항공우주 차세대 선행기술 - 항우연 연구개발 현황

과거 미국·소련 냉전시대 때 인류는 우주정거장을 만들고, 달에 가고, 화성에 탐사선을 보내는 등 대우주개발 시대가 있었다. 1969년 미국의 아폴로 11호가 달에 착륙했다는 사실은 지금까지도 음모론이 존재하며 믿지 않는 사람들이 많다. 지금도 천문학적인 비용과 시간때문에 지구를 벗어나는 시도조차 하기 어려운데 50년 전에 이뤄낸 일이라고 보기에는 믿기 어려운 것이 당연하다. 나는 그저 대우주개발 시대로부터 파생된 수 많은 기술들이 지구기술과 접목되어 과학기술이 발전되는 것을 보고 과거에 진짜 달에 갔다왔을 정도로 역동적인 우주개발 시대였구나 하고 생각한다.

 

2020년 미 우주군 창설     출처: 백악관

과거 단 한 차례의 대우주개발 시대가 지나고 50년인 흐른 지금. 두 번째 대우주개발 시대가 열리고 있다.

현 항공우주산업을 크게 두 가지로 나누자면 뉴스페이스 시대와 개인항공기 시대로 항공우주 패러다임이 전환 되고 있다. 대한민국의 우주개발은 타 선진국과 비교했을 때 늦은 편에 속하지만 선택과 집중을 통해 우주산업 시장에 진출하고자 하는데 대한민국의 우주청이라 볼 수 있는 한국항공우주연구원의 '항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황'에 대한 보고서를 살펴보자.

 

새로운 항공우주 시대의 초석을 다지다

◈ 전기추진 수직이착륙 미래비행체 핵심기술 연구 - 9개 세부 과제

 

출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

항공운송은 신속한 이동이 장점이지만 환경문제로 소음과 대기오염이 야기되고, 전문 조종 자격이 필요해 개인용 운송수단으로는 한계가 있었다. 최근 배터리 성능이 비약적으로 발달하며 전기추진이 가능해지고 있다. 또한, 전자/ 통신 및 비행제어기술의 고도화로 자율비행이 가능해져 머지않은 미래에 개인용항공기(PAV)시대가 도래할 것이다. 이에 전세계적으로 UAM 개발 경쟁이 치열하고 한국에는 현대차, 한화시스템 그리고 대한항공이 뛰어들었다

SF 공상과학 영화에서 보던 하늘을 나는 자동차는 현재 세계 각국에서 100종 이상의 UAM이 개발 중이며, 그 중 30여 종이 비행시험 중에 있다. 

 

- 1인승 OPPAV와 5인승급 eVTOL의 형상설계와 성능평가

 

- 다중 프로펠러, 조류충돌 해석과 3D 프린팅 제작 기법

                                                                                              

- 비행위험지역 설정과 사전계획모드를 활용한 무인기 안전운용 기술

 

- 분산추진방식의 다중 프로펠러  공력성능 해석 및 시험평가 기술

 

- 전기추진 프로펠러 및 허브시스템의 고성능 및 저소음화 연구

 

- 다중 프로펠러의 고장허용 제어법칙 연구

 

- UAM 개념설계 및 MDO 통합프레임 웍 연구

 

- 하이브리드 전기추진시스템 전력공급부 설계 통합 모델 개발

 

* OPPAV는 PAV, UAM의 기술시현기를 의미

 

 

초기 도심항공비행은 시행착오를 많이 겪을 것이다. 이동수단의 혁명인 자동차가 처음 발명되었을 때도 그랬다. 그러나 10년, 20년이 지나니 대중화 되기 시작했다. 도심항공비행 또한 그때와 같은 이동수단의 혁명을 일으키고 있는 중이라 본다. 포화상태에 이른 2차원 자동차의 운송 한계를 넘어 조용하고 안전한 교통체증 없는 3차원 공간의 운송과 이동이 자유로운 시대를 기대해본다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=oFlb176OM5k 

 한국공항공사는 한화시스템과 손을 잡고 김포공항 에어택시 이착륙장 구축 프로젝트를 진행하기로 하였다.

 

 

◈ 한국형 발사체 다단연소 엔진 연구 - 7~10% 향상된 추진 효율

 

다단연소 사이클 엔진 개념     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

올해 10월 발사예정인 한국형 발사체 상단엔진은 가스발생기에서 생선된 가스가 터빈을 구동하고 외부로 배출된다. 그러나 다단연소사이클 엔진은 예연소기에서 생성된 가스가 터보펌프의 터빈을 구동한 후 다시 주연소기로 들어가 재연소 되는 방식이다. 모든 추진체가 주연소기에서 연소로 사용되는 만큼 기존 사이클보다 7~10% 높은 추진효율을 보인다.

