틸트로터형 무인항공기로 철통 감시망 구축한다

틸트로터형 무인항공기로 철통 감시망 구축한다 항공우주연구원 올 9월 스마트 무인항공기 시험비행, 반경 200km 5시간 동안 정찰 강재윤기자 hama9806@sed.co.kr [서울경제 파퓰러사이언스] 오는 2012년이 되면 우리나라도 무인항공기를 활용한 항공 수색?정찰?감시 능력을 확보하게 된다. 한국항공우주연구원 스마트무인기기술개발사업단의 틸트로터형 스마트 무인항공기 개발이 완료되기 때문이다. 재난관리 등 민간분야는 물론 군사용 장비로도 활용 가능한 이 스마트 무인항공기는 열 감지 적외선 카메라 등 첨단장비를 갖추고 최대 200km 반경의 지역을 5시간 동안 정찰할 수 있다. 항공우주연구원은 올해 9월까지 동체 길이 5m, 중량 1톤의 실물기를 제작해 시험비행에 나설 계획이다. UAV 활용한 감시? 정찰시대 개막 구축함의 갑판 위에서 수직이착륙 무인항공기가 떠올라 수km 인근에 있는 적 함대의 존재 유무를 확인한다. 이 무인항공기에는 마이크로파를 이용하는 합성개구레이더(SAR, synthetic aperture radar)와 열 감지 적외선 망원경이 탑재돼 있어 안개 자욱한 악천후 속에서도 주?야간의 구분 없이 각종 정찰?수색?감시 임무 수행이 가능하다. 해병대의 상륙작전에 앞서서도 무인항공기가 출동한다. 해안가 인근의 적군 배치와 움직임을 사전 파악, 아군 피해를 최소화하기 위해서다. 육군의 경우 무인항공기를 띄워 아군 전차를 겨냥한 대전차 무기나 숲 속 깊숙이 숨어 헬리콥터를 노리를 지대공미사일 부대의 존재를 사전에 확인, 대처하게 된다. 이는 한국항공우주연구원 스마트무인기기술개발사업단의 틸트로터(Tilt Rotor)형 스마트 무인항공기 개발이 완료되는 오는 2012년경 실제로 현실화될 일들이다. 현재 사업단은 실물 항공기 대비 40% 정도인 축소 모델을 이용, 연구개발 및 테스트를 진행 중에 있으며 이달 중 자동비행 테스트를 실시할 예정이다. 모든 테스트가 성공리에 완료되면 올해 9월내에 동체 길이 5m, 중량 1톤의 실물기를 제작해 실제 시험비행에 나선다는 계획이다. 또한 내년 3월 이전에 총 2대의 실물기를 추가 제작해 비행시험을 진행하고, 2012년까지 한층 개량된 실물기를 1대 더 제작할 방침이다. 스마트 무인항공기의 핵심 요소인 틸트로터 드라이브의 경우 항공우주연구원이 미국 이글 에비에이션 테크놀로지(EAT)사와 공동으로 개발하고 있으며, 엔진은 항공기 엔진 전문기업인 프랫 앤 휘트니 캐나다(P&WC)사의 PWC-206 모델을 탑재하게 된다. 주로 헬리콥터용 엔진으로 사용되는 PWC-200 시리즈는 약 600 마력의 출력을 내는 터보 샤프트 엔진이며, 확장형 모델은 최대 출력이 950 마력에 이르는 것으로 알려져 있다. 내년부터 2012년까지 진행되는 3단계 연구개발에서는 다양한 임무장비를 실을 수 있도록 하기 위해 현재 90kg 수준의 탑재 중량을 증강하는 연구도 함께 수행된다. 덧붙여 무인항공기를 통신 중계 장비로 활용하거나 위성통신시스템을 갖춰 감시 범위를 2,500km까지 확대하는 방안 등도 검토되고 있다. 