중국, 최초의 메가와트급 액체수소 항공 엔진 개발에 획기적 진전

친환경 항공의 새 지평

중국이 자국 최초의 메가와트급 액체수소 엔진의 지상 시험을 성공적으로 마치며 지속 가능한 항공 기술 분야에서 중요한 돌파구를 마련했다. 중국항공엔진그룹(AECC)이 독자 개발한 AEP100 터보프롭 엔진은 탄소 배출이 없는 추진 시스템으로 항공 여행의 탈탄소화를 향한 큰 진전을 보여준다. 이 기술이 발전하면 단거리 항공편의 탄소 배출을 궁극적으로 없앨 수 있다. 이번 성과는 중국산 액체수소 엔진이 메가와트급에서 처음으로 전체 성능 기준을 충족한 사례로, 수소 항공이 이론적 구상에서 실제 엔지니어링 단계로 옮겨가 지역 항공기 개발에 바로 적용될 수 있음을 보여준다. 시험은 중국 중부 후난성 주저우에 있는 AECC 후난항공동력연구소에서 진행됐다. 다양한 출력 설정과 운전 조건에서 극저온 수소 연료를 사용해 엔진이 안정적으로 작동하는지를 검증했다. 이번 분야에서의 성공으로 중국은 항공업계의 막대한 탄소 발자국을 줄일 실행 가능한 방안으로 수소를 연구하는 세계 항공우주 강국들과 어깨를 나란히 하게 됐다. 동시에 수입 화석 연료에 의존하지 않고 중소 도시와 외딴 지역을 연결하는 중거리 노선에 지역 항공기를 투입할 수 있도록, 첨단 추진 기술의 국내 역량도 구축하고 있다.

AEP100 시험 과정

최근 시험에서는 통제된 지상 조건에서 점화 시험과 성능 조정 운전을 포괄적으로 실시했다. 엔지니어들은 통합 연료 공급·제어 시스템을 통해 공급된 액체수소로 엔진을 구동하면서 여러 출력 설정에서 터빈 온도, 진동 수준, 압력 안정성을 점검했다. 시험 전 과정에서 엔진과 액체수소 운송 시스템의 모든 지표는 정상 범위에 머물렀으며, 높은 출력으로 장시간 운전했을 때도 마찬가지였다. 지역 항공용으로 설계된 AEP100은 안정적인 연소를 달성했고 급격한 스로틀 조작과 같은 과도 기동에도 대응할 수 있음을 입증했다. 이러한 동적 부하 변화에 대한 대응은 짧은 활주로나 산악 지형에서 운항하는 지역 항공기에 중요하다. 엔진이 변화하는 출력 요구에 신속히 반응해야 하기 때문이다. 엔진의 성능 범위를 성공적으로 검증함으로써 액체수소 터빈 동력을 실험 단계에서 실용적인 엔지니어링 적용 단계로 옮길 기술적 기반이 마련됐다. 이는 중국 항공 추진 기술의 기존 중대한 공백을 해소하고 향후 항공기 개발 사업에 새로운 가능성을 열어준다.

극저온 연료에 맞춘 설계

터보프롭 엔진을 액체수소로 작동하도록 개조하려면 기존 등유 기반 설계와는 다른 상당한 엔지니어링 변경이 필요하다. 수소는 질량당 에너지 함량이 높지만 체적 에너지 밀도가 낮고 극저온 상태를 유지해야 한다는 고유한 과제가 있다. 약 영하 253도의 온도에서 저장해야 하기 때문이다. AEP100 수소 엔진형에는 연료를 정밀하게 제어된 압력과 온도 조건에서 엔진으로 공급하는 전용 극저온 저장·공급 시스템이 탑재됐다. 여기에는 고급 단열재, 재설계된 연료관, 누출 방지와 극저온 액체가 데워지며 자연스럽게 발생하는 증발 가스 관리를 위한 안전 시스템이 포함된다. 수소의 빠른 화염 속도와 넓은 가연 범위에 맞춰 연소 장치도 특별히 조정해야 했다. 동시에 고온 수소 연소로 증가할 수 있는 질소산화물 배출을 제어하면서 안정적인 작동을 유지해야 한다. 극저온 시스템을 터보프롭 엔진의 동적 운전 조건과 통합하려면 액체수소 공급 시스템과 급격한 엔진 부하 변화가 정밀하게 맞물려야 한다. 그래야 중요한 비행 단계에서 실화나 불안정 연소를 막을 수 있다. 기체와의 통합에도 별도의 과제가 있다. 수소는 같은 항속거리를 확보하려면 기존 항공유보다 훨씬 큰 탑재 탱크가 필요하다. 따라서 이 엔진을 적용할 미래 항공기는 동체나 날개에 새로운 탱크 배치를 도입해야 할 수 있으며, 이는 현재의 등유 기반 지역 항공기와 비교해 항공기 구성 방식 자체를 근본적으로 바꿀 수 있다.

