eVTOL을 탄소섬유(CFRP)로 만들면 호버링 전력은 얼마나 줄까?

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탄소섬유 복합재(CFRP)로 구조를 만든 eVTOL(전기 수직이착륙기)은 알루미늄 구조일 때보다 호버링(제자리 비행) 전력을 약 11% 덜 씁니다. 미국 항공우주국(NASA)의 6인승 전기 쿼드로터 설계값에 복합재 부품이 25% 가볍다는 가정을 넣은 결과이고, 가정을 바꾸면 9~16% 사이를 오갑니다.

밀도로는 40%, 실제 부품으로는 20~30%

탄소섬유 복합재는 머리카락보다 가는 탄소 섬유를 에폭시 같은 수지로 굳힌 재료입니다. 섬유가 힘을 받고, 수지는 섬유를 제자리에 붙잡아 모양을 지킵니다. 항공용 탄소섬유 복합재 판재의 밀도는 1.57~1.58 g/cm³이고(헥셀 제품 자료, 2023), 알루미늄은 2.70 g/cm³입니다(미국 국립표준기술연구소 표). 같은 부피라면 복합재가 40%쯤 가볍습니다.

부품을 실제로 바꿔 보면 절감 폭은 그보다 작아집니다. 복합재는 섬유가 놓인 방향으로는 매우 세지만 직각 방향으로는 약합니다. 힘이 여러 방향에서 들어오는 부품은 섬유를 여러 방향으로 겹쳐 쌓아야 하고, 그만큼 한 방향의 강도를 다 쓰지 못합니다.

흰 방진복에 파란 장갑을 낀 작업자 두 명이 공장 안의 커다란 반원통형 금속 틀 안쪽에 검은 탄소섬유 직물을 펴 붙이는 모습. 이해를 돕기 위해 만든 이미지

보잉이 NASA 과제로 낸 보고서는 주로 군용기에서 탄소섬유 복합재 1차 구조가 비슷하게 설계한 금속 구조보다 20~30% 가벼웠고, 그 대신 비용을 크게 치렀다고 적었습니다. 같은 보고서에서 220인승 여객기용 날개 상자(날개 속 뼈대)를 같은 설계의 알루미늄 상자와 비교한 계산은 29.6~32.4% 가볍다는 결과를 냈습니다(NASA 위탁 보고서, 2001).

충격에 대비한 여유도 절감 폭을 깎습니다. 록히드가 1988년 보고서에 실은 시험에서 복합재 날개 윗면 패널은 알루미늄보다 35% 가벼웠지만, 충격 손상을 견디려면 허용 변형을 낮게 잡아야 해서 그 이상 줄이기는 어렵다고 보고했습니다(NASA 위탁 보고서, 1988).

NASA 6인승 쿼드로터의 무게표

NASA 에임스·랭글리 연구진이 2018년에 낸 도심항공교통 참조 기체 연구에는 배터리로만 나는 6인승 쿼드로터의 무게표가 들어 있습니다. 연구진은 기존 항공기와 겹치는 부품에 고성능 복합재 항공기 수준의 기술을 가정했습니다(NASA, 2018). 그래서 계산은 거꾸로 합니다. 구조를 알루미늄으로 되돌렸을 때 늘어나는 호버링 전력이 복합재 덕분에 아낀 몫입니다. 표의 파운드 값은 킬로그램으로 바꿔 다시 셌습니다.

항목값성격
설계 총중량2,939 kg (6,480 lb)NASA 설계값
그중 구조744 kg (총중량의 25.3%)NASA 설계값
그중 배터리와 팩 구조924 kg (31.5%)NASA 설계값
호버링 전력약 345 kW표의 '무게 ÷ 호버링 전력 14.0 lb/hp'로 환산
복합재의 부품 무게 절감25%보잉 보고서 20~30%의 가운데 값
로터 크기·탑재량·배터리그대로계산을 단순하게 하려고 고정

로터 크기가 같다면 호버링 전력은 무게의 1.5제곱에 비례합니다. 무게가 10% 늘면 전력은 약 15% 늡니다. 로터가 그 전력을 어디에 쓰는지는 eVTOL은 어떻게 뜰까에서 따로 풀었습니다.

구조를 알루미늄으로 되돌리면

알루미늄 구조 = 744 kg ÷ (1 − 0.25) ≈ 992 kg (248 kg 증가)

알루미늄 기체 총중량 = 2,939 kg + 248 kg = 3,187 kg (8.4% 증가)

호버링 전력 = 345 kW × (3,187 ÷ 2,939)의 1.5제곱 ≈ 390 kW

복합재 기체는 이보다 약 45 kW, 비율로 11.4% 적은 전력으로 떠 있습니다. 구조 무게 248 kg이 총중량에서는 8%대 차이인데, 호버링에서는 그 1.5제곱이 걸려 11%대로 커집니다.

