자율비행 무인 스텔스 전투기 I AM WAR PLANE

2013년 초 어느 맑은 날.

미 해군 제트전투기 특유의 짙은 회색 페인트가 칠해진 무인항공기(UAV) 한 대가 메릴랜드주 소재 패 턱센트강 해군항공기지의 활주로를 이륙한다. 이후 UAV는 체사피크 만(灣) 상공을 선회한 뒤 수 ㎞ 밖 대서양을 항해 중인 항공모함을 향해 기수를 돌릴 것이다.

바다 위에서 움직이고 있는 항모로의 착함(着艦)은 해군 전투기 조종사들에게도 쉬운 일이 아니다.

정확히 말해 가장 어려운 비행기술의 하나로 꼽힌다. 항모의 항공 관제사들과 통신하며 착륙 허가를 요청하는 한편 항모의 이동방향과 속도, 풍속, 그리고 물결 등에 의한 갑판의 미세한 흔들림까지 정밀 계산해 착륙 코스를 설정해야 하기 때문이다.

그런데 이 UAV는 인간, 즉 원격지에서 무선으로 조종하는 조종사의 도움 없이 항모 착함에 필요한 모든 과정을 스스로 수행하게 된다. 바야흐로 자율 주행 무인 전투기의 시대가 도래하는 것이다.

세계 최초의 자율비행 전투기에 등극할 이 UAV는 바로 X-47B다. 방위산업체 노스롭 그루먼이 개발, 작년 2월 처녀비행에 성공했으며 항모 이·착륙과 공중급유 등 모든 공중 기동에서 인간 조종사의 직접적 통제를 거의 받지 않는다.

X-47B는 아직 프로토타입 모델에 불과하지만 적 상공에서 대공포와 대공미사일 등으로 구성된 방공망을 무력화시키며 정찰 또는 공격 임무를 수행할 수 있도록 설계돼 있다. 내년 착함 실험에 성공한다면 항공모함에 착륙한 최초의 UAV이자 최초의 무미익기(無尾翼機)가 된다. 또한 향후 미 해군은 이의 개량 모델을 항모에 탑재, 몇 시간 내 분쟁지역으로 UAV를 배치할 수 있는 능력을 갖추게 된다.

항공 로봇공학계에 있어 X-47B는 커다란 도약이다. 미군은 현재 약 1만대의 UAV를 운용하며 아프가니스탄, 파키스탄, 예멘 등지에서 작전을 수행하고 있지만 기존 UAV들은 조종사가 탑승하지 않을 뿐 여전히 지상의 인간에 의해 원격 조종된다. 반면 X-47B는 다르다. 전체적 임무 통제는 인간의 몫으로 남아있지만 매 순간 순간 의 결정은 UAV의 로봇 두뇌에 의해 자율적으로 내려진다.

항공 이외의 분야에서는 이 같은 자율형 시스템의 도입이 이미 활발하다. 해양학자들은 10 여년 전부터 자율항행 무인잠수정을 활용해 해저를 탐사하고 있으며, 최근 미 에너지국(DOE)은 핵무기 실험장으로 쓰였던 네바다국립보안구역(N2S2)의 지상 순찰 임무를 자율주행 차량에게 맡겼다. 농부들의 경우 논밭의 경작과 작물의 수확에 자율주행 트랙터를 이용하기 시작한 상태다.

자율비행 UAV의 개발이 다소 늦은 것은 운용환경의 특성 때문이다. 주지하다시피 X-47B는 고정된 넓은 개활지가 아니라 바다 위를 항해하고 있는 항모에서 운용돼야 하는 것이다. 노스롭 그루먼과 미 해군 무인전투항공체계(UCAS) 프로그램 소속 엔지니어들은 5년간의 연구 끝에 이런 복잡한 환경에서 운용 가능한 로봇 두뇌의 개발에 성공했다. 이 두뇌는 방대한 양의 비행정보를 처리하면서 상황에 맞춰 사실상 즉각적인 판단을 통해 X-47B를 항모의 갑판에 안착시킬 수 있다. 남은 과제는 UAV에게 사람들과 협력하는 방법을 가르치는 것 정도다.