1조 위안 규모 산업 생태계의 동력

이번 시험의 성공은 기술적 성과를 넘어 중국의 에너지 전환 전략과 산업 계획에 더 큰 경제적 파급 효과를 가져올 수 있다. 액체수소 항공 기술 개발은 잠재적으로 1조 위안 규모의 종합 산업 생태계를 촉진할 것으로 기대된다. 여기에는 그린수소 생산 시설, 수소 액화 공장, 극저온 저장·운송 인프라, 상용 운항에 필요한 전용 공항 급유 시스템 등이 포함된다. 이러한 생태계는 수소를 국가 탄소 배출 감축을 위한 핵심 산업으로 분류한 중국의 전략과 맞닿아 있다. 수소는 항공뿐 아니라 화석 연료를 대체하려는 중공업, 장거리 화물 운송, 발전 분야에도 활용될 수 있다. 이번 진전은 첨단 장비 제조와 신소재 개발 분야의 협력 혁신을 이끌며, 항공우주 기술의 발전이 여러 전략적 신흥 산업의 성장을 견인하는 경제적 동력을 만들어낸다. 세계 최대 전해조 생산국인 중국은 그린수소 생산에 쓰이는 전해조 분야에서의 입지를 바탕으로 수소 항공 추진 기술의 진전을 통해 세계 청정에너지 시장에서의 위치를 강화할 수 있다. 한편 지속 가능한 항공 기술 시장에서 자국의 입지를 지키려는 해외 경쟁국들의 견제도 커질 수 있다. 에너지 전환을 위한 정부 전략은 장기적인 탈탄소화에 수소가 필수적이라는 점을 점점 더 강조하고 있다. 항공은 연구실과 상업 제조 역량을 연결하는 이러한 광범위한 산업 목표를 가시적으로 입증하는 무대가 되고 있다.

수소 항공을 둘러싼 세계 경쟁

중국의 이번 성과는 주요 항공우주 제조사들이 미래 상용 항공기에 적용할 수소 추진 시스템 개발에 경쟁적으로 나서는 국제 무대에서 나왔다. 유럽 항공업계의 거대 기업 에어버스는 ZEROe 수소 연료전지 항공기 구상을 계속 발전시키고 있다. 미국과 유럽의 여러 기업도 기체 또는 액체수소 혼합 연료를 사용하는 터보팬·터보프롭 엔진을 병행 시험하며 항공기 종류별 최적 구성을 찾고 있다. 중국의 이번 사업은 국제적 노력에 새로운 주요 참여자가 더해졌음을 의미한다. 서로 다른 엔지니어링 방식과 연료 시스템 설계를 병행해 시험함으로써 기술의 전반적인 성숙을 앞당길 가능성이 있다. 수소 도입의 초기 대상이 될 가능성이 가장 큰 분야는 지역 항공기와 단거리 항공기다. 대륙 간 비행에 막대한 연료가 필요한 장거리 제트기보다 노선이 짧고 요구 출력이 낮기 때문이다. 메가와트급 터보프롭인 AEP100은 이 범주에 정확히 들어맞으며, 신흥 무배출 지역 항공기 시장에서 중소 도시를 연결하는 서방 항공기와 경쟁할 잠재력을 갖췄다. 그러나 기술 이전을 둘러싼 무역 정책과 국제적 긴장 등 지정학적 환경에 따라 이 기술이 세계 시장에 확산되는 속도가 달라질 수 있다. 전략적으로 중요한 이 분야에서 수소 추진 기술 개발을 촉진하는 협력 관계가 형성될지, 자국 산업을 해외 경쟁으로부터 보호하는 장벽이 생길지도 주목된다.

상용화 가능성 점검

지상 시험에서 기술적 성과를 거뒀지만, 업계 전문가들은 액체수소 항공 엔진이 전 세계적으로 여전히 탐색 단계에 있으며 상업용 여객기에 적용하기까지 여러 분야에서 중대한 장벽이 남아 있다고 경고한다. 베이징에 본사를 둔 잡지 ‘항공우주지식’의 왕야난 편집장은 장비 수명, 에너지 밀도, 저장 비용, 안전 기준의 한계 때문에 신뢰성과 경제성이 무엇보다 중요한 상업 항공에 당장 투입하기 어렵다고 강조했다.

