전기 비행선 1883–1884

작성자 James Herne

200곳의 전시 업체가 파리 국제 전기 박람회에서 자가발전기, 전동기, 배터리와 배터리 부품을 선보였다. 그 해는? 1981년이 아니라 1881년이었다.

19세기는 발명으로 가득한 시대였다. 그중 몇 가지를 살펴보자.

1859년 – 플랑테가 충전식 배터리를 발명했다. 그의 발명은 오늘날 12V 자동차 배터리로 이어지고 있다.
1873년 – 지멘스가 상업적으로 실용적인 최초의 자가발전기를 만들었다. 이 장치는 전동기로도 작동했다.
1879년 – 지멘스가 소형 전기 기관차를 제작했는데, 이 기관차는 6명이 탈 수 있는 객차 3량을 끌 수 있었다.
1880년 – 트루베가 지멘스 전동기의 효율을 개선했다.
1881년 – 트루베가 전기 삼륜차와 보트용 전기 선외기를 발명했다.

따라서 최초의 재미있는 탈것은 귀스타브 트루베가 만들었고, 그 차량들은 전기식이었다. 화석 석탄은 증기 기관에 사용되었지만, 화석 석유는 아직 사용되지 않던 시기였다.

1881년의 풍자화에서 볼 수 있듯이, 증기 왕과 석탄 왕은 전기라는 이름을 가진 갓난아이를 불안한 눈으로 보고 있었다.

1881년 5월 26일 파리의 센강에서 트루베의 전기 보트를 본 뒤, 가스통 티상디에르는 전동기를 장착한 비행선을 만들겠다는 아이디어를 떠올렸다. 티상디에르는 이미 10년 넘게 열기구 비행을 해오고 있었는데, 지체하지 않고 1881년 6월 9일에 “공중 항행에 대한 전기의 응용”이라는 특허를 출원했다. 그는 다가오는 전기 박람회를 위해 길이 4m짜리 꿈의 비행선 축소 모형 제작에도 착수했다.

파리의 1881년 국제 전기 박람회는 전기의 실용적 활용을 촉진한 인류 역사상 가장 중요한 단일 행사였다. 전시회는 4개월 동안 매일 문을 열었다. 행사에서 가장 빛난 것은 전등이었고, 그 덕분에 전시회는 이른 아침부터 늦은 밤까지 운영되었다.

“저녁이 되면 전시장은 마치 요정의 세계처럼 변신해, 눈부신 빛의 향연을 펼칠 것이다. 일반 대중은 이 기념비적인 건물 안에 한데 모인 모든 과학적 경이로움을 연구하고 감탄하는 데 지치지 않는다. 이 건물은 전기의 신전이라고 불러도 좋을 것이다.” — 『라 나튀르』 잡지, 1881-08-20

전기를 생산하는 장치는 ‘머신(machine)’이라고 불렸는데(참고로 ‘machine’은 프랑스어다), 여기에 전기원을 연결하면 그때는 ‘모터’라고 불렀다. 1881년에는 전기를 생산하는 용도로 이러한 머신을 사용하는 데 초점이 맞추어져 있었다. 전시회에는 다양한 머신이 전시되었는데, 영구자석식 직류 머신, 영구자석식 교류 머신, 전자석식 직류 머신이 있었다(전자석식 교류 모터는 몇 년 뒤인 1888년에 니콜라 테슬라가 특허를 냈다).

전시회의 독특한 전시물 가운데 하나는 티상디에르가 구상한 향후 전기 비행선의 모형이었다. 이 거대한 모형은 불과 두 달 만에 제작되었다. 모형에는 플랑테의 충전식 배터리가 탑재되었고, 트루베가 제작한 소형 전동기의 무게는 고작 220g에 불과했다.

티상디에르는 모형보다 10배 큰 비행선을 만들면 여러 사람을 태울 수 있을 것이라고 계산했다.

79세였던 빅토르 위고는 1881년 전기 박람회를 관람한 뒤 이렇게 썼다.

