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미래항공교통 비행 안전성 확보를 위한 준비
글 감항인증1팀 허진구 선임연구원
항공선진국(미국·유럽)은 미래항공교통(AAM) 상용화 및 비행 안전성 확보를 위한 인증체계를 구축하고 있으며, 민간에서 개발된 미래항공교통(AAM) 항공기를 군에 도입하기 위해서는 인증체계 구축을 위한 준비가 필요한 실정이다.
본 기고에서는 미래항공교통(AAM)에 대한 국내외 개발 동향과 항공기 인증 제도 및 국내 군 도입을 고려한 인증체계 구축방안을 제시해보고자 한다.
미래항공교통(AAM)이란?
‘AAM'이란 항공교통 시장에서 새롭게 부상하고 있는 용어이다. 미 항공우주국(NASA)은 AAM을 “항공 서비스가 부족하거나 항공 서비스를 받지 못하는 장소에서 사람과 화물을 이동하는 항공 운송 시스템”이라고 정의한다.
미래항공교통(AAM, Advanced Air Mobility)은 도심항공교통(UAM, Urban Air Mobility)과 지역 간 항공교통(RAM, Regional Air Mobility)으로 구분할 수 있다. 두 항공교통의 공통점은 출발지와 도착지 간의 거리가 짧은 단거리 항공 서비스 또는 이를 위한 기체라는 점에 있다.
AAM은 하늘을 나는 자동차(Flying Car) 개념으로 시작하였지만, 공해·소음 및 활주로 등의 공간 제약 등 한계가 발생하였다. 이를 극복하기 위한 대안으로 드론과 항공기를 결합한 개념인 전기식 수직이착륙(eVTOL) 형태의 기체가 대두하게 된다.
eVTOL의 비행 방식은 멀티콥터, 리프트+크루즈, 추력편향(Vectored Thrust)으로 구분할 수 있으며, 주로 추력편향(Vectored Thrust) 방식을 적용하고 있다.
전기식 수직이착륙 형태의 기체를 개발하려면 저소음·저탄소 배출을 고려한 전기추진 시스템, 고밀도 배터리, 경량·고강도 소재에 관한 기술을 요구한다. 또한, 자율 비행 제어시스템 적용을 위한 전자 하드웨어와 소프트웨어 개발이 필요하다.
AAM을 위한 핵심기술이 확보되면 비행안전성 확보(감항)도 필요하다. 이를 위해 항공기 설계가 인증기준을 충족하여 비행안전에 적합하다는 인증인 형식증명(군 : 형식인증)과 설계에 맞게 생산될 수 있는 기술, 설비, 인력 및 품질보증체계 등을 갖추고 있는지에 대한 확인인 제작증명(군 : 생산확인)을 수행하여야 한다.
국내외 AAM 항공기 개발 동향
미국 Joby Aviation社는 AAM 기체분야의 선도기업으로 S-4를 개발 중이며, 미 공군의 비행허가 획득(’20.12), 비행시연 영상 공개(’21.2) 및 미 연방항공청(FAA)으로부터 Part 135 항공운용사업증명을 획득(’22.05)하였다. S-4는 추력편향(Vectored Thrust) 중 틸트 로터/프롭 형태로 5인승급, 운항속도 322km/h, 항속거리 241km 등의 운항성능을 목표로 개발하고 있다.
그림 2. 미국 Joby社 S-4
미국 Beta Technologies社는 Lift-Cruise 형식의 eVTOL인 Alia-250을 개발 중이다. 미국 UPS사와 구매계약체결(’21.4), 미 공군의 비행허가 획득(’21.5) 및 ’24년 미 연방항공청(FAA) 형식증명 획득을 목표로 개발하고 있다.
그림 3. 미국 Beta Technologies社 Alia-250
독일 Volocopter社는 2인승 멀티콥터 형태의 Volocity를 개발 중이다. ’11년 초창기 모델인 VC1의 유인비행에 성공한 후 현재까지 1,500회 이상의 비행시험을 거쳤으며 ’24년까지 유럽항공안전청(EASA) 형식증명 획득을 목표로 개발하고 있다.
