유인항공기 무인화 기술

유인항공기 무인화 기술

 

 

박영근 국방과학연구소 항공기술연구원 수석연구원

이종훈 국방과학연구소 항공기술연구원 수석연구원

이재화 국방과학연구소 항공기술연구원 수석연구원

 

 

 

 

 

군에서 주로 훈련용 표적 및 정찰용으로 활용되었던 무인항공기는 IT 기술 및 AI 기술의 발전과 함께 공격 및 전자전 등 다양한 임무에 투입되며 현대 전쟁의 승패를 좌우할 수 있는 게임체인저로 부상하고 있다. 특히 급격한 인구감소로 병력 자원 확보가 점차 어려울 것으로 예상 되는 미래 군사 환경에서 무기체계의 무인화는 선택의 문제가 아닌 우리 군이 반드시 나아가야 할 방향이다. 민간분야에서도 자율 및 원격제어 기능을 갖춘 드론은 재해 대응, 환경 모니터링, 농업 및 운송 등에 다양하게 활용되며 4차 산업혁명의 대표 아이콘으로 주목받고 있다.

이에 따라 군뿐만 아니라 민수용 무인기 수요도 급증하고 있으며 사용 목적에 따라 다양한 형태의 무인기가 개발되고 있다. 이처럼 급증하는 무인기 수요에 맞춰 무인기를 신규 개발하는 대신 운용중인 유인항공기를 무인화 하여 활용하려는 시도가 미국 등 선진국을 중심으로 진행되고 있다. 이러한 유인기에 대한 무인화 기술은 성능이 이미 입증된 유인기 플랫폼을 활용할 수 있기 때문에 개발 위험 및 기간, 비용을 절감할 수 있고 운용 측면에서 기존 유인기의 인프라를 활용할 수 있기 때문에 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 반면 기존 유인기는 무인기 임무를 고려하여 설계되지 않았기 때문에 무인기 임무에 최적화되지 않는다는 단점도 제기되고 있다. 이글에서는 군 및 민간 분야에서 진행되고 있는 유인기의 무인화 기술 동향 및 이에 필요한 소요기술과 고려사항, 발전방향에 대하여 기술하고자 한다.

 

 

무인기(UAV : Unmanned Air Vehicle)

 

무인기는 조종사가 탑승하지 않고 원격으로 조종하거나 자율적으로 비행할 수 있는 항공기로 유인기와 비교하여 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

 

➊ 항공기 사고 발생 시 조종사 손실을 막을 수 있어 필요시 위험한 상황에서도 임무 수행이 가능하다.

➋ 조종사와 조종사 생명 유지 장비가 불필요해 비행체 자체를 소형으로 제작할 수 있고 비행체에 조종사 대신 많은 연료를 탑재할 수 있어 상대적으로 장시간 비행이 가능하다.

➌ 무인기는 인간의 신체적 한계를 초월하여 더 높은 비행성능을 가질 수 있다. 예를 들어 전투기 조종사의 경우 신체적 한계로 급기동이 제한되지만 무인기는 이러한 제한이 없다.

➍ 유인기의 경우 대부분 실비행 훈련을 통해서 기량 유지가 가능하지만 무인기의 경우 시뮬레이터가 실비행 훈련을 대체할 수 있기 때문에 운용유지비용 측면에서 유리하다.

 

이러한 장점들로 인해 무인기는 군사용뿐만 아니라 민간용으로 다양하게 활용되고 있으며 점차 역할은 확대되고 있다.

