*PAV(Personal Air Vehicle): 개인 항공기. 개인의 필요에 따라 언제 어디서나 비행할 수 있는 수요 대응형 항공 모빌리티(On Demand Air Mobility)
*eVTOL(electric Vertical Take-Off & Landing): 전기 동력 수직 이착륙기. 전기 동력(배터리·하이브리드·수소연료전지 등)을 사용해 활주로가 불필요한 수직 이착륙 항공기
*UAM(Urban Air Mobility): 도심 항공 모빌리티. 도심에서 승객과 화물을 수송하려는 항공 교통 산업 전반을 통칭
[한경비즈니스=이현주 기자] ‘지상에서 공중으로.’ 모빌리티(이동 수단) 혁명이 일어나고 있다. 20세기 자동차가 삶의 질을 높였다면 21세기는 개인 항공기(PAV)의 시대가 될 것으로 전망된다. 영화 ‘제5원소’, ‘백투더퓨처’ 등에 등장한 ‘에어 택시’가 점차 현실로 다가오면서다. 본격화되면 교통수단의 파괴적 변화가 예상된다. 1900년대 초 뉴욕 맨해튼 중심지는 불과 10년 만에 마차에서 자동차로 이동 수단이 모두 대체됐다. 지금으로부터 10년 사이 도심의 하늘길이 열리기 시작한다.
세계 가전 전시회(CES) 2020에서는 다양한 PAV가 등장해 크게 주목받았다. 정의선 현대자동차그룹 총괄수석부회장은 개인용 항공체 ‘S-A1’과 함께 도심 항공 모빌리티(UAM)의 개념을 통해 미래 모빌리티 솔루션을 제안했다. 이를 위해 세계 최대 차량 공유 서비스 기업인 우버와 손잡았다. 최근 항공기 제조업체들뿐만 아니라 글로벌 완성차 업체들이 이 시장에 본격적으로 뛰어들고 있다. PAV는 2017년 중반까지 수요 대응형 모빌리티(ODM) 시장을 중심으로 논의되다가 현재 UAM에 집중되는 추세다. 기체 개발뿐만 아니라 법령·인증·운항 체계 등이 과제로 꼽힌다.
PAV 개발 열풍, 왜?
하늘을 나는 자동차는 인류의 오랜 꿈이었다. 라이트 형제가 비행기를 만든 직후부터 플라잉카 개발이 시작됐다. 100여 년간 자동차와 항공기를 결합한 형태의 PAV 연구가 진행됐지만 안전성과 경제성에서 낙제점을 받으면서 상용화되지는 않았다. 내연기관 엔진을 사용해 공해와 소음을 발생시키고 별도의 활주로를 필요로 하면서 한계를 보였다. 그런데 2000년대 이후 급물살을 타기 시작했다. 특히 드론 기술이 발전하고 UAM에 사용할 수 있는 전기 동력 수직 이착륙(eVTOL)이 개발되면서 상용화 가능성이 열렸다.
최근 PAV는 eVTOL PAV로 수렴되고 있다. 전기로 추진되는 수직 이착륙 비행체인데 미래형 모빌리티로 각광받고 있다. 내연기관 대신 모터를 통해 전기 동력을 얻어 소음이 적고 오염 물질을 배출하지 않는 점, 활주로 없이 위아래로 뜨고 내린다는 장점이 있다. 아직 시장에 지배적인 제품은 등장하지 않았다. 그만큼 시장 선점을 위한 각축전이 치열하게 벌어지고 있다.
2016년 1월 CES에서 중국의 드론 업체 이항은 1인용 드론 택시 ‘이항 184’를 선보였다. 같은 해 10월 우버는 ‘우버 엘리베이트’ 프로젝트를 통해 PAV 개발과 상용화에 관한 장기 계획을 발표했다. 이후 에어버스·보잉·아우디·다임러·도요타·현대차 등 글로벌 대기업이 본격적으로 이 사업에 뛰어들었다. 여기에 스타트업(릴리움·볼로콥터·이항 등) 진영이 가세하면서 전 세계적으로 PAV 개발 열풍이 불고 있다. 2017년 PAV 개발 회사는 20개 수준에 그쳤지만 2018년 2월 50개로 늘어났고 올해 5월 기준 260개를 넘어섰다. UAM 생태계에서 게임 체인저가 되기 위한 글로벌 업체들의 주도권 싸움이 펼쳐진다.
글로벌 기업들은 왜 PAV 개발에 빠졌을까. 배경에는 스마트 시티와 모빌리티 솔루션이라는 시장이 있다. 지금 전 세계는 빠르게 도시화가 진행 중이다. 유엔에 따르면 2050년까지 도시에 거주하는 인구는 25억 명이 추가로 늘어난다. 역사상 처음으로 전 세계 인구의 54%가 도시에 살면서 도시 전역의 서비스와 자원의 부담이 늘어나고 있다. 특히 도심 지역의 지상 교통망은 이미 포화 상태다.