가정을 바꾸면 11%가 어디까지 움직일까

바꾼 조건알루미늄으로 되돌린 총중량복합재가 아끼는 호버링 전력
기본(쿼드로터, 절감 25%)3,187 kg (+8.4%)11.4% (약 45 kW)
복합재 절감 20%3,125 kg (+6.3%)8.8% (약 33 kW)
복합재 절감 30%3,258 kg (+10.9%)14.3% (약 58 kW)
구조 비중 31.4%인 리프트+크루즈(총중량 3,724 kg)4,113 kg (+10.5%)13.9%
배터리도 총중량에 비례해 다시 맞춘다면3,301 kg (+12.3%)16.0% (약 66 kW)
같은 속도로 순항할 때(전력이 무게에 비례)3,187 kg (+8.4%)7.8%

가장 크게 흔드는 변수는 배터리입니다. 같은 거리를 날려면 무거운 기체일수록 배터리를 더 실어야 하고, 그 배터리가 다시 무게를 늘립니다. NASA 연구진도 이런 기체에서는 작은 무게 변화가 훨씬 큰 기체로 빠르게 번진다고 적었고, 같은 임무를 배터리로 하도록 설계한 쿼드로터는 터보샤프트 엔진판보다 73% 무거웠습니다(NASA, 2018). 다섯째 줄은 배터리와 팩 구조 무게가 총중량에 비례한다고만 놓은 어림값이라, 모터와 로터까지 다시 키우는 실제 재설계라면 차이가 더 벌어질 수 있습니다.

날개와 로터 지지대가 더 붙는 리프트+크루즈 기체는 구조 비중이 31.4%로 쿼드로터보다 6%포인트쯤 높습니다. 같은 25% 절감이라도 아끼는 전력이 13.9%로 늘어나는 까닭입니다. 기체 방식에 따라 무엇이 더 달리는지는 틸트로터·리프트+크루즈·멀티콥터 비교에 정리했습니다.

가벼워진 만큼 치르는 값

미국 연방항공청(FAA)의 정비사 핸드북은 탄소섬유의 장점으로 높은 강도와 부식에 강한 점을 꼽고, 단점으로 세 가지를 듭니다. 알루미늄보다 전기가 덜 통해 낙뢰를 맞을 만한 부품에는 금속 망이나 도전성 코팅을 따로 입혀야 하고, 값이 비싸며, 금속 볼트와 맞닿으면 갈바닉 부식(서로 다른 재료가 닿아 생기는 전기화학적 부식)을 일으키기 쉽습니다(FAA, 2023). 금속 망과 코팅도 무게라서, 부품 단위로 절감률을 따질 때 함께 셈해야 합니다.

검사도 금속과 다릅니다. 같은 핸드북은 눈으로 보는 검사로는 층이 벌어지는 박리나 접착이 떨어진 곳 같은 내부 결함을 찾을 수 없어, 동전 같은 도구로 두드려 소리를 듣는 타진 검사나 초음파 검사가 필요하다고 적었습니다(FAA, 2023). 하루에 여러 번 뜨는 기체라면 이 검사를 할 사람과 시간이 운항 계획에 들어가야 합니다. 정비사를 길러 내는 데 걸리는 시간은 eVTOL 정비 인력 계산에서 따로 셌습니다.

만드는 속도도 숙제입니다. NASA 랭글리 연구센터는 수지를 스며들게 하는 단계와 굳히는 단계를 같은 온도에서 진행해 공정 시간을 줄이는 복합재 제조법을 기술 이전 목록에 올리면서, 쓰일 곳으로 eVTOL을 함께 적었습니다. 탄소섬유 대신 아마 같은 천연 섬유를 쓰는 길도 시험 중입니다. NASA 글렌 연구센터는 2026년 보고서에서 천연 섬유 복합재로 eVTOL 프로펠러 표피와 C자형 보강재를 만들어 보고, 하중을 받지 않는 부품에 알맞으며 무게·진동·소음·비용을 줄일 여지가 있다고 적었습니다(NASA 글렌, 2026).

이 계산이 빠뜨린 것

호버링 전력이 11% 준다고 비행 한 번에 쓰는 에너지가 11% 주는 것은 아닙니다. NASA 연구진은 리프트+크루즈 기체를 설계하면서, 제자리 비행 시간이 순항보다 훨씬 짧아 임무 전체로는 호버링 에너지가 순항 에너지보다 작다고 봤습니다(NASA, 2018). 에너지 절감은 표의 마지막 줄인 8% 안팎에 가깝고, 호버링 쪽 11%는 모터와 배터리가 한순간에 내야 하는 최대 출력을 낮추는 효과로 나타납니다. 배터리에서 에너지(Wh)와 출력(W)이 왜 따로 노는지는 배터리 250 Wh/kg은 무슨 뜻일까에서 다뤘습니다.

이 계산은 로터 크기를 그대로 둔 채 재료만 바꿨습니다. 실제 설계팀은 아낀 무게를 배터리를 더 싣는 데 쓰거나 로터를 줄이는 데 쓸 수 있어서, 같은 248 kg이 항속거리로 나타날 수도 있습니다. 복합재 검사와 수리에 드는 연간 시간과 비용은 이 표 어디에도 없고, 기체 회사가 정비 계획을 공개해야 계산할 수 있는 숫자입니다.

확인일 2026-10-16

출처

규제기관 문서

연구

기타 자료