측풍 및 돌풍 환경에서의 eVTOL 풍동 시험

탁 트인 하늘을 위해 설계된 항공기와 도심을 위해 설계된 항공기는 완전히 다른 두 대의 기계입니다. 그 차이는 기체가 아니라 바로 '공기'에 있습니다.

건물 지붕 위에서는 유동이 분리되었다가 다시 부착됩니다. 두 빌딩 사이에서는 유속이 가속됩니다. 난간 뒤에서는 항공기가 아닌 건물에 의해 결정되는 주파수로 와류(vortex)가 방출됩니다. 버티포트(vertiport)에 접근하는 화물 드론이나 에어택시는 대기 환경이 가장 비협조적인 바로 그곳에서 가장 안전이 중요한 순간을 보냅니다.

이것이 바로 eVTOL 풍동 시험 이 개발 후반부의 검증 단계를 넘어 설계의 핵심 동인으로 자리 잡은 이유입니다. 아래에서는 도심의 바람 속에서 기체에 실제로 어떤 일이 일어나는지, 이러한 조건이 시험 시설에서 어떻게 재현되는지, 그리고 이를 구현할 수 있는 시설의 규모를 어떻게 산정하는지 설명합니다.

1. 도심의 공기가 탁 트인 하늘보다 까다로운 이유

세 가지 주요한 효과가 지배적으로 작용하며, 이 중 어느 것도 기존 성능 시험의 깨끗하고 안정적인 유동에서는 나타나지 않습니다.

윈드 시어(Shear). 건물 근처에서는 고도에 따라 풍속이 급격히 변화합니다. 버티포트에서 상승하는 항공기는 단 몇 초 만에 상당한 속도 구배(velocity gradient)를 통과할 수 있으며, 이 과정에서 각 로터는 서로 다른 유입 기류를 겪게 됩니다.

유동 박리 및 후류(Separation and wakes). 건물의 모든 모서리는 와류 발생기 역할을 합니다. 타워의 하류에서 항공기는 구조물에 의해 크기가 결정되는 특징적인 소용돌이(eddy)를 동반한 후류를 통과하여 비행합니다. 소형 항공기는 대형 항공기보다 훨씬 더 다양한 크기의 소용돌이에 영향을 받습니다. 난류는 다양한 규모의 소용돌이가 중첩된 것으로 이해하는 것이 가장 좋습니다. 기체는 자신과 비슷하거나 더 큰 소용돌이에 의해 가장 큰 교란을 받으며, 이것이 3 m 크기의 eVTOL이 동일한 돌풍 영역에서 대형 여객기보다 훨씬 더 민감하게 반응하는 이유입니다.

열 및 인공 플룸(Thermal and man-made plumes). 태양열로 가열된 건물 외벽, 주차장 데크, 공조(HVAC) 배기구 등은 하루 종일 변화하며 일반적인 기상 예보에는 나타나지 않는 수직 속도 성분을 추가합니다.

그 결과, 개활지의 바람보다 단순히 더 강할 뿐만 아니라 구조화된(structured) 교란 환경이 형성됩니다. 제어 시스템은 평균값이 아닌 이러한 구조적 특성 앞에서 한계를 드러냅니다.

2. 실제로 발생하는 문제점

UAV 및 eVTOL 시험 프로그램에 대한 당사의 경험에 따르면, 예상치 못한 문제의 대부분은 다음 네 가지 고장 모드에서 비롯됩니다.

