한 번 이륙하면 일반적인 항공기들이 날아다니지 않는 높은 고도로 날아올라 필요 한 에너지를 하늘에서 스스로 조달하며 오랫동안 떠 있을 수 있는 항공기에 대한 꿈 을 향한 도전이 조금씩 실현되어 가고 있다.

무인항공기는 최근 교통, 물류, 구조, 통신, 항공촬영, 농업, 감시 등 민간 분야로 급속히 확대되고 있다. 무인기는 앞으로 항공시장의 성장을 주도할 것으로 예상되는 분야다.

항공 및 방위산업 전문 컨설팅업체(Teal Group)에 따르면, 무인항공기 시장 규모는 2023년 125억 달러로 증가하고, 민수 분야 시장 규모는 8억 8000만 달러로 연 평균 35%의 높은 성장세를 보일 것으로 전망된다. 무인항공기 시장은 그동안 항공분야 선진 국가들이 과점해 왔으나 후발 기술국과 업체들이 시장에 진입하며 치열한 경쟁 구도로 변화하고 있다.

◇ 나사(NASA)가 개발한 헬리오스(Helios) 추락

세계최고의 우주항공 기술을 보유했다고 할수 있는 나사(NASA)가 개발하던 무인 태양광 비행기 프로젝트의 마지막 기체가 바로 헬리오스(Helios)프로젝트이다. 나사(NASA)는 헬리오스(Helios)를 마지막으로 무인 태양광 비행기 프로젝트를 포기하게 된다.

이유는 경량화 문제로 내구성에 문제가 있던 헬리오스(Helios)가 추락하면서 안전문제가 발생했기 때문이다. 헬리오스의 추락으로 나사는 패스파인더–패스파인더 플러스–센츄리온–헬리오스 HP01–헬리오스 HP03 등으로 이어져 오던 무인 태양광 비행기 프로젝트를 취소하게 된다.

하지만 10년이 지난 지금 기술은 더욱 진보하고 있는 상황이며 구글은 이제 새롭게 무인 태양광 비행기 프로젝트에 뛰어든 상황이다.

◇ 고고도 최장시간 무인항공기는 영국의 제퍼 (Zephyr 7)

세계적으로 태양전지 동력을 이용한 고고도 최장시간 비행을 기록한 무인항공기는 영국 키네틱 사의 제퍼 라는 태양전지 동력을 이용한 고고도 최장시간 비행을 기록한 무인항공기 이다. 영국 키네틱(QinetiQ)사의 제퍼 7(Zephyr 7)라는 날개 길이 25m 인 무인항공기는 낮에는 태양전지로 동력공급과 배터리 충전을 하고 야간에는 배터리를 동력으로 14일 동안 비행을 하는 신기록을 2010년에 수립한 바 있다.

◇ 영국·호주 공동개발, PHASA-35 시중판매 가능

지난1월 호주 국방과학기술국(DSTG)과 영국 국방과학기술연구소(DSTL)가 함께 만드는 태양광 드론(무인 항공기)이 첫 비행에 성공했다.

드론 이름은 PHASA-35다. 날개 길이는 35m다. 시속은 93~145㎞다. 수용 가능한 무게는 15kg다. 동력은 태양 에너지(주간)와 충전 배터리(야간)다. 성층권에서 최대 1년까지 비행할 수 있다. 임무는 정보 수집, 정찰, 통신 등이다.

올해 말 PHASA-35에 대한 2차 비행 시험이 이뤄질 예정이다. 이 시험까지 순조롭게 끝나면 PHASA-35가 시중에 판매된다. BAE시스템즈 측은 PHASA-35은 우주와 지상간 통신을 중계하는 허브와 같은 역할을 할 수 있으며 5G를 포함한 통신 네트워크 전송도 기대하고 있다.

또 밤에는 낮에 충전된 전기를 이용하기 때문에 배터리가 소진되지 않는다. PHASA-35의 날개폭은 35m이며 무게는 150kg이다. 카본 복합 모노코크 구조와 프로펠러를 이용해 2만 1,000m 고도를 93∼145km/h 속도로 비행한다.

PHASA-35는 연내 여러 테스트를 예정하고 있으며 12개월 안에 초기 운용을 시작한다. 산불이나 해난 사고 등을 찾아 내장 장비를 이용해 보안과 통신 등을 수행한다.

◇ 국내 태양광 무인항공기 기술은

지난 8월 전라남도 고흥에 위치한 항공센터에서는 잇단 환호성이 터졌다. 한국항공우주연구원(KARI)이 개발한 태양광 무인기가 국내 최고 고도 비행을 달성했을 뿐만 아니라 최장 시간 비행에 성공했다.

8월 중순에는 무인기가 고도 12~18km를 오가며 53시간 동안 연속 비행하는 데 성공했고, 8월 말에는 기존의 리튬이온배터리가 아닌 리튬황배터리를 장착한 채 고도 22km에서 비행하는 데 성공했다.

◇ 성층권 비행과 리튬황 배터리 장착이 특징

과학기슬대전의 무인이동체 포럼에서 '성층권 태양광 무인기 개발'에 대해 발표한 이융교 책임은 성층권에서 장기적으로 체공할 수 있는 태양광 무인기의 사례로 미국의 헬리오스(Helios)와 유럽연합의 제퍼(Zephyr)를 꼽았다.

성층권은 온도나 기압의 변화가 거의 없고 바람과 구름도 거의 생기지 않는 특징을 갖고 있다. 이런 성층권에서 장기 체공이 가능하게 하려면 태양에너지를 이용한 전기추진 시스템이 장착되어 있어야 한다.

주간에는 태양전지로 비행하고, 야간에는 낮에 충전해두었던 배터리로 움직이면 반영구적일 뿐만 아니라 친환경 비행이 가능해진다.

EAV-3는 항우연이 지난 2013년부터 개발해온 고고도 무인기다. 고도 12km 이상 성층권에서 비행할 수 있는 이 무인기의 동력은 태양으로부터 얻는다.

날개에 부착한 태양광 패널을 통해 낮에는 태양전지로 비행하고 밤에는 낮에 충전했던 배터리의 전력을 사용하여 비행하도록 설계되었다. 성층권 비행에 성공했다는 사실 외에 EAV-3에서 주목할 점은 리튬황배터리의 장착이다.

리튬황배터리는 현재 널리 사용되고 있는 리튬이온배터리를 대체할 차세대 배터리 중 하나로 꼽히고 있다.

최근 중국 무인기업체들의 급성장이 두드러지고 있으며 구글, 아마존과 같은 IT 기업부터 초소형 드론을 이용해 틈새시장을 노리는 스타트업까지 뜨거운 시장 경쟁을 벌이고 있다. 우리나라는 현재 세계 7위권의 무인기 기술 경쟁력을 가진 것으로 평가되고 있다. 2023년까지 세계 5위, 2027년 세계 3위군 무인기 산업국 진입을 목표로 한다.