그림 4. 독일 Volocopter社 Volocity
독일 Lilium社는 7인승급의 고정익 eVTOL 추력 편향(Vectored Thrust) 중 틸티드-덕티드 프롭/팬 형태의 Lilim Jet를 개발 중이다. Lilium Jet는 운항속도 280km/h, 항속거리 250km 등의 운항성능을 목표로 유럽 EASA에 인증 신청(’18년), 인증기준 합의(’20년) 및 인증기준 검증방법 제출(’22.4월)하여 ’25년까지 유럽항공안전청(EASA) 형식증명 획득을 목표로 개발하고 있다.
그림 5. 독일 Lilium社 Lilium Jet
국내 기업들은 최근 AAM 분야로 사업 진출을 추진하고 있으나, 항공 선진국과 비교하면 국내 기술수준 및 개발시점 등이 약세하여 정부의 기술개발 지원이 필요한 상황이다. 국토부와 산업부는 ’19년부터 ’23년까지 1인승급 유무인 겸용 개인용항공기(OPPAV, Optional Piloted Personal Air Vehicle) 시제기 개발을 추진하여 전기동력기반 신개념 항공기 기초연구를 수행하고 있다.
현대자동차는 미국 법인 ‘Supernal’를 설립하고, 5인승급 틸트로터/프롭형 eVTOL인 S-A1을 개발하고 있다. ‘CES 2020’에서 S-A1을 선보였고, ’26년 화물용 수송기를 시작으로 ’28년 여객 운송용 비행체 상용화 계획을 발표하였다. 또한 ’22년 4월 영국 코번트리 AAM 이착륙장 ‘Air One’에서 시범 비행에 성공하였다.
그림 7. 현대자동차社 S-A1
한화시스템은 Karem Aircaft(美)와 공동 설립한 OverAir社(美)를 통해 eVTOL 항공기를 개발 중으로 ’25년까지 미 연방항공청(FAA)의 형식증명을 획득하고, ’26년 상용화를 계획하고 있다. Overair社는 Uber Elevate 협력사인 Karem Aircraft 자회사로 현재 eVTOL 모델인 Butterfly(5인승)를 개발 중이며, ’23년 시제기 제작, ’25년 미 연방항공청 형식증명 획득, ’26년 상용화를 계획하고 있다.
그림 8. 한화시스템社 Butterfly
국외 AAM 항공기 인증 제도
미 연방항공청(FAA)은 AAM 형상(eVTOL)을 고려해 FAR Part 21.17(b)에 따라 소형 고정익기(FAR Part 231)) 또는 소형 회전익기(FAR Part 272)) 인증기준을 준용하고, 특수 기술기준을 추가하는 방식을 적용한다.
배터리･전기시스템 등 신기술은 특수 기술기준을 마련하여 AAM 항공기에 적합한 인증기준을 수립하여야 하며, 인증기준을 충족하기 위한 적합성 입증방법(Means of Compliance, MOC)은 현 산업규격(ASTM F44)을 활용하도록 한다.
’22.11월에는 Joby社 S-4에 대한 인증기준 초안을 공개하였으며, 산업계 의견을 수렴하여 인증기준을 확정할 예정이다. 공개된 인증기준은 소형 고정익기 인증기준(FAR Part 23)을 기반으로 소형 회전익기 인증기준(FAR Part 27), 전기 엔진 특성을 추가한 엔진 프로펠러 기준(FAR Part 33/35) 및 추가 요구사항(비행 중 형상/양력원 변경, 전자식 비행제어, 배터리 화재보호 등)이 반영되었다.
