) 무게가 280lb인 이 더 큰 발전기는 DARPA의 XV-24A LightningStrike VTOL (수직 이착륙) 하이브리드 전기 X-Plane(6) 용으로 개발 된 1 메가 와트 발전기 Honeywell의 설계 및 테스트 과정에서 얻은 교훈을 활용합니다.
(6) XV-24A LightningStrike VTOL (수직 이착륙) 하이브리드 전기 X-Plane?
거창한 이름의 이 비행기는 미국 국방 관련 온갖 멋진 연구 개발을 주관하는 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency: 미 국방고등연구계획국)에서 연구한 시험용 무인기입니다. 300-400kts (약 555~740 km/hr)의 속도로 날아가는 것이 목표였습니다. 비슷한 무게의 헬리콥터인 Bell UH-1Y Venom의 최대 속도보다 3~4배 정도 빠른 것입니다.
Aurora Flight Sciences의 기체, Rolls Royce의 Turboshaft 엔진, Honeywell의 터보제너레이터를 사용하는 컨셉이었고, 축소형 모델로 시험되었었습니다(영상 링크) 2016-2018년에 연구되었고 실제 제작/시험이 되기 전에 연구는 종결되었습니다. Aurora의 이 컨셉은 Uber의 Elevate에 이어졌고, Honeywell의 연구/개발은 본문에서처럼 계속 이어지고 있습니다. 아래는 연구 목적을 보여주는 컨셉 영상입니다. UAV에서는 많이 보이는 컨셉인데 스케일업하는건 쉽지 않는가 봅니다.
Aurora Flight Sciences가 개발한 XV-24A는 2018 년에 취소되었지만 Honeywell은 발전기 작업을 계속하여 이듬해 HTS900과 함께 공개 된 200kW 장치의 설계 기반을 형성했습니다. 98%의 효율(일반적으로 92%)을 달성하도록 설계된 이 장치는 전기 추진에 필요한 높은 수준의 전력을 가능하게하기 위해 기존 메가 와트급 발전기의 전력 밀도의 5 배로 패키징되었습니다.
XV-24A에 동력을 공급하기 위해 AE1107C 터보 샤프트를 채택한 Rolls Royce는 M250 터보 샤프트와 AE2100 터보프롭을 기반으로 한 터보 제너레이터 시스템으로 하이브리드 전기 부문을 계속 주시하고 있습니다.(7) M250은 500kW ~ 1 메가 와트의 전력이 필요한 항공기를 겨냥한 반면, AE2100은 더 큰 지역 항공기를 겨냥한 2.5 메가 와트 시스템의 핵심을 형성했습니다. 현재 취소 된 Airbus E-Fan X 하이브리드 추진 시연 기의 비행 테스트를 위해 개발 된 버전은 지상 테스트에서 계속 평가됩니다.
Hybrid electric system에 Honeywell은 APU 기반, Rolls Royce는 turboprop/turboshaft 기반으로 개발.
이번 기사 선정의 이유이기도 하지만 각 사에서 각자 잘 할 수 있는 분야에서 시장의 수요에 대응하고 있습니다. 참고로 엔진 3사 중 Electric, Hybrid 분야에 가장 적극적으로 투자하고 홍보하는 회사는 Rolls Royce로 보입니다. 미래에 대비한다는 의미도 있겠지만 나머지 두 회사보다 현재 밀리는 상황이라고도 볼 수 있을까요?
2019 년 3 월 인디애나 폴리스에있는 Rolls Royce의 파워 리그 시설에서 M250 하이브리드 시스템의 초기 지상 테스트를 거친 후, 회사는 파워 팩을 자체 틸트 윙 eVTOL 설계에 통합하고 APUS i-5를 지원하는 데 집중했습니다. APUS i-5는 독일 베를린 / 브란덴부르크 지방 정부가 자금을 지원하는 시범기 입니다. (8)
Brandenburg주는 독일의 수도 Berlin을 주변을 둘러싼 지역입니다. 마치 경기도 내에 서울이 있는 것처럼요. 독일에서 가장 중심지겠지만 지역구에서 투자하여 비행체를 개발한다는 것이 흥미롭습니다. 참고로 독일과 남한의 영토 크기는 아래와 같습니다. 면적만을 비교했을 때 대한민국의 약 3.5배에 해당됩니다. 미국이나 러시아처럼 어마무시하게 큰 건 아니지만 인접 유럽 국가들간에 항공기 수요도 많지 않을까 싶습니다. 기회가 되면 조금 더 자세히 알아보고 싶네요. (제조사 APUS의 공식 홈페이지)
독일의 항공 엔지니어링 서비스 전문 기업인 APUS 그룹이 개발중인 트윈 붐 i-5는 배터리 또는 수소 연료 전지와 함께 작동하도록 설계된 700kW, M250 기반 하이브리드 전기 시스템으로 구동되는 4 개의 프로펠러로 구성됩니다. 초기 비행 테스트는 M250이 수소 연료 전지로 교체되는 두 번째 테스트 단계 전에 고전압 분산 추진 시스템의 성능을 평가합니다. 장기적으로 지속 가능한 항공 관점에서 “하이브리드 전기 추진은 재생 가능 에너지를 사용할 때만 의미가 있으며 이러한 장기적인 임무를 수행하는 데는 수소보다 친환경적인 것은 없습니다.” 라고 APUS 설립자 Phillip Scheffel은 말합니다.
