항공모빌리티산업의 미래를 내다보기 위해서는 글로벌 메가트렌드의 흐름 속에서 그 변화를 찾을 수 있다. 세상을 변화시키는 거시적인 변화의 힘이 바로 글로벌 메가트렌드이기 때문이다. PwC3가 언급한 거대한 메가트렌드는 ① 도시화의 가속, ② 기후변화와 자원 부족, ③ 인구구조의 변화 , ④ 글로벌 경제력 이동, ⑤ 기술의 도약으로 요약된다. 즉, “도시화의 가속”과 “인구구조의 변화”는 대도시 인구집중으로 인한 교통 혼잡문제를 야기하고, “기후변화와 자원부족”, 그리고 “글로벌 경제력 이동”은 새로운 형태의 항공모빌리티를 요구하고 있다. 특히 탄소배출이 없고 소음이 없으면서도 심각한 도심의 지상교통문제를 해결해 줄 새로운 항공모빌리티 탄생의 시대적 요구에 “기술의 도약”은 바로 응답한다. 

4차 산업혁명의 도래와 함께 AI 및 ICBM(IoT, Cloud, Bigdata, Mobile)을 기반으로 모빌리티 기술은 무인 및 자율화 시스템(Unmanned and autonomous system), 전동화(Electrification), 그리고 초연결화 시스템(Hyper-connectivity system)으로 나아가고 있다.

이상과 같은 글로벌 메가트렌드의 흐름 속에서 각 산업분야에 드론활용 서비스가 확대해 가면서 드론(D·R·O·N·E)의 기술적 폭발성과 파급성(D:Dynamic R: Robotics, O: Objective, N:Network, E:Energetic)에 힘입어 드론택시(Drone Taxi)의 출현을 갈망하게 되었고, 도심을 중심으로 한 새로운 모빌리티 혁명의 하나가 바로 도심항공모빌리티(UAM, Urban Air Mobility)라 할 수 있다.

그 동안 항공모빌리티는 먼 거리를 높고 빠르게 운송하는 것이 일반적인 교통서비스의 특징이었지만 이제는 도심 내(Intracity) 또는 도시 간(Intercity), 공항 간(Port to Port)을 연결해 주고 다른 교통수단과 연계하여 우리 일상 가까이에서 교통 편의를 제공해 주길 원하고 있다. 이러한 교통 서비스를 제공하기 위한 새로운 항공 모빌리티는 활주로 없이 수직이착륙이 가능하고, 탄소배출이 없으며, 소음이 낮고, 도심 상공의 하늘 길에서 조종사가 탑승하지 않고도 안전운항을 보장할 수 있는 자율비행 능력과 도심에 위치한 버티포트(Vertiport)에서 이착륙이 가능한 전기추진수직이착륙기(eVTOL)가 토탈 솔루션을 제공할 수 있는 해결사로 나서게 된 것이다.

따라서 UAM이란 도심 내외 활용이 가능한 친환경 전기동력수직이착륙기(eVTOL)등을 이용하여 승객이나 화물 등을 탑재하고 도심 내외에서 저고도로 운항하는 소형비행체와 운항서비스를 총칭하는 체계이다. 이러한 UAM은 도심 안팎에서 승객 및 화물 운송을 비롯하여 공공목적(긴급의료 등)과 관광사업 등을 위해 운용될 수 있으며, 타 교통수단과 연계되어 운용되는 새로운 항공교통체계이다.

항공 모빌리티가 우리 일상 가까이에서 교통 편의를 제공하기 위해서는 소음이나 환경문제를 최소화하고 적정한 요금은 물론 타 교통수단과 연계하여 서비스를 제공할 수 있어야 한다. 이러한 연구는 미 항공우주국(NASA)을 중심으로 첨단 항공 모빌리티(Advanced Air Mobility)프로젝트라는 이름으로 오래 전부터 다양하게 연구되어 오고 있었다.

당초 도심항공모빌리티를 위한 에어택시(Air Taxi)용으로 헬리콥터를 뉴욕 케네디 공항에서 맨허탄까지 시범운행했었다. 그러나 헬리콥터의 장점인 수직 이착륙 및 단거리 운행에는 적합했으나 소음문제, 탄소 배출문제, 헬기의 치명적인 사고율, 그리고 높은 운임 등으로 인해 대중 수용성에 한계가 있어 더 이상 UAM 비행체로서 적합하지 않은 것으로 판단하였다.

