위성을 대신할 고고도 무인기 HAPS - 에어버스 Zephyr

 

Zephyr HAPS ⓒAIRBUS

 

 

인공위성은 제작과 발사, 유지에 많은 비용이 소요되며, 설정된 궤도를 공전하여야 하므로 정찰 반경과 위치, 시간이 한정적이다.

이에 따라 초경량 태양광 ‘고고도 장기체공 무인기(HALE : High Altitude Long Endurance UAS)’가 군용 정찰은 물론 민간 통신중계에도 활발한 연구와 실험이 진행되고 있고, 시제품의 비행시간은 현재 최장 64일 이상을 기록하며 경쟁적, 지속적으로 늘어나고 있다.

정찰, 감시, 촬영, 기상, 통신중계 등 다용도로 위성을 대체할 수 있는 활용범위가 넓다는 점에서 현재는 플랫폼의 위상을 추구하고 있어 HAPS (High Altitude Platform Station) 라고 불린다.

 

HAPS (High Altitude Platform Station 또는 High Altitude Pseudo-Satellite)
고고도(高高度) 의사위성(擬似衛星)
고고도 유사위성(類似衛星)
고고도 플랫폼 스테이션
고고도 플랫폼 무선국(無線局)

 

 

 

UAV, HAPS, 인공위성의 고도 비교

 

 

HAPS는 원래 성층권에서 무선 중계국 역할을 할 수 있는 비행선과 기구, 항공기를 모두 포함하는 개념이지만, 현재는 주로 고고도 장기체공 무인기인 HALE을 일컫는다.

그동안 세계 각국과 기업에서 그동안 개발을 해왔지만 예를 들어 Google 주도의 Solala 50은 2017년에 프로젝트를 중단했고, Facebook의 Aquila도 2018년에 개발 중단하는 등, 개발의 지속성과 상용화에 어려움을 겪은 바 있다.

현재는 유럽연합의 글로벌 항공기 제작사인 AIRBUS의 Zephyr가 그 선두에 있다. 자금력과 기술력, 항공분야의 연구기반에서 다른 UAV 업체나 기관과 차이가 존재하므로 어찌보면 당연한 결과라 볼 수 있다.

 

HAPS 운용개념

수개월에 걸친 연속적인 비행을 가능케 함으로써 비용을 현저히 절감할 수 있는 인공위성 대체 고고도 플랫폼

* 시스템 구성
① 초경량 소재+구조와 날개 전면 태양광 패널을 이용한 에너지 공급
② 고품질의 촬영, 최대 250개의 지상통제장비와 연결하여 실시간 전달
③ 위성과 중계 연결하여 세계 어디에서나 명령을 내릴 수 있는 무제한적 작전 반경

* 운용 시간 및 시나리오
4000시간+ (향후 목표 1년)

HAPS의 활용 ⓒ한국항공우주연구원

* 시스템 특성
① 인공위성과 같은 효과를 내지만 비용은 혁신적으로 줄일 수 있다.
② 인공위성과 달리 필요한 정찰 포인트로 상시 이동이 가능하여, 군 임무 특성상 가변적이고 유연한 활용이 가능하다.
③ 이착륙을 통한 재활용성이 매우 좋은 제품으로, 시장의 개척가능성이 무궁무진하다고 할 수 있다.

* 장기 지속비행이 가능한 혁신의 요소
① 태양광 + 초경량 구조
② 성층권은 작전중 다른 비행체의 방해를 받지 않음 (비관제공역)
③ 성층권은 대기가 안정적이고 구름과 바람이 거의 없음

 

경쟁 HAPS 기종과의 비교

Zephyr는 인공위성을 대체하는 다목적 플랫폼을 추구한다는 점에서 실질적인 경쟁분야이자 시장세분화적인 목표는 인공위성 시장이라고 할 수 있지만, 현재 개발 및 프로토타입으로 출시중인 대표적인 타사의 HAPS 기종과 비교도 필요하다.

