기 호 설 명
Cd: 항력계수 (Cd.f: 쿼드콥터의 항력계수)
Cl: 양력계수 (Cl.f: 쿼드콥터의 항력계수)
D: 항력 (N)
Ftip: 프로펠러 끝단 손실계수
L: 양력 (N)
M: 무게(kg)
P: 동력 또는 출력 (W)
Q: 토크 (N·m)
T: 추력 (N)
α: 받음각 (αi: 유도흐름에 의한 받음각 변화량)
β: 프로펠러의 비틀림 각
Ω: 각속도 (Radian/sec)
서 론
Market.us Reports에서는 세계 드론시장이 2024년부터 2033년까지 연평균 10.1 %로 875억 달러로 성장할 것으로 전망했으며[1], 물류수송 드론의 경우에는 연평균 성장률을 25 %로 더 높게 평가하고 있다. 군용 배송드론의 경우에는 전시 부대별 작전한계점을 연장하기 위한 군수의 중요성을 감안하고 격리된 부대 등에 대한 실질적인 보급수단으로서 선진국을 중심으로 개발되고 있으며 확대될 것으로 예상된다. 전시를 상정하였을 경우 전후방 육로의 교각이나 터널이 적의 공격의 대상이 되며, 즉시적인 복구가 제한될 것이기 때문이다. 국내에서는 중‧대형급 수송드론 중심으로 개발되고 있으며, 야전운용 단계에는 이르지 못하였다.
한편, '18년 미 국방성(DOD) 연구공학차관(USD/R&E)은 의회 청문회에서 작전지역 내 사상자 중 52 %가 수송과정에서 발생한다고 발표하여[2] 무인화의 중요성을 부각하였다 우리 군도 국토부의 드론배송 실증사업에 테스트베드를 제공하기로 협의하였으며[3], 민군겸용사업형태로 하이브리드방식인 배송드론을 개발하였다. 또한, 유상중량 100 kg인 수송드론도 개발하고 있어 멀지 않아 전력화에 이를 것으로 예상된다. 하지만, 이륙중량 25 kg 이하인 소형 배송드론의 군사적 활용에 대해서는 움직임이 가시화되고 있지 않다. 미 해군의 경우, 함대 내에서 수송 물품의 80 % 정도가 10파운드 이하라는 점[4]과 한국군의 병력감축에 따른 인력 중심의 배송구조 재편의 필요성 등으로 유추해 보면 소형드론 배송에 대한 연구가 필요하다.
본고에서는 소형 배송드론의 현황을 살펴보고, 군 작전 활용방안을 제시하고자 한다. 다른 기체 형태에 비해 소부대에서 휴대와 정비가 용이한 쿼드콥터를 대상으로 하였고, 배터리 추진과 장시간 비행이 가능한 가솔린발전 방식으로 구분하여 비행성능에 따른 소형 쿼드콥터의 임무와 운영개념을 설정하였다.
드론배송의 실태
박명섭 등(2021)은 수송은 대형수송 매체를 통하여 대량의 물품을 장거리에 걸쳐 이동시키는 것이고, 배송은 지역거점으로부터 소형 수송매체를 통하여 소매점 또는 소형고객에게 물품을 단거리∙소량∙소단위로 수송하는 활동을 의미한다고 정의하였다[5]. 본 연구에서는 배송용 쿼드콥터를 중심으로 기술하였다.
2.1 국내외 주요 배송드론
드론배송은 2013년 아마존이 처음으로 시범운영 한 이후 물류회사인 구글과 월마트 등이 라스트마일 배송사업에 뛰어들면서 구체화되었으며, 비가시권 영역에서도 사업화의 문턱에 와 있다. 세부적으로 보면, Google의 자회사인 Wing 항공은 2019년에 미국에서 상업 배송에 대한 FAA의 승인을 받았으며[6], 메이투안은 2021년에 중국 선전시에서 편도 3 km의 비행경로로 구성된 드론배송을 사업화하였다.