미 공군은 민간 AAM 항공기를 신속 도입하기 위해 ’20년 5월 Agility Prime 사업을 착수하여 현재까지 1억 달러 이상의 예산을 투입하였으며, 미 공군 자체 감항인증 절차를 기반으로 군 감항인증 기준인 MIL-HDBK-516C를 적용하여 4개 업체(Joby Aviation, Beta Technology, Lift Aircraft, Kitty Hawk) 항공기에 대한 비행허가서를 발급하였다. ’23년 5월에는 Joby社와 S-4 기체 9대를 납품하는 131백만달러 규모의 계약을 체결하였으며, ’24년 초에 S-4 기체 2대를 우선 에드워드 공군 기지에 납품할 예정이다.
유럽 항공안전청(EASA)은 신기술을 적용한 AAM에 대하여 기존 인증체계를 기반으로 한 인증기준을 마련하여 인증을 추진하고 있다. ’19년 6월에 AAM 비행체를 ‘VTOL’로 정의하고 임시 비행체 인증기준(SC-VTOL-01)을 제정하였다. ’20년 5월에는 임시 비행체 인증기준(SC-VTOL-01)을 입증하기 위한 적합성 검증방법(MOC-SC-VTOL)을 마련하여 한차례 개정(’21.6월)하였으며, 현재는 추가적인 의견을 수렴하고 있다. 전기/하이브리드 추진시스템에 대한 인증기준은 임시기준 SC-E-19으로 제정(’20.1월)하였다. 임시 비행체 인증기준은 시범 적용 후 공식적인 기술기준(CS-VTOL)으로 ’24년 1분기까지 수립하는 것을 목표로 하고 있다.
국내 군 AAM 항공기 인증체계 구축 방안
군 감항인증 제도는 2009년 제정된 “군용항공기 비행안전성 인증에 대한 법률(약칭 군용기인증법)”에 따라 군용항공기 안전성을 확보하고, 수출 지원 및 항공산업 발전을 위한 목적으로 수립되었다. 군용기인증법 제정 이후 ’22년까지 사단정찰용 무인기를 포함하여 100개 사업을 완료하였으며, ’23년 7월 기준으로 한국형전투기(KF-21)를 포함하여 46개 사업이 진행 중이다.
AAM 항공기의 비행 안전성 확보를 위해 설계·제작·운용 측면에서 점검해야 하는 필수적인 인증기준은 민·군이 유사하다고 볼 수 있으나, 군용의 경우 군 작전운용성능(ROC) 및 운용환경을 고려하여 무장장착, 내탄기능, 피아식별, 통신과 같은 군 특수성에 고려한 인증기준 수립이 필요하다.
방위사업청에서 고시하여 군에서 활용 중인 표준감항인증기준 Part 1은 전기추진, 수직이착륙 관련 구조해석/비행기술, 자율비행 소프트웨어 등에 대한 기준이 구체적이지 않아 eVTOL 형태의 AAM에 그대로 적용하는 것이 제한된다.
AAM에 대한 군 소요 발생 이전에 선제적으로 인증체계가 구축되어야 신속한 전력화가 가능하며, 군용 AAM 항공기 인증에 대한 기술적 자립화를 이루기 위해서는 군용 AAM 항공기 인증체계 구축이 필요한 상황이다. 이러한 군용 AAM 항공기 인증체계 구축을 위해서는 제도 선진화, 인증기준 개발, 생산확인 방안 개선 및 민·군 협력이 필요하다.
첫째, 제도 선진화를 위해서는 군 감항인증 상호인정을 체결한 국가(미국, 스페인, 호주, 프랑스)로부터 입수한 법령과 규정을 바탕으로 해당 국가의 인증 제도 분석이 필요하다. 또한, 미 연방항공청(FAA) 및 유럽 항공안전청(EASA)와 같은 민간 제도를 분석하여 군용항공기 비행안전성 인증에 관한 법률·시행령·시행규칙 및 업무규정에 반영하여야 하는 제도의 개선 방안이 도출되어야 한다.
