항공우주산업, 지속적인 투자가 위기극복

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M-Terview(연구자 인터뷰)

손창민 교수(부산대학교 기계공학부)

안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!

오늘 인터뷰에서 만나보실 손창민 교수님(부산대, 기계공학과)은 가스터빈의 핵심 기술인 터빈 냉각설계 분야의 성과로 영국기계학회(Institution of Mechanical Engineers) 항공우주부문에서 최우수 논문상을 수상하신 분이십니다.

항공우주연구원 선임연구원을 거쳐 영국 옥스퍼드 대학에서 박사학위를 취득한 후 2002년부터 2011년까지 영국 롤스-로이스의 전략연구소 항공 우주팀 팀장을 지낸 바가 있는데요.

2011년부터 현재까지는 부산대학교 기계공학부 교수로 재직 중이십니다. 교수님의 이번 수상과 항공우주산업의 미래에 대한 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.

1. 현재 하고 계시는 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

고온 고압 작동환경을 고려한 터빈의 냉각설계와 성능검증에 필요한 시험장비 및 측정기법 개발 등이 주요한 연구 활동입니다.

2. 영국기계학회 항공우주분야에서 2017년 최우수연구자상으로 선정되셨습니다. 소감을 부탁드립니다.

터빈 냉각설계 개선을 위해 시도해보지 않았던 새로운 접근방법을 제시하고, 실험을 통해 검증을 수행했습니다. 이러한 “아이디어“에 대해 그 가치가 인정되었다는 것에 매우 고무되었습니다.

3. 선정된 논문의 내용을 요약하신다면 어떤 내용이신가요?

터빈 냉각시스템 설계에 많이 적용되는 다중유로 (Multiple Passage) 는 여러 개의 반경방향 유로를 U-bend를 이용하여 연결하여 구성하게 됩니다.
터빈 냉각설계와 관련하여 이러한 반경방향유로에 다양한 열전달 촉진형상들 (tubulators) 을 적용하고 그 효과를 평가하는 연구들이 많이 수행되고 있습니다.

실제 3차원형상을 가지는 냉각유로에서 U-bend의 최적설계는 엔진제작사에서도 상당한 고민거리입니다.

이웃한 두개의 반경방향유로를 연결하는 U-bend는 유동방향을 180° 전환해야하는 형상적인 특성으로 인해 상당한 압력손실이 발생합니다. 더불어 3차원 터빈 날개 형상으로 인해 내부 냉각유로를 흐르는 냉각공기는 매우 복잡한 유동특성을 나타냅니다.

극심한 속도구배와 이에 따른 유동박리 형상으로 U-bend의 후류에 배치된 냉각유로는 초기 설계시 가정되었을 균일한 유동이 유입되지 않습니다.

이로 인해 설계목표를 만족하는 냉각성능을 달성하지 못하게 됩니다.

논문에서는 실제 냉각성능에 매우 민감한 영향을 미치는 U-bend 형상을 변수화 하고, 전산해석을 이용한 최적화설계기법을 적용하여 압력손실을 최소화할 수 있는 형상을 제시하고, 제안된 형상에 대한 성능시험을 통한 검증을 수행했습니다.

4. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

연구 제안 당시는 전산해석이나 최적화 기법 등이 실제 엔진개발과정에 적극적으로 활용되지 않던 시기였습니다.

따라서, 제안된 설계방법과 그 결과에 대한 기대와 적용가능성을 높이 평가하지 않았던 점이 어려움이었고, 이 부분은 관련 물리현상에 대한 이해와 활용된 기술에 대한 확신으로 극복하고 연구를 마무리 할 수 있습니다.

더불어 도전적인 연구에 격려와 지원을 계속했던 몇몇 동료들의 응원이 큰 힘이 됐습니다.

5. 교수님께서는 논문을 집필하실 때 가장 중점적으로 생각하시는 부분은 어떤 것인가요?

가령 사실(fact)위주의 논문, 미래지향적 논문, 결과 데이터를 중시하는 논문 등 어디에 중점을 두시나요?

가스터빈 연구는 한국의 경우 후발주자로서 선진 연구결과를 뛰어넘는 새로운 연구결과를 도출하는 데는 현실적인 어려움이 있습니다.

따라서, 이미 개발된 연구를 불가피하게 반복하고 새로운 관점에서 관찰결과를 제시하는 연구결과들을 도출하게 됩니다.

차별화하고자하는 점은 가능하면 실제 터빈의 형상과 작동환경을 반영한 해석과 시험을 통한 연구들을 수행하여 결과 데이터의 활용도를 높이도록 노력하고 있습니다.

더불어, 후발주자로서 추종적인 연구 활동에서 벗어나서, 도전적인 터빈 설계 방법을 연구하고 있습니다.

현재 진행 중인 관련연구도 논문을 통해 공유하는 기회가 있기를 기대합니다.

6. 교수님께서 중앙일보에 인터뷰한 기사 중 가스터빈과 같이 산업의 기본이 되는 기술에 대한 독자기술이 필요하며, 4차 산업혁명을 위해서라도 지속적으로 투자되어야 한다고 말씀하셨는데요. 현재 한국의 투자는 다른 나라에 비해 어느 정도인가요?