군에서는 주로 이륙중량이 25 kg 이상인 중대형 드론을 많이 사용하고 있다. 미국의 경우에는 해군과 해병이 2023년 11월에 쿼드콥터형인 TRV-150C TRUAS 를 구매했는데 최대 68 kg을 탑재하고 시속 108 km를 비행할 수 있다[7]. 중국에서는 300 km/h의 속력으로 700 kg의 화물을 520 km까지 수송하는 대형 UAV인 HH-100를 개발하였으며[8], 쿼드콥터형 소형드론의 경우에는 고산지역에 주둔하는 부대로 보급을 위해 활용하고 있다. 러시아는 무인헬리콥터인 VRT-300을 개발하였는데 70 kg의 화물을 325 km 이상으로 수송할 수 있다[9]. 정리하면, 민간분야에서는 이륙중량이 10∼30 kg 인 배송드론이 주류를 이루고 있으며, 군사분야에서는 중대형 수송드론을 중심으로 전력화하고 있다.
Table 1은 국내외 주요 배송용 멀티콥터의 성능을 보여주고 있다. 탑재량은 배터리 추진 드론이 자중의 90 % 내외이며, 가솔린발전 방식은 77 % 정도이었다.
Table 1.
Major delivery multicopters
2.2 배송드론 관련 연구
배터리 추진 드론의 비행성능에 관한 연구로서 Pollet 등(2021)은 전진비행에서의 비행거리와 비행시간을 산출하는 방법을 제시하였으며[10], Kasliwal 등(2019)은 이착륙 시의 에너지 소모량 공식[11]을 제안하였다. 본고에서는 상기논문을 참조하여 비행시간 등을 산출하였다. 국내에서 서울대(2019)는 드론 성능해석 프레임을 개발하는 항공우주연구원의 연구를 수행[12]하였으며, 박도예(2024)는 상기연구로 개발된 CLOUDS로 탑재량에 따른 비행성능을 산출하였다[13]. 본고에서는 상기의 서울대 연구에서 제시된 쿼드콥터의 항력 및 양력계수의 실험값을 적용하였다.
쿼드콥터의 비행역학 및 추진기술 현황
이번 장에서는 쿼드콥터의 비행역학식을 설명하고, 배터리와 모터, 가솔린발전기의 현황을 제시할 것이다.
3.1 프로펠러의 공력해석
본고에서는 표준대기상태로 가정하고 BEMT(Blade Elementary Momentum Theory)를 적용하였다. Fig. 1은 추력과 토크, 동력의 해석을 설명하고 있다.
식 (1)∼(4)는 BEMT의 주요 식이며, r은 익면까지의 반경이고, dT는 미소 추력이다. dL과 dD 의 계산을 위해 필요한 Cl과 Cd는 XFOIL을 이용하여 산출하는데 본 연구에서는 APC Thin Eletric 26×13E 등의 주 익면인 NACA 4412를 적용했다. αi는 유도흐름의 각성분이며, 유동 해석 시 날개 끝단의 마찰에 의한 손실을 고려하였다. Fig. 2는 본연구에서 사용한 GNU License 기반 BEMT(2022) 툴[16]의 시뮬레이션 결과를 UIUC의 실험자료와 비교한 것으로 잘 일치하였다[17].
3.2 전진비행의 성능해석
Df는 기체항력으로 D f = 1 / 2 C d . f ρ a i r V F P 2 S r e f
상게서에서는 L/D를 13으로 제안하였고, ηc는 비행체 효율로서 Stolaroff 등(2018)이 제시한 0.7를 적용하였다[19]. 쿼드콥터의 강하율(ROD)은 국토부 기준(5 m/s 이하)[20]에 따라 설정하였다.
Ceff (유효전하량)의 α0: 0.9876, α1: −0.002, α2: −5.248 ‧ 10-5, α3: 1.223 ‧ 10-7이며, Pmotor = QΩ/ηM(Ω) 을 적용한다. 본고에서는 ηM(Ω) 을 80 %로 가정하였다.
가솔린발전 드론의 비행시간은 식 (12)로 계산한다.
상용 가솔린발전기의 연료소모율에 대한 공개된 자료가 없어서, 확보가 가능한 가솔린엔진 자료를 이용하였다. 먼저, 비행에 필요한 동력을 산출한 후, 모터효율(80 %)을 고려하여 필요전력을 계산하고, 이 전력에 발전기 효율(90 % 내외[22])을 역산하면 가솔린엔진에서의 출력과 연료소모율을 구할 수 있다. 따라서, 모터에서 발전기까지의 효율(ηGen–motor)을 70 %로 설정하였다.
3.3 드론모터와 가솔린발전기 선택
Saif 등의 연구에 의하며, 이륙중량 25 kg급의 쿼드콥터의 요구동력은 3.5 kW 정도이며14), 추력은 이륙중량의 1.5배 내외인데, 이를 충족하는 모터를 선정해야 한다.