무미익기 (tailless aircraft) 주 날개, 동체, 수직 꼬리날개만 존재할 뿐 수평 꼬리날개가 없는 항공기.



가상 항공모함
X-47B의 항모 착함을 시뮬레이션하기 위한 패턱센트강 해군항공기지의 가상 항공교통관제센터(CATCC)[좌측]와 비행관제함교(PriFly)[우측]. X-47B의 동체 하단에는 시험비행 기록용 카메라[위]가 부착돼 있다.

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로봇공학에서 말하는 '자율성'은 근본적으로 '자동화'와는 다른 개념이다. 자동화는 미리 입력된 임무를 반복 수행하는 것으로 수십 년 전부터 항공기의 여러 비행시스템에 응용되고 있다. 1990년대초 F/A-18 호넷 전투기에 채용된 레이더 기반 핸즈프리 항모 착함 시스템이 그 실례다.

이와 달리 자율성에는 자치(自治)라는 뜻이 담겨 있다. 유동적 상황에 따라 다양한 형태로 대처할 수 있는 능력을 의미한다. 물론 항공기 자동조종시스템의 몇몇 기능 중에는 지금도 자율성을 갖춘 것들이 있다. 사람의 명령 없이 스스로 스로틀을 조절, 비행속도를 최적화한다던지 연료탱크들 사이로 연료를 이동시켜 항공기의 무게중심을 맞추는 것 등이 그것이다. 그러나 이때에도 사람은 조종간 뒤에 앉아 기계의 자율성을 감시하고 보좌해야 한다.

현대 육군과 공군의 군사작전에 있어 UAV의 가치와 중요성은 재론의 여지가 없을 만큼 커졌다. 하지만 지상기지를 이륙, 우방국가의 상공 혹은 아군이 제공권을 장악한 상공을 비행하는 자동화 또는 반자동화된 UAV는 항공모함이 수행해야할 임무와 는 전혀 맞지 않다.

실제로 공격형 UAV의 대표주자인 MQ-1 프레데터나 MQ-9 리퍼는 항모에서 운용하기에 덩치가 너무 크고, 속도가 느리다. 큰 덩치는 스텔스 성능을 떨어뜨리고, 느린 속도는 적의 공격에 의해 격추될 가능성을 높이는 탓이다. 설령 이들을 작고, 민첩하게 개량하더라도 조이스틱과 동영상에 의존해 무선조종으로 항모에 착륙시키는 것은 불가능에 가깝다.

이에 미 해군은 지난 2007년 노스롭 그루먼과 X-47B 계약을 체결하면서 3가지 핵심조건을 제시했다. 항모에서의 운용성, 스텔스 성능, 자동화를 넘어서는 자율비행 능력을 갖춰야 한다는 것이었다.

당시 노스롭 그루먼은 스텔스 항공기 특유의 형상인 삼각형의 전익기 디자인을 설계해 놓은 상태였다. 이후 개발팀은 이 디자인을 모태로 X-47B의 날개폭을 18.9m로 소형화하는 한편 접이식 날개를 채용해 항모 격납고에 손쉽게 넣을 수 있도록 했다. 또 F-15 및 F-16 전투기와 동일한 프랫앤휘트니의 F100 터보팬 엔진을 탑재, 프로펠러 추진방식의 프레데터나 리퍼보다 한층 빠르고 강력한 비행능력을 부여했다.