UAM은 이와 같이 급격한 도시화로 발생하는 교통 문제를 해결하려는 대안이다. 기존 모빌리티인 자동차와 지하철 중심의 교통 체계를 eVTOL PAV로 연결해 교통 체증과 환경 오염을 줄이겠다는 구상이다. 올해 CES에서 현대차와 도요타는 공통적으로 지상의 혼잡한 교통 정체로부터의 ‘해방’과 비행의 ‘민주화’를 지향했다. 미래의 인간 중심 스마트 시티에 의미 있는 모빌리티 해법이 UAM이라고 봤다. 도요타는 ‘우븐 시티’로 대표되는 스마트 시티 구상을 밝혔고 현대차는 UAM을 필두로 허브(Hub : 모빌리티 환승 거점), 목적 기반 모빌리티(PBV)를 통합한 모빌리티 솔루션을 제공했다. 장문수 현대차증권 애널리스트는 “특히 완성차 업체로서는 과거처럼 단순히 제품을 제조해 판매하는 상품의 형태가 아니라 확장성 있는 모빌리티 서비스로 개념을 키운 것”이라며 “완성차 업체의 달라진 역할론을 보여주고 있다”고 말했다.
UAM은 도시 내 항공 승객, 화물 운송을 위한 안전하고 효율적인 시스템으로 광범위하게 정의할 수 있다. 미국 항공우주국(NASA)은 UAM을 소도시 내 항공 승객과 화물 운송을 위한 안전하고 효율적인 시스템이라고 평가한다. 이 시스템은 조종, 원격 조종, 점진적 자율주행으로 운영할 수 있도록 지원하고 있다. NASA는 PAV 논의를 ODM을 거쳐 UAM으로 집중해 왔다. 대형 항공기와 달리 PAV는 언제 어디서나 비행할 수 있어야 한다. 하지만 아직 개인이 소유하고 운용할 수 있을 정도로 완벽한 자율비행이나 조종 용이성이 확보되지는 않았다. 이에 따라 ‘에어 택시’와 같이 정해진 스케줄이 아니라 개인의 필요에 따라 비행할 수 있는 수요 기반형 이동 수단으로 ODM이 부상했다면 ODM을 구현하기에 가장 적합한 곳이 ‘도심’이라는 결론에 이른 것이다. 미국 투자은행 모건스탠리에 따르면 UAM 시장은 2040년까지 1조5000억 달러(약 1800조원)의 가치를 창출할 수 있을 것으로 전망된다. 포셔컨설팅 등 주요 보고서를 종합하면 향후 10년 내 상용화된 후 2035년께 UAM 관련 수요가 폭발할 것으로 보인다.
도시 한가운데를 PAV가 날아다닌다고 가정할 때 예상되는 문제점이 있다. 바로 소음과 공해다. 최근 UAM이 각광받는 또 다른 배경에는 기술의 진보가 있다. 기존에도 도심에서 소형의 인원이 탈 수 있는 VTOL이 있었다. 바로 헬리콥터다. 그런데 헬리콥터는 비행기에 비해 속도가 느릴 뿐만 아니라 결정적으로 소음이 심하고 배기가스가 배출된다. 도심에서 선호되지 않는 이유다. 그런데 최근 배터리 성능이 향상되면서 전기로 모터를 돌려 여러 개의 작은 프로펠러나 로터(회전 날개)를 구동할 수 있게 됐다. 황호연 세종대 교수는 “소음을 65dB 이하로 낮춰 기존 헬리콥터의 4분의 1 수준으로 줄였다”고 말했다.
특히 여러 개의 모터를 돌려 추진력을 얻는 분산 전기 추진(DEP) 기술이 도심 내 비행을 가능하게 했다. 한두 개 모터가 고장 나도 문제가 발생하지 않도록 안전성을 확보한 것이다. 또한 자율 비행 기술 발전이 PAV에 적용되면서 획기적인 전기를 마련했다. 항공 사고의 가장 큰 원인은 조종사의 실수에 따른 제어력 상실이다. 물론 아직까지는 조종사를 필요로 하거나 원격 조종하는 모델이 더 활발히 개발되지만 자율비행 기술을 통해 사고를 미연에 방지할 수 있는 길이 열렸다.
