제1부 비행체 기술 기반
1.19 전기 계통: 배전·EWIS·고전압 안전·아크 결함
1.19.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
전기 추진 체인(1.17)과 구동계(1.18)는 전선으로 이어져야 일을 한다. 배선은 눈에 띄지 않지만 항공기에서 화재·연기·전원 상실의 흔한 출발점이고, 고전압으로 가면 감전과 아크라는 새 위험이 더해진다. 이 장은 배전 구조, 보호와 프리차지, 고전압 안전, 고도에 따른 방전, 항공기 배선(EWIS)의 규제와 설계 원칙, 케이블 선정, 접지·낙뢰·전자기 환경, 커넥터를 한 흐름으로 본다.
배우는 것:
- 배전 구조 — 단일 버스·이중 독립 버스·연결 버스가 고장에서 무엇을 남기는가, 필수 부하와 비필수 부하의 구분.
- 보호와 프리차지 — 퓨즈·차단기·접촉기·절연 감시, 800 V 버스를 켤 때의 돌입 전류와 프리차지 계산.
- 고전압 안전 — 전압 등급, 절연 저항, 인터락, 정비 안전.
- 아크와 방전 — 직렬·병렬 아크, 직류 아크가 끄기 어려운 이유, 고도가 오르면 방전 전압이 내려가는 파셴 곡선(계산).
- EWIS — 정의와 규제 구조, 설계·설치 원칙, 케이블의 허용 전류가 고도와 묶음으로 줄어드는 정도(계산).
- 접지·본딩·낙뢰·전자기 환경과 커넥터 — 복합재 기체에서 귀환 전류와 낙뢰 전류가 지나는 길, 접촉 저항의 발열.
선수 지식: 옴의 법칙과 기초 전자기. 전압 선택과 도체 질량 대 전압(손실 한계 $1/V^2$, 전류 밀도 한계 $1/V$)은 1.17.6이 이미 계산했으므로 이 장은 다시 그리지 않는다. 이중 버스의 기본 개념은 1.17.7, 구동계는 1.18을 본다. 배터리 내부는 1.21, 열관리는 1.25가 맡는다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 1.19.3~1.19.7과 1.19.9를, 인증 담당자는 EWIS 규제(1.19.8)와 고전압 안전(1.19.5)을, 정비·사업 담당자는 정비 안전(1.19.5.3)과 커넥터(1.19.11)를 본다.
기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월 기준이며 집필에 사용한 지식은 2026년 중반까지다. 규정 번호와 판(版)은 확인한 것만 적었고 나머지는
확인 필요로 표시했다. 계산은 원리로 만든 교육용 모형이며 가정을 밝혔다(파이썬math로 계산). 자동차 규격(UN R100·ISO 6469-3)은 항공 규격이 아니라 지상 전기차의 공개 기준이며 항공 적용 근거는 별도로 확인해야 한다. 고전압 직류의 항공 환경 규격은 아직 정착 중이다.
1.19.2 개념·직관 — 배선도 하나의 계통이다
항공기 배선은 전선·커넥터·단자·스플라이스·클램프·차단 장치를 모두 합친 하나의 계통이며, 미국 규정은 이를 전기 배선 상호연결 시스템(EWIS)이라 정의한다(1.19.8). 배선은 고장이 서서히, 조용히 쌓인다. 절연이 마모되고 커넥터가 느슨해지고, 그 끝에 아크와 화재가 있다. 그래서 배선은 부품이 아니라 설치·검사·정비까지 포함한 계통으로 다룬다.
고전압 직류 추진 계통은 여기에 세 가지를 더한다. 첫째, 전류가 같아도 에너지가 커서 아크가 파괴적이다. 둘째, 교류와 달리 직류는 전류가 0을 지나지 않아 아크가 저절로 꺼지지 않는다. 셋째, 정비 인원이 접촉하면 치명적일 수 있다.
세 축에서 요구가 이렇게 다르다.
- 군용 드론은 28 V 직류·115 V 교류 400 Hz·270 V 직류 같은 전통 항공 전원 체계(MIL-STD-704F)와 전자기 환경 규격을 따르고, 야전 정비성과 내충격이 요구된다. 소형은 저전압 배선을 단순하게 사용한다.
- 민간 UAS는 수십 V의 저전압이라 감전은 문제가 아니지만 큰 전류와 커넥터가 문제다. 접촉 저항이 오르면 한 점에서 발열한다. 인증 기준은 없고 제조사 책임이다.
- AAM은 400~800 V급 고전압과 이중 버스, EWIS 인증, 고전압 정비를 모두 요구받는다. 학술 문헌은 UAM의 직류 버스 전압이 800 V 안팎으로 논의된다고 서술하지만(arXiv 2406.17516), 기체별 공개 값은 확인하지 못했다(1.17.6과 같다,
확인 필요).