이렇게 동체의 기본설계를 마친 개발팀은 곧바로 X-47B의 센서 개발에 뛰어들었고 GPS와 가속도계, 고도계, 자이로스 코프를 비롯해 아직은 공개되지 않은 다양한 기밀장비들을 장착했다. X-47B의 비행제어 컴퓨터가 자율비행을 하는데 필요한 정보를 제공하는 게 이 장비들의 역할이다. 덧붙여 개발팀은 최소 50해리(92.6㎞) 밖의 지상 기지나 항모와 디지털 정보를 실시간 송수신할 수 있는 고속 데이터링크도 개발했다.

이와 동시에 다른 엔지니어팀은 단층 인공지능(a layer of AI)으로 제어되는 초정밀 자동조종시스템을 제작했다. 이 시스템의 소프트웨어는 센서의 데이터를 해석, 비행제어 컴퓨터가 최적의 결정을 내릴 수 있게 해준다. 노스롭 그루먼에 따르면 개발팀은 이 소프트웨어를 활용한 수만 번의 가상비행을 통해 X-47B가 자율비행 능력을 습득하도록 했으며 오만가지 상황을 가정한 가상비행이 끝날 때마다 코드를 좀더 완벽하게 다듬었다.

이윽고 2010년 X-47B의 프로토타입 모델이 캘리포니아주 팜데일에 위치한 노스롭 그루먼의 제42공장에서 트레일러에 실려 에드워드 공군기지로 향했다. 그리고 이듬해 2월 그곳에서 성공리에 처녀비행을 마쳤다. 이날 노스롭 그루먼과 해군 관계자들은 X-47B가 29분간 기지 상공 1,500m를 선회하며 지상의 연구자들에게 데이터를 다운링크하는 모습을 지켜봤다. X-47B 는 프로토타입임에도 일관되고 우수한 성능을 발휘, 당초 50차례가 예정돼 있던 시험비행이 단 16번 만에 완결됐다는 후문이다.

엔지니어들은 X-47B를 위해 조종사와 항공교통관제사 사이에 오가는 대화를 자동화했다. 또한 항모와 통신이 두절되면 착함을 중단하고 지상 착륙지를 찾아가거나 바다에 추락하도록 했다.



소프트웨어 파일럿
X-47B의 제작에 쓰인 거의 모든 부품은 전용품이 아닌 기성품이다. 하지만 두뇌 격인 자율비행 소프트웨어는 모든 것을 새로 개발했다.

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다음 단계는 항모에서의 운용성 확보였다. 항모 착함은 지구상에서 가장 복잡하고, 실수가 용납되지 않는 작업의 하나다. 시속 수백㎞의 속도로 비행하면서 이리저리 흔들리고 바람이 부는데다 조종사와 항공기, 갑판요원들이 즐비한 활주로에 정확히 착륙해야하니 그 어려움은 짐작하고도 남음이 있다.



일반적인 착함 과정은 이렇다. 항공기 조종사가 착함을 요청하면 항모의 항공교통관제사들은 착함을 유도하거나 착륙 대기를 위한 선회 비행 경로를 안내한다. 이때 기상 상태와 갑판 상황도 함께 전달된다. 이후 착함이 시작되면 조종사는 갑판 위의 착함 담당관(LSO)이 빛과 수신호를 통해 보내는 유도 지시에 따라 착함을 하게 된다. 항공기 착함과 이함의 총책임자는 비행관제함교(PriFly)에서 이 모든 상황을 지켜보는 일명 에어보스(Air Boss)라는 항공장교지만 항공기의 최종 착함 여부는 LSO가 결정한다. 이들은 착함을 시도하는 항공기의 활공 각도나 진로가 위험하다고 판단되면 착함을 취소시키고 재시도를 명령할 수 있다.

