제15부 AAM — UAM·RAM·화물의 기술과 운용

15.7 eVTOL 객실·승객 안전·내추락성

15.7.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

15.4~15.6은 eVTOL의 전력·배터리·조종이 고장 난 뒤에도 비행을 유지하게 하는 방법을 다루었다. 이 장은 그다음 질문, 곧 비행이 끝나 땅에 세게 닿았을 때 승객이 걸어 나올 수 있는가를 본다. EASA SC-VTOL-01은 VTOL.2270에서, FAA는 Joby JAS4-1에 §23.2270을 그대로 적용해, 기체가 손상되더라도 탈출을 막을 부상으로부터 탑승자를 보호하라고 요구한다. 두 기준은 허용 부상의 수치를 직접 적지 않고 '알려진 인체 부상 기준' 과 '비상 착륙에서 있음직한 극한 정적 관성 하중' 이라는 표현으로 남겨 두므로, 숫자는 준수 수단에서 나온다. 이 장은 그 숫자를 대신 정하지 않고, 회전익 규정(14 CFR 27.561·27.562)의 수치를 비교용으로 읽어 eVTOL에 특징적인 세 문제, 곧 바닥 아래 팩이 빼앗는 변형 행정, 팩과 로터 유닛의 질량 보유, 충돌 뒤의 화재와 고전압을 수식과 계산으로 본다. 이 책의 방침(BK-04)에 따라 군용 기체의 내추락성은 다루지 않는다.

배우는 것:

• 요구의 구조 — 충돌 에너지, 좌석·구속, 질량 보유, 짐칸, 탈출, 환경, 화재, 에너지 계통의 여덟 층이 두 기준에서 어디에 놓이는가. EASA는 객실 안이나 인접한 질량(양력·추력 장치 포함)을, §23.2270은 객실 안이나 뒤의 질량(엔진·APU)을 말한다(15.7.2).
• 시험 펄스는 삼각형이다 — 27.562의 수직 펄스(30 g, 0.031 s)와 전방 펄스(18.4 g, 0.071 s)는 속도 변화 29.9·42.0 ft/s, 변위 0.28 m·0.91 m의 대칭 삼각형이다(15.7.3.1).
• 바닥 아래 행정과 좌석 행정은 맞바꾼다 — 30 ft/s 충격에서 바닥 아래 행정이 0.28 m이면 좌석이 7.4 cm 변형해야 하고, 0.57 m이면 좌석 행정이 필요 없다(15.7.3.2).
• 팩은 변형 행정을 빼앗고 부착부 하중을 키운다 — 924 kg 팩(NASA 전기 쿼드로터 중량의 31.5 %)은 하중 계수 묶음에 따라 부착부 하중이 5배까지 달라진다(15.7.3.3).

선수 지식: 1.27(압궤 거리와 감속도 $a=v^2/(2s)$), 15.5(배터리 열폭주), 15.3(NASA 참조 기체), 15.6(조종)을 읽었다고 가정한다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 15.7.3을, 인증 담당자는 15.7.2·15.7.4·15.7.8을, 정책 담당자는 15.7.2·15.7.4를, 운용 담당자는 15.7.4·15.7.5를 먼저 읽는다.

기준 시점과 정직성. 2026년 11월 기준이다. 원문을 읽은 것: EASA SC-VTOL-01 Issue 1(2019-07-02)의 VTOL.2250(f)·2270·2315·2320·2325·2330·2430·2440·2535 조문, FAA Special Class Airworthiness Criteria for the Joby Aero, Inc. Model JAS4-1 Powered-Lift(89 FR 17230, 2024-03-08)의 JS4.2311·2315·2325·2330·2430·2440 조문과 의견 검토(통제된 비상 착륙의 정의, 짐칸 화재, 'fire zone', 승객 문과 프로펠러), 14 CFR 23.2270·23.2320·27.561·27.562(eCFR, 2025-06-01 판). 읽지 못한 것: SC-VTOL의 준수 수단 문서와 인체 부상 기준의 수치, 좌석 시험 표준(ASTM F3083 등), DO-311A의 충돌 관련 조항(9.20), FAA가 다른 모델에 정한 기준, 사고·시험 자료. 14 CFR 27.561·27.562는 회전익 규정이며 eVTOL에 적용되지 않는다. 아래 숫자는 크기를 보이는 비교용이다. 이 장의 모형은 연직 충격 하나만 다루는 단순 모형이고, 허용 감속 14.7 g(몸통 질량 분율 0.6), 바닥 면적 3 m², 팩 밀도 1.0~1.4 kg/L는 설명용 가정이다. 이 장은 설계·인증 지침이 아니다.