제어 권한 상실. 일정한 측풍이 부는 환경에서 기체는 로터 추력을 지속적으로 편향시켜 자세를 유지합니다. 이러한 편향은 돌풍을 상쇄하는 데 사용할 수 있는 여유분(margin)을 갉아먹습니다. 기체는 안정적으로 보이지만, 돌풍이 닥치는 순간 더 이상 대응할 여력이 남지 않게 됩니다.
추력 비대칭이 전력 비대칭으로 전환. 개별 로터는 서로 다른 시점에 포화 상태에 도달합니다. 배터리-전기 플랫폼에서는 이것이 특정 ESC의 전류 스파이크로 나타나며, 공기역학적 한계에 도달하기 훨씬 전에 열적 한계에 먼저 도달할 수 있습니다.
자세 유지보다 위치 유지가 먼저 저하됨. 자동 조종 장치(autopilot)가 기체의 수평을 유지하더라도 기체는 여전히 표류(drift)합니다. 버티포트 운용 시 이러한 표류는 안전에 직결되는 치명적인 요소입니다.
제어력 상실 이전에 승차감 붕괴. 승객을 태우는 기체의 경우, 허용 가능한 운용 영역(envelope)은 비행 컨트롤러가 견딜 수 있는 한계가 아니라 사람들이 감내할 수 있는 수준에 의해 결정됩니다.

이러한 문제들은 무풍 상태의 호버링 시험에서는 전혀 나타나지 않으며, 풍동 내에서는 모두 재현 가능합니다.

3. 인증에서 실제로 요구하는 사항

소형 VTOL 항공기에 대한 유럽의 규제 프레임워크는 2019년 7월 2일에 발표된 EASA의 특별 조건 SC-VTOL-01 이며, 2020년 5월부터 지속적으로 개발 중인 일련의 적합성 입증 방법(Means of Compliance) 문서들이 이를 뒷받침합니다.

시험 엔지니어에게 중요한 점은 환경 정의의 광범위함입니다. SC-VTOL은 측풍, 풍속 구배, 돌풍, 윈드 시어 및 난류를 포함한 모든 방향의 바람을 다루며, 결빙, 강수, 온도와 함께 이러한 요소들이 '약함(light)', '보통(moderate)', '심함(severe)'으로 묘사되는 다양한 진폭에서 고려될 것을 요구합니다.

이러한 구조는 두 가지 실질적인 결과를 낳습니다.

시험 매트릭스는 본질적으로 다축(multi-axis)이어야 합니다. 정풍(headwind)에서의 성능 입증은 큰 의미가 없습니다. 조건 세트는 방향성을 가지며 비정상(unsteady) 상태의 내용을 포함합니다.
수치는 프로그램별로 다릅니다. 선언된 측풍 및 배풍(tailwind) 성능은 보편적인 표에서 읽어오는 것이 아니라, 특정 항공기에 적용 가능한 적합성 입증 방법을 통해 확립됩니다. eVTOL 측풍에 대해 단일한 보편적 한계치를 제시하는 사람이 있다면 의심해 보아야 하며, 이는 공급업체도 예외가 아닙니다.

따라서 시험 시설은 귀사가 선언한 운용 영역(envelope)을 중심으로, 탐색하고자 하는 '보통' 및 '심함' 조건에 대한 여유분을 더하여 사양이 결정되어야 합니다.

4. 풍동에서 도심의 바람을 재현하는 방법

세 가지 기술군이 존재하며, 본격적인 프로그램에서는 두 가지 이상을 사용합니다.

수동적 난류 생성(Passive turbulence generation). 상류에 배치된 격자, 스파이어(spire), 거칠기 요소 및 장벽은 목표 프로파일과 강도를 가진 난류 경계층을 형성합니다. 이는 고전적인 풍공학적 접근 방식으로, 저렴하고 안정적이며 반복성이 매우 높지만, 하드웨어가 설정되면 난류 스펙트럼이 본질적으로 고정된다는 단점이 있습니다.

능동적 돌풍 생성(Active gust generation). 시험 구간 상류의 진동 베인(oscillating vane)이나 개별적으로 제어되는 셀을 갖춘 팬 어레이(fan array)는 이산 돌풍(discrete gust), 정현파 가진, 갑작스러운 방향 전환, 프로그래밍된 시어 등 시간에 따라 변화하는 유동을 생성합니다. 이는 건물 후류 통과와 같은 특정 이벤트를 재현하고, 두 가지 다른 제어 법칙 버전에 대해 동일하게 반복할 수 있는 유일한 방법입니다.