| 국가 | 체결년도 |
|---|---|
| 미국 | 2016년 |
| 스페인 | 2019년 |
| 호주 | 2022년 |
| 프랑스 | 2022년 |
| NATO, 인도네시아, 콜롬비아 | 진행 중 |
표 1. 군용 감항인증 상호인정 체결 국가
둘째, 인증기준 개발을 위해서는 군에서 사용하고 있는 표준감항인증기준(Part 1, 2, 3), 기타감항인증기준(예시:미 연방항공청 FAR Part 23/29), 기종별 감항인증기준 및 미 연방항공청에서 공개한 Joby社 인증기준을 분석하여야 한다. 또한, 미국 및 유럽의 민간 AAM 인증 제도와 비교하여 민·군이 공통적으로 사용 가능한 기존/표준을 검토하여 군 AAM 인증을 위한 기반 기준을 선정하고 사업 특성에 맞게 기준 수정 및 추가가 필요하다.
셋째, 생산확인은 승인된 설계에 맞게 항공기를 생산 및 양산할 수 있는 기술, 설비, 인력, 품질보증체계 및 주요안전품목 관리체계를 갖추었는지 확인하는 업무로 국방기술품질원이 생산확인 평가 전문기관의 임무를 수행하고 있다.
과거 군용항공기 사업에 관한 생산확인 사례를 조사한 결과 하나의 업체가 매 사업이 수주될 때마다 생산확인을 수행하는 것으로 파악되었으며, 생산확인 평가 기준도 품질시스템 요구사항과 중복되는 것으로 나타났다. 이에 따라 효율적인 생산확인을 위한 평가 방법 연구가 필요하며, MIL-STD-8823) 기법을 준용하여 사업 유형(연구개발, 개조, 부품·구성품 장착 등)과 기술적 위험성(신규 제작업체, 생산확인 실적 보유업체 등)에 따라 위험도를 저-중-고로 분류하고 위험도 수준에 따라 생산확인 범위를 지정하는 방법도 고려할 수 있다.
넷째, 민·군 협력 방안을 고민하여야 한다. 효율적인 인증을 위해 민·군이 통합된 인증기준을 적용하거나 군 형식인증서 또는 감항인증서를 민간에서 인정하는 방안이 있을 수 있다. 또한, AAM 시험 및 인증 시설/인프라를 민군이 공동으로 활용하는 방안을 고려할 수 있다. 군 및 민간에서 축적된 경험과 기술을 바탕으로 인증 교육과정을 고도화하고 교육 매뉴얼을 제정하여 교육 표준화를 추진하여야 한다. 또한, 정기적인 민·군 기술 교류회를 추진하여 신기술에 대한 연구성과 및 제도/정책 공유도 필요하다.
미국, 유럽은 민간 감항 당국을 중심으로 AAM에 대한 인증 제도를 수립하고 있다. 특히 미 공군은 민간의 AAM을 신속하게 도입하기 위하여 Agility Prime 사업을 추진하고 있으며, 내년 초에 AAM 기체를 획득할 계획이다.
우리나라도 100개 이상의 군 인증 경험과 산업 정책 등을 바탕으로 AAM의 군 도입을 위한 인증 제도/정책 및 기술기준을 선제적으로 개발하여 수립하여야 한다. 민군협력을 통한 감항인증 상호인정, 시설/인프라 활용, 교육체계 고도화 등을 통해 효율적인 제도 구축이 가능할 것으로 판단된다.
군용 AAM 인증체계 개발로 항공기의 안전성은 물론 항공부품 국산화 증대 및 항공산업의 세계 시장 경쟁력 확보도 기대된다.
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- 1) FAR Part 23 : 최대이륙중량 19,000lbs(약 8,600kg), 최대 탑승객 수 19명 이하인 소형 고정익 항공기에 대한 인증기준
- 2) FAR Part 27 : 최대이륙중량 7,000lbs(약 3,200kg), 최대 탑승객 수 9명 이하인 소형 회전익 항공기에 대한 인증기준
- 3) MIL-STD-882 : Department of Defense Standard Practice System Safety