한국형 발사체 이후 후속발사체에는 3단 로켓에 적용 예정인 고성능 다단연소엔진의 기술검증 시제품을 개발해 정지궤도 위성 3단의 설계 운용시간인 600초 연소시험을 시행하여 설계점 성능을 확인했다.

 

 

◈ 디지털 시대의 로켓 개발 - 3D 프린팅 & 소형 로켓

 

출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

전 세계적으로 지구 저궤도에서 운영되는 소형 통신위성이 크게 늘고 있지만 이를 검증할 발사 기회가 충분하지 않은 상황이다. 이에 이들을 올려 보낼 초경량 발사체 시장 규모가 급격하게 커지고 있는데, 항우연은 2018년 한국형 발사체 시험발사체의 성공적인 발사를 계기로 2020년부터 디지털 기술을 적용한 소형발사체 선행기술 개발 사업을 시작하였다.

 

3D 프린팅 기반 로켓 개발은 단순히 3차원 형상 제작이 아닌, 3차원 설계자와 제작자 간 소통 방식, 개발 시제를 디지털 형태인 데이터로 보관하고 공유하는 인프라 설계, 최종 사용자와 설계자의 연결을 혁신적으로 바꾸는 작업까지 포함해 로켓 개발 제조업의 생태계를 디지털화하는 시도이다. 따라서 프린터 성능, 설계 테이터 관리, 제작공정 자동화, 품질관리 등에 이르는 일련의 과정에서 생성되는 방대한 양의 데이터 관리가 중요하다. 향후 이들 데이터를 AI기술을 기반으로 분석하고 문제 발생 원이에 대한 추적, 소프트웨어 간 연결성 등을 보장할 수 있어야만 자동화 등 본격적인 양산 방식으로 로켓 분야에서 활용될 수 있을 것이다.

 

3D 프린팅을 이용한 엔진 연소기 개발은 엔진의 성능을 확인하는 최종 사용자가 직접 3차원 형상을 설계하고 프린터를 이용해 형상을 검토한 후 실제 금속재를 이용한 SLM 방식으로 제작하여 설계 결과를 빠르게 확인할 수 있다. 이는 기존 6개월~1년 걸리던 기간을 2~4주로 단축시켰다. 

 

* 3D 프린팅은 발사체뿐 아니라 위성 부품 개발에도 다양하게 시도되고 있으며 경량화, 제작기간 단축, 비용 절감 등의 장점이 있다. 현재는 소형 부품을 제작하고 있으나 향후 핵심 및 큰 부품도 제작연구되면서 우주산업 발전에 촉진제 역할을 할 것으로 기대된다.

 

 

◈ 인공지능 기반 항공우주 핵심기술 개발 - 초소형 위성, 스마트 위성 영상 

 

한국항공우주연구원 초소형위성 개발 연구팀과 우주환경 시험 장면     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

인공지능, 빅데이터 등 4차 산업혁명 핵심기술과 항공우주 간의 연계가 이루어지며 항공우주 분야의 연구개발 생산성과 효율성 향상을 가속화 시켰다.

우주 핵심기술 및 미래 선도기술을 우주에서 실증하는 테스트베드로써 초소형위성이 개발 중에 있다. 2015년 10kg급의 지구관측용 초소형위성 개발을 시작으로 국내 최초로 우주 핵심기술인 랑데부/도킹 기술, 우주쓰레기 제거 기술 등을 개발하고 있다. 이와 같은 고난도 기술을 중·대형 위성에 바로 사용하기 앞서 저비용의 초소형위성에 적용 검증하여 위험성을 줄일 수 있다. 초소형위성은 대학, 산업체, 공공기관 등에서 개발하고 있으며 향후 6년 이내 약 2,500 기 이상이 발사될 예정이다.

 

 

◈ 한국형 위성항법시스템 - 독자 인프라 구축 및 신개념 항공교통관리

 

한국형 위성항법시스템 구조도     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

위치, 항법, 시각 정보를 제공하는 위성항법시스템은 차량, 스마트폰 등과 같은 일상생활 기술로 4차 산업시대의 국가 핵심 인프라다. 현재 위성항업시스템을 독자적으로 구축한 나라는 미국, 러시아, 중국, 유럽, 일본, 인도와 같은 항공우주산업의 대표적인 나라들 뿐이다. 현재 우리는 미국의 GPS에 의존하는 상황이며 항공우주연구원은 독자적인 인프라를 구축하기 위해 관련 기술 확보를 위한 핵심 소프트웨어 설계 및 성능평가를 진행 중에 있다. 현재 항공 교통 수요 증가와 미래 UAM같은 미래 비행체의 예고된 등장에 따라 한정적인 공간 내 항공 교통 흐름을 안전하고 효율적으로 관리하기 위해선 한국형 위성항법시스템 개발은 필수인 셈이다.