이를 위해 사업단은 다방면의 민간업체들과 손을 잡고 공동연구를 수행하고 있다. 주관기관인 항공우주연구원이 비행체 설계를 담당하고 있으며, 한국항공우주산업이 시스템 통합, LIG넥스원이 전자장비를 책임지고 있다. 또한 휴니드테크놀로지는 통신, 영풍전자와 유콘시스템은 관제시스템을 각각 담당하고 있다. 반경 200km 지역 감시 이번 실물기에 사용되는 관제시스템은 이동 가능한 차량형으로 제작돼 현재 항공우주연구원 고흥 비행시험센터에서 진행중인 40% 축소모델의 자동비행 관제용 테스트에 활용되고 있다. 임무장비의 경우 미국 FLIR 시스템즈사의 EO/IR(Electro-Optical / Infrared) 카메라인 마이크로스타 II 모델을 채택했다. 중량이 16.4kg으로 A4 용지보다 조금 큰 크기의 이 장비는 일반 광학 및 적외선 카메라며, 360도의 시야를 확보할 수 있다. 광학 20배줌에 적외선 10배줌이 가능하기 때문에 순항고도인 3km 상공에서 사람의 무기 휴대 여부까지 탐지 가능하다. 사업단은 마이크로스타 II가 소형 경량 장비이고 무선통신으로 카메라를 자유롭게 제어할 수 있다는 점에 주목해 도입을 결정했다. 특히 임무장비는 무인항공기의 탑재중량을 늘리거나 연료량을 줄임으로서 SAR이나 그 이상의 고성능 카메라를 채용할 수도 있다는 것이 사업단의 설명이다. SAR은 목표물에 부딪쳐 반사되는 전파를 분석, 영상을 보여줘 안개 상황이나 야간 및 악천후 때에도 활용할 수 있는 첨단 감시 장비다. 이와 관련, 항공우주연구원의 스마트 무인항공기는 동체 길이 5m에 최대 이륙 중량이 1,000kg이며, 임무장비는 최대 90kg까지다. 300kg의 연료를 가득 채울 경우 최대 5시간 동안 비행을 할 수 있다. 최대 비행속도는 시속 400km에 달하지만 안정적 감시 장비 활용을 위해 임무 중에는 시속 250km 내외의 속도를 유지하게 된다. 임무수행 범위 또한 지금은 관제시스템으로부터 반경 200km 정도를 목표로 개발되고 있지만 향후 위성통신을 이용한 관제가 이뤄지면 이론적으로 최대 2,500km까지 활동반경을 확대할 수 있다. 육군·해군 및 민간분야 수요 증가 항공우주연구원은 이 같은 스마트 무인항공기의 주요 수요처로 당초 민간 감시분야를 꼽았다. 하지만 최근 들어 군사 분야에서의 관심도 큰 폭으로 증대되고 있는 추세다. 실제 해군은 현재 EO/IR 카메라에 더해 SAR까지 장착한 스마트 무인항공기를 중형급 이상의 군함에 배치, 무인 감시 장비로 활용하는 방안을 검토 중이다. 육군 역시 근거리 정찰용 무인항공기 도입에 관심을 표명하고 있다. 육군은 헬리콥터로 구성된 육군항공대에 스마트 무인항공기를 추가 배치해 헬리콥터를 겨냥한 지대공미사일 부대 정찰 등에 사용한다는 복안이다. 반면 고고도 이상의 정찰 기능을 필요로 하는 공군에서는 스마트 무인항공기의 순항고도가 비교적 높지 않고 수직이착륙기에 대한 매력도 크지 않다는 점에서 아직까지 별다른 관심을 표명하지 않고 있는 상황이다. 물론 연안 해역 감시를 비롯해 산불 감시, 태풍 및 지진 감시, 조난자 수색 등 재난관리 분야의 공공?