배터리 용량은 모터전압 44.4볼트로 30분을 비행하려면 49 AH 정도가 필요하며, 고도의 증가에 따른 온도와 기압, 밀도, 점성 변화가 비행성능에 미치는 영향을 고려하였다. 특히, Shuaishuai(2021)의 실험결과에 의하면 25 ℃의 배터리 방전성능이 100 %이라면 0 ℃에서 리튬 코발트산화물은 93.4 %이었고, 리튬 인산철과 리튬 망간산화물은 각 97.6 %[23]인데 본고에서는 성능저하가 큰 경우를 적용하였다. 기압의 영향을 보면, 리튬코발트산화물과 리튬인산철 전지의 성능 변화는 미미하며, 리튬망간산화물은 고도 10,000미터에서 방전율이 2.7 % 증가[24]한다. 따라서 저고도 영역에서의 기압영향은 고려하지 않았다. 한편, 전고체리튬이온전지는 액상전해질이 아니므로 온도변화에 따른 성능변화가 적다.
출력이 3.5 kW 근처인 가솔린발전기는 Table 2와 같다.
쿼드콥터의 배송성능 및 군사적 활용
본장에서는 추진방식별 쿼드콥터의 비행특성을 분석하였으며, 이에 따른 군사적 활용방안을 제시하였다.
4.1 비행시나리오 및 비행제원
비행시나리오는 2가지 구분하였는데, 시나리오 #1에서는 육군보고서(21세기 군사연구소)[27]를 참조하여 운용고도를 표고 1,500미터, 편도거리를 10 km로 설정하였다. 운용고도는 북한의 14.5 mm 고사총의 제원을 고려한 것이며, 편도거리 10 km는 소파견부대와 본대 간 이격거리(상게서, p.31)이다. 두 번째 시나리오는 단거리 배송상황으로 운용고도는 북한의 소총 사거리인 300미터, 편도거리 5 km는 소부대의 작전지역의 종거리를 감안한 것이다.다. 탑재량 8.7 kg은 육군소대(40명)의 1일 전투식량과 생수[27]를 쿼드콥터 3대로 3회 배송하는 무게이다. GPS 재밍환경은 상정하지 않았다.
Table 4는 쿼드콥터의 제원이며, 이륙중량을 23 kg 과 24.9 kg으로 구분하였다. 두 이륙중량 유형에서 연료와 배터리 부분을 제외한 기체 중량은 동일하다.
Table 3.
Quadcopter delivery scenarios
Table 4.
Quadcopter specifications
4 kW급 가솔린발전기의 무게는 Saif 등의 연구(2023)를 참조하여 설정하였다. GPS와 FCS, ECS 등은 이륙중량의 5 % 이하이며, 프레임은 20 % 이하로 설정하였다(Pollet, 2021). 예비‧보조용 배터리(2,600 mAh)는 가솔린발전기의 시동 및 고장 시 착륙용으로 사용한다.
4.2 프로펠러와 비행고도의 영향
Table 5는 APC24x12E와 APC26x13E의 성능 차이를 보여 준다. 프로펠러 직경이 클수록 비행성능이 좋아지나, 토크가 커져서 모터에 부담을 주는 단점이 있다. 본 연구에서는 APC26x13E를 적용하였다.
Table 5.
Performance according to propellers (Level flight of T-O weight 24.9 kg, 50,000 mAh 12S battery)
| 종류 | RPM | 속도 | 프로펠러추력 | 프로펠러동력 |
|---|---|---|---|---|
| APC22x12E | 4,755 | 16 m/s | 292.1 N | 3,850.7 W |
| APC24x12E | 4,192 | 292.1 N | 3,544.2 W | |
| APC26x13E | 3,157 | 291.9 N | 3,227 W |
Fig. 4는 고도 상승에 따른 비행성능의 변화를 보여준다. 가솔린발전 방식이 배터리 추진방식보다 고도증가에 따라 비행성능이 더 감소되었다. 따라서 가솔린발전 드론은 저고도(하층) 비행임무에 유리하며, 운용고도를 높이려면 미리 충전된 배터리를 사용하는 방법이 있다. 이 경우에는 배터리의 용량이 커야 한다. 이에 비해 배터리 추진방식은 상대적으로 높은 고도까지 임무영역을 확장할 수 있다. 공기의 밀도 및 점성 등의 영향은 BEMT적용 시에 고려하였다.