 

 

유무인 혼용항공기(OPV : Optionally Piloted Vehicle)

 

항공기는 임무에 따라 조종사가 탑승한 유인기가 유리할 수 있지만 반면에 위험하거나 단순하고 장시간 소요되는 임무의 경우 무인기가 더 유리할 수 있다. 이처럼 다양한 임무 및 상황에 유연하게 대응할 수 있도록 조종사가 탑승하여 조종하거나 또는 무인으로 운용할 수 있는 항공기가 OPV이다. 따라서 OPV는 유인기 모드에서는 조종사가 탑승하여 항공기를 운용할 수 있어야 하며 무인기 모드로 운용하기 위해 조종사 대신 로봇을 조종석에 장착하거나 모듈화된 센서 및 작동기를 장착하여 무인화하고 있다. 이처럼 OPV는 임무에 따라 유인기와 무인기를 선택적으로 운용할 수 있기 때문에 항공기를 보다 효율 적으로 운용할 수 있다. 반면 OPV는 유인기에 필요한 생명 유지 장비와 무인기에 필요한 자율화 및 데이터링크 장비가 함께 장착되어야 하기 때문에 시스템 복잡성과 비용이 증가하는 단점이 있다.

 

 

유인기 무인화

 

무인기에 대한 소요가 증가하자 무인기를 신규 개발하는 대신 운용중인 유인기를 무인화하려는 연구가 진행되고 있다. 이러한 유인기에 대한 무인화 기술은 성능이 입증된 유인기 플랫폼을 기반으로 하기 때문에 개발 위험 및 기간, 비용을 절감할 수 있고 운용 유지 측면에서 기존 유인기의 인프라를 활용할 수 있는 장점이 있다. 초기 유인기에 대한 무인화는 주로 퇴역하는 전투기를 무인 표적기로 전환하는데 초점이 맞춰졌는데 이는 무인화의 목적이 무인기로써의 장점을 살리기보다는 기존 전투기의 인프라를 활용하여 대공 무인 표적기로 전투기를 재활용하려 했기 때문이다. 실제로 미국은 60년대부터 퇴역하는 전투기를 공중표적기로 활용해 왔으며 현재도 F-16을 무인 화하여 운용중에 있다. 유인기를 무인화하기 위해 일반적으로 2가지 방법이 적용되고 있다. 첫째는 기존의 조종사가 비행할 수 있도록 조종실을 유지하고 추가로 무인기로도 운용될 수 있도록 무인화 장치를 추가하는 방식이 있다. 이 경우 임무에 따라 유인과 무인모드를 선택하여 운용할 수 있고 개조 후 무인모드 비행시험 시 조종사가 탑승하여 정상 상태를 모니터링하고 필요 시 유인모드로 전환하여 비상상황에 대처할 수 있는 장점이 있다. 반면에 기존 항공기에 추가되는 무인화 장비에 의한 기체 무게 증가 문제 및 조종사 대신 연료를 추가 탑재할 수 없어 무인기의 장점인 체공시간을 늘릴 수 없는 단점이 있다. 두번째 방식은 기존 유인기에서 조종사와 관련된 조종석 및 생명유지장치를 제거하고 대신 무인화 장비와 연료탱크를 장착하여 비행체를 완전히 무인화하는 방식이다. 실제로 유인전투기에서 조종사와 조종사의 생명유지를 위한 장치는 전체 전투기 중량의 약 10%를 차지하고 있으며 또한 유인전투기를 무인화할 경우 연료탑재비율을 25%에서 35%까지 증대시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 점을 모두 고려할 때 유인전투기를 무인화하면 최대 약 50%까지 작전반경을 증가시킬 수 있다. 비록 이 방식은 개조 후에 무인모드로만 운용이 가능하지만 기체 중량 증가를 최소화할 수 있으며 무인기 특성에 맞게 체공시간을 늘릴 수 있어 보다 무인화 목적에 적합하다는 장점이 있다. 따라서 무인기 수요자의 운용개념에 따라 무인화 방식이 사전에 결정되어야 한다. 유인기를 무인화하여 운용하기 위해서는 우선 무인기를 통제하기 위한 지상통제소(지상체) 및 데이터링크 장비가 추가로 필요하며 무인기 자율화를 위한 상황 인식 및 비상상황에서 위험을 회피하기 위한 기술도 필요하다. 다음은 무인화에 필요한 주요 장비 및 소요 기술이다.

