무인항공기와 드론의 비행원리 1탄

무인항공기와 드론 정의

안녕하세요~ IT_채포티지입니다.

오늘은 무인항공기(UAV)와 드론(Drone)의 비행원리에 대해서 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

 

무인항공기(Unmanned Aerial Vehicles; UAV)는 조종사가 탑승하지 않고 원격으로 통제되거나 자율적으로 비행하는 항공기를 가리킨다. 이 같은 정의로는 무선조종 항공기부터 최첨단 대형 무인정찰기 모두가 포함될 수 있는데, 오늘날 일반적으로 말하는 무인항공기는 탑재된 센서 및 컴퓨터를 이용하여 지정된 경로를 따라 스스로 비행하면서 임무를 수행하는 항공기를 지칭한다.

 

무인항공기는 조종사가 탑승하지 않으므로 다양한 크기와 형태로 설계할 수 있으며, 조종사의 피로도나 위험도를 고려하지 않아도 되므로 매우 오랜 시간 동안 위험한 임무를 수행할 수 있다. 무인항공기는 항공기 전반의 역사가 그렇듯 군사적인 용도로 먼저 개발되고 실용화되었는데, 1차 세계대전 중 대공포 사격 연습용 표적물이나 비행폭탄으로 처음 사용되었다. 그 후 1, 2차 세계대전을 거치면서 무인항공기의 실용성이 입증되고 센서, 비행제어 컴퓨터, 임무장비 기술의 진보로 그 종류 및 제작 대수가 비약적으로 증가하여 오늘날에는 정찰용과 공격용으로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 농업 방제용과 같이 민간용으로도 그 영역이 넓어지고 있다.

 

우리나라 항공 법령에 따르면 무인항공기는 연료중량 제외 자체중량 150kg 이상으로 자율 또는 원격으로 조종되는 항공기를 지칭하며, 150kg 만인 체는 초경량비행장치 중 무인비행장치로 분류된다.

 

드론(drone)이라는 영어 단어의 본래 뜻은 수벌을 의미하는데, 영미권에서는 항공 분야에서 그 형태와 무관하게 조종사가 타지 않는 항공기를 일컫는 애칭으로 처음 사용되었다. 이 책에서는 굳이 이 둘을 구분하지 않고 무인항공기, 무인기, 또는 드론으로 표현한다. 국내에서 일반인들 사이에서 통용되는 드론이라는 단어는 보통 방송촬영용, 취미용, 레이싱용으로 사용되는 소형 멀티로터 형태의 회전익 무인항공기를 지칭한다.

 

무인항공기의 원어인 "Unmanned Aerial Vehicle"은 문자적으로 "사람이 탑승하지 않는 항공기"라는 뜻으로 사람이 관여하지 않는 것처럼 보이나, 실제로는 항공기 외부에서 운용자가 비행통제 명령을 보내고 감시하는 방식으로 운용된다. 따라서 ICAO 등에서는 공역관제가 필요한 대형 무인기에 대해서는 RPA(Remotely Piloted Aircraft)라는 용어를 사용하고 있다. 무인항공기는 비행체만으로는 임무를 제대로 수행할 수 없고 지상통제장비, 통신장비 등과 함께 작동하는 시스템 단위이므로 이들을 포함한 전체 구성을 UAS(Unmanned Aircraft System) 또는 RPAS(Remotely Piloted Aircraft System)이라 부른다.

 

오늘날 무인항공기는 사람이 탑승하지 않고도 비행이 가능하다는 점에서는 취미용 무선조종항공기와도 비슷하며, 스스로 비행하며 임무를 수행한다는 점에서는 미사일과도 비슷하지만, 무인항공기는 내부무장과 일체적으로 설계되지 않으며, 일단 비행을 개시한 후에는 목표물을 격파하면서 일회성으로 파괴되는 미사일과는 달리 기본적으로 회수가 가능하여 반복적으로 임무에 투입된다는 면에서 차이가 있다.

무인항공기의 비행원리

무인항공기의 비행원리는 기본적으로 유인항공기와 동일하며, 따라서 유인항공기 구분의 기준이 되는 고정익, 회전익 등의 분류가 여전히 유효하다. 하지만 사람이 탑승하지 않으므로 그 형상 및 운용방식이 기존의 유인항공기와 다소 차이가 있으며, 기존의 항공기 분류를 적용하기에는 곤란한 특이한 형태의 무인항공기도 다수 개발되고 있는데, 이중에는 크기가 매우 작은 초소형 무인항공기MAV(Micro Aerial Vehicle)나 새와 같이 날갯짓을 통해 비행을 하는 무인기도 있다.

1. 고정익 무인항공기

고정익 항공기는 추력발생장치와 양력발생장치가 분리되어 전진방향으로 기속을 얻으면 고정된 날개에서 양력을 발생하여 비행을 하게 되는데, 그 구조가 단순하고 고속, 고효율 비행이 가능하다. 고정익 무인기는 초소형 무인항공기로부터 글로벌 호크와 같은 대형 무인기까지 크기에 있어서 매우 큰 차이가 있으나 기본적인 비행 역학에 있어서는 대동소이하다.