1.19.3 배전 구조 — 고장이 났을 때 무엇이 남는가
배전은 전원(배터리)에서 부하로 전력을 나눠 주는 구조다. 부하는 둘로 나눈다. 필수 부하는 잃으면 안전한 비행·착륙이 불가능한 것(비행 제어 컴퓨터, 대기자료·자세 센서, 통신, 작동기)이고, 비필수 부하는 잃어도 안전에는 영향이 없는 것(승객 편의, 일부 탑재체)이다. 전력이 모자라면 비필수 부하를 먼저 끊는다(부하 차단).
세 구조를 고장에서 비교하면 이렇다. ① 단일 버스는 가장 단순하고 가볍지만 버스나 그 위의 접촉기 고장이 전체 상실이다. 소형 UAS가 사용한다. ② 이중 독립 버스는 팩과 버스를 둘로 나누고 필수 부하를 양쪽에서 받는다. 한쪽을 잃어도 절반이 남는다(추진기 배치는 1.17.7). ③ 연결 접촉기를 더하면 한쪽 팩이 죽어도 다른 쪽이 전체를 먹일 수 있다. 그러나 연결이 닫혀 있으면 한쪽의 단락이 다른 쪽으로 번진다. 연결을 평상시 열어 두고 필요할 때만 닫을지가 설계 쟁점이다(1.19.12).
전압 층도 나뉜다. 추진 버스는 고전압이지만 비행 제어 컴퓨터와 항전은 28 V나 12 V의 별도 저전압 버스에서 받는 것이 일반적이다. 고전압에서 변환기(DC-DC)로 내리되 추진 버스가 죽어도 항전이 살아야 하므로, 항전 버스는 독립된 보조 배터리를 둔다. 추진 버스의 단락이 항전을 끄면 안 된다. 이 격리가 공통 원인 고장 분석의 핵심이다(8.4).
1.19.4 보호 장치 — 끊는 것과 막는 것
| 장치 | 하는 일 | 한계 |
|---|---|---|
| 퓨즈 | 과전류로 녹아 회로를 끊는다 | 한 번 사용하면 교체. 직류 고전압에서는 차단 정격과 아크 소호가 설계 쟁점 |
| 회로 차단기 | 열·자기 방식으로 과전류에서 열린다. 재투입 가능 | 직류 고전압 차단 용량이 교류보다 훨씬 어렵다 |
| 접촉기 | 코일로 접점을 열고 닫는 스위치. 팩과 버스를 연결 | 접점 용착, 직류 차단 시 아크, 접점 보조 신호로 상태 확인 필요 |
| 반도체 차단기 | 스위치 소자로 마이크로초 단위로 차단 | 도통 손실·발열, 소자 단락 고장 |
| 프리차지 회로 | 저항으로 링크 커패시터를 천천히 충전 | 1.19.6에서 계산 |
| 절연 감시 | 고전압 버스와 기체 사이의 절연 저항을 상시 측정 | 1.19.5 |
| 인터락(HVIL) | 커넥터·덮개가 열리면 저전압 신호 고리가 끊겨 고전압을 차단 | 신호 고리 자체의 고장 |
보호의 원칙은 고장 전류가 도체의 열 한계에 이르기 전에 끊는 것이다. 퓨즈나 차단기의 시간–전류 곡선이 도체의 시간–전류 곡선(도체가 견디는 $I^2t$) 아래에 있어야 한다. 이것을 보호 협조라 한다. 항공에서는 한 번의 불필요한 차단도 비행 중 전원 상실이므로 오차단과 미차단의 균형이 어렵다. 직렬 아크(느슨한 접속)는 전류를 늘리지 않으므로 과전류 보호가 보지 못한다(1.19.7).
1.19.5 고전압 안전
1.19.5.1 전압 등급과 감전
지상 전기차의 공개 기준(UN R100)은 작동 전압이 직류 60 V 초과 1,500 V 이하(교류는 30 V 초과 1,000 V 이하)인 회로를 고전압(ISO 6469-3의 전압 등급 B에 해당)으로 구분한다. 60 V 아래는 접촉 보호 요건이 훨씬 가볍다. 이 경계가 1.17이 말한 직류 약 60 V의 근거다. 고전압 회로는 구분이 눈에 띄도록 주황색 케이블과 위험 표지로 표시하는 것이 자동차에서의 관행이다. 항공 적용 시 같은 경계를 사용하는지는 해당 인증 기준에서 확인해야 한다(확인 필요).