“머지않아 지구 표면은 태양열을 저장하도록 설계될 것이다. /-/ 이 열은 전기로 변환되어 어디에나 분배되고, 밤에는 거리를 밝히고, 기계를 돌리고, 기관차를 끌 것이다. /-/ 미래는 찬란하고, 정의롭고, 해방을 가져올 것이다. 미래는 아름답고 선할 것이다. 그대들 젊은이는 이러한 경이로움을 보게 될 것이다. 나는 그것을 보지 못하겠지만, 반드시 그런 날이 올 것임을 알고 있다.”

“자연의 힘 가운데 가장 비용이 적게 들고 가장 고르게 분포된 것은 바람의 힘이지만, 가장 소홀히 다루어지는 힘이기도 하다.” — 『라 나튀르』 잡지, 1883-07-14

화석 석유 시대 이전에 엔지니어들은 태양과 바람으로부터 에너지를 끌어오는 방법을 막 찾아내기 시작했다. 자동차가 발명되기도 전에, 전동기를 장착한 비행선이 먼저 만들어졌던 것이다!

티상디에르 형제에게는 격납고를 지을 시간과 돈이 없었기 때문에, 비행선의 대형 부품을 야외에서 제작해야 했다. 기구의 크기는 파리에 있는 티상디에르의 대지 크기에 의해 결정되었다. 설계도를 보면, 비행선의 계획 길이는 27m였다.

가스통 티상디에르는 전동기, 배터리, 기구에 주입할 수소를 생산하는 장치 제작에 힘썼고, 그의 형 알베르 티상디에르는 비행선 제작에 전념했다.

1882년, 가스통 티상디에르는 고성능이면서도 경량인 배터리 팩 제작을 주문했다. 당시 기준으로 이는 약 5kWh 용량의 배터리 팩 무게가 180kg이라는 뜻이었다. 에보나이트로 만든 배터리 케이스 안에 아연판과 탄소판을 번갈아 배치했고, 물과 황산(H2SO4), 중크롬산칼륨(K2Cr2O7)으로 이루어진 용액에서 전류가 발생했다.

가스통 티상디에르의 주문으로, 파리의 지멘스가 경량 전동기를 제작했다. 새 전동기의 무게는 55kg이었다. 배터리 팩이 최대 출력 1.8kW(40V, 45A)를 낼 때, 전동기는 1kW를 출력할 수 있었다. 전동기의 효율은 55%였는데, 참고로 현대 전동기의 효율은 약 95%에 이른다.

전동기는 1:10 기어비를 통해 프로펠러를 구동했다. 최대 엔진 회전수 1800rpm에서 프로펠러는 180rpm으로 회전했다. 지름 2.85m의 프로펠러 무게는 7kg이었다.

처음에는 시험용으로 분리된 배터리 24개를 사용했지만, 이후 곤돌라 공간을 절약하기 위해 6셀 배터리 4개가 제작되었다. 회전식 스위치를 이용해 6, 12, 18, 24개 셀을 선택할 수 있었고, 이에 따라 4단계의 프로펠러 회전수를 얻을 수 있었다.

계산 결과, 비행선의 최고 속도는 시속 15km를 넘지 못하는 것으로 나타났다. 바람 속도가 이보다 낮은 경우는 매우 잔잔한 날뿐이다. 1883년 1월, 가스통 티상디에르는 『라 나튀르』 잡지에, 재정적으로 가능하다면 5kW 전동기를 탑재할 수 있는 더 큰 기구를 제작하고 싶다고 썼다. 프랑스 군부는 이 정보를 아무 말 없이 눈여겨보았다.

티상디에르 형제의 비행선이 완성되었을 때, 길이는 28m에 달했다. 수소로 채운 1060m³ 기구의 양력은 1250kg이었다. 첫 시험 비행을 수월하게 하기 위해, 이륙 중량을 양력보다 10kg 가벼운 1240kg으로 맞추기로 했다. 전동기와 배터리를 포함한 비행선 자체의 무게는 704kg이었고, 형제 둘과 그들이 가져간 계측 장비의 총 무게는 150kg이었다. 남은 386kg은 투하용 밸러스트로 사용되었다. 밸러스트는 상승을 조절하는 데 필요했고, 하강 시에는 기구에서 일부 수소를 방출했다.

1883년 10월 8일, 역사적인 날이 찾아왔다. 티상디에르의 마당에는 구경꾼들이 모여 세계 최초의 전기 추진 비행선이 이륙하는 장면을 지켜보았다. 조종은 가스통 티상디에르(1843–1899)와 알베르 티상디에르(1839–1906)가 맡았다.