50해리 (92.6㎞) X-47B가 항모의 항공교통관제센터(CATCC)와 연락, 다른 유·무인항공기들과 안전거리를 유지하는 착륙 대기 선회 비행경로를 자동 설정한다. 이후 관제사들이 X-47B에 접근허가를 내린다. 10해리 (18.5㎞) X-47B가 데이터링크를 통해 항모와 초당 100회씩 정보를 교환한다. 이 정보에는 항모의 위치와 이동경로, 갑판의 움직임, X-47B의 속도 등이 총망라된다. 이를 통해 X-47B는 자신의 움직임을 항모와 일치시킬 수 있다. 1해리 (1.85㎞) 항모의 착함 담당관(LSO)이 육안으로 X-47B를 확인, 접근 및 활공 각도를 관측한다. 이를 바탕으로 LSO는 착함을 승인 또는 거부한다. X-47B를 포함해 항모에 착함하려는 모든 유·무인항공기는 이처럼 LSO의 최종 승인이 필요하다. 착함 전 1.2㎞ LSO의 승인이 떨어지면 X-47B는 착륙에 돌입한다. 이때 실제 파일럿들과 마찬가지로 X-47B 역시 착함 과정 동안 이륙가능속도를 유지한다. 활주로의 제동 케이블(arresting cable)을 붙잡지 못했을 경우 즉각 이륙해야하기 때문이다. 착함에 성공하면 자율비행은 종료되고, 기술자가 원격조종을 통해 활주로 밖으로 이동시킨다. 재시도 착함 중 활공각도 등의 조건이 사전에 프로그래밍 된 매개변수를 벗어나면 안전을 위해 LSO 또는 X-47B 스스로 착함을 중단한다. 이 경우 X-47B는 항모의 전방으로 날아가 후방으로 선회한 뒤 착함을 재시도한다.

기계적 시스템이 아닌 유동적인 인간의 판단에 많은 부분을 의존하는 이런 착함 방식은 제2차 세계 대전 이래 별반 달라진 게 없다. 앞으로도 당분간은 달라지지 않을 것이다. 결국 X-47B의 자율 착함 능력은 기존의 인간 기반 시스템을 방해하지 않으면서 X-47B의 시스템을 통합시키는 것이 최대 기술적 난제라 할 수 있다.

엔지니어들은 이의 해결을 위해 여러 방법을 시도했다. 가장 먼저 UAV의 특성에 맞춰 조종사와 항공교통관제사 사이에 오가는 대화의 상당부분을 자동화시켰다. X-47B가 항모의 항공교통관제센터 (CATCC)에 링크해 연료 잔량, 고도 등의 비행정보를 자동 전달하는 한편 항모의 센서들이 수집한 위치, 속도, 흔들림 등의 정보를 초당 100회씩 다운로드 받아 자신의 항로를 조정하는 방식이다.

그럼에도 현 착함 메커니즘상 X-47B와 사람 간의 직접적 커뮤니케이션은 불가피했다. 그래서 엔지니어들은 구두 명령을 디지털 언어로 변환했다. 100 페이지가 넘는 항모의 운용 교본을 압축해 택싱, 이륙, 비행 전 점검, 그리고 안전성 확보에 관련된 53개의 핵심 명령어를 추려낸 뒤 이 명령어들을 디스플레이 해주는 소프트웨어 인터페이스를 개발한 것. 비행관제함교의 에어보스는 이 인터페이스를 통해 X-47B에 명령을 내릴 수 있다. 또한 LSO들이 사용하는 '피클(pickle)'이라는 휴대형 통신장치도 개량, X-47B와의 직접 교신이 가능토록 했다.

엔지니어들은 통신이 두절된 상황에 대한 대비책도 마련했다. LSO가 착함을 취소했을 때처럼 착함 중 데이터링크에 오류가 발생하면 X-47B는 착함을 중단하고 다른 항공기가 없는 곳으로 날아가 선회한 뒤 착함을 재시도하게 된다. 그럼에도 통신 상태가 회복되지 않으면 착륙이 가능한 지상을 찾아가거나 최악의 경우 바다에 추락하도록 프로그래밍했다.