대부분의 PAV는 리튬 이온 배터리를 동력원으로 갖는다. 가솔린·디젤 등 화석연료는 배기가스를 배출하고 무게 때문에 비행을 어렵게 한다면 리튬 이온 배터리는 가볍고 성능도 우수하다. 현재의 배터리 성능으로는 공중에서 약 30분의 비행이 가능한 것으로 나타난다. 서울에서 제주도까지의 비행은 무리지만 도심 내에서는 어디든 이동할 수 있다. 국토교통부에 따르면 현재 73분 정도 걸리는 서울 김포공항에서 잠실까지 약 27km 거리를 12분 만에 이동하게 된다. 인천공항에서 과천까지는 17분이 소요된다. 지상에서는 길이 구불구불 연결돼 있지만 하늘에선 직선으로 질주한다. 서울 시청을 중심으로 서울 시내와 외곽까지 이동할 수 있을 것으로 보인다. 여기에 PAV 유형에 따라 현재 개발 중인 틸트로터형과 복합형은 30분에 약 140km까지 주행할 수 있는 것으로 알려졌다. 서울에서 인천 27km, 서울에서 평택 62km, 서울에서 대전이 137km인 점을 고려하면 도시와 도시 간 이동도 가능해진다. 통행 시간 단축에 따른 이점은 수도권 기준으로 연간 2700억원에 달할 것으로 분석된다.
배터리의 효율은 eVTOL의 운행 거리를 결정짓는다. 효과적인 배터리 셀로 배터리 팩이 중요한 요소로 떠오른다. 이에 따라 현재 배터리 셀 한 개가 고장 나더라도 다른 배터리 셀에 영향을 끼치지 않도록 하는 연구가 활발히 진행 중이다. 피피스트렐의 알파 일렉트로 항공기는 배터리 팩 무게를 30% 미만으로 줄이는 데 성공했다. 미국 에너지부(DOE)의 ‘배터리 500 프로젝트’는 향후 5년 동안 kg당 500Hw의 배터리를 350kW의 대용량 충전기와 함께 개발하고 있다. 향후에는 전고체 배터리를 장착한 PAV와 수소연료전지를 쓰는 PAV가 나올 것으로 기대된다.
달라지는 도시 인프라, 남은 과제는?
UAM은 2차원에서 3차원 교통 시스템으로의 획기적인 변화다. UAM은 교통망의 최적 경로화로 평균 이동 시간을 단축하고 일반적인 교통수단과 달리 ‘도어 투 도어(door to door)’의 이동성을 궁극적으로 추구한다. 장기적으로는 영화 ‘제5원소’에서처럼 에어 택시가 공중에서 2~3m 간격으로 떠다니는 모습도 실현될 것으로 전망된다. 다만 단기적인 비전은 영화 속 모습과는 다소 차이가 있을 것으로 보인다. ‘지상과 공중의 온디맨드 모빌리티 서비스의 연계’를 통해 대중교통 서비스의 변혁을 꾀할 것으로 예상된다.
UAM은 이제 ‘기체 개발’에서 ‘인프라와 서비스’, ‘운항과 교통 관리’로 이슈가 옮겨가고 있다. 항공업계 관계자들은 사실상 UAM과 관련된 기술들은 이미 현실화가 가능한 상태로 봐도 무방하다고 말한다. 이제 남은 과제는 안전한 운항을 위한 규정과 체계 수립 그리고 관련 인프라와 서비스 구축을 위한 논의로 보인다. UAM 사업 관점으로도 항공기 제작뿐만 아니라 서비스 제공, 운용 플랫폼 등은 시장 선점을 위해 유효한 전략이다.
UAM의 성공을 위한 중요한 요소는 eVTOL의 이륙·착륙·충전 등이 가능하고 승객을 대기시키는 서비스 기반 시설이다. 즉, PAV가 도심 내에서 뜨고 내리기 위해서는 새로운 터미널이 필요하다. 새로운 터미널과 기존 교통 체계를 잇는 연계 교통도 중요하다. 인프라는 도심 내에 구축될 이착륙장인 버티포트(vertiport)와 버티스톱(vertistop), 충전 시설과 지원 시설 등으로 구분된다. 버티스톱이 단순히 이착륙만 가능한 시설이라면 버티포트는 충전과 지원 시설까지 마련된 이착륙장이다. 우버가 공개한 ‘스카이포트’ 콘셉트 디자인에는 미국 최대의 건축 설계 기업을 비롯해 8개 기업이 참여했다. 수직으로 솟은 구조물로 주변 도시 풍경에 적응할 수 있도록 수직 또는 수평으로 결합하고 시간당 1800명의 승객을 수용하는 안 등이 나온다. 볼로콥터는 ‘볼로포트’ 콘셉트를 공개했고 현대차는 허브의 개념으로 이착륙장을 설명하고 있다.