이후에 진행된 플라잉 카와 개인용 항공기의 활용에 대한 선행 연구 프로젝트에 따르면 기존의 대형공항의 장거리 교통구간은 중대형 여객기가 담당하고, 그 보다 짧은 구간인 도심 구간이나 지역 간(RAM, Regional Air Mobility)은 자기용 자동차 기능과 자가용 소형 항공기 기능을 겸한 플라잉 카(Flying car)가 수요 응답형 모빌리티(Mobility on Demand)로 매우 전망이 있을 것으로 판단하였다. 초기 플라잉카 모델들은 도로주행과 공중비행 모두 가능하지만, 내연기관 엔진을 사용해 공해를 유발하고, 소음이 크며, 대부분의 모델이 이륙하기 위해서는 활주로나 별도의 공간이 필요하다는 단점을 갖고 있었다. 즉, 기술적인 가치는 인정받았으나 도시의 환경오염이나 교통체증, 한정된 공간과 같은 문제들을 해결하기에는 많은 한계가 있었다.

이후 드론기술의 장점과 기존 항공기술의 결합이 자동차와 항공기를 결합한 전통적인 플라잉카의 단점을 극복할 수 있을 것으로 판단하고 드론형 공중 이동수단으로 배터리와 모터를 추진동력으로 하는 개인용 항공기(PAV, Personal Air Vehicle)사업이 추진되었다. 전통적인 플라잉카의 단점을 극복하고, 도시문제를 해결할 수 있는 새로운 대안으로 떠오르게 된 것이다. 

그 동안 활발하게 개발이 진행되고 있는 드론형 공중 이동수단은 기술적으로 배터리와 모터를 추진동력으로 하기 때문에 친환경적이고, 소음이 적을 뿐 아니라 건물 옥상 등 도심 내에서의 수직이착륙이 가능하였다. 즉, 드론형은 활주로가 필요하지 않고 지점 간(Point-to-Point)운송이 가능하기 때문에 초기 플라잉카 모델보다 UAM 생태계의 기체로서 적합한 운송 수단으로 인식하였다. 특히 장애물이 많지 않은 공중에서만 이동하기 때문에 도로주행을 겸하는 초기 플라잉카 모델들에 비해 원격조종이나 자율비행의 적용이 매우 수월하였다. 

드론형 공중 이동수단의 경우 광의의 개념에서 플라잉카의 범주로 볼 수 있지만, 도로주행보다는 공중에서의 도시 내 이동에 초점이 맞춰져 있어 PAV라는 표현이 더 빈번하게 사용하게 되었다. PAV는 운용기준에 따라 공중에서의 비행만 가능한 싱글모드(Single Mode)와 공중에서의 비행과 도로에서의 주행이 모두 가능한 듀얼모드(Dual Mode)로 구분되어 진행되었으나 당시 PAV 사업이 성공하기 위한 다음과 같은 운영요구사항에 대한 기술적 극복과제를 안고 있었다. 

즉, ① 개인용 항공기로서 운용이 용이해야 하고, ② 자동화된 공역 통제하에서 운항조건 충족, ③ 저렴하고 충분한 전기동력시스템 및 동력원, ④ 경제적 운용개념, ⑤ 운용지역에서의 소음 영향 최소화, ⑥ 새로운 인증기준 및 절차, ⑦ 전천후에 가까운 기체운용 능력, ⑧ 소형항공기보다 높은 안전도 등이었다. 이러한 운영 요구 조건을 충족하기엔 그 동안 기술적 성숙도나 개인용 항공기로서의 가격 및 운용개념에 한계에 부딪치게 되어 미국의 플라잉카 및 PAV개발 프로젝트는 축적된 기술개발 유산과 기술 극복과제를 동시에 남긴채 eVTOL 개발사업이 추진하게 된 것이다. 

따라서 최근 개발 붐을 일으키고 있는 eVTOL은 기존의 플라잉 카의 특징인 공륙 양용이 아니며, 개인용으로 이용되는 PAV가 아닌 공용 교통서비스를 제공하는 모빌리티(MaaS, Mobility as a Service)이며, 수요 응답형 모빌리티(MOD, Mobility on Demand)로서 글로벌 메가 트렌드에 대응하는 UAM 기체라 할 수 있다.

아직도 혼재해서 사용되는 플라잉 카, PAV, 드론택시, 항공택시, eVTOL, UAM, RAM, AAM 등의 다양한 유사한 용어들은 <표 1>과 같다.