Rolls Royce는 또한 터보 제너레이터를 넘어 다른 하이브리드 전기 관련 모험을 계속하고 있으며, 가장 최근에는 영국 남서부에서 통근 노선에서 하이브리드 전기 항공기를 시연하기 위해 미국 스타트 업 Ampaire가 이끄는 컨소시엄에 가입했습니다. 2Zero 프로젝트 (중형 항공기(Regional Aircraft) 운영에서 배출 제로를 향하여: To Zero)에 따라 Rolls-Royce는 인증 가능한 안전 기능과 높은 전력 밀도를 갖춘 전기 추진 장치와 교체 가능한 배터리 시스템을 공급할 예정입니다.
APUS i-5의 라인업
GE Aviation은 또한 독일에서 곧 비행 테스트에 들어갈 예정인 새로운 1,300 마력 Catalyst 터보프롭(9)의 잠재적 파생 엔진으로 하이브리드 전력 스펙트럼을 모색하고 있습니다. 이러한 연구는 2016년 말에 저압 및 고압 스풀에서 최대 1 메가 와트의 전력을 추출하도록 F110-129 전투 엔진을 수정하는 것을 포함하는 초기 전력 테스트를 기반으로합니다. 미국 공군 연구소와 NASA가 지원하는이 시연은 고압 터빈에서 250kW, 저압 터빈에서 750kW를 추출했습니다.
GE의 Catalyst는 Turboprop 엔진으로 Pratt & Whitney Canada의 PT6 시리즈가 오랫동안 장악하고 있는 시장에 과감히 도전장을 내민 엔진입니다. 3D프린팅을 적극 사용하고 GE에서 많이 홍보하고 있는 엔진인데 계속 시험중에 있습니다. 이 엔진을 기반으로 Hybrid엔진을 만든 계획도 있었네요. 다음 문단에도 추가 내용이 있습니다. (3D 프린팅 관련 GE 리포트 링크)
GE는 모회사의 글로벌 리서치 센터와 협력하여 2017 년에 1 메가 와트 전기 모터 / 발전기를 개발하고 테스트했습니다. 고전력 밀도 장치는 Dayton에 있는 5100 만 달러 전력 통합 시스템 센터 또는 EPISCenter에서 테스트되었습니다. Ohio 주 Peebles에서 추가 시험이 이어지며, CT7 엔진의 직경 11 피트의 Dowty 프로펠러가 사용되었습니다.
“하이브리드는 우리에게 흥미 롭습니다. 프로펠러를 Catalyst에서 분리하고 영구 자석 발전기를 장착하면 1 메가 와트 솔루션을 얻게됩니다.” GE Aviation의 터보프롭 총괄 책임자 인 Paul Corkery가 말합니다. “FADEC가 탑재되어있어 동력을 분배하고 엔진을 관리 할 수 있기 때문에 이 등급의 항공기에 매우 적합합니다. 이것은 초기 단계이지만 기하 급수적으로 증가 할 것이며 다양한 사람들에게 필요한 꽤 좋은 솔루션이라고 생각합니다.” 화물 UAV 및 훈련용 항공기에도 활용될 수 있습니다.
더 아래 범위의 출력으로 VerdeGo Aero는 최초의 185-kW VH-3-185 추진 시스템(Propulsion System)을 갖춘 광범위한 수직, 단거리 및 재래식 이착륙 항공기를 목표로 삼고 있습니다. 이미 Airflow, Jaunt Air Mobility 및 XTI Aircraft와의 협력 계약에는 VH-3-185의 단일 또는 이중 설치가 포함되어 있다고 VerdeGo의 CEO Eric Bartsch는 말합니다. "우리는 2 세대의 풀 스케일 하드웨어를 구축하고 기술 성숙도 6까지 테스트했습니다. VH-3는 한 단계 진화입니다." 라고 그는 말합니다.
