1. 고고도 비행의 정의와 필요성
항공기에서 말하는 '고고도 비행'이란 일반적으로 30,000피트(약 9km) 이상의 고도를 지속해서 비행할 수 있는 능력을 말한다. 상업용 항공기들이 대부분 이 고도에서 비행하는 이유는, 기압이 낮아 항력(공기저항)이 줄고 연료 효율성이 높아지기 때문이다. 그러나 전기 항공기 기술은 아직 이러한 고도에서 안정적 운항에 제약이 많다.
전기 비행기가 고고도 비행을 가능하게 만든다면, 기존 내연기관 항공기처럼 장거리 운항이 가능해지고, 날씨 간섭이 적은 안정적인 항로 확보도 용이해진다. 특히 도심 간 연결, 군사 감시, 장거리 상용 노선 등 다양한 응용 분야에서 확장성이 많이 증가할 것이다.
2. 고고도 비행 시 전기 비행기가 직면하는 주요 기술적 도전
고고도 비행은 단순히 높은 곳을 날아야 한다는 것을 넘어, 여러 복합적인 기술 문제를 포함한다. 대표적인 도전 과제는 다음과 같다:
- 기압 저하와 온도 하강: 고도가 높아질수록 외부 온도는 영하 50도까지 떨어지며, 공기 밀도는 지상의 20~25% 수준으로 낮아진다. 이는 배터리 성능 저하와 기체 내 기압 유지에 큰 부담이 된다.
- 프로펠러 효율 감소: 전기 비행기의 추진체로 사용되는 프로펠러는 공기 밀도가 낮을수록 추진 효율이 떨어지며, 이는 추력 부족과 실속 위험을 초래할 수 있다.
- 배터리 출력 문제: 저온 환경은 배터리의 전압 강하와 출력 제한을 유발하며, 고고도에서의 급격한 방전 속도는 항속 거리 단축으로 이어진다.
- 비상 탈출 및 압력 제어: 기존 고도 운항 항공기처럼 기체 내부 압력 유지 시스템이 필수이며, 이는 전기 비행기의 무게 및 에너지 소모에 추가 부담을 준다.
3. 고고도 비행을 위한 기술적 해결 방안
이러한 도전 과제를 극복하기 위해 여러 기술적 솔루션이 제시되고 있다. 주요 접근법은 다음과 같다:
3.1 고고도 전용 배터리 시스템 개발
리튬이온 배터리는 영하 온도에서 성능이 급감하기 때문에, 고온유지 기술과 저온 환경에 강한 전고체 배터리 기술이 중요해지고 있다. 내부에 열관리 시스템을 구축하거나, 자동 온도 제어 배터리 모듈을 개발함으로써 성능 유지를 시도 중이다.
3.2 고고도 추진체 최적화
고공에서 효율적인 프로펠러는 고속 회전과 넓은 직경이 필요하다. 이에 따라 저밀도 공기 조건에 최적화된 날개 설계와 고효율 전기 모터가 병행 개발되고 있다. 또한 일부 기업은 프로펠러가 아닌 팬 제트(ducted fan) 형식의 전기 추진 시스템을 실험 중이다.
3.3 기체 단열과 압력 시스템
고도 상승에 따라 발생하는 극한 기온을 견디기 위해선 복합소재 기반의 단열 구조와 자동 압력 조절 장치가 필요하다. 이는 장기적으로 고고도 비행을 감내할 수 있는 설계의 핵심 요소가 된다.
3.4 태양광 하이브리드 기술
고고도에서는 태양광 활용 효율이 매우 높아지기 때문에, 일부 전기 항공기 개발사는 배터리 + 태양광 패널 하이브리드 기술을 접목하고 있다. 이는 고고도에서 에너지 자립을 가능하게 하며, 장기 체공이 필요한 정찰, 감시용 항공기에 특히 유리하다.
4. 고고도 비행 전기 비행기의 실현 사례와 전망
이미 고고도 전기 항공기의 초기 형태가 시범 운영되고 있다. 대표적인 예로는 에어버스의 Zephyr S가 있다. 이 항공기는 태양광 기반 전기 동력으로 70,000피트 고도에서 수 주간 체공할 수 있으며, 고고도 무인 정찰기 분야에서 그 가능성을 입증했다.
또한 NASA의 고고도 장기 체공 프로젝트, 한국항공우주연구원(KARI)의 태양광 드론 연구 등도 고도 비행 전기 항공기의 실용화를 겨냥하고 있다. 장기적으로는 무인 고고도 비행만 아니라 승객 탑승이 가능한 유인 고고도 전기 항공기 개발도 기술적 목표로 제시되고 있다.
5. 결론: 고고도 비행, 전기 항공기의 새로운 전환점
전기 항공기의 고고도 비행은 현재 기술로는 해결해야 할 장애물이 많지만, 그만큼 큰 가능성을 가진 혁신 영역이다. 전기 비행기의 배출가스 없는 비행, 에너지 효율 극대화, 소음 저감 효과 등이 고도화된 추진 기술과 결합한다면, 기존 내연기관 항공기를 대체할 수 있는 실질적인 경쟁력을 갖추게 될 것이다.
특히 환경 문제가 항공 산업 전반에 큰 압박을 가하는 지금, 고고도 전기 비행기의 실현은 지속 가능한 하늘을 위한 중요한 도약점이 될 것이다. 앞으로의 기술 개발은 단순한 운항 효율을 넘어서, 기후 대응, 공중 통신 인프라, 장거리 물류 등 복합적 가치를 창출하게 될 것이다.