축소 모형 도심 시뮬레이션(Model-scale urban simulation). 버티포트와 그 주변 환경의 축소 모형을 상류에 배치하고, 항공기는 이 모형들이 실제로 만들어내는 후류 내부에서 시험됩니다. 이는 건축 환경을 단순한 난류 강도 수치로 근사화하는 대신 시험에 직접 도입하는 방식입니다.

어떤 방식을 사용하든, 두 가지 구성 결정이 다른 모든 것을 좌우합니다. 기체를 저울(balance)에 장착 하여 깨끗한 힘, 모멘트 및 반복성을 얻을 것인가, 아니면 대형 오픈 제트(open-flow) 구간에서 자체 자동 조종 장치로 루프를 닫고 자유 비행(free-flying) 하게 하여 기체가 아닌 시스템을 시험할 것인가입니다. 유입각이 전체 범위를 훑고 로터 후류가 날개 및 구조물과 상호 작용하는 호버링에서 전진 비행으로의 전환(transition)은 재현해야 할 가장 가치 있는 단일 기동이며, 이를 위해서는 두 가지 방식이 모두 필요합니다.

5. 실행 가능한 시험 매트릭스

도심 운용 기체의 경우, 매트릭스는 일반적으로 다음 항목들을 훑어봅니다.

변수	일반적인 범위	중요한 이유
풍속	0 ~ 설계 측풍 한계, 추가 여유분	각 지점에서의 제어 여유분(margin) 확립
방위각	전체 360°, 해상도 15°~30°	측풍 반응은 대칭인 경우가 드묾
유입각	호버링부터 전진 비행까지	로터-날개 상호 작용, 전환(transition) 거동
돌풍 진폭 및 상승 시간	이산 돌풍, 여러 상승 시간	최고치보다 변화율이 더 중요함
난류 강도	약함, 보통, 심함	규제 기관의 진폭 용어와 일치
하강률	와류 고리(vortex ring) 경계 통과	접근(approach)은 가장 위험도가 높은 단계임
구성	페이로드, 무게중심(CG), 단일 로터 성능 저하	여유분이 가장 먼저 사라지는 지점

최소 측정 항목: 저울에서의 힘과 모멘트, 로터별 RPM 및 전류, 지령 대비 달성된 자세 및 위치, 페이로드 또는 객실 위치에서의 가속도, 그리고 풍동 계측 시스템의 유입 기준 데이터.

6. 시설 규모 산정

풍동을 임대하는 것이 아니라 직접 사양을 지정하는 경우, 다음 네 가지 수치가 가장 중요합니다.

기체 폭 대비 시험 구간 크기. 폐색(blockage) 효과는 시각적으로 뚜렷해지기 훨씬 전부터 데이터를 손상시킵니다. 실물 크기의 소형 UAV는 서류상으로 보기에 넉넉할 정도로 큰 구간이 필요합니다.
저속을 포함한 속도 범위. UAM 작업은 0~30 m/s 대역에서 이루어집니다. 안정적이고 균일한 3 m/s를 생성하는 것은 25 m/s를 생성하는 것보다 더 어려우며, 호버링 및 저속 전환 데이터가 바로 이 구간에서 수집됩니다.
중요한 지점에서의 유동 품질. 낮은 난류는 풍동이 언제든 되돌아갈 수 있어야 하는 기준선(baseline)입니다. 배경 난류와 구별할 수 없는 돌풍은 연구할 수 없습니다.
구간 접근성 및 안전. 자유 비행 시험에는 보호용 안전 그물(세이프티 넷), 기체보다 빠르게 작동하는 비상 정지(E-stop), 그리고 하루에도 여러 번 구성을 변경할 수 있는 접근성 개념이 요구됩니다.