분당 180회라는 최대 프로펠러 회전수에서 이 비행선은 초속 3m(시속 10km)의 바람을 견딜 수 있었다. 그러나 바람이 강해져 비행선을 떠밀어 갔고, 그 결과 집으로 돌아오는 것은 불가능해졌다. 그들은 파리 외곽에 착륙했다. 비행선에 더 강한 동력이 필요하다는 점이 여실히 드러났다.

프랑스 육군의 르나르와 크렙스 대위는 티상디에 형제가 전기 비행선을 제작하면서 얻은 경험을 면밀히 관찰했다. 이 정보를 바탕으로 그들은 프랑스 군대를 위해 비밀리에 전기 비행선을 제작했다. 군용 기구 기지인 샬레-뫼동은 파리의 티상디에 형제 작업장으로부터 불과 6.5km 떨어진 곳에 위치해 있었다.

배터리 구성 요소는 군에서 비밀에 부쳤다. 다만, 배터리가 네 구획으로 나뉘어 있어 장거리 비행을 위해 병렬로, 고속 비행을 위해 직렬로 연결할 수 있었다는 사실만 공개되었다. 배터리 팩에서 최대 8.2kW가 공급될 때 모터 출력은 5.7kW였으며, 따라서 모터 효율은 70%였다.

최대 출력에서 지름 7m의 프로펠러는 분당 46회 회전했다.

르나르-크렙스 비행선은 동체 앞부분에 프로펠러를 장착한 최초의 항공기였다. 심지어 최초의 비행기였던 라이트 형제의 1903년 플라이어도 앞부분에 프로펠러가 있지는 않았다.

르나르-크렙스의 비행선 ‘라 프랑스’는 티상디에 비행선보다 거의 두 배나 컸다. 기구는 길이 50m였으며, 1864m3의 수소가 약 2100kg의 양력을 제공했다.

1884년 8월 8일의 첫 비행에서 르나르와 크렙스는 자신들의 전기 비행선으로 기지로 돌아오는 데 성공했다. 그들은 증기선처럼 서툴게 앞뒤로 몇 차례 기동한 뒤, 비행선이 제작된 뫼동의 Y 격납고 근처에 착륙했다(이 격납고는 지금도 존재하며, https://hangar-y.com 참조). 이것이 인류 역사상 최초의 완전 제어 비행이었다.

‘라 프랑스’ 비행선은 1884~1885년에 여러 차례 시험 비행을 했다. 르나르-크렙스 설계의 약점은 착륙 시 프로펠러가 손상될 수 있다는 점이었다.

“과학의 이익이 걸려 있을 때는 인물에 관한 문제는 사라져야 하며, 우리는 언제나 우리의 모방자들이 거두는 성공을 기꺼이 환영할 것이다.” —가스통 티상디에(저서 “Mes ascensions, 1868-1888″에서)

1880년대 전반은 인류 역사에서 축복받은 순간이었다. 미래가 전기로 가득 차 보였기 때문이다. 그 뒤에 화석 연료로 구동되는 기관이 등장했다. 1885년은 벤츠와 다임러-마이바흐의 액체 연료 내연기관이 실용 단계에 이른 해였다.

상황이 얼마나 잘못 흘러갔는지 이해하기 위해서 — 작가 카를 아우구스트 힌드레는 1927년에 신선한 공기에 대해, 그것이 “파리의 휘발유와 연기 매연 뒤에 들이마시는 공기라 더욱 천국처럼 느껴진다”고 썼다. 100년이 지난 지금도 사람들은 여전히 뚜렷한 이유도 없이 과도한 CO2를 배출하고 있다.

화석 연료 산업은 청정 전기와 비교하자면, 마치 저인망 어선과 농부가 같은 조건에서 경쟁해야 하는 것과 같다. 한쪽은 그저 자연을 고갈시키는 반면, 다른 한쪽은 우리 후손들을 위해 지구를 지키는 데 필수적인 힘든 일을 해내고 있기 때문이다.

우리는 ‘전기’를 사랑해야 한다. 우리 세상을 구하는 이 어린아이를 응원해야 한다!