 

또한, 최근 발사체 발사 횟수가 증가하고 소형발사체가 등장하면서 소형발사체의 비용과 무게를 줄이기 위해서는 시간에 따라 오차가 증가하지 않는 위성항법시스템 사용이 필수적이다. 

 

 

◈ 뉴스페이스 시대의 항공우주 설계·제작 기술 - 혼합현실 활용

 

혼합현실 기반 달 궤도선 정보 증강 애플리케이션     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

뉴스페이스는 비용 절감과 지속적인 혁신에 바탕을 둔 민간 주도의 우주 개발을 의미하며 저비용 발사체와 위성체 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 관련 설계 기술 혁신이 이루어지면 항공우주 개발 비용은 AI, 빅데이터 등과 같은 타기술의 혁신과 맞물려 가파르게 감축할 것이다. 설계 기술을 발전시키기 위한 대표적인 방법이 혼합현실을 활용하는 것이다. 혼합현실을 활용한 설계 및 제작 기술은 현실에 가상현실을 덧입히면서 시간과 공간을 제약 받지않고 의사소통 할 수 있는 항공우주 기술 개발 플랫폼을 개발하는 것을 가능하게 한다.

 

소형 발사체 다중위성 분리 시뮬레이션     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

최근 NASA·록히든마틴이 유인탐사선 개발에 혼합현실 장비를 활용하여 조립시간을 8시간에서 45분으로 단축한 바 있다. 뉴스페이스 시대의 항공우주 기술에 있어 하드웨어 접근은 다양하게 이루어지지만 소프트웨어 접근은 미미한 상황이다. 우리나라 산업의 가장 우수한 장점 중 하나는 IT기술이다. 우리나라 뿐 아니라 세계적으로도 시작 단계인 만큼 우리만의 우수한 IT기술을 접목하면 경쟁력 확보 및 관련 분야 선점을 기대할 수 있다.

 

 

◈ 인공지능 기반 위성영상 실시간 디스플레이 기술 개발 - 더 빠르고 더 효율적으로 위성영상 전송

 

실시간 위성영상 알림 시스템     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

위성의 고도화로 위성 영상 해상도와 데이터 크기가 증가함에 따라 사용자가 열람하기까지 오랜 시간이 걸린다. 이에 사용자의 관심부분만 추출하여 위성영상을 열람하는 기술을 개발 중에 있다. 날씨 예보가 종종 틀리는 이유는 바로 위성이 보내준 데이터의 열람시간이 2시간 가까이 되기 때문이다. 그래서 위성 데이터 열람 시간이 줄어든다면 더 정확한 예측이 가능해질 것이다. 뿐만 아니라 위성영상을 수신과 동시에 열람이 가능해진다면 영상의 전송 시간과 분석 시간을 획기적으로 줄여 군사적 활용은 물론 재난재해 발생 상황이나 긴급 주요 임무 시 신속 대응이 가능하게 된다. 

인공지능 객체 검출 기술을 이용한 위성영상 내 항공기, 선박 검출     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

효율적인 고속 열람이 가능하려면 위성에서 영상을 압축하는 방법을 개선시켜야 한다. 그런데 영상압축 방식의 국제 규격 자체가 타 산업분야 기술 수준보다 뒤덜어져 있어 좀 더 진보된 압축 규격을 자제 제정하는 연구가 필요하다.

위성정보 활용이 기하급수적으로 늘어나는 추세라 사람이 위성정보를 모두 분석하기란 쉽지 않다. AI를 도입한다면 관심 영역을 좀 더 정확히 제안해 디스플레이 기술 개발에 용이할 것이라 본다. 

 

 

시드사업 Best Practice - 산업체 기술 이전, 국책사업 및 연구소 기업 창업으로 연계 및 확장

 

◈ 하늘 위를 자유롭게 - '자율 군집 비행기술'

 

출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

택배, 농업, 정찰 등 다양한 분야에서 활용되는 드론은 4차 산업혁명의 핵심기술 중 하나이다. 특히 위 사진처럼 드론의 군집비행기술은 다양한 산업적 활용으로 주목받고 있는데 그 중에서 군사목적으로 매우 뛰어나다. 실제로 미국에서는 8대의 군집 드론으로 이지스함을 상대하는 시뮬레이션을 돌린 결과 4대가 자폭에 성공하는 성과를 거두기도 했다.