1.19.5.2 절연 저항 — 한 점 고장이 감전이 되지 않게
고전압 버스는 기체 구조와 전기적으로 떠 있게(부동) 두는 것이 지상 전기차의 관행이고 항공 고전압 계통도 이를 따르는 것이 일반적이다(확인 필요). 한 점이 기체에 닿아도 전류가 흐를 고리가 없어 감전과 화재가 일어나지 않는다. 이 성질은 버스와 기체 사이 절연 저항이 높을 때만 유지된다. 지상 전기차의 공개 기준은 직류 버스의 절연 저항을 100 Ω/V 이상(교류 500 Ω/V)으로 요구한다. 이 값은 단일 고장 때 새는 전류를 전압과 무관하게 $1/100$ A, 곧 약 10 mA 이하로 묶는 값이다. 800 V 버스는 80 kΩ 이상, 400 V는 40 kΩ 이상이다(산술). 절연 감시 장치는 이 저항을 상시 측정해 임계 아래로 내려가면 경고하고 차단한다. 두 번째 점이 닿기 전에 첫 고장을 찾는 것이 핵심이다. 습기·결로·세척·오염이 절연을 낮추므로 고도 변화와 비행 후 결로가 시험 조건이 된다(8.9).
1.19.5.3 인터락·방전·정비 안전
인터락(HVIL)은 커넥터나 덮개를 열면 고전압을 먼저 끊는 저전압 신호 고리다. 능동 방전은 버스를 끊은 뒤 링크 커패시터의 전하를 저항으로 빠르게 비운다. 정비 인원은 전원 차단·잠금·전압 부재 확인 순서를 따르고, 절연 장갑과 고전압 자격이 필요하다(20.18). 두 개의 독립 방어(인터락과 정비 절차)가 중첩되는 것이 원칙이다.
1.19.6 수치 예시 — 800 V 버스를 켜는 순서
1.17의 호버 로터 한 개(인버터 입력 21.6 kW, 직류 링크 800 V)를 켠다. 링크 커패시터 $C=250\ \mu$F, 프리차지 저항 100 Ω, 팩과 배선의 경로 저항 0.1 Ω을 가정한다(교육용 가정). 계산은 파이썬으로 했다.
① 프리차지 없이 닫으면. 커패시터가 비어 있으면 접촉기를 닫는 순간 전압 전체가 경로 저항에 걸려 돌입 전류는 $800/0.1=8$ kA에 이른다. 접점이 용착하거나 퓨즈가 끊긴다.
② 프리차지. 저항을 거쳐 충전하면 시간 상수 $\tau=RC=25$ ms다. 커패시터에 저장되는 에너지는 $\tfrac12CV^2=80$ J이고, 충전이 끝나는 동안 저항이 같은 80 J을 열로 낸다(저항 값과 무관). 시작 순간의 전력은 $V^2/R=6.4$ kW다.
| 접촉기를 닫는 시점 | 걸리는 시간 | 남은 전압차 | 닫을 때 돌입 전류 |
|---|---|---|---|
| 90 % | 58 ms | 80 V | 800 A |
| 95 % | 75 ms | 40 V | 400 A |
| 99 % | 115 ms | 8 V | 80 A |
결론: 99 %까지 충전하고 닫으면 돌입 전류가 80 A로 줄어든다. 프리차지는 느릴수록 안전하지만 시동이 길어진다. 접촉기는 전압 일치 조건을 확인한 뒤 닫는다.
③ 부하가 단락돼 있으면. 프리차지 저항에는 6.4 kW가 계속 걸린다. 그래서 프리차지는 시간 제한을 둔다. 정해진 시간(예: $5\tau$) 안에 전압이 오르지 않으면 단락으로 보고 중단한다. 저항에는 열 용량과 온도 퓨즈가 필요하다.
④ 절연 감시. 800 V에서 100 Ω/V이면 80 kΩ이고 한 점 접촉 때 흐를 수 있는 전류는 10 mA다(위 1.19.5.2). 두 점이 접촉하면 이 보호가 사라지므로 첫 점에서 알려야 한다.
소형 UAS의 배터리 커넥터도 같은 문제를 안고 있다. 큰 전자 변속기(ESC) 입력 커패시터에 배터리를 꽂는 순간 불꽃이 튀는 것은 같은 원리이고, 저항을 내장한 안티스파크 커넥터가 소형판 프리차지다.
1.19.7 아크 결함과 부분 방전
1.19.7.1 아크의 종류와 직류의 어려움
| 종류 | 무엇인가 | 과전류 보호가 보나 |
|---|---|---|
| 직렬 아크 | 느슨한 접속이나 끊어진 도체의 틈, 곧 전류 경로 안에서 생기는 아크 | 보지 못한다. 전류가 오히려 줄어든다 |
| 병렬 아크 | 서로 다른 도체나 기체 사이의 절연 파괴 | 전류가 차단 임계보다 작으면 보지 못한다 |
| 트래킹 | 오염·습기가 낸 표면 도전로를 따라 방전 | 서서히 진행해 감지가 어렵다 |
아크의 국소 전력은 아크 전압과 전류의 곱이다. 아크 전압을 수십 V(일반적인 공기 중 금속 아크의 가정, 확인 필요)라 하면 100 A 아크는 수 kW를 한 점에 집중해 절연을 태운다. 교류는 전류가 0을 지날 때 아크가 꺼질 기회가 있다. 직류는 그 기회가 없다. 직류 800 V를 끊으려면 접점 사이 아크 전압이 전원 전압을 이겨 전류를 0으로 몰아야 하므로 차단기가 크고 무겁다. 항공용 교류 아크 차단기는 SAE AS5692(115 V 교류 400 Hz)가 있으나, 항공 고전압 직류의 아크 검출·차단 규격은 확인하지 못했다. 지상에는 태양광용 직류 아크 보호 규격(UL 1699B)이 있다. 1.17이 미해결로 남긴 문제가 이것이다.