폐회로식(closed-circuit) 구조가 다른 곳에서 지배적인 것과 같은 이유로 여기서도 지배적입니다. 반복성, 온도 제어 및 운영 비용 때문입니다. 이에 대한 절충안은

closed-circuit vs open-circuit tunnels

에, 그 이면의 방향 결정은 당사의

comparison of wind tunnel types

에 명시되어 있습니다.

7. 피해야 할 5가지 실수

정풍(headwind)만 시험하기. 가장 저렴하게 실행할 수 있는 조건이지만, 얻을 수 있는 정보가 가장 적습니다.
평균값 보고하기. 돌풍 반응은 과도적(transient) 현상입니다. 평균화된 데이터는 시험하고자 했던 바로 그 이벤트를 숨겨버립니다.
지표면 무시하기. 버티포트 데크 근처에서는 재순환(recirculating)과 지면 효과가 유입 기류를 완전히 바꿔놓습니다.
제어 법칙은 제외하고 기체만 시험하기. 도심에서의 고장 대부분은 시스템 고장입니다. 컨트롤러가 고정된 상태로 저울에 장착된 모형으로는 이를 밝혀낼 수 없습니다.
설계 동결(design freeze) 이후로 환경 시험 미루기. 측풍 성능은 로터 크기 산정 및 제어 여유분을 통해 확보됩니다. 이러한 결정은 초기에 이루어지며, 나중에 번복하려면 막대한 비용이 듭니다.

8. 시험 계획에서 시설 구축까지

도심 항공 모빌리티는 방향성이 있고 비정상적이며 현장 특화된 환경에 대해 인증을 받고 있습니다. 이 기준을 충족한다는 것은 항공기가 실제 건물 사이로 접근 비행을 하기 훨씬 전에 지상에서 이를 수백 번 반복적으로 재현한다는 것을 의미합니다.

TunnelTech는 바로 이러한 작업을 위한 맞춤형 시험 시설을 설계하고 구축합니다. 기체 크기에 맞춘 폐회로식 풍동으로, 공기역학적 개념 단계부터 저속 안정성, 돌풍 생성 및 계측 통합을 계획하며, 프로그램이 성숙함에 따라 기후 및 내구성 모듈을 추가할 수 있습니다. 당사의 출발점은 카탈로그가 아니라 귀사의 시험 매트릭스입니다.

귀사의 운용 영역과 기체 제원을 보내주시면 , 시험 구간 크기, 속도 범위, 구동 전력 및 건물 설치 면적을 포함한 시설 콘셉트를 제안해 드리겠습니다.

출처 및 참고 사항

소형 VTOL 항공기에 대한 EASA 특별 조건, SC-VTOL-01 (2019년 7월 2일 발행) 및 후속 적합성 입증 방법(MoC) 간행물: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
광범위한 소용돌이 규모에 대한 소형 항공기의 민감도 및 UAM 운용에 대한 풍공학적 관점: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
건물 근처의 돌풍 환경: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
수동적 난류 생성(격자, 거칠기 요소, 스파이어)은 고전적인 풍공학적 관행이며, 능동적으로 제어되는 팬 어레이와의 분류는 TunnelTech의 독자적인 프레임워크입니다. 특히 능동적 측면에서 팬 어레이 풍력 발생기의 셀별 제어 및 난류 특성화: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
eVTOL에 대한 보편적인 수치적 측풍 한계는 의도적으로 인용하지 않았습니다. 선언된 측풍 및 배풍 속도는 적용 가능한 적합성 입증 방법을 통해 프로그램별로 확립됩니다.
시험 매트릭스 범위 및 시설 규모 산정 지침은 TunnelTech의 엔지니어링 관행이며, 특정 기체 및 현장에 맞게 확인되어야 합니다.

도심 항공 모빌리티(UAM)를 위한 풍동 시험: 측풍 및 돌풍 환경에서의 eVTOL 및 드론