Win-Win Tech - 고고도 장기체공 태양광 무인기 개발
이융교 책임연구원 / 한국항공우주연구원 공력성능연구팀 / lyg@kari.re.kr
WIN-WIN TECH는 정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
고고도 장기체공 무인기 개발에 대한 관심
지상 정찰, 관측 및 통신중계 목적의 고고도 장기체공 무인기의 필요성이 증대되고, 아울러 화석연료 고갈과 지구 온난화 문제를 해결하기 위한 신재생 에너지에 대한 관심은 이미 세계적인 추세가 되고 있다.
이러한 필요성에 힘입어 스위스의 태양광 유인기인 솔라 임펄스는 세계 일주 비행에 도전하고 있으며, 미래에 인공위성의 기능을 보완할 것으로 여겨지는 고고도 장기체공 무인기는 HAPS의 의미를 High Altitude Platform System에서 High Altitude Pseudo-Satellite으로 재해석하며 체공시간과 운용성능 향상에 박차를 가하고 있다.
2013년 유럽의 EADS Astrium사는 성층권 2주 비행을 성공한 영국 Qinetiq사의 Zephyr를 고가에 인수하여 동절기 연속비행을 11일간 수행하였다.
또한 인터넷 거물인 Facebook은 2013년 11월 Ascenta Aerospace사를 2천만 달러에 인수하고, Google은 Titan Aerospace사를 인수하여 인프라가 부족한 지역에 인터넷을 공급하기 위한 고고도 장기체공 무인기 개발에 박차를 가하고 있다.
2015년 Facebook은 Aquila라는 고고도 장기체공 태양광 무인기를 개발하여 비행시험을 계획하고 있다( 그림 1 참조).
Aquila는 성층권에서 수개월 이상 장기체공하며 레이저를 이용한 통신 중계기로 인터넷 인프라 구축이 어려운 오지에 인터넷을 공급한다는 야심찬 목표를 가지고 있다.
한국항공우주연구원에서는 태양광 에너지를 활용한 탄소 배출 저감 기술과 지상 정찰, 통신중계 및 기상 관측 목적의 고고도 장기체공 무인기 기술을 확보하기 위하여 개발이라는 세계적인 추세에 힘입어 2010년 부터 고고도 장기 체공 전기동력 무인기 개발을 추진하고 있다.
2010년 EAV-1은 연료전지를 이용하여 4시간 30분 동안 연속비행을 하였으며, 2013년 EAV-2H는 비정질 태양전지와 리튬이온 배터리를 이용하여 25시간 연속비행에 성공하였다. 또한 2014년 EAV-2H의 고고도 파생형인 EAV-2H+는 고도 10km 상승에 성공하였다.
다년간의 전기 동력 축소형 무인기 연구를 바탕으로 올해에는 성층권 상승을 위한 Full-Scale 기체인 EAV-3를 설계, 제작 및 비행시험을 수행하여 성능을 시연하였다.
본 기고문에서는 그간의 축소기 개발 경험을 바탕으로 제작 및 비행시험을 수행한 날개길이 20m급의 Full Scale기인 EAV-3의 개발과정 전반에 대하여 기술하였다.
고고도 장기체공 무인기 개발 기술
고고도에서 장기체공하기 위한 저항력 형상은 EAV-2와 EAV-2H를 통하여 다년간에 걸쳐 검증된 형상을 사용하였다( 그림 2 참조).
Tip Vortex에 의한 항력을 저감하기 위한 Raked Wingtip은 Elliptic 형상에 비하여 순항조건에서 약 2%의 항력저감 효과가 있는 것으로 판단된다.
또한 초경량 고강성 복합재 구조( 그림 3 참조)와 고효율의 전기 추진 시스템이 적용되었으며( 그림 4 참조), EAV-3의 제원은 표 1 에 나타내었다. 구조 하중을 저감하고 경량화를 위하여 4개의 배터리 팩은 날개와 동체에 분산 탑재하였다.
기체는 탄소 복합재를 이용하여 제작되었으며, 주익 표면은 Mylar Skin과 그 위에 접착된 490장의 단결정 태양전지로 구성되었다.
에너지 밀도가 높은 18650 배터리와 BMS(Battery Management System)가 일체형으로 제작되었으며, 혹한에서의 배터리 에너지 손실을 최소화하기 위하여 영하의 온도에서는 자체 에너지로 가열할 수 있도록 하였다.
착륙시 프로펠러의 파손을 방지하기 위하여 모터를 제어하여 원하는 위치에 고정시킬 수 있도록 하였다. 시스템 내부 배열 및 구성은 그림 5 에 제시했다.
국내 개발한 저회전수 고토크 BLDC모터와 고도 15km의 저 레이놀즈 수 영역에 최적화한 항우연의 1.2m 프로펠러의 성능을 측정하기 위하여 항우연의 아음속 풍동에서 시험을 수행하였다( 그림 6 참조).
또한 구조설계 Limit Load인 4.3G의 1.3배에 해당하는 하중에도 구조적 파손이 없음을 지상시험으로 확인하였다( 그림 7 참조).
저속용 압력센서와 Airdata 시스템으로 속도/유동각 측정 정확도를 향상시켰으며, 풍동시험을 통하여 보정하였다( 그림 8 참조).
비행제어 컴퓨터, 조종면 작동기 및 Airdata 시스템은 2중화하여 비행 신뢰도를 향상시켰고, 50km 이상의 통신성능을 확보하기 위하여 420Mhz UHF용 Tracking Antenna 시스템( 그림 9 참조)을 사용하였다.
착륙장치가 미장착된 EAV-3는 별도의 이륙 장치와 특수 차량를 이용하여, 자체 양력으로 자동 탈거 이륙하고( 그림 10 참조), 착륙시에는 양 날개와 전후방 동체 하부에 장착된 Skid를 이용하여 안전하게 착륙할 수 있다.
2015년 8월 5일 EAV-3는 총 9시간의 비행시험을 수행하여 14km까지 상승하였다( 그림 11 참조).
상승은 시속 32km/h, 하강은 시속 35km/h로 비행하였으며 상승률과 하강률은 약 1.0m/s를 유지하였다.
자외선 지수는 고고도가 상승함에 따라 급격히 증가하여 고도 14km에서는 11까지 상승하였다( 그림 12 참조).
외기는 –53도까지 떨어졌으며, 동체의 내외부 온도차는 최대 30도이다( 그림 13 참조).
대기의 습도는 고도 4km이상 고도에서는 20% 이하로 측정되었으며, 내부 습도는 시차를 두고 외부 습도를 추종하고 있다( 그림 14 참조).
배터리 잔량은 고도 14km에서 70%까지 내려갔다가 하강하면서 완전히 충전되었다( 그림 15 참조).
향후에는 동체 단열 등 시스템의 개선점을 보완하여 성층권 비행을 지속할 예정이며, 비행시험을 통하여 성층권 운용 경험을 획득하고, EAV-3의 활용성을 제고하기 위한 지상감시, 통신중계 및 기상관측 등 다양한 임무 성능을 시연할 계획이다.
본 과제에서 획득된 저 레이놀즈 수 공력, 초경량 고강성 구조, 저온 저밀도 추진 시스템 및 유연기체 다중화 제어기술과 고고도 비행체 운용경험은 향후 한국형 HALE(High Altitude Long Endurance, 고고도 장기체공) 무인기의 실용화 개발과 운용에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.