1.19.7.2 파셴 곡선 — 고도가 오르면 방전 전압이 내려간다
공기 중 틈새의 파괴 전압은 압력과 틈새 길이의 곱($pd$)으로 정해지고, 곡선은 중간에서 최솟값을 가진다. 균일 전계에서 교과서 모형은 다음과 같다.
$$V_b=\frac{B\,p\,d}{\ln(A\,p\,d)-\ln\!\big(\ln(1+1/\gamma)\big)}, \qquad A=15,\ B=365,\ \gamma=0.01$$
($p$ [Torr], $d$ [cm], $A$ [1/(cm·Torr)], $B$ [V/(cm·Torr)], $\gamma$는 음극 이차 전자 방출 계수의 교과서 값). 이 모형의 최솟값은 약 305 V($pd\approx0.84$ Torr·cm)이고, 공기의 실측 최솟값은 약 327 V로 알려져 있다(확인 필요). 결론: 압력이 내려가면(고도가 올라가면) 같은 틈새도 낮은 전압에서 방전하고, 어느 고도 이상에서는 800 V가 틈새를 넘는다.
| 고도 | 해면 대비 압력 | 틈새 0.5 mm | 틈새 2 mm | 틈새 10 mm |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 1.00 | 2,880 V | 8,945 V | 35,509 V |
| 3 km | 0.69 | 2,158 V | 6,580 V | 25,785 V |
| 12 km | 0.19 | 837 V | 2,328 V | 8,598 V |
| 25 km | 0.025 | 307 V | 546 V | 1,660 V |
해면 대비 파괴 전압은 3 km에서 약 75 %, 6 km에서 약 53 %다. AAM의 운용 고도(대개 3 km 이하)에서는 약 25 % 내려가는 정도이고 800 V는 mm 단위 틈새에서도 한참 아래다. 그러나 이것은 균일 전계의 이상값이다. 뾰족한 모서리, 오염, 습기, 표면을 따라가는 연면 방전, 인버터의 빠른 전압 변화(SiC는 ns당 수십 V)가 만드는 부분 방전은 훨씬 낮은 전압에서 시작한다. 그래서 설계는 이상 파괴 전압이 아니라 규격의 공간 거리·연면 거리와 고도 보정(IEC 60664-1은 2,000 m 이하를 기본으로 하고 그 위는 보정을 요구한다, 보정값은 규격 본문 확인 필요)에 마진을 둔다. HAPS(1.15)처럼 18~25 km에서 도는 기체는 틈새 0.5 mm의 파괴 전압이 약 460~307 V라 고체 절연·포팅·가압 하우징이 필요하다. 인버터로 구동하는 모터 권선은 반복 전압 펄스에 부분 방전이 생기므로 인버터 구동 절연 계통 규격(IEC TS 60034-18-41·42, 판 확인 필요)으로 시험한다.
1.19.8 EWIS의 규제와 설계 원칙
1.19.8.1 정의와 규제 구조
14 CFR §25.1701은 EWIS를 항공기 어디에 설치되든 전기 에너지나 신호를 지정한 끝점 사이에 나르는 전선·배선 장치·이들의 조합(단자 장치 포함: 전선과 케이블, 버스 바, 커넥터, 스플라이스 등)으로 정의한다. 수송기(Part 25)의 EWIS 요건은 Subpart H(§25.1701~§25.1733)에 있다. 대표 조항은 다음과 같다.
| 조항 | 요지 |
|---|---|
| §25.1707 | 분리: 다른 구성품·구조와 충분히 떨어뜨리고 모서리·마모·진동·기계적 손상으로부터 보호 |
| §25.1709 | 안전성: 치명적 고장 상태는 극히 일어나기 어렵고 단일 고장에서 나오지 않아야 한다 |
| §25.1729 | 계속 감항을 위한 지침(검사·정비) |
배경은 다음과 같다. 1990년대 TWA 800과 Swissair 111 사고에서 배선이 쟁점이 되었고, FAA가 EWIS를 별도의 항으로 세운 최종 규칙을 2007년 11월 8일 연방 관보(72 FR 63406)에 냈다. 두 사고의 원인 판단은 각 사고조사 보고서를 직접 확인해야 한다. 지침은 AC 25.1701-1(2007-12-04), 유럽은 CS-25 Subpart H가 대응한다. 소형 UAS에는 EWIS 요건이 없고, 경량 비행기·eVTOL의 전기 계통은 ASTM F3316/F3316M-19와 EASA SC-VTOL·SC E-19 같은 기준과 사안별 합의로 다룬다(20.5·17.14, 조항 단위는 확인 필요).