15.7.2 개념·직관

15.7.2.1 여덟 층의 보호

두 기준에는 눈에 띄는 차이가 둘 있다. 첫째, 질량 보유 조항이 EASA는 '양력·추력 장치'를 객실 안이나 인접한 위치로 적어 객실 가까이 놓인 로터·모터를 직접 겨냥하는 반면, §23.2270은 엔진이 객실 안이나 뒤에 있는 비행기 구성을 전제한다. 둘째, 에너지 계통 조항이 EASA는 착륙장치가 과부하로 부서지는 경우(Enhanced) 를, FAA는 최초 대응자를 따로 적는다. FAA는 §23.2325에 생존 가능한 비상 착륙 화재 조항을 더하자는 의견에 대해 JS4.2430(a)(6)이 이미 다룬다고 답했고, 짐칸 화재는 재료로 막거나, 감지 장치로 조종사에게 알리거나, 조종사가 보고 끌 수 있는 위치에 두는 세 방식 가운데 하나를 요구한다(JS4.2325(e)). 객실 화재는 앉은 조종사가 쉽게 닿는 소화 수단을 요구한다(JS4.2325(f)).

15.7.2.2 '통제된 비상 착륙'이 설계 기준을 정한다

FAA는 통제된 비상 착륙(controlled emergency landing) 을 조종사가 접지 방향과 지역을 고를 수 있는 능력을 유지하면서 탑승자를 심각한 부상으로부터 합리적으로 보호하는 것으로 정의하며, 착륙 뒤 일부 기체 손상은 허용한다. FAA는 의견을 받아 기대 결과를 '심각한 부상으로부터의 보호' 로 명확히 했고, 그것이 지상의 비참여자에 대한 보호도 내재적으로 제공한다고 설명했다. 손상이 있어도 탈출이 가능한 수준으로 탑승자가 보호된다는 것이 취지다. 이 정의는 회전익의 자동 회전과 비행기의 활공 요건과 동등성을 주려는 것이다. 따라서 충돌 보호는 추락이 아니라 조종된 착륙을 전제하고, 그 접지 속도는 기체가 고장 뒤에도 조종을 유지하는 정도(15.6)와 맞물린다. 접지 속도 자체는 두 기준 어디에도 수치로 적혀 있지 않다(확인 필요).

15.7.3 원리 — 행정과 하중

15.7.3.1 시험 펄스는 대칭 삼각형이다

14 CFR 27.562(b)는 좌석을 170 lb 모의 인체로 동적 시험하라고 요구한다. 수직 시험은 속도 변화 30 ft/s 이상, 바닥 감속이 0.031 s 안에 피크 30 g 이상에 이르는 펄스이고, 전방 시험은 속도 변화 42 ft/s 이상, 0.071 s 안에 18.4 g다. 피크 시각이 $t_p$이고 피크 $a_p$인 대칭 삼각형이면 총 시간 $T=2t_p$, 속도 변화와 바닥의 이동 거리는

$$\Delta v=\tfrac12\,a_pT,\qquad x=\tfrac12\,\Delta v\,T,\qquad \bar a=\Delta v/T=a_p/2$$

이다. 이 식으로 조문의 숫자를 검산하면 두 펄스가 삼각형임이 맞는다.

수직의 29.9 ft/s는 0.031 s의 반올림(정확히 30 ft/s이면 $t_p=0.0311$ s)이다.

수직 시험은 짧고 센 펄스(피크 30 g)이고, 전방 시험은 길고 약한 펄스(평균 9.2 g)다. 같은 속도 변화를 멈추는 데 필요한 이동 거리가 전방은 0.91 m로 수직의 3배다. 이 이동 거리는 시험 썰매의 이상화이며 실제 동체가 앞쪽에서 그만큼 찌그러질 수 있다는 뜻은 아니다. 길이가 짧은 eVTOL 객실에서는 전방 충돌에서 구속 장치가 큰 몫을 맡을 것으로 해석되나(해석), 이 장은 전방 충돌을 계산하지 않았다.

15.7.3.2 바닥 아래 행정과 좌석 행정의 맞교환

허용 감속은 허리뼈 압축 하중 한계에서 나온다. 27.562(c)(7)은 모의 인체의 골반과 허리뼈 사이 압축 하중이 1,500 lb를 넘지 않을 것을 요구한다. 몸통이 지지하는 질량을 모의 인체 77 kg의 0.6배로 가정하면 허용 감속은

$$n_{\lim}=\frac{F_{\lim}}{\phi\,m\,g}=\frac{6{,}672\ \text{N}}{0.6\times77\ \text{kg}\times9.807\ \text{m/s}^2}=14.7\ \text{g}$$

이다(분율 $\phi=0.5$이면 17.7 g, 0.7이면 12.6 g). 감속을 이 값에 고정한 이상적 힘 제한 좌석이 30 ft/s(9.14 m/s)를 멈추는 데는 1.27.7의 $s=v^2/(2\,n_{\lim}g)=0.289$ m가 든다.