 

고정익무인기는 일반적으로 주익과 미익으로 구성되며, 주익에는 에일러론 및 플랩, 미익에는 방향타와 승강타가 부착된다. 무인기는 비교적 저가의 센서로 안정화가 가능하고 위성항법시스템  등을 이용하여 위치를 측정함으로써 경로점 비행이 비교적 간단히 구현되는 특징이 있다. 따라서 범용으로 개발된 고정익 무인항공기용 제어장치도 상용으로 개발되어 판매 중인데, 주익/미익의 구성에 따라 제어기 이득을 조정해 주면 바로 사용이 가능한 특징이 있다.

 

무인기의 형상은 수행임무에 최적화되어 설계되는데, 정찰용 무인기의 경우는 장시간체공을 위해 가로세로비가 큰 날개를 사용하며, 엔진이 후미에 장착된 푸셔 방식이 일반적이다. 이는 엔진 배기가스 등으로 인하여 정찰용 적외선 카메라의 시야를 방해하지 않기 위함이다. 이에 반해 무인전투기의 경우 기동성과 스텔스 성능을 고려하여 가로세로비가 작으며, 특히 미익이 없는 전익기 형태로 설계된다. 미익이 없는 경우 종방향 정적 안정성 여유 및 방향 안정성이 크게 감소하므로 높은 수준의 비행제어기 및 드래그 러더나 스포일러와 같은 별도의 조종면이 요구된다.

 

고정익 무인항공기는 유인항공기와 동일하게 이륙, 비행, 착륙의 세 가지 단계를 거치게 되는데, 표적기나 기만기의 경우 회수의 단계가 생략될 수도 있다. 중대형 고정익 무인항공기의 경우 유인항공기와 동일하게 활주로를 사용하여 이착륙을 수행하는데, 예전에는 외부조종사의 수동조작으로 이루어졌으나 최근에는 고정밀 측위장치와 이착륙제어기술 발전으로 자동이착륙 방식이 일반적이다. 소형 무인항공기의 경우 그 크기에 따라 사출기를 통해 발사되거나 손으로 던지는 방식으로도 이륙할 수도 있다. 착륙 시 활주로를 사용하기 곤란한 경우에는 탑재된 낙하산을 이용하거나, 회수용 그물 등의 보조 장비를 이용하기도 한다.

2. 헬리콥터형 회전익 무인항공기

회전익 항공기는 비행효율, 속도, 항속거리 등에 있어서 고정익 항공기보다 불리하나 수직이착륙 및 제자리 비행이 요구될 경우 매우 적절한 항공기 형태이다. 회전익 항공기는 고정익기에 비해 기본적으로 불안정하고, 정지비행을 자동으로 수행하려면 기체의 속도 및 위치를 정확히 측정해야 하므로 고정익기보다 고가의 정밀한 항법센서가 요구된다. 또한 헬리콥터의 경우 로터 및 동력전달 구조가 복잡하여 기체의 정비면에서도 복잡하며 비용이 많이 소요되어 고정익보다는 매우 제한적으로 개발, 배치되고 있는 실정인데, 미국의 경우 파이어스카우트가 2010년 실전 배치된 것으로 알려져 있다.

 

헬리콥터 형태의 회전익 무인기에는 유인기와 마찬가지로 메인테일 로터를 가진 형태, 동축반전식, 인터메시 방식 등이 있으며, 메인-테일 로터 방식의 경우 스와시플레이트를 통해 메인 로터의 사이클릭 피치와 콜렉티브 피치를 조종하고 러더를 통해 테일 로터의 콜렉티브 피치를 조종함으로써 자세를 제어하게 된다. 또한 메인 로터의 회전수를 일정하게 유지하기 위해 가버너가 활용되기도 한다. 소형 무인 헬리콥터의 경우 플라이바의 유무에 따라 헬리콥터 및 로터 시스템의 형태가 구분되기도 하는데 플라이바와 그 양 끝에 패들이 장착된 로터 시스템의 경우 플라이바를 통해 바람과 같은 외란으로부터 기체의 안정성을 증대시키고 지상의 외부 조종사로 하여금 안정한 조종이 가능하도록 도움을 준다.

 

이 경우 일반적으로 요 자세 안정성 증대를 위한 자이로스코프만을 활용하게 된다. 반면 플라이바리스 형태의 로터 시스템을 장착한 무인 헬리콥터는 안정성이 줄어드는 대신 조종성이 증대되고 3축 자이로스코프를 통한 안정성 증대시스템을 결합할 경우 안정성과 조종성을 상황에 맞게 조절 및 확보할 수 있게 된다. 따라서 안정성 증대시스템과의 결합을 통한 플라이바리스 형태의 로터 시스템도 활발히 적용되는 추세이다. 또한 소형 무인항공기의 경우 생존성 향상을 위해 추력 시스템 고장 시 안전한 지상 착륙을 위한 오토로테이션 기동이 가능하며 자동으로 오토로테이션 기동을 수행하기 위한 연구 및 도입이 검토되고 있다. 헬리콥터형 무인기의 경우 로터의 진동에 자세측정센서가 영향을 받는 문제가 있으며 영상 임무장비의 경우 그 진동을 해결하기 위한 능동적 또는 수동적 대처방안이 요구된다.