VerdeGo는 기존의 피스톤 및 터빈 항공기 엔진이 승인 된 것과 동일한 방식으로 독립형 추진 장치로서 Part 33에 따라 VH-3-185의 FAA 인증을 목표로하고 있습니다. 이를 통해 하이브리드 동력 장치는 유인 및 무인 항공기 시장에 적용 할 수 있습니다. 코어의 하이브리드 장치는 내부 연소 엔진, 모터 / 발전기, 전력 전자 장치 및 냉각 시스템을 포함하는 긴밀하게 통합 된 동력 장치입니다. 이 장치는 Safran 회사 SMA의 SR305 인증 디젤 항공기 엔진을 중심으로 제작되었습니다. 이것은 제트 연료 또는 바이오 연료 대안으로 실행됩니다.
3 세대 VH-3를 하이브리드 시스템의 "스위스 군용 칼"이라고 설명하면서 Bartsch는이 장치가 항공기 개발자가 원하는 것에 따라 직렬 또는 병렬 하이브리드 또는 다른 모드로 작동 할 수 있다고 말합니다. 그는“전기를 공급하거나 샤프트를 구동 할 수 있으며, 이는 추진 시스템의 하류, 고객 측에서 유연성을 제공합니다.”라고 그는 말합니다.
직렬형 하이브리드 아키텍처에서 디젤 엔진은 발전기를 구동하여 분산 추진 모터 어레이 또는 배터리 팩에 185kW의 전력을 제공합니다. 이 장치는 또한 엔진에서 185kW의 기계식 샤프트 동력으로 프로펠러 또는 로터를 구동하여 전기 시스템을 우회하거나 모터 / 발전기가 배터리로 작동하는 경우 185kW의 순수 전력으로 구동 할 수 있습니다.
또는 이 장치는 185kW 미만의 프로펠러 또는 로터를 구동하면서 디젤 엔진의 전력 균형을 배터리 팩 또는 분산 된 전기 프로펠러 어레이로 보낼 수 있습니다. 이 장치는 디젤 엔진의 출력과 배터리 구동 식 모터 / 발전기를 결합하여 370kW의 샤프트 출력을 제공하는 병렬 하이브리드 버스트 전력 모드에서도 실행할 수 있습니다.
VerdeGo는 인증이 필요하지 않은 실험용 항공기에서 Part 33 유형 인증에 이르기까지 4 가지 시장 경로를 매핑했습니다. 이 스타트 업은 18 개월에서 2 년 이내에 소량 배송을 시작하는 것을 목표로하고 있으며 이는 Part 33의 전체 승인을 받기 전이라고 Bartsch는 말합니다.
VerdeGo는 분산 로터 수직 이착륙 및 동력 리프트 단거리 이착륙과 같은 기계적 복잡성으로 인해 전기 추진 없이는 불가능한 새로운 항공기 구성에 초점을 맞추고 있습니다. 이 회사는 또한 소형 터빈 엔진이 이제 신뢰성을 위해 사용되지만 연료 연소가 많은 얇은 항공 운송에도 적용됩니다. VerdeGo의 최고 기술 책임자 인 Pat Anderson은“배터리와 발전기를 사용하면 연료 연소를 40 % 줄이면서 동일한 신뢰성을 얻을 수 있습니다.
Bartsch는“하이브리드는 전기 항공기에 접근하여 사용 가능하게 만드는 방법입니다. 하이브리드는 배터리로 20 년 동안 사용할 수없는 기능을 갖춘 전기 항공기의 설계를 가능하게하는 동시에 안전을위한 기존 Part 91 및 Part 135 에너지 예비 요건과의 호환성을 가능하게한다고 그는 말합니다.
Part 23 항공기 시장을 목표로하는 VerdeGo는 처음에는 터빈 기반 하이브리드 추진을 고려했지만 비용, 배기 가스 및 소음을 낮추기 위해 디젤 기반 아키텍처로 전환했습니다. Bartsch는“터빈 하이브리드는 이 항공기와 호환되지 않습니다.
배터리가 계속 개선되고 있지만 Bartsch는 하이브리드 추진에 대한 장기적인 필요성을 인식하고 있으며 하이브리드 자동차가 출시 된 지 20 년이 넘도록 여전히 판매되고 있습니다. “항공 우주 분야에서 우리는 배터리 기술과 필요한 것 사이의 격차 측면에서 1995 년으로 돌아 왔습니다. 우리는 하이브리드의 미래 20 년과 그 이후의 밝은 미래를 봅니다.”
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