바닥 아래(랜딩기어 행정과 동체 하부 구조의 변형)가 행정 $s_f$로 같은 속도를 멈추면 바닥 감속의 피크는 삼각형 펄스(평균/피크 $\eta=0.5$)에서

$$n_f=\frac{v_0^2}{2\,\eta\,g\,s_f}=\frac{v_0^2}{g\,s_f}$$

이고, 이 바닥 펄스가 $n_{\lim}$을 넘는 구간을 좌석이 힘 제한으로 변형해 흡수한다. 필요한 좌석 행정은 시간 적분(시간 간격 0.02 ms)으로 구했다.

(수직 충격 30 ft/s, $n_{\lim}=14.7$ g.)

행정을 어디에서 얻느냐가 아니라 얼마나 효율적으로 얻느냐가 합을 정한다. 정하중으로 변형하는 좌석은 효율이 1에 가까워 0.29 m면 되지만, 삼각형 펄스로 찌그러지는 구조는 효율이 0.5라 같은 일을 하는 데 두 배의 행정이 든다. 그래서 합은 $s_f$가 클수록 0.31 m에서 0.57 m로 는다. 반면 좌석 행정은 객실 높이가 한계이므로, 좌석이 낼 수 있는 행정이 12 cm라면(설명용 가정) 바닥 아래 행정이 약 0.2 m 이상 있어야 한다. 이 바닥 아래 행정에는 랜딩기어의 행정이 포함되므로 팩 위치와 무관하게 확보되는 몫과 동체 하부 구조가 변형해야 하는 몫을 나누어 보아야 한다.

15.7.3.3 팩의 두께와 부착부 하중

NASA 참조 기체 중 전기 쿼드로터는 이륙 중량 6,480 lb에 에너지 저장계(팩)가 2,038 lb(924 kg)로 31.5 %다(15.3). 팩을 바닥 아래에 놓는다고 하자. 두께는 팩 밀도 $\rho$와 바닥 면적 $A$로 $t=m/(\rho A)$다.

(밀도·면적은 설명용 가정이다.) 팩 두께(0.22~0.31 m)가 바닥 아래 행정의 필요량(15.7.3.2에서 0.2~0.57 m)과 같은 자릿수이므로, 팩을 바닥 아래에 두면 변형 구조를 둘 깊이가 팩에 먼저 소진된다. 팩 자체는 변형 흡수에 쓰기 어렵다. 셀이 부서지면 열폭주가 시작될 수 있기 때문이다(15.5).

팩은 붙들어 두는 일도 어렵다. 질량 $m$이 극한 관성 계수 $n$을 받으면 부착부 하중은 $F=m\,n\,g$다. 14 CFR 27.561의 세 계수 묶음(비교용)을 곱하면 다음과 같다.

같은 팩에 어느 계수 묶음을 적용하느냐에 따라 부착부 설계 하중이 최대 5배(하방 36 대 181 kN) 달라진다. 두 기준은 계수를 숫자로 적지 않으므로(15.7.1) 이 선택은 준수 수단과 신청자의 해석에 달려 있고, 이 장은 어느 묶음이 맞는지 알지 못한다(확인 필요). 객실 가까이의 로터 유닛(모터·프로펠러, 40 kg 가정)은 12 g 전방 계수에서 4.7 kN이며, 이 값은 VTOL.2270(a)(3)이 겨냥하는 대상이다. 팩은 무게가 가장 크므로 부착부 하중도 가장 크다.

15.7.4 규제와의 연결

• '탈출을 막을 부상'이 목표다. 두 기준은 무상해가 아니라 탈출 가능을 요구한다. 승객 안전의 눈높이를 정하는 이 문구의 수치는 인체 부상 기준에 있으며 이 장은 그 수치를 읽지 못했다(확인 필요).
• 회전익 수치는 참고일 뿐이다. 14 CFR 27.561·27.562는 eVTOL에 적용되지 않는다. FAA는 JAS4-1에 §23.2270을 적용했고, 그 이행 수단은 개별 인증 계획(17.7)과 준수 수단에 있다.
• 화재와 에너지는 객실 밖에서 시작한다. JS4.2430(a)(6)은 최초 대응자를, VTOL.2430(a)(6)은 지상 사람을 보호 대상으로 적는다. 충돌 뒤 팩의 열폭주(15.5)와 구조 활동(15.11)이 이어진다. EASA는 Enhanced에서 착륙장치 과부하 고장까지 포함하라고 요구한다.
• 프로펠러와 승객. FAA는 프로펠러 가림막 요구에 대해 JS4.2315(a)(1)이 승객 문이 사용자를 위태롭게 하는 위치에 있지 않도록 요구한다고 설명했다(의견 검토). VTOL.2320(a)(2)는 승하차 중 고에너지 위험까지 포함한다. 로터 근처 문과 지상 승객 흐름은 운용(15.17)과 버티포트 설계(15.8)로 이어진다.
• 비상 장비. VTOL.2535는 운항 규정이 요구하는 안전·생존 장비가 믿을 수 있고, 쉽게 닿고, 식별되고, 사용법이 표시되어야 한다고 요구한다.
• 한국. 한국의 객실·승객 안전 요건은 읽지 못했다(확인 필요, 18.13).