4.3 시나리오별 비행성능 산출결과
4.3.1 시나리오 #1의 결과
Fig. 5를 보면, 비행성능면에서는 23 kg에서 배터리 추진 및 가솔린발전 드론 모두 시나리오 상의 비행거리 요구조건인 20 km를 만족하지 못하였으나, 비행고도를 낮추게 되면 충족할 수 있는 범위이다. 아울러, 이륙중량 24.9 kg에서는 배터리추진 방식도 요구되는 비행거리를 만족하였다. 가솔린발전 드론은 동일한 무게의 배터리 방식에 비해 비행시간은 약 1.7배, 거리는 1.9배 이상 높았다. 이는 가솔린발전 방식의 효율이 배터리 방식보다 높아서 연료를 확충하면 양 방식의 비행성능 차이가 커지기 때문이다.
4.3.2 시나리오 #2의 결과
배터리 추진은 30분 내외, 가솔린발전 방식은 61분까지 비행할 수 있었다. 가솔린발전 방식은 배터리 추진에 비해 이륙중량 24.9 kg에서 더 효과적이었다. 비행거리는 이륙중량이 23 kg에서 24.9 kg으로 증가할 때 배터리 추진은 1.3배, 가솔린발전 방식은 2.7배가 늘어남으로써 가솔린발전의 효율성을 확인할 수 있었다.
시나리오별 결과를 종합하면, 시나리오 #1에 비해 비행고도가 낮은 시나리오 #2에서 비행성능이 향상되었다. 이륙중량 24.9 kg 쿼드콥터의 경우에는 시나리오 #2의 비행시간이 시나리오 #1에 비해 배터리 추진이 1 %, 가솔린발전은 6 %가 증가하였다. 비행거리도 14 % 정도 증가하여 고도의 영향을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 가솔린발전 방식은 저고도(하층) 임무에 유리하며, 배터리 추진 방식은 고도 1,500미터에서도 비행성능의 감소가 적어서 고지 임무에 활용할 수 있다.
한편, 쿼드콥터의 전진비행 시 후방 프로펠러의 경우에는 전방 프로펠러에 의한 후류의 영향으로 추력이 감소되는 경향이 있다[28]. 본 논문에서는 정확한 관련 자료가 부족하여 전후방 간격이 충분한 것으로 가정하였으나, 실제 비행성능은 제시된 값보다 다소 감소할 수 있다. 프로펠러의 간섭효과 등을 고려하기 위해서는 전산유체 및 실험 등을 고려할 수 있으며, 고비용이 소요되므로 별도연구로 추진함이 적절하다.
4.4 쿼드콥터의 군사적 활용
Fig. 7은 쿼드콥터의 배송임무를 도출하는 과정을 설명하고 있다. 군의 수송소요는 작전계획 등 계획문서에 명시된 임무와 작전 간에 실시간으로 발생되는 비예측 소요, 그리고 상부지침 등을 충족하기 위한 수정된 수송소요로 구분할 수 있다. 이를 바탕으로 쿼드콥터의 비행특성과 작전환경 분석을 통해 임무영역을 추출할 수 있다. 임무영역은 공간적 제한극복, 긴급대응 소요, 정책적 소요로 구분하였다.
먼저, 공간적 제한 극복 측면에서는 육‧해상 교통 격오지에 대한 공수가 주요 형태이다. 긴급대응은 공중공간을 통해 최단 경로로 수송이 가능한 드론의 장점에 기인하며, 혈액이나 의약품 등이 긴급하게 수송해야 할 물품의 대상이다. 정책적 소요로서는 국방개혁 등에 따라 새롭게 식별된 수송소요가 여기에 해당된다. 인구절벽에 의한 병력감소와 부대별 책임지역 등의 확대에 따라 그동안의 인력 또는 유인체계에 의한 소화물 배송을 드론으로 대체하는 것이 대표적이다.
Table 6은 세부적인 운영개념을 도출하기 위해 배터리 추진과 가솔린발전 방식에 대한 항목별 특징을 정리한 것이다. 배터리 추진방식은 은밀성이 증가되고 단거리 비행에 유리하므로 교전지역의 아군 소부대에 대한 소화물 보급용으로 활용하는 것이 효과적이다. 영국 특수부대가 사용하는 TRV-150C도 쿼드콥터형이며, 배터리 추진 방식을 적용하고 있다[29]. 가솔린발전 방식은 장시간 비행 및 중화물 수송에 유리하다. Fig. 8은 쿼드콥터의 운영개념을 보여준다.
