한국방위산업진흥회
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1903년 미국의 라이트 형제가 역사적인 첫 동력비행에 성공하면서, 인류는 본격적인 항공 시대를 열게 됩니다. 이후 발발한 1,2차 세계대전을 통해 전쟁의 양상은 점차 공중전으로 확대되었고, 각 나라는 적군보다 빠르고 강한 전투기를 만드는데 열을 올리게 되었는데요. 이에 항공 산업은 눈부신 발전을 이룩하게 되었답니다.



<첫 동력비행에 성공한 라이트형제>



현대 전장환경에서도 제공권을 장악하는 것은 승리의 열쇠가 될 정도로 매우 중요합니다. 걸프전쟁에서의 미군이나 중동전쟁의 이스라엘군도 전투기로 하늘을 장악해 승리를 거머쥐었지요.



<걸프전쟁 당시 제공권을 장악한 미공군 전투기>



이러한 면에서, 무인항공기 드론(Drone)이 제공권을 장악할 새로운 군사 전력으로 떠오르고 있습니다. 적 레이다에 잘 탐지되지 않고 전투기에 비해 가격이 저렴하며, 또 사람이 타지 않아 안전하기 때문인데요! 특히 1991년 중동의 걸프전에서 몇 대 안되는 군사용 드론의 활약이 두드러지면서, 세계 각국에서는 드론 개발에 적극적으로 나서게 됩니다. 현재 정찰 및 감시임무, 군수물자 배송임무, 전투임무 등에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있지요.



<1991년 8월, USS 위스콘신함에 탑재된 무인항공기 파이오니어(Pioneer). 당시 로켓 부스터엔진을 탑재하여 땅이나 바다 위의 배 갑판에서도 이륙이 가능했으며, 특히 정찰 및 첩보 임무에 효과적이었다.>



하지만 드론에도 가장 치명적인 약점 하나가 숨어 있습니다. 무엇일까요? 바로 제한된 배터리 성능으로 인해, 비행시간이 짧다는 것입니다. 대부분의 드론은 배터리를 사용하여 비행에 필요한 동력을 얻으며, 이는 드론의 운용시간이나 거리 등에 영향을 미치는데요.

  

예를 들어 어떤 드론의 최대 비행 시간이 20분이라고 가정해 볼까요? 이 때 20분 이상 정찰 임무를 수행한다고 하면, 이 드론은 20분이 지나기 전 통제소로 복귀해서 배터리 충전 후 다시 잔여 임무를 수행할 수 밖에 없습니다. 이는 드론의 연속적인 감시 및 정찰 임무가 요구되는 군사 분야에서는 치명적인 약점이 될 수 있지요.

  

따라서, 세계 각국의 연구진들은 드론의 배터리 성능을 높여 비행 시간을 연장하는 방법에 대해서도 함께 연구 중에 있는데요~ 이번 시간에는 짧은 드론 비행시간을 획기적으로 늘릴 기술들에 대해 소개하는 시간을 갖도록 하겠습니다~!



재생에너지(태양광 / 풍력)를 이용한 배터리 충전!



<태양광 패널을 장착한 드론>



먼저 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 이용하여, 드론이 비행 중에도 배터리를 충전할 수 있도록 하는 방식입니다. 위 그림처럼 드론 본체에 태양광 패널을 장착하여 태양 에너지를 얻을 수 있답니다. 만약 이 기술이 적용된다면, 드론은 비행 중 배터리를 교체하거나 충전하기 위해 통제소에 돌아올 필요 없이 계속해서 임무를 수행할 수 있지요.

  

다만 단점으로는 태양광 패널 등의 장착으로 인해, 드론의 무게가 높아져 배터리 소모율이 높아질 수 있는데요. 또한, 야간이나 바람 한 점 없는 날씨에는 태양 및 풍력 에너지를 얻을 수 없어 배터리 충전이 어렵다는 문제가 있습니다.



최대한의 에너지 효율을 얻기 위한 기술! 고성능 배터리




<연료전지(Fuel Cell) 파워 모듈을 장착한 드론>


두 번째 기술은, 연료전지(Fuel Cell)를 활용하여 배터리 성능을 향상시키는 방법입니다. 위 그림처럼 연료전지를 활용한 드론은 최대 비행시간을 기존 20~30분에서 무려 60분까지 연장시킬 수 있답니다!

  

하지만 이러한 고성능 배터리 효율을 구현하기 위해서는 배터리 외에도 추가 장치들이 필요한데요~ 이렇게 되면, 태양광 드론과 마찬가지로 무게가 높아져 배터리 소모율을 증가시킬 수 있지요. 또한 고성능 배터리의 현재 가격이 매우 높게 책정되어 있고 정비 기술도 까다로워, 이를 확대 적용하는 것은 제한되고 있습니다.

  

이렇게 태양광 패널과 고성능 배터리의 무게 문제를 해결할 대안은 무엇이 있을까요? 에너지원을 드론 내부에 두지 않고 외부에 둔다면 가능하겠지요? 이점에서 착안하여 무선으로 충전하는 방법이 거론되고 있는데요. 무선충전방식에 대해 다음 시간에 자세히 알아보도록 하겠습니다.



※ 더 자세한 내용은 월간 <국방과 기술> ’19년 02월호에 게재된 ‘드론의 비행시간 연장을 위한 연구사례들'(김선진, 조용주, Gino, J.Lim, 김동환)을 통해 확인하실 수 있습니다.



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