가스터빈은 학부 열역학 과목에서 배우게 되는 Brayton (또는 Joule) 사이클을 구현한 에너지 시스템입니다.

국내에서도 독자기술을 확보를 위해 “발전용 고효율 대형 가스터빈 개발사업 (2013~2018)”의 주관 기관으로 두산중공업이 270MW 급 발전용 가스터빈을 개발 중에 있습니다.

항공용의 경우 국방과학연구원 주관으로 “터보팬엔진 코어기술개발 (2015~2019)” 사업을 통하여 국내에서는 처음으로 무인기용 장수명 터보팬엔진을 개발 중에 있습니다.

독자기술 확보는 국내 중공업의 산업 경쟁력 제고를 위해 필수적입니다.

가스터빈산업은 선진제작사들에 의해 주도되고 있지만, 운용기간이 20~30년 이상 되는 에너지 및 동력시스템으로 서비스시장을 통해 지속적으로 이윤 창출이 되는 고부가가치 산업입니다.

더불어, 미래시장의 성장규모를 고려할 때 자체기술력을 확보해 선진제작사와 공동으로 제품을 개발할 수 있는 기술력을 인정받아야 합니다.

연구개발 과정에 필요한 막대한 투자가 향후 개발된 제품의 가격경쟁력에 영향을 미치기 때문에, 필요한 연구개발 인프라에 대한 정부의 보다 적극적이고 지속적인 투자가 필요하다고 판단됩니다.

이러한 고부가가치 산업이 기반이 되어야 4차 산업혁명도 꽃을 피울 수 있을 것입니다.

7. 항공우주분야에도 4차 산업혁명이 시작된 듯한데요. 드론기술, 무인항공시스템, 인공지능 등 다양하게 융합되어 지고 있습니다.

교수님께서 바라보시는 4차 산업에서 앞으로 항공우주분야의 발전을 위해 어떠한 점이 더욱더 절실히 필요할까요?

시스템적 사고 (System Thinking)가 필요합니다.

4차 산업혁명의 핵심은 다양한 사회적 요구 (Social Requirements) 들을 구현하는데 필요한 기술들(Enabling Technologies)을 네트워킹 (Communication &Networking) 을 통해 새로운 시스템을 구현하는 것입니다.

따라서 항공우주분야의 연구자들도 사회적 요구와 이를 구현하는 기술로서 항공우주기술의 역할을 고민하고 어떻게 네트워크로 연결될 수 있을지를 포함한 시스템적 사고를 훈련하고 구현하는 연구개발이 병행되어야 합니다.

미항공우주국(NASA)의 보고에 의하면, 전 세계 항공기는 약 23,000 개가 운용되고 있는데 이에 비해 현재 미국내 드론은 약 7,000,000개에 달하고 있다고 합니다.

단순히 우리도 그 숫자에 하나를 더하는 연구개발이 아니라 시스템을 변혁시킬 수 있는 쪽에 더 많은 노력이 투자되어 차별화 될 수 있기를 기대합니다.

8. 교수님께서는 롤스로이스의 전략연구소 항공우주팀 팀장을 지낸 바가 있는데요. 어떤 연구와 개발을 하셨는지 궁금합니다.

전략연구소(Strategic Research Centre) 의 임무는 10~20년을 내다보고 현재의 난제를 해결하고 미래를 변화시킬 수 있는 기술 (breakthrough and/or disturbing technologies) 에 대한 연구와 로드맵 개발이었습니다.

미래 항공우주 시스템으로 Integrated Aircraft and Engine Concept 과 고고도 무인정찰기에 대한 독자연구 및 국제공동연구를 추진하였고, 세부기술로는 Smart Actuation 기술, 첨단 사이클 엔진기술, 제작 및 측정기술들에 대한 연구를 총괄하였습니다.

더불어, 미래 필요에 대응할 수 있도록 연구개발과정에 대한 혁신안을 마련하는 임무도 수행할 기회가 있었는데, 개인적으로도 유익한 시간들 이었습니다.

9. 옥스퍼드 대학 및 MIT, 캠브리지 대학 등과 MOU 체결 및 공동연구를 수행 중에 있으시던데요. 향 후 추진하시고자 하는 계획이나 연구진행 방향에 대해서 궁금합니다.

세 대학의 가스터빈관련 연구실과 협력을 통해 부산대 대학원생들에게 국제적 안목과 경쟁력을 고취하고자하는 목적으로 MOU를 체결했습니다.

대학원생들의 상호 장단기파견을 통한 공동연구의 형태로 교류가 되고 있고, 더불어 교수 및 연구원들 간의 교류를 통해 앞서 이야기한 breakthrough and/or disturbing technologies 들을 같이 고민하고 연구하고자하는 데 의견을 같이하였습니다.

향후에는 이미 구축된 대학 간의 네트워크에 글로벌 기업을 유치하여 시너지를 높일 수 있도록 계획하고 있습니다.

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