민간기관들의 열기는 여전히 뜨겁다. 이들은 항공감시시스템 구축을 통해 업무 효율성을 극대화할 수 있음에도 불구하고 그동안 막대한 투자비용과 유지보수 및 항공안전 확보에 대한 부담으로 선뜻 나서지 못해왔다. 하지만 스마트 무인항공기가 이 같은 난제를 해결해줄 것으로 기대되고 있다. 실제 항공우주연구원은 스마트 무인항공기 5대와 관제시스템까지 포함한 패키지 세트의 공급가격이 150억~200억원에 결정될 것으로 보고 있다. 이는 웬만한 지방자치단체가 독자적으로 투자해 운용 가능한 수준이며, 지리적으로 인접해 있는 2~3개 지방자치단체가 공동 투자할 경우 비용부담을 대폭 낮출 수 있다. 특히 항공우주연구원의 스마트 무인항공기는 일반 고정익 항공기의 날개 양쪽 끝에 헬리콥터에 쓰이는 로터를 장착한 틸트로터 방식이어서 운용상의 메리트도 뛰어나다. 이착륙을 할 때에는 헬리콥터처럼 로터를 이용해 수직이착륙하고, 수평비행을 할 때에는 로터의 각도를 바꿔 일반 프로펠러 항공기처럼 비행할 수 있기 때문이다. 이로 인해 스마트 무인항공기는 선박 등 활주로가 없는 좁은 공간을 포함해 언제 어디서나 임무에 즉각 투입될 수 있다. 세계 2번째 틸트로터 기술 스마트 무인항공기의 개발이 완료되면 우리나라는 미국에 이어 세계 2번째의 틸트로터 기술 보유국으로 부상하게 된다. 임철호 사업단장은 “지금까지 세계 각국에서 틸트로터 방식의 유?무인기를 다수 개발해냈지만 실질적인 상용화에 성공한 것은 미국의 벨 헬리콥터사가 유일하다”며 “우리나라가 틸트로터 항공기의 초기시장을 선점, 막대한 부가가치를 올릴 수 있을 것”이라고 말했다. 항공우주연구원이 개발 중인 스마트 무인항공기의 핵심 요소는 틸트로터 기술과 무인 자동비행 등 두 가지로 압축된다. 먼저 틸트로터는 수직상태의 로터가 기체를 수직으로 이륙시킨 뒤 수평상태로 각도를 바꿔 고정익 프로펠러 비행기처럼 비행하도록 하는 기술을 말한다. 이를 구현하기 위해서는 수직 이륙상태에서 로터의 각도를 바꿔주는 기술 확보가 필수다. 임 단장은 “로터의 회전력만으로 공중에 떠 있는 상태에서 이 로터의 축을 전진방향으로 변경하는 것은 매우 정밀한 제어기술이 요구된다”면서 “처음에는 벨 헬리콥터로부터 이 기술을 도입하려고 했지만 전체 개발비보다도 많은 금액을 요구해 자체 개발을 추진하게 됐다”고 설명했다. 실제 사업단이 미국의 중소형 회전익기 기술개발 업체인 EAT사와 손을 잡고 ‘아이언 버드(Iron Bird)’로 명명된 로터 드라이브 기술의 개발에 나서게 된 이유가 바로 여기에 있다. 아이언 버드는 한마디로 기체 중앙에 배치된 엔진의 동력을 날개 양쪽의 틸트로터로 전달해주는 기술이다. 이 부분의 개발이 어려운 것은 동력을 전달할 때 나타나는 에너지 손실을 최소화하면서 2개의 로터를 동시 또는 제각각 정밀하게 제어할 수 있어야 하기 때문이다. 그래야만 안정적인 틸트로터 기능이 수행된다. 스마트한 무인 자동비행 무인 자동비행 기술의 경우 기존의 소형 무인정찰기들은 대부분 무선 리모트 컨트롤 방식을 사용해왔다. 무인항공기라기보다는 정밀한 무선조종 장난감에 가까웠다는 얘기다. 