1.19.8.2 설계·설치 원칙
- 분리. 다중화 버스는 물리적으로 떨어뜨린다(다른 경로·다른 구획). 고전압 동력선과 저전압 신호선도 떨어뜨린다. 공통 원인 하나가 두 버스를 함께 죽이면 다중화가 무의미하다(8.4).
- 보호. 모서리·마모·진동·열·유체로부터 보호하고(그로밋, 슬리브, 클램프 간격), 굽힘 반경을 준수하고, 물이 흘러내릴 곳에서 커넥터까지 가지 않도록 처리한다.
- 식별. 선·커넥터에 식별 표시를 붙인다. 정비 오류를 줄이는 가장 값싼 방법이다.
- 접근과 검사. 눈으로 검사하고 교체할 수 있어야 한다. 노후 배선의 위험은 보이지 않는 곳에서 자란다.
- 열과 연소. 절연 재료는 발열·연소·아크 트래킹 특성을 보고 고른다. 일부 절연재(예: 방향족 폴리이미드)는 아크 트래킹 문제가 알려져 사용이 제한되었다(
확인 필요). - 지속 감항. 배선 검사와 수명 관리는 정비 프로그램에 들어간다(20.23·8.21).
1.19.9 케이블 선정 — 허용 전류·고도·묶음
도체 단면을 정하는 기준은 세 가지다. 허용 전류(도체 온도가 절연 한계를 넘지 않는 전류), 전압 강하와 손실, 질량이다. 이 가운데 질량 대 전압은 1.17.6, 계류 케이블은 1.14.4가 계산했다. 여기서는 허용 전류와 전압 강하를 본다.
허용 전류는 줄 발열 $I^2R'$과 방열(자연대류+복사)이 균형을 이루는 점이다. 구리 저항률은 온도와 함께 올라(약 0.39 %/K) 열이 더 늘어난다. 공기가 옅어지면 대류가 약해지지만 복사는 그대로다. 아래 그래프는 3.31 mm²(AWG 12급) 전선을 도체 150 °C·주위 40 °C로 둔 열평형 모형이다(Churchill–Chu 자연대류 상관식과 복사, 절연 두께 0.3 mm, 모든 가정은 그림 원문에 있다).
결론: 3 km에서 허용 전류는 약 4 % 줄 뿐이다. 반면 묶음이 훨씬 크다. 19가닥 묶음은 가닥당 0.44배, 7가닥은 0.59배다. 이 모형은 묶음 내부의 온도 상승과 전선 사이 열전달을 무시해 낙관적이므로 실제 묶음은 더 낮다. 표의 단선 허용 전류를 그대로 사용하지 않고 설치 조건(묶음·고도·주위 온도)으로 줄여 사용하는 이유다. 표준 규격의 감소 계수는 규격 본문을 확인해야 한다(SAE AS50881, 판 확인 필요).
| 전선 | 단면 [mm²] | 저항 [mΩ/m, 20 °C] | 도체 질량 [g/m] | 모형 허용 전류 [A] | 그 전류에서 왕복 20 m 전압 강하 | 28 V 대비 | 800 V 대비 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AWG 20 | 0.52 | 33.1 | 4.7 | 18.1 | 18.2 V | 65 % | 2.3 % |
| AWG 16 | 1.31 | 13.1 | 11.7 | 31.7 | 12.6 V | 45 % | 1.6 % |
| AWG 12 | 3.31 | 5.2 | 29.7 | 56.7 | 8.9 V | 32 % | 1.1 % |
| AWG 8 | 8.37 | 2.1 | 75.0 | 103.6 | 6.4 V | 23 % | 0.8 % |
| AWG 4 | 21.15 | 0.81 | 189.5 | 192.7 | 4.7 V | 17 % | 0.6 % |
(150 °C 저항 기준. 파이썬으로 계산.) 결론: 허용 전류에서 사용하면 28 V 버스는 20 m 왕복에서 전압이 17~65 % 떨어져 전압 강하가 허용 전류보다 먼저 한계를 정한다. 800 V는 같은 전류에서 2 % 이하다. 소형 UAS(24 V, 120 A, 왕복 0.6 m, AWG 10)의 예로는 강하가 0.24 V(1 %), 손실이 28 W다. 짧아서 문제가 되지 않지만 커넥터가 문제가 된다(1.19.11).
1.19.10 접지·본딩·전자기 환경·낙뢰
접지와 귀환. 알루미늄 기체에서는 구조를 전류 귀환 경로로 사용하는 일이 있었다. 복합재(CFRP) 기체에서는 구조가 훨씬 나쁜 도체이므로 별도 귀환 도체를 깐다. 고전압 추진 버스는 구조와 떠 있게 두고(1.19.5.2) 보조 저전압은 단일점 접지로 묶는 구성이 흔하다.
