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Nikkei X-TECH_2023.7.14

첨단 기술 뉴스 플러스
‘플라잉 기지국’에 특화된 모터 개발
소프트뱅크와 니덱

소프트뱅크와 니덱(Nidec, 구 일본전산)은 공동으로 경량·고효율·높은 신뢰성 등의 특성을 겸비한 성층권 통신 플랫폼(HAPS: High Altitude Platform Station)용 모터를 개발했다고 6월 27일에 발표했다.

HAPS는 이동통신 기지국이 탑재된 무인항공기를 고도 20㎞ 부근 성층권에서 비행시켜 광역 지역에 브로드밴드(광대역) 통신 서비스를 제공하는 시스템으로, ‘플라잉 기지국’이라고도 불린다. 무인항공기의 날개에 탑재된 태양전지로 발전한 전력을 모터를 통해 추진에너지로 변환해 성층권을 장시간 비행한다.

이 HAPS는 미국 스페이스X의 ‘스타링크(Starlink)’ 등 인공위성을 사용하는 위성 브로드밴드 통신 서비스와 비교해 전용 안테나가 필요 없고 스마트폰으로 직접 통신할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다. 또한 위성보다 비행 고도가 낮기 때문에, 저지연 및 대용량 통신 서비스를 실현할 가능성이 있다.

소프트뱅크는 2017년부터 HAPS에 관련된 프로젝트를 시작해 드론을 개발하는 미국 에어로바이로먼트(AeroVironment)와의 협업을 통해 검증기 ‘선글라이더(Sunglider)를 개발했다.

2020년 9월에는 미국 뉴멕시코 주에 있는 ‘스페이스포트 아메리카(Spaceport America)’에서 성층권에서의 선글라이더 비행과 성층권으로부터의 LTE 통신에 대한 실증실험에 성공했다. 사업화 목표 시기는 2027년으로, 우선 적도 부근 지역을 대상으로 서비스를 제공할 예정이다.

최근에는 드론이나 플라잉카, 즉, 전동수직이착륙기(eVTOL)용 모터 개발 경쟁이 활발해지고 있다. 예를 들어, 니덱은 6월 18일, 미국 자회사인 니덱모터가 브라질 항공기 제조업체 엠브라에르와 전동수직이착륙기 등 전동항공기용 전동 추진 시스템을 개발,제조 및 판매를 담당하는 합작회사 설립 계약을 맺었다고 발표했다.

하지만, HAPS용 모터에 요구되는 특성은 독특해 지금까지는 요구되는 성능을 가진 모터는 존재하지 않았다고 한다. 이번에 소프트뱅크와 니덱이 공동 개발한 모터는 선글라이더의 요구 사양에 적합하다고 한다.

-- 성층권 비행에서 요구되는 특성 --
HAPS는 1회 비행으로 수 개월에서 반년간 성층권을 계속 비행한다. 낮에는 태양전지로 발전한 전력으로 모터를 회전하면서 동시에 배터리로 전력을 축적한다. 야간에는 배터리에 저장된 전력만으로 비행한다.

모터는 낮과 밤 계속해서 회전하기 때문에 적은 전력이라도 낭비 없이 추진력으로 변환할 수 있는 높은 효율성과 장기간에 걸쳐 정상적으로 동작하는 내구성 및 신뢰성이 요구된다.

또한 기체를 극한까지 경량화하기 위해서는 공기의 흐름으로 모터를 냉각할 필요가 있지만 성층권의 기압은 70hPa로 낮고 공기의 유량(流量)도 적기 때문에 효율적으로 냉각하기 위한 연구개발이 필요하다.

이번에 양 사가 개발한 HAPS용 모터는 액시얼플럭스(Axial Flux, 축방향 자속)형으로 불리는 타입으로, 기존의 레이디얼(Radial, 반지름방향)형과 달리 자석과 철심을 상하로 레이아웃함으로써 박형(薄型), 경량, 고토크를 실현했다. 또한 성층권 저압 환경에서도 안정적인 성능을 실현하는 높은 방열성을 가지고 있다고 한다.

“경량(무게는 비공개)이면서 12.5N·m/kg이라는 높은 토크 밀도를 실현했다. 이것은 같은 중량급 항공기용 모터 가운데 세계 정상급이다”.(니덱 홍보부)

이번 HAPS용 모터에는 니덱이 정밀 소형 모터 개발에서 키워온 자기 회로 설계와 자계 강도를 최대화시키기 위한 자석 배치의 최적화, 신뢰성 향상을 위해 자석을 로터에 밀폐하는 특수 설계뿐만 아니라, 모터의 독자적인 조립방법(특허 출원 완료) 등이 도입되었다고 한다.

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