반면 항공우주연구원의 스마트 무인항공기는 명칭에 걸맞은 스마트한 무인 자동비행 구현이 목표다. 관제시스템의 통제 범위(반경 200km) 내에 감시 정찰을 해야 하는 목표 지점을 지정한 뒤 이곳까지 가기 위한 몇 개의 중간경로지점(way point)을 찍어주기만 하면 무인항공기 스스로 이 지점들을 통과해 비행하는 것이다. 또한 비행 중 스마트 무인항공기는 GPS와 자세제어장치 등으로부터 수집된 데이터를 이용해 항로와 자세를 제어하게 되며, 그 결과를 관제시스템에 실시간으로 전송한다. 이같은 자동비행 기술 역시 해외에서 도입이 불가능해 자체 개발을 선택했다. 국산 초음속 훈련기인 T-50 등의 개발성공으로 인해 국내 비행제어 분야의 개발역량이 세계적인 수준에 도달했기 때문에 그 기술적 기반을 이용하여 스마트 무인기의 비행제어 시스템 개발이 가능했다. 특히 사업단은 기후악화, 장비고장, 통신장애 등 무인항공기의 통제가 불가능해지는 비상상황에 대한 대안도 마련했다. 실제 전투기에 적용되는 수준의 FCS를 도입, 관제시스템과의 통신이 두절되거나 비행경로 정보를 잃게 되면 별도의 명령이 없더라도 최초의 이륙지점으로 돌아오는 자동귀환시스템을 무인항공기에 채용할 예정이다. 이들은 모두 실제 초음속 비행기가 비행 데이터를 운용하는 것과 동일한 방식으로서 스마트 무인항공기가 민간용에 더해 군사용으로도 활용성을 인정받는 이유가 되고 있다. 무기탑재는 고려 안 돼 임 단장은 구조시험용 실물기를 제외한 실물 테스트기를 2단계 사업에서 2기, 마지막 3단계 사업에서 2기를 제작할 계획이었지만 예산 등의 문제로 3단계에서는 1기만을 제작할 수 밖에 없는 실정이라고 말했다. 실물 테스트기 역시 실제 상용기처럼 스마트 무인항공기 5대와 관제시스템 1대로 구성되는 세트로 운용하려고 했지만 예산부족으로 축소됐다는 설명이다. 결국 5대의 무인항공기중 2~3대에 별도의 특수임무 장비를 탑재하려는 군의 요구에 맞추기 위해서는 2012년까지의 총 3단계 개발사업 완료 이후 추가기술 개발이 필요한 실정이다. 물론 이 추가 개발은 2012년 이후 국내에서 충분한 수요가 충족돼야만 가능해진다. 임 단장은 “스마트 무인항공기 개발에 투입된 자금을 고려하면 총 30세트 정도를 공급해야 한다”며 “이를 위해 국내는 물론 해외 수출도 가능한 수준으로 기술개발을 추진하고 있다”고 밝혔다. 임 단장은 또 스마트 무인항공기 개발로 확보된 틸트로터 기술을 4인승, 20인승 규모의 유인항공기에 적용함으로서 헬리콥터보다 안정적이고 빠른 항공 교통수단을 개발할 수도 있다고 덧붙였다. 스마트 무인항공기에 무기를 탑재할 수 있는지 여부에 대해 임 단장은 “민간 수요를 겨냥해 개발이 이뤄진 만큼 사업단에서는 무기탑재를 고려하지 않고 있다”며 “하지만 탑재 중량을 늘리기만 한다면 이론적으로 공격형 무인항공기로의 전환도 가능할 것”이라고 설명했다. 별도의 추가 개발이 수행되지 않은 현재 상태에서는 일단 300kg에 달하는 연료량을 줄이는 방식으로 탑재 중량을 늘릴 수 있지만 이 경우 비행시간이 줄어든다는 문제를 감수해야 한다.