3. 쿼드콥터형 드론

쿼드콥터형은 네 개의 로터를 대칭으로 배치한 멀티로터 방식의 무인기이다. 쿼드콥터 혹은 쿼드로터가 가장 널리 사용되는데, 이 같은 방식은 헬리콥터가 이고르 시코르스키에 의해 발명되기 훨씬 전인 1920년대에 이미 성공적으로 비행한 바 있다. 쿼드로터는 각 로터의 추력을 제어하여 롤, 피치 방향의 자세를 제어하고 로터에서 발생하는 반토크의 양을 조절하여 요를 제어하는 방식으로 비행하는데, 고정 피치 프로펠러에 로터의 회전수를 제어함으로써 추력제어가 가능하므로 기구부가 줄어들어 구조가 간단하고 무게를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

 

쿼드로터방식 무인기는 같은 크기의 헬리콥터에 비해 네 개의 프로펠러를 구동하므로 추력이 작아 탑재중량이 작고 프로펠러의 속도제어를 통해 추력을 제어할 경우 응답성이 떨어지는 단점이 있어 헬리콥터에 비해 널리 쓰이지 않았으나 최근에는 고속 응답이 가능한 전기모터와 배터리의 발전으로 사용이 급격히 확대되었다.

 

쿼드로터는 기체 기수 방향에 두 개의 로터를 배치하는 X형 방식을 주로 사용하고 있으며 세 개의 자세값인 피치, 롤, 요를 제어하기 위해 네 개의 로터 회전수를 제어해야 하므로 구동기 맵핑이 필요하다. 일반적으로 쿼드콥터형 무인기의 자세를 정밀하고 안정적으로 제어하기 위해서는 100Hz 이상의 빠른 제어가 요구되며 일반적으로 상용화된 쿼드로터 무인기의 경우 250-400Hz의 제어 주기를 사용한다.

 

쿼드콥터형 무인기의 로터 중에서 한 개 이상에 문제가 발생하게 될 경우 롤, 피치, 요 자세를 모두 원하는 값으로 제어할 수 있는 방법은 불가하며 요 자세는 제어하지 않고 롤과 피치를 제어하는 방식이 가능하다. 이 경우 기체가 지속적으로 요 방향으로 회전은 하지만 수평 자세는 어느 정도 유지할 수 있으며 결과적으로 수평 방향 속도를 제어하여 제자리 비행 등 위치를 제어할 수도 있다. 따라서 쿼드로터의 경우 한 개의 로터라도 문제가 발생하면 모든 자세를 제어하는 것이 불가하기 때문에 로터의 개수를 증가시켜 로터 고장에 대비가 가능하고 큰 중량의 임무장비 탑재가 가능한 헥사콥터, 옥토콥터 형태의 무인기가 운용되고 있다.

4. 헥사 / 옥토콥터형 드론

멀티콥터형 드론의 로터 개수를 증가시킨 헥사콥터, 옥토콥터 형태의 드론은 쿼드콥터형 드론에 비해 로터 개수에 여유가 있어서 개별 로터 고장에 대응할 수 있고 증가된 모터 개수로 인해 쿼드콥터 드론과 동일한 규격의 모터를 활용하면서도 최대이륙중량을 증가시킬 수 있으므로 상대적으로 무거운 임무장비를 탑재하고 비행이 가능하다.

 

헥사콥터형 드론과 옥토콥터형 드론은 각각 여섯 개와 여덟 개의 모터-로터 시스템을 장착하고 있으며, 전체 로터를 단일한 평면상에 배치하는 방식과 하나의 회전축에 두 개씩 로터를 배치하는 동축 반전형 방식이 존재한다. 동축 반전형으로 모터-로터 배치 시 동일한 회전축에 장착된 동축 반전 모터-로터들의 회전수를 동일하게 제어함으로써 쿼드콥터형 드론과 동일한 방식으로 제어 및 비행이 가능하다. 특히 동축 반전형 멀티콥터드론의 경우 동일 회전축에 장착된 로터 시스템에 동시 고장이 발생하지 않을 경우 전체로터 개수의 50%만으로도 자세 유지 및 기동이 가능하다는 장점이 있다.

 

오늘은 무인항공기와 드론의 정의와 각 비행체의 비행원리(장, 단점)에 대해서 알아보았습니다. 다음에는 무인항공기와 드론 비행원리 2탄으로 돌아오도록 하겠습니다

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다~