세계 최초로 솔라(태양전지)를 하늘을 나는 비행기는 40년전인 1974년에 만들어졌다.

 

당시 'AstroFlight Sunrise'라는 무인기는 미국의 항공기술자 로랜드 붜처가 콘셉트를 생각하고 개발한 무인기이다.

 

AstroFlight Sunrise는 10kg으로 가벼웠지만, 전장은 4.36m, 주익의 폭은 9.8m였다. 기성품의 태양전지를 날개에 배치했지만, 단점은 실리콘 태양전지는 무겁고 변환효율이 10% 정도였다. 이를 28회째 비행에서 고도 2438m에 도달했고 다음 해는 축전지를 탑재해 야간비행을 할 수 있는 모델도 등장했다. 아쉽지만 연속 비행시간은 기록으로 남아 있지 않다. 가볍고 거대한 날개 및 축전지에 의한 24시간 비행 등 당시 이미 현재의 솔라 비행기의 개념이 등장한 것.

△Solar Impulse 2 <제공=스마트재팬>

그리고 40년 뒤 2014년, 솔라 임펄스(Solar Impulse)는 태양전지와 리튬이온 축전지만으로 비행하는 비행기가 등장했다. 승무원이 땅에 내리지 않고 건강만 유지된다면 언제까지 비행할 수 있는 영구 비행기로 만들진 것이다.

 

 

제1세대 기체는 세계 기록을 8개 가지고 있고, 2013년 5월에 제2세대 시험비행을 시작으로 2016년 3월부터 최초로 세계일주 비행을 시도한다. 비행기의 주날개에 태양전지를 탑재하면 연료를 사용하지 않고 비행할 수 있을지도 모른다. 태양전지가 발명된 후 20년 후, 로랜드 붜처가 이러한 비행기의 시험제작을 개시한 것은 1974년경이었다.

 

그 동안 태양전지를 사용한 비행기는 서서히 성능을 높여왔고 이제 파일럿을 태우고 세계일주를 목표로 할 정도까지 왔다. 2014년 4월에 기체가 공개된 것이 바로 'Solar Impulse2'다.

 

다음달 시험비행을 앞두고 있다. 이번 비행에는 스위스 횡단 훈련비행을 거친 후 본격적인 비행은 2015년 3월부터 세계일주 비행을 개시할 예정이다.

△Solar Impulse 2

 

이 비행은 페르시아만 지역을 걸쳐, 아라비아해, 인도, 미얀마, 중국, 태평양, 미국, 대서양, 중남미를 경유해 출발점으로 돌아올 계획이다.

 

이번 비행 일자를 3월로 선택한 것은 인도양에 발생하는 강한 계절풍(몬순)을 피하기 위해서다.

 

Solar Impulse 2는 극단적인 비행기다. 주날개의 전체 길이는 72m에 달하고, 이것은 최신 보잉기 747-8I(68.5m)보다 길다. 1인 탑승용으로 탄소섬유로 이뤄져 있기 때문에 중량은 겨우 2300kg이다. 이것은 승용차 1대분으로 보잉 747-8I의 최대 이륙중량의 약 1/200 정도로 가볍다. 이 크기로는 가장 가벼운 항공기이다.

 

Solar Impulse 2는 화석연료를 전혀 사용하지 않고 비행하는 전기 비행기이다. 전력원을 2계통으로, 원리적으로는 밤낮에 상관없이 무제한 비행할 수 있다. 주날개와 동체, 수평 꼬리날개에 1만 7248셀의 단결정 실리콘 태양전지 셀을 설치했다.

△Solar Impulse 2

 

태양전지에는 다양한 방식이 있기 때문에 중량과 형태의 유연성, 변환효율 등 세 가지를 선택기준으로 한다. 태양전지 셀은 겨우 0.135mm로 얇고, 변환효율은 23%로 성능이 좋다.

 

또 다른 동력원은 야간비행에 사용하는 리튬 폴리머 축전지이다. 중량에너지밀도는 260Wh/kg으로 상당히 고성능이지만, 상당히 무겁다. 633kg으로 이것은 비행기 자체 중량의 1/4 이상이다. 160kWh 이상의 전력을 저장하기 위해 충전심도와 온도의 관리가 중요하다. 전지용량은 닛산 소형전기자동차 7대 분이다.

 

비행기의 추진력을 생성하는 것은 4개의 브러스리스 모터(brushless motor)이다. 1개당 출력은 17.4마력(13.5kW)이다. 날개 밑에 나셀(nacelle)이 설치돼 있으며, 축전지와 함께 격납돼 있다. 모터는 감속기어를 통해 직경 4m인 2개의 날개 프로펠러는 분당 525회가 돌아간다. 

 

Solar Impulse 2의 시스템 에너지효율은 상당히 높아 94%에 이른다. 이것은 세계에서도 가장 효율이 높은 시스템이다. Solar Impulse 2(HB-SIB)는 한 번에 완성된 것은 아니다. 원형기인 Solar Impulse(HB-SIA)를 7년의 시간이 소요됐다.

 

이것은 8개의 세계 기록을 가지고 있다. 2010년에 연속 26시간의 비행을 실현했고, 2012년 두 개의 대륙을 횡단했고, 2013년에 미국 횡단에도 성공했다.

△Solar Impulse 2

 

Solar Impulse 2의 비행고도는 8500m이다. 경량화와 전력을 절약했기 때문에 여압이 없어 산소마스크를 사용한다.

 

외기온은 -40도까지 떨어지지만, 난방은 없으며, 단열재로 견딘다. 체적 3.8m3의 조종실에 앉아 5일간 연속 비행하지 않으면 태평양을 횡단할 수 없다. 이것은 해면고도에서 시속 90km, 최고고도(8500m)에서 시속 140km이기 때문이다. 기체 자체에는 비행거리의 한계가 없지만, 조종사에게 문제가 발생한다.

 

그래서 세계일주 비행에서는 최대 1주일별로 조종사를 교대해 비행할 계획이다.

 

만약 세계일주가 성공된다면 머지않아 항공류가 전혀 들지 않는 친환경성 상용 비행기는 물론 화물 비행기까지 적용될 날도 멀지 않을 것이다.

 

 

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