이 새로운 인프라를 ‘어디에’ ‘얼마나’ 구축할지에 따라 도시의 교통 체계가 달라진다. 아직 전 세계적으로도 정해진 기준은 없다. 다만 참고할 만한 다양한 아이디어가 나오고 있다. 그중 주목할 만한 연구는 NASA가 제안한 ‘고속도로 IC 입체 교차로’다. 미국에는 약 5660개의 헬리패드(빌딩 위 헬기 이착륙장)가 있다. 이를 활용한다면 매우 효율적일 수 있지만 이들 대부분이 공공 재산이 아닌 개인 소유에 해당한다. 이 문제의 해법으로 NASA는 도시 고속도로의 네 잎 클로버 모양의 입체 교차로의 활용을 제안했다. 입체 교차로의 잎 부분에 해당하는 곳을 항공기가 이착륙하는 비행장으로 활용하는 것이다. 위쪽은 비행장으로 활용하고 아래쪽은 승객들이 대기하거나 다른 교통수단을 이용할 수 있는 공간으로 이용할 수 있다. 이 경우 기존의 인프라를 재사용한다는 점에서 새로운 터미널 구축에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있다.
국내에서도 관련 연구가 활발하다. 황호연 교수는 “도심 한가운데 새로운 인프라를 구축할 때 공간이 부족하고 비용이 많이 든다면 PAV는 기존 인프라를 활용할 수 있다는 게 장점”이라며 “입체 교차로는 국내에 적용하기에도 용이한 모델이고 그 밖에 건물 옥상과 빈 공터 주차장, 한강 둔치 등을 활용할 수 있다”고 말했다.
현대차가 밝힌 미래 모빌리티 구상도에서 허브는 한강 옆에 자리하고 있다. 이재우 건국대 교수는 “서울은 UAM으로 매력적인 도심이나 강북과 강남 모두 공역 문제로 풀어야 할 과제가 남아 있어 한강변을 따라 새로운 인프라가 조성될 수 있을 것으로 본다”고 말했다. 현재 서울시를 비롯해 인천·충북·전북·경남 등 지자체에서도 UAM 구축에 본격적으로 뛰어들면서 지자체 간 경쟁이 벌어지고 있는 상황이다.
UAM에서 의외의 변수는 자율주행차가 될 것으로 보인다. 길이 막히더라도 자율주행차의 편의성이 커진다면 PAV를 찾을 유인이 떨어지게 된다. 만약 지상 교통의 30%가 하늘로 이동한다면 지상의 교통난이 다소 해소되면서 굳이 하늘을 날지 않아도 될 수 있다. 이 때문에 UAM 시장이 커지더라도 한계가 있을 수 있다는 의견이 나온다. 이에 따라 소비자의 니즈에 발맞춘 새로운 서비스 개발이 향후 UAM의 관전 포인트가 될 것으로 보인다.
eVTOL PAV는 이륙 후 추진 방식에 따라 멀티콥터형, 틸트 날개형, 틸트 로터형, 틸트 덕티드팬형, 복합형 등으로 구분된다.
1. 멀티콥터형
멀티콥터형은 동체에 수직으로 부착된 2개 이상의 프로펠러를 이용해 이착륙과 추진하는 날개가 없는(winglless) 형태다. 비행 속도가 느려 장거리 비행보다 도심 내 단거리 이동에 적합하다. 대표적인 멀티콥터형 항공기는 볼로콥터의 ‘볼로콥터’, 이항의 ‘이항 184’, 에어버스의 ‘시티 에어버스’ 등이 있다.
이착륙 시 날개는 수직 방향이나 전진 비행 시 날개의 방향을 바꿔 비행하는 벡터 추진 방식이다. 분산 전기 추진을 사용해 다수의 프로펠러를 주로 사용한다. 대표적인 틸트 날개형 항공기로는 에어버스의 ‘바하나’가 있다. 한국항공우주연구원에서 개발 중인 유·무인 겸용 자율비행 개인용 항공기(OPPAV)도 틸트 날개형으로 분류할 수 있다.
틸트 날개형과 달리 날개는 회전시키지 않고 추진 기관인 로터나 덕티드팬만을 회전시키는 방식이다. 대표적인 틸트 로터형으로는 조비항공의 ‘조비 S4’가 있고 틸트 덕트팬형은 벨의 ‘넥서스’가 있다.
이륙 후 순항(Lift+cruise) 형태로도 불린다. 이륙 시에는 지면과 수직 방향의 로터를 작동하고 순항 고도에 이르면 전진 비행 방향의 프로펠러를 작동해 비행한다. 전진 비행 시 비행 속도가 빠르고 효율이 좋아 장거리 비행에 적합한 형태다. 보잉의 ‘오로라’, 키티호크의 ‘코라’ 등이 여기에 해당한다.
[우버 이어 도요타, 현대차까지 모빌리티의 미래 PAV 커버스토리 기사 인덱스]
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[본 기사는 한경비즈니스 제 1279호(2020.05.30 ~ 2020.06.05) 기사입니다.]
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