Table 6.
Comparison between battery power and gasoline engine
| 구분 | 배터리 추진방식 | 가솔린발전 방식 |
|---|---|---|
| 비행시간 | 30분 내외 | 수시간까지 비행 |
| 고도영향 | 1,500미터 이하 경미 | 상승 시 성능 감소 |
| 정비소요 | 비교적 적음 | 상대적 많음 |
| 소음 | 프로펠러 외 경미 | 엔진 및 프로펠러소음의 복합 발생 |
| 획득비용 | 저렴 | 고비용 |
본 논문에서는 혹서기 및 혹한기 등에 대한 성능자료 부족으로 극한환경의 영향성을 고려하지 못하였으며, 배송드론의 전력화 추진 시에는 후속연구 등을 통해 운용환경의 영향성을 구체화해야 한다.
결론
본 연구에서는 민간에서 상업적 라스트마일의 배송에 본격적으로 투입하고 있는 소형 쿼드콥터의 군사적 활용방안을 연구하였다. 추진방식을 배터리 추진과 가솔린발전 방식으로 구분하여 시나리오 기반으로 성능을 도출하고, 운영개념을 제시하였다.
성능을 분석하면, 먼저, 비행고도 측면에서는 1,500미터 이하에서는 배터리 추진방식이 가솔린발전에 비해 상승에 따른 성능저하가 적었다.
비행시간 측면에서는 이륙중량 23 kg 드론의 경우에 배터리 추진 쿼드콥터는 비행시간이 25분 내외로 가솔린발전 방식보다 유리하였다. 이를 통해 가솔린 발전방식에는 드론의 크기에 적합한 발전기를 사용해야 하고, 가솔린발전기의 소형화가 제한된 범위에서는 배터리 추진방식이 효과적임을 알 수 있다. 이륙중량 24.9 kg에서 리튬이온 배터리의 용량을 52,000 mAh로 확장하면 비행시간이 30분 내외로 늘어났으며, 가솔린발전 드론은 최대 61분 정도로 증대되어 장거리 배송이 가능하였다. 비행거리도 유사한 경향을 보였다.
배송량 측면에서는 육군 1개 소대의 1일 식량과 생수의 소요량을 쿼드콥터 3대가 대당 8.7 kg을 탑재하고서 1일 3회 운영하면 충족할 수 있었다. 또한, 3대를 운영하므로 피격위험을 분산하는 장점이 있다.
소형 쿼드콥터에 적합한 임무를 도출하기 위해 작전환경과 쿼드콥터의 비행특성을 고려하였다. 작전환경을 분석하면, 병력절감에 따른 부대의 책임지역 확장과 전시 육로 수송망 파괴, 북한의 고사총과 소총 중심의 드론 방어망 구축 등을 특징으로 꼽을 수 있다. 적합한 임무는 공간적 제한 극복과 긴급대응, 정책적 소요로 구분하여 도출하였다.
이에 따른 운용개념을 보면, 배터리 추진방식은 전체적으로 비행시간과 거리는 적었으나 휴대성이 뛰어나고 소음이 적어서 접적지역 소부대에서 배송용으로 운용하기에 적합하였다. 또한, 비행고도의 영향이 적어서 고지에서 운용할 수 있었다. 이에 비해 가솔린 발전방식은 저고도 하층영역에서 중‧장거리 비행성능이 뛰어나며, 고도 특성과 소음 등을 감안하면, 비전투지역에서의 고중량 화물수송에 유용하였다.
종합하면, 소형 쿼드콥터는 군 배송수단으로써 활용할 수 있으며, 소부대에서는 휴대성과 정비소요가 적은 배터리 방식이 유리하고, 가솔린발전 방식은 중대급 이상 부대의 중장거리 배송임무에서 효과적이다.
아울러, 드론배송을 군에 적용하기 위해서는 관련 배송계획을 작성하고 수행방식, 인력운영, 조직 등이 포함된 체계를 발전시켜야 하다. 특히, 중대형 무인체계에 대해서는 별도의 조직이 필요하며, 이를 통해 인력 절감형 적시 수송능력을 확보할 수 있을 것이다.
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