eVTOL이 기존의 Helicopter, Flying car, PAV와 다른 장점을 네 가지로 꼽는다. 첫째 비행 중 소음이 현저히 낮다는 점이다. 도심 상공을 여러 대가 온종일 동시에 운항해야 하는 UAM 체계에서 소음은 지역사회 민원대상이 되기 때문에 버티포트 입지, 이착륙 경로, 항로의 고도나 경로, 운항시간 등을 고려하여 소음의 최소화를 기할 수 있다. 둘째는 항공운임이다. 기존의 택시나 탑승공유차량과 비교해서 선택할 있을 정도의 적당한 요금을 책정할 수 있다, 셋째 eVTOL의 중요한 특징 중의 하나가 분산전기추진동력(DEP, Distributed Electrical Power)시스템이다. 기존의 싱글 로터 헬기와 달리 여러 개의 분산된 동력시스템을 가지고 있기 때문에 소음이 현저하게 낮고 한두개의 동력시스템이 상실되어도 나머지로 보상해서 비행을 지속하여 안전 착륙이 가능하다. 이러한 안전 요구수준을 인증받아야 상용화 운항이 가능하도록 되어있다. 넷째 eVTOL은 비행 중 탄소배출이 전혀 없다. 완전 전기 추진 시스템을 채택했기 때문에 친환경 항공모빌리티로서 필수요건을 갖춘 것이다.

현재 상용화된 UAM용 기체는 아직 한 대도 없다. 미래 항공모빌리티로 참여하고 있는 전세계 기업들은 약 500여개 업체로 UAM용 eVTOL의 형식과 성능은 매우 다양하다. eVTOL의 기본형식은 3가지 형태로 분류할 수 있는데 ① Vectored Thrust 형으로 추력을 이착륙과 순항비행 상태에 따른 추력변형형이 약 167개, ② Lift + Cruise형(이착륙과 순항비행에 필요한 별도의 추력장치형)이 약 85개, ③ Multicopter형(날개없이 복수의 로터를 이용하여 동력을 발생하는 형)이 약 148개가 현재 개발중에 있다.

아직까지 개발이 완료되어 감항인증을 마치고 상용화에 이른 eVTOL기체는 없고 현재 열띤 개발 경쟁을 벌이고 있다.

eVTOL 형식에 따른 특성을 살펴보면 다음과 같다.

● Multicopter형

•고정날개는 없고 복수의 회전날개로만 구성

•복수의 모터-회전날개에 의한 비행으로 높은 안전성

•정지비행 효율은 높으나 전진비행에는 효율이 낮음

•비행속도는 100km/h 내외

•항속 거리는 40~100km 정도

● Lift+Cruise형

•양력 추진부와 추력 추진부가 독립되어 있음

 –양력발생을 위한 고정된 수직방향 로터

 –전진비행을 위한 분리된 프로펠러

•세 가지 비행모드(고정익, 회전익, 천이비행) 구비

•Vectored thrust보다 수직이착륙이 용이

•순항비행시 전진비행효율이 높음 

 –비행속도는 180km/h 내외

 –항속 거리는 80~150km정도

● Vectored Thrust형

•Vectored Thrust(Tiltrotor/Tiltwing)

 –Tiltrotor : 프로펠러 만(수직↔수평)모드 전환

 –Tiltwing : 프로펠러와 날개가 동시에 모드전환

•동일 추진부에 로터를 틸트시키는 시스템

•세 가지 비행모드(고정익, 회전익, 천이비행)

•전진비행효율이 높고, 제자리비행효율이 낮음

 –비행속도는 230~350km/h 내외

 –항속 거리는 100~300km 정도

정부는 UAM 개발정책 로드맵(K-UAM)을 2020년 6월에 발표하고 산·학·연·관 UAM Team Korea를 구성하여 관련 기술 개발을 위한 K-UAM기술개발로드맵을 지난 3월에 발표하였다. K-UAM 정책로드맵은 초기(2025~), 성장기(2030~), 성숙기(2035~)에 따라 목표성능 및 운용개념을 <표 2>와 같이 제시하고 있다.

2035년 성숙기가 되면 배터리 용량 증대 및 기체 경량화에 힘입어 비행가능 거리도 300Km(서울~대구 정도)로 증가하게 되고, 속도도 2025년 150km/h에서 300km/h로 빨라지게 될 것으로 보고 있다. 특히, 자율비행, 야간운항, 이착륙장 증설에 따른 노선 증가와 기체양산체계 구축에 따른 규모의 경제효과가 요금현실화로 이어져 교통수단으로서의 대중화가 가능해질 것으로 보고 있다.

K-UAM 정책 로드맵을 구현할 eVTOL기술개발 로드맵의 단계별 목표는 <표 3>과 같다.

끝으로 정부의 K-UAM eVTOL의 기술 확보전략은 ① 기체 및 승객 안전성 확보기술을 최우선적으로 개발하고, ② 교통수단으로서 국민들의 수용성을 증대하는 친화기술을 확보하며, ③ 경제성을 위해 양산 및 유지관리 등 상용기술 장려, ④ 인력 양성 등 지속가능성을 이끄는 기술·생태계 구축, ⑤ 상호발전을 유도하는 기술교류를 확대하는 것으로 추진하고 있다.