15.7.5 설계·운용의 선택

• ① 팩 위치. 바닥 아래는 질량 중심이 낮고 구조가 효율적이지만 변형 행정을 소진한다. 동체 뒤·날개·분산 배치는 다른 대가가 든다.
• ② 좌석. 힘 제한 좌석은 효율이 가장 높지만 객실 높이가 행정을 제한한다.
• ③ 랜딩기어 행정. 팩 위치와 무관하게 행정을 얻으나 항력·무게가 는다.
• ④ 문과 로터의 배치. 객실 가까이의 로터는 질량 보유와 승하차 안전의 부담을 함께 늘린다.
• ⑤ 화재 격벽과 환기. 팩과 객실의 격리(JS4.2430(b)(2), VTOL.2430(b)(2))를 구조·열·가스로 구현해야 한다.
• ⑥ 운용. 승객 안전 브리핑, 비상구 표시, 최초 대응자 정보(15.11)는 설계가 정한 범위를 운용이 채우는 부분이다.

견해: eVTOL 팩의 위치는 무게 중심과 구조 효율만이 아니라 충돌 행정 예산으로도 정해야 한다고 본다. 근거는 15.7.3.2·15.7.3.3이다. 바닥 아래 팩 두께(0.22~0.31 m)가 필요한 바닥 아래 행정(0.2~0.57 m)과 같은 자릿수이므로, 팩을 바닥 아래에 넣고 나서 변형 구조를 맞추려 하면 나중에 행정이 모자라게 된다. 반론은 바닥 아래 배치가 질량 중심과 구조 효율에서 유리하고, 랜딩기어 행정으로 상당 부분을 얻을 수 있다는 점이다. 이 반론은 타당하다. 다만 이 모형은 연직 충격 하나, 삼각형 펄스, 힘 제한 좌석 하나만 다뤘고 전방·측방 충돌, 전복, 열폭주 개시 조건을 다루지 않았다. 그래서 이 견해는 설계 순서에 대한 판단이며 특정 배치의 우열을 입증하지 않는다.

15.7.6 세 축 비교

15.7.7 관련 규격·프로토콜

15.7.8 관련 규제·인증 요구와의 연결

15.7.9 함정과 한계

15.7.10 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. VTOL.2270과 §23.2270이 요구하는 보호 수준('탈출을 막을 부상')과 질량 보유 조항의 차이(안이나 인접·안이나 뒤)를 설명할 수 있는가?
2. 27.562의 두 시험 펄스가 대칭 삼각형임을 속도 변화와 변위로 검산할 수 있는가?
3. 바닥 아래 행정, 바닥 감속 피크, 좌석 행정의 관계를 식과 표로 설명할 수 있는가?
4. 팩이 변형 행정과 부착부 하중에 미치는 영향을 계산할 수 있는가?
5. 통제된 비상 착륙의 정의와 충돌 보호의 전제를 설명할 수 있는가?

연구 질문(25.7에 모은다)

• SC-VTOL의 준수 수단은 인체 부상 기준과 극한 정적 관성 하중에 어떤 수치를 정하는가?
• 배터리 팩 아래 변형 구조와 열폭주 억제를 함께 만족하는 구조는 무엇인가?
• 객실 가까이 놓인 로터 유닛과 팩의 질량 보유 하중 계수는 어떻게 정당화되는가?
• 한국의 eVTOL 객실·승객 안전 인증 요건은 무엇인가?

1차 출처(이 장)

• EASA, SC-VTOL-01 Issue 1 (2019-07-02) — VTOL.2250(f)·2270·2315·2320·2325·2330·2430·2440
• FAA, Airworthiness Criteria: Special Class Airworthiness Criteria for the Joby Aero, Inc. Model JAS4-1 Powered-Lift, 89 FR 17230 (2024-03-08)
• 14 CFR 23.2270·23.2320·27.561·27.562 (eCFR)

다음 장: 15.8 버티포트 I: 설계 기준과 안전 요건 — 승객이 승하차하고 기체가 접지하는 지상 시설의 설계 기준을 다룬다.