본딩. 구조·장비 사이를 낮은 저항(mΩ 단위)으로 묶어 낙뢰·정전기·고장 전류가 안전하게 흐르게 한다. 요구 저항값은 규격마다 다르다(확인 필요). 도전 경로가 끊기면 한 점에서 전위가 올라 아크가 생긴다.
낙뢰. 낙뢰는 최대 수십~200 kA의 전류를 기체 표면에 흘린다(SAE ARP5412의 환경 서술, 값은 확인 필요). 알루미늄은 전도가 좋지만 CFRP는 약하다. 두께 2 mm 판의 면저항은 전도도 $5\times10^4$ S/m를 가정하면 $1/(\sigma t)=0.01\ \Omega$/sq이고(알루미늄 $3.5\times10^7$ S/m는 14 $\mu\Omega$/sq), 100 kA가 한 칸을 지나면 $IR=1$ kV(전도도 $10^4$ S/m이면 5 kV)가 구조에 걸린다(파이썬 계산, 가정은 대표값). 그래서 CFRP 외피에는 금속 메시·포일을 넣고 낙뢰 유도 전압에 견디는 배선·장비로 보호한다. 규격은 SAE ARP5412·5414·5416, FAA AC 20-136C(2026-05-15, 전기·전자 시스템의 낙뢰 보호, 20-136B를 대체 — 8.10에서 원문 확인)다.
HIRF와 전자기 간섭. 고강도 방사 전자기장은 14 CFR §25.1317 등이 보호를 요구하고, 지침은 AC 20-158B다(AC 20-158A는 2024-05-20에 폐지·대체되었다고 FAA 기록이 보여 준다). 인버터는 빠른 스위칭으로 전도·방사 간섭을 내는 방출원이다. 대책은 차폐 케이블, 꼬임선, 필터, 짧은 루프, 신호선과 동력선의 분리다. 시험은 DO-160과 MIL-STD-461이다(8.9·8.10).
1.19.11 커넥터 신뢰성
커넥터는 EWIS에서 고장이 잦은 부위로 흔히 지적된다(일반 서술, 확인 필요). 접점은 진동에서 미세하게 움직여 표면이 마모·산화(마찰 부식)하고 접촉 저항이 오른다. 저항이 오르면 한 점에서 발열하고 발열이 산화를 키운다. 120 A를 흘리는 소형 UAS 커넥터의 발열은 다음과 같다(산술, 접촉 저항은 가정).
| 접촉 저항 | 60 A | 120 A |
|---|---|---|
| 0.5 mΩ(양호) | 1.8 W | 7.2 W |
| 1 mΩ | 3.6 W | 14.4 W |
| 5 mΩ(열화) | 18 W | 72 W |
결론: 접촉 저항이 10배가 되면 발열이 10배가 된다. 72 W는 손톱 크기의 접점에서 플라스틱을 녹이기에 충분하다. 대책은 충분한 접촉 압력과 도금, 체결 잠금, 케이블 지지로 접점에 힘이 가지 않게 하는 것, 정기 점검과 접촉 저항 측정이다. 고전압 커넥터는 손가락 접촉 방지 형상과 인터락, 방수 등급을 더한다. 소형 UAS의 취미용 커넥터는 이런 보증이 없고 납땜 불량과 커넥터 열화가 흔한 고장 원인으로 보고된다(공개 사고 보고의 일반 서술, 확인 필요). 설계는 짧은 선과 적은 접점이 가장 좋다.
1.19.12 설계 트레이드오프
배전 구조의 세 선택지(1.19.3)가 출발점이다.
① 단일 버스. 가볍고 단순하며 값싸다. 버스 고장이 전체 상실이므로 낙하산·낮은 고도·사람 위가 아닌 운용에 맞는다. 소형 UAS와 소모성 군용 기체가 취하는 쪽이다.
② 이중 독립 버스(연결 없음). 한쪽 고장이 다른 쪽으로 번질 경로가 없다. 대신 한쪽을 잃으면 용량의 절반뿐이다. 추진기를 교대로 물려 자세를 유지한다(1.17.7).
③ 연결 버스. 한쪽 팩이 죽어도 전체가 살 수 있다. 대신 연결 접촉기 자체가 고장 모드(잠재 고장·용착)이고 고장이 번질 수 있다.
견해: AAM의 주 추진 버스는 이중 독립을 기본으로 하고 연결은 평상시 열어 두는 쪽이 낫다고 본다. 근거는 둘이다. 첫째, 직류 고전압의 아크와 차단이 어려워(1.19.7.1) 한쪽 단락이 연결을 타고 번지면 두 버스를 함께 잃는다. 둘째, 용량 절반만으로도 안전하게 착륙하도록 추진기 다중화를 설계하는 것이(1.17.7) 연결의 잠재 고장을 믿는 것보다 입증이 쉽다. 반면 필수 항전은 반드시 양쪽에서 받고 별도의 저전압 버스와 보조 배터리를 둔다. 연결은 필수 항전용 저전력 경로로만 두는 편이 안전하다. 이는 설계 판단이며 고장 모드 분석(8.4)과 시험이 최종 근거다.