 

군집비행기술 연구개발 추진과정     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

군집 비행 시스템 핵심은 통신, 제어, 위치인싣으로 이동체들을 충돌 없이 운영하는 시스템 개발이 중요하다. 항공우주연구원은 시스템 개발 난제 에 부딪쳤는데 오픈 소스 기반의 비행제어 컴퓨터인 '픽스호크'를 활용해 군집 비행 시스템을 완성시켰다. 공개기술을 기반으로 하는 것에 우려가 있었지만 기술 공유 환경의 중요성을 인지하게 된 계기가 되었다. 이후 활용 가능한 기술로 확장을 지속적으로 시도한 결과 '드림비전스'와 '네온테크'에 성공적으로 기술이전하며 산업체 이익 창출에 기여하였다. 앞으로 군집드론 비행기술은 보다 안정화·정교화되어 PAV(개인항공기)시대의 기반기술로 활용될 전망이다.

 

 

◈ 스마트무인기 실용화 - '하이브리드 드론'

 

'나르마' 하이브리드 드론     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

2018년 디지털 틸트로터형 무인기 상업화를 목표로 한 항공우주연구원의 1호 연구소 기업 '나르마'가 탄생했다.

'나르마'의 권기정 대표는 한국항공우주연구원에서 20년간 연구개발을 하다가 2018년 '드론용 조난자 탐지 전파신호검출기 개발'을 수행하며 틸트로터 비행제어 기술을 적용한 고속 소형 드론을 개발하는 동시에 산악지역 수색 및 응급품 전당 등 배송 드론 사업화 씨앗을 마련했다. 여기서 말하는 틸트로터는 한국항공우주연구원이 세계 두 번째로 개발한 스마트 무인기이다. 주요 제품은 하이브리드 드론인데, 다른 제품들과 달리 드론의 수직 이착륙 기능과 고정익 무인기의 고속 비행 장점을 결합함으로써 운용 거리 한계 및 이착륙 문제점을 동시에 해결하였다.

나르마는 미국 시장을 목표로 하고 있는데 특히, 배송 분야에 집중적으로 투자할 계획에 있다. 

한국항공우주연구원이 개발한 틸트로터 스마트 무인기     출처: 한국항공우주연구원

 

 

◈ 도심형 자율비행 개인항공기 개발 

 

다양한 비행체 후보 형상 도출 및 모델링     출처: KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황

도심·단거리 운항용 개인항공기가 항공기 시장의 블루칩으로 떠올랐다. 개인항공기는 수직이착륙, 저소음, 무공해, 고안전과 같은 특성을 실현할 수 있는 다중추진과 전기 동력 적용 등 신기술 개발이 필수적이다.

항공시장은 높은 신뢰성과 안정성, 경제성가지 요구하기 때문에 후발국가가 진입하기 어렵다. 즉, PAV 분야의 빠른 진입은 국내 시장은 물론 수출 가능성까지 확보가능한 틈새 시장이다. 그동안 멀티콥터형 드론 기술을 성숙시키며 세계적인 경쟁력을 확보해온 한국항공우주연구원은 전기동력, 크기, 중량, 성능을 고려하여 공력성능이 우수한 형상을 설계 기술 확보함으로써 미래형 자율비행 개인항공기 개발의 토대를 마련했다. 머지않아 미래, 도심 운항이 가능한 개인용항공기 개발과 운용이 실현되면 지역 간 균형 발전 광광 분야의 발전과 기대한다.

 

 

이외에도 10 여가지 넘는 기술들이 더 담겨있는데 생략하였다. 그 이유는 인공지능을 기반으로 한 위성산업 내용이 대다수이기 때문이다. AI는 전반적인 항공우주산업에 무섭게 스며들고 있고 특히, 한국이 밀고 있는 위성산업의 모든 면에 파고들어 경쟁력을 강화하고 있는 상황이다. 우주개발 후발국가들의 지구관측 위성 수요가 증가하는 상황 속에서 위성 경쟁력 강화 선택은 곧 빛을 발할 것이라 본다.  

 

 

 

https://junewoo1120.tistory.com/6

국군의 무인 항공기 개발 현황

https://junewoo1120.tistory.com/17

방위사업청 온라인 세미나 [4차 산업혁명시대 국방 드론산업 발전]

 

 

 

참고문헌

 

"KARI 항공우주 차세대 선행기술 2020년도 연구개발 현황"