이같은 노력들에 의해 X-47B는 현재 기술적으로 항모 착함이 가능해졌다. 활주로가 끊임없이 들썩거리는 상황에서도 위치 오차는 최대 1m를 넘지 않을 것이라는 게 초기 통신 소프트 웨어와 인터페이스를 개발한 미 해군 UCAS팀의 판단이다. 이제는 X-47B가 사람들과 협업할 수 있는지가 아니라 사람이 X-47B와 협업할 수 있는지를 확인하는 것만이 남았다.

택싱 (taxing) 착륙한 항공기가 격납고로 이동하거나 격납고의 항공기가 이륙을 위해 활주로로 육상 이동하는 것.



강심장
프로펠러로 추진되는 기존 UAV들과 달리 X-47B에는 F-15, F-16 전투기와 동일한 프랫앤휘트니의 F100 제트엔진이 장착돼 있다.

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이윽고 2011년 12월 미 해군은 X-47B를 패턱센트강 해군항공기지로 가져왔다. 바로 이곳에 가상 항공모함 갑판을 갖춘 실험설비가 있기 때문이었다. 전 세계에 두 개밖에 없는 이 설비의 갑판에는 실제 항모와 동일한 증기식 항공기 발진장치(캐터펄트)와 제동 케이블이 마련돼 있다.

엔지니어들은 소프트웨어의 버그를 잡고, 항모 승무원들을 훈련시키기 위한 시뮬레이션실도 추가 구축했다. 하나는 항모의 CATCC를, 다른 하나는 비행관제함교를 재현한 것으로 레이더 스크린과 통신장비, 대형 평면스크린들이 장비돼 있다.



내년 초의 첫 항모 착함 실험 이전까지 엔지니어들은 여기서 실제 항모 승무원들과 함께 다양한 조건을 상정, 캐터펄트를 이용한 이함과 제동 케이블을 활용한 착함 실험을 진행할 것이다. 또한 이와 동시에 항공교통관제사, 에어보스, LSO들이 시뮬레이션실에서 가상 이함, 착함 시나리오를 연습하게 된다. 실전에서 필요한 경험과 자신감, 상호 신뢰성을 쌓는 과정이다.

이에 힘입어 내년의 항모 착함을 성공리에 마친다면 X-47B는 다시 패턱센트강 해군항공기지로 돌아와 다음 번 과제, 즉 2014년으로 예정된 자율비행 중 공중급유 실험을 위한 훈련에 돌입하게 된다. 공중급유까지 성공하고 나면 X-47B 프로그램은 종료된다. 그 후의 일정은 불확실한 상태다. 미 해군은 프로토타입 X-47B가 실전 배치되지는 않을 것이라고만 밝히고 있다.

항모 착함을 성공리에 마친다면 X-47B는 2014년으로 예정된 자율비행 중 공중급유 실험을 위한 훈련에 돌입하게 된다.







실제로 올 2월 미 의회는 항공통제시스템의 개선과 디지털화를 꾀하는 미 연방항공청(FAA)의 넥스트젠(NextGen) 프로그램에 4년간 630억 달러의 예산을 투입키로 의결했다. 이 프로그램의 개발자들은 레이더를 GPS로 교체하고, 데이터링크를 이용해 항공기들이 다른 유·무인기들과 커뮤니케이션 하는 방안을 추진하고 있다. 이렇게 하면 조종사들은 지금보다 짧은 코스의 설정이 가능해져 비행시간 단축과 효율성 증대 효과를 누리게 된다.

특히 넥스트젠의 개발팀은 이미 X-47B의 자율비행 시스템을 F/A-18 전투기에 이식, 유인항공기를 조종할 수 있음을 증명하기도 했다. 이 전투기는 작년 7월까지 USS급 항공모함인 아이젠하워호에서 총 36회의 착함 접근, 16회의 접지 이륙(touch and go), 6회의 완전 제동 착함에 성공했다. 조종석에는 파일럿이 탑승해있었지만 실험 중 그가 조종간을 잡은 적은 한 번도 없었다.