1.19.13 세 축 비교
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 전압 | 28 V·115 V 교류·270 V 직류(MIL-STD-704F), 소형은 수십 V | 수십 V | 400 V 이상, 항전은 28 V 별도 |
| 배전 | 단일 버스가 일반, 대형은 이중 | 단일 버스 | 이중 독립 버스 + 별도 항전 버스 |
| 지배 위험 | 전자기·환경·피격 | 커넥터·납땜·큰 전류 | 고전압 아크·감전·화재 |
| 인증 | 군 감항·MIL 규격 | 없음 | EWIS·고전압 안전 인증 |
| 정비 | 야전 정비성 | 사용자 교체 | 고전압 자격 정비(20.18) |
| 핵심 병목 | 환경·EMI 시험 | 품질 편차 | 직류 고전압 차단·아크 규격 |
1.19.14 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 |
|---|---|---|---|
| 14 CFR Part 25 Subpart H(§25.1701~1733) · EASA CS-25 Subpart H | FAA·EASA | 수송기 EWIS 요건. AC 25.1701-1(2007-12-04)이 지침 | 20.5 |
AC 43.13-1B 11장 · AC 25-16 판 확인 필요 | FAA | 항공기 전기 계통 검사·수리, 전기 결함과 화재 예방 | 20.23 |
SAE AS50881 판 확인 필요 | SAE | 항공우주 차량 배선의 설계·설치 | 9.3 |
| MIL-STD-704F(2004) | 미 국방부 | 항공기 전력 특성(28 V 직류·115 V 교류 400 Hz 등) | 9.3·8.10 |
| ASTM F3316/F3316M-19 | ASTM | 전기·하이브리드 추진 비행기의 전기 계통 요건 | 20.5 |
| SAE AS5692(A) | SAE | 115 V 교류 400 Hz 아크 차단기(직류 고전압용은 확인하지 못했다) | 9.1 |
| RTCA DO-160G(2010) | RTCA | 장비 환경·전자기·낙뢰 시험. DO-160H는 개발 중 확인 필요 | 8.9·8.10 |
| SAE ARP5412·5414·5416 · AC 20-136C(2026-05-15) · AC 20-158B(2024-05-20) | SAE·FAA | 낙뢰 환경·구역·시험(SAE는 판 확인 필요), 낙뢰 보호·HIRF 인증 지침(AC는 원문 확인) | 8.10 |
MIL-STD-461G · MIL-STD-464C 판 확인 필요 | 미 국방부 | 전자기 방출·내성, 전자기 환경 효과 | 8.10·9.3 |
| IEC 60664-1(2020) · IEC TS 60034-18-41·42 | IEC | 절연 협조(공간·연면 거리, 고도), 인버터 구동 모터 절연 판 확인 필요 | 지상 산업 규격 |
| UN R100 · ISO 6469-3 | UNECE·ISO | 지상 전기차 고전압 안전(전압 등급·절연 저항·표시) | 항공 준용 시 확인 필요 |
| RTCA DO-311A | RTCA | 항공용 리튬 배터리 시스템 | 9.20·15.5 |
유료 표준의 본문은 옮기지 않고 구조와 요지만 적었다. 규격 지형은 9.1, 미국 군사 규격은 9.2이 다룬다.
1.19.15 관련 규제·인증 요구와의 연결
- EWIS 인증 — 수송기는 Subpart H, 소형 항공기와 eVTOL은 특별조건·ASTM 기준·사안별 합의다(20.5·17.7·17.14).
- 고전압 안전 — 정비 인원 자격과 고전압 작업 절차(20.18).
- 환경·전자기 — 고도·온도·진동 시험과 EMC·낙뢰·HIRF 시험(8.9·8.10).
- 배터리 인증 — 배터리 계통의 최소 성능과 안전은 9.20·15.5.
- 안전성 평가 — 공통 원인(공유 접지·같은 경로)과 배전 고장 조건은 8.4가 다룬다.
- 계속 감항 — 배선의 검사와 노후 관리(20.23).
- 군 — MIL-STD-704F와 전자기 규격 적합성(20.19·9.3).