MIRA Aerospace의 ApusDUO
BAE Systems의 PHASA-35
Swift Engineering의 SULE (Swift Ultra Long Endurance)

 

모델	폭	자체중량	페이로드	고도	비행시간
Zephyr	25m	75kg	5kg	23km	64일
ApusDUO	14m	43kg	6kg	19km	-
PHASA-35	35m	150kg	15kg	21km	3일
SULE	22m	82kg	7kg	21km	-

HAPS 경쟁기종 비교 (2024년 기준)

대부분의 기종이 최장 1년의 비행시간을 목표로 하고 있어도 Zephyr는 현재 가장 활발하고 꾸준히 연구와 시운전 성과를 수치로 선보이고 있다. 또, 다른 기종에 비해 적은 페이로드가 단점이지만 2026년까지 용량을 2배로 늘일 계획이다.

한편으로, 전력화되어 현역으로 사용되고 있는 고고도 정찰용 무인기의 대명사인 RQ-4 글로벌호크는 2019년 이란 공역에서 격추되는 수모를 겪기도 했다. 방공망에 취약한 이런 단점 때문에 무인정찰기들은 퇴역이 결정되었고 향후 감시 정찰은 인공위성으로의 의존성이 커지고 있는 상황이다.

대당 가격이 2억달러에 이르는 글로벌호크와 Zephyr와 같은 초경량 태양광 기체의 성능과 기능은 비교할 수도 없겠지만 탁월한 가성비에서 파급되는 인공위성 대체라는 수요 그리고 혁신성에서는 단연 돋보인다고 할 수 있다.

 

 

개선점

(1) 구조적, 기술적 문제
매우 긴 날개에 초경량 구조를 가져야 하므로 지상에서 성층권까지 상승과 하강 시에 파손과 유실 우려가 있다. 또 고고도에도 난기류가 발생할 수 있으며 Zephyr의 경우 여러 차례 상공에서 분실되기도 했다.

특히, 대륙간이동시 대형 항공기의 연료절감에 도움이 되는 제트기류가 이를 넘어서 성층권으로 진입해야하는 초경량 기체에게는 심각한 위협이 되어, 안정적인 성층권 안착과 난기류에 대응하는 기술적인 보완책이 필요하다.


(2) 이륙 시스템
무동력 글라이더처럼 기상적 조건이 필요하고, 이륙 속도에 도달할 때까지 여럿이 손으로 균형을 잡고 날려야 하므로 호흡이 맞는 5인 이상의 인력이 필요하다. 보다 효율적이고 시스템적인 운용을 위한 발사 장치를 고안해야 한다.

이륙하는 Zephyr ⓒAIRBUS

(3) 안정적 운용
세계적 공룡기업인 구글과 메타(페이스북)가 막대한 자본을 투입하고도 개발을 중단한 이유를 추정해 볼 수 있다. 비록 제작 발사 비용은 저렴해질 수 있지만 안정적 운용에 있어 인공위성을 대체하기 힘들다고 판단했기 때문일 것이다.


(4) 외부적 위협
성층권도 공기가 희박하지만 대기권이며 고고도 무인기의 활동범위는 비관제공역이지만 우주가 아니라 각국의 주권범위인 영공(50km 이하)과 겹쳐있다. 영공침범 여부는 민간 상업용이라도, 합의가 있더라도, 국제관계에 따라 언제든지 민감해질 수 있는 사항이라 발전에 장애요소가 될 수 있다.

 

 

 

총평

안정적 운용에 있어 가장 큰 장애물인 성층권 진출입과 영공에 대한 민감성을 극복하지 못한다면 그 리스크가 발전에 저해가 될 수 있다. 또, 고고도 감시 정찰 분야에서 글로벌호크의 퇴역의 경우에서처럼 요격에서 자유롭지 못한 점이 인공위성과의 경쟁에서 채택에 걸림돌이 된다.

그렇지만 인공위성의 단점 또한 분명하며 많은 수의 위성의 폐기로 인한 우주쓰레기 문제가 우주산업 발전과 안전 위협에 화두가 되고 있는 상황에서 HAPS의 선두를 달리고 있는 Zephyr는 그 대안으로의 수요와, 개선되고 있는 단점을 상쇄하며 충분히 위상이 격상될 수 있다고 본다.