액체수소 항공 엔진은 현재 전 세계적으로 여전히 탐색 단계에 있습니다. 장비 수명, 에너지 밀도, 저장 비용과 안전성의 한계 때문에 단기간에 상업용 여객기에 적용되기는 어려울 것입니다.

왕 편집장은 신기술이 기존 항공 엔진 시스템을 대체하려면 두 가지 핵심 조건을 동시에 충족해야 한다고 덧붙였다. 실질적인 탈탄소화를 달성하는 동시에 비용, 성능, 안전성, 신뢰성이 기존 항공유 시스템의 수준보다 낮아서는 안 된다는 것이다. 초기 적용은 오차를 허용할 여지가 극히 적은 정기 여객 운항보다는 연구 사업이나 특수 항공 분야에 집중될 가능성이 크다. 도심항공교통이나 무인 화물 시스템 등 새롭게 부상하는 저고도 항공 분야에 적용하려면 광범위한 도입이 안전하고 경제적으로 실현 가능하다는 점을 입증하는 추가 시연이 필요하다. 액체수소 엔진은 분명한 탈탄소화 잠재력을 지녔지만 비용, 성능, 안전성, 신뢰성 문제를 해결해야 하므로 아직 일반 상업 운항에서 기존 항공유를 대체할 단계는 아니다.

시험대에서 지역 노선까지

AEP100 수소 엔진형의 개발 계획은 무인 항공 물류 플랫폼과 지역 항공 서비스부터 단계적으로 도입한 뒤, 장거리 간선 상업 노선으로 확대하는 방안을 그리고 있다. 이러한 단계적 접근은 공항의 극저온 저장 탱크, 새로운 연료 취급 절차, 상업 항공 시설에서 액체수소를 일상적으로 운용하는 데 필요한 안전 규정 개정 등 핵심 인프라를 개발할 시간을 확보해준다. 다음 개발 단계에서는 장시간 내구 운전, 세부 신뢰성 평가, 더 광범위한 운항 시나리오에 대응하기 위한 엔진 제어 소프트웨어 개선에 집중한다. 이후 비행 시험이나 감항 인증 절차로 넘어갈 예정이다. 여행객과 항공업계에 이번 지상 시험은 수백~1,000km 거리의 중소 도시를 연결하는 더 조용한 무배출 지역 항공편을 향한, 아직은 멀지만 구체적인 진전이다. 이는 단거리 항공 여행의 탄소 발자국을 크게 줄일 잠재력이 있다. 지속 가능한 항공유가 기존 항공기에 바로 사용할 수 있는 대체 연료로 더 빠른 배출 감축을 제공한다면, AEP100 수소 엔진형과 같은 기술은 2030~2040년대 항공기 설계와 노선 계획을 바꿀 수 있는 두 번째 변화의 물결이 될 수 있다. 이를 위해서는 남은 기술·경제적 과제를 해결하고 항공 생태계 전반에 걸쳐 상당한 인프라 투자를 이어가야 한다.

핵심 내용

• AEP100 터보프롭 엔진이 주저우의 AECC 시설에서 중국 최초의 메가와트급 액체수소 엔진 지상 시험을 마치고 전체 성능 기준을 충족했다
• 점화 및 조정 시험에서 모든 조건 아래 엔진의 안정적인 작동과 액체수소 운송 시스템의 정상적인 성능 지표를 확인했다
• 액체수소는 배출이 없지만 영하 253도의 극저온 저장이 필요하며, 빠른 화염 속도와 낮은 체적 에너지 밀도에 대응하는 특수 설계가 요구된다
• 무인 항공 물류와 지역 항공 분야에 우선 도입될 것으로 예상되며, 그린수소 생산과 급유 인프라를 아우르는 1조 위안 규모 산업 생태계를 뒷받침할 잠재력이 있다
• 전문가들은 저장 비용, 안전 인증, 장비 수명, 기존 항공유 대비 에너지 밀도 문제 등이 해결되지 않아 상업용 여객기 적용은 아직 멀었다고 경고한다
• 에어버스와 서방 제조사들이 병행해 수소 항공 사업을 추진하면서 세계 경쟁이 치열해지고 있으며, AEP100은 신흥 무배출 지역 항공기 시장의 경쟁 주자로 부상하고 있다