1.19.16 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "전선은 허용 전류표만 보면 된다" | 묶음이 가닥당 허용 전류를 0.44~0.59배로 줄인다. 설치 조건으로 낮춰야 한다 | 1.19.9 |
| "고전압은 고도에서 문제가 없다" | 3 km에서 파괴 전압이 약 25 % 내려가고 18~25 km에서는 800 V가 mm 틈새를 넘는다 | 1.19.7.2 |
| "과전류 차단기가 아크를 막는다" | 직렬 아크는 전류를 늘리지 않아 보이지 않는다 | 1.19.7.1 |
| "프리차지는 부품 보호용이다" | 접점 용착과 화재를 막는다. 저항이 단락 부하를 만나면 6.4 kW를 낸다 | 1.19.6 |
| "28 V 버스는 안전하니 배선을 아껴도 된다" | 28 V는 전압 강하가 먼저 한계다. 허용 전류에서 17~65 % 떨어진다 | 1.19.9 |
| "복합재 기체도 구조로 귀환시키면 된다" | 면저항이 알루미늄의 수백 배라 낙뢰·고장 전류의 전위가 커진다 | 1.19.10 |
| "커넥터는 꽂으면 끝이다" | 접촉 저항이 열화하면 한 점에서 수십 W가 난다 | 1.19.11 |
미해결 문제도 있다.
- 항공 고전압 직류의 아크 검출과 차단 — 지상 규격은 있어도 항공 환경(진동·고도·온도)의 합의된 규격은 정착 중이다(확인하지 못했다).
- 고도 보정 — 전기 절연 협조의 2,000 m 위 보정과 부분 방전 시험 방법의 항공 적용 기준은 사안별이다.
- 복합재 기체의 낙뢰와 고전압의 결합 — 보호 구성의 공개 검증 데이터가 드물다.
모형의 한계: 파셴 곡선은 균일 전계 이상값이고 온도·습도·표면을 무시한다. 허용 전류 모형은 단선 자연대류와 묶음의 낙관적 근사다. 프리차지는 경로 인덕턴스와 접점 바운스를 넣지 않았다.
1.19.17 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 단일 버스·이중 독립 버스·연결 버스를 고장 시 남는 것으로 비교하고, 필수 부하를 양쪽에서 받는 이유를 설명하라.
- 800 V·250 μF 링크를 100 Ω 저항으로 프리차지할 때 시간 상수, 저항이 낸 열, 99 %에서 닫을 때 돌입 전류를 구하라.
- 100 Ω/V의 절연 저항이 왜 단일 고장 전류를 10 mA 아래로 묶는지 산술로 보이고, 두 번째 점이 닿으면 어떤 일이 일어나는지 말하라.
- 직류 아크가 교류보다 끄기 어려운 이유와 직렬 아크를 과전류 보호가 못 보는 이유를 설명하라.
- 파셴 곡선에서 고도가 오르면 파괴 전압이 내려가는 이유를 $pd$로 설명하고, 이 모형의 한계를 둘 말하라.
- 28 V 버스와 800 V 버스에서 같은 전선이 허용 전류에 도달했을 때 전압 강하를 비교하라.
- 복합재 기체에서 귀환 전류를 구조에 맡기지 않는 이유를 면저항으로 설명하라.
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 항공 고전압 직류의 아크 보호 — 800 V급 직류에서 직렬 아크를 검출하고 안전하게 차단하는 구조와 시험 방법은 무엇인가? 지상 규격(태양광·전기차)을 어디까지 옮길 수 있는가?
- 고도·부분 방전의 시험 기준 — AAM 고전압 장비의 고도·습도·인버터 펄스를 합친 부분 방전 시험은 어떻게 정의되어야 하는가?
- 복합재 기체의 귀환·낙뢰 설계 — 별도 귀환 도체와 고전압 부동 구조가 낙뢰와 만났을 때의 최악 전위를 어떻게 검증하는가?
- 연결 접촉기의 잠재 고장 — 평상시 열려 있는 연결 접촉기의 고장 확률을 점검 주기와 함께 어떻게 논증하는가?
1차 출처(이 장)
- 14 CFR Part 25 Subpart H(eCFR), FAA AC 25.1701-1(2007-12-04), 연방 관보 72 FR 63406(2007-11-08), EASA CS-25 Subpart H.
- Moir, I.; Seabridge, A., Aircraft Systems: Mechanical, Electrical and Avionics Subsystems Integration, 3rd ed., Wiley, 2008.
- Raizer, Yu. P., Gas Discharge Physics, Springer, 1991
(판 확인 필요)— 파셴 법칙. - Incropera, F. P.; DeWitt, D. P. 외, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Wiley — 자연대류(Churchill–Chu 상관식).
- 사고 조사: NTSB의 TWA 800 최종 보고서, 캐나다 TSB의 Swissair 111 최종 보고서(원문 확인 권장).
- RTCA DO-160G, MIL-STD-704F, ASTM F3316/F3316M-19, SAE AS5692, UN R100, IEC 60664-1.
계산은 fig-src/1.19-paschen.py·1.19-ampacity.py의 모형과 파이썬 math로 했다(교육용 모형이며 시험 값이 아니다).
다음 장: 1.20에서는 전기가 아닌 연료 쪽 추진을 본다. 피스톤·로터리·중질유 엔진과 터보프롭·터보팬, 고도에 따른 출력 감소, 연료 대 배터리의 비에너지, 지속가능항공유를 다룬다.