 

▲ 지상체 : 지상체는 지상에서 무인기 운용자가 무인기를 원격으로 제어 및 통제하는 장비로 임무 수행에 필요한 제어기 및 전시기를 포함한 콘솔로 이루어져 있다.

▲ 데이터링크 : 데이터링크는 무인기를 원격 통제하거나 상태 파악을 위해 무인기와 지상체를 무선으로 연결해 주는 장비로 잠재적인 사이버 위협으로부터 무인기를 보호 하고 민감한 데이터 송수신을 위해 재밍에 강건해야 하며 보안을 위한 암호화가 요구된다.

▲ 무인기 자율화 : 무인기에서 지상 조종사의 임무는 점차 감소하고 있다. 기술의 발전으로 무인기 이착륙을 포함한 무인기 비행과 임무 수행의 상당 부분이 자율적으로 이루 어지고 있다.

▲ 센서 및 임무장비 : 비행 중 주변 상황을 인식하기 위해서는 카메라, 레이다, 적외선 센서 등이 무인기에 장착되어야 하며 무인기의 임무에 따라 감시정찰 장비 또는 공격용 무장이 장착된다.

▲ 안전 : 무인기는 비행안전을 위해 비행 필수 장비의 경우 고장 발생 시에도 비행이 가능할 수 있도록 이중화로 설계되어야 하며 충돌방지시스템과 같은 안전 장비의 장착도 요구된다. 또한 일부 무인기의 경우 비상상황에서 무인기의 비행을 중단시킬 수 있는 비상대응시스템 장착이 필요하다.

▲ 감항인증 : 유인기를 무인화하여 운용하기 위해서는 HW 및 SW에 대한 개조가 필요하며, 개조된 무인기는 감항인증 절차를 통해 운용에 필요한 신뢰성 및 안전성이 검증되어야 한다.

 

 

 

 

유인기 무인화 개발 사례

 

현재 유인기의 무인화 기술은 미국이 선도하고 있으며 중국과 유럽, 이스라엘, 대한민국 등 후발 주자들이 관련 기술을 개발하고 있다. 미국은 오래전부터 도태되는 전투기를 대공미사일의 시험 및 실사격 표적기로 개조해 활용해 왔으며, 현재 미 공군은 도태된 F-16 전투기를 무인화한 QF-16을 운용중에 있다. 이 외에 미국은 다양한 기종의 헬기를 무인화하여 화물운용 또는 유무인협업(MUM-T) 임무에 투입하기 위해 노력하고 있으며, 부족한 조종사 인력 문제를 해결하기 위해 조종사를 대체할 수 있는 로봇 조종사 개발도 추진하고 있다. 유럽은 미국 대비 유인기에 대한 무인화 연구가 많이 진행되지는 않고 있지만 에어버스사가 프랑스 해군의 함정용 무인헬기 소요에 맞춰 기존의 유인헬기를 기반으로 무인화한 사례가 있다. 중국은 미국에 맞서 다양한 무인기 개발과 함께 유인기에 대한 무인화를 추진하고 있다. 특히 군 현대화에 따라 도태된 다수 의 구식 전투기를 무인화하여 운용중인 것으로 알려졌다.

또한 분쟁지역 인근 오지에 대한 물자 수송을 위해 소형 화물 여객기를 무인수송기로 개조하기 위한 연구가 진행 중이다. 대한민국의 경우 오래전부터 항공우주연구원을 중심으로 유인기에 대한 무인화 연구를 진행하고 있으며 업체에서도 유인헬기에 대한 무인화 개발을 수행한 바 있다.

 

 

 

[그림 1] 무인기 구성

 

 

최근에는 KAIST에서 휴머노이드 로봇을 활용한 무인화 연구도 발표된 바 있다. 본 절애서는 유인기 무인화에 대한 각국의 사례 연구를 통해 무인화 기술에 대한 기술 개발 동향 및 발전 방향을 도출하고자 한다.

 

 

미국

 

1) 전투기 무인화

 

미 공군은 1960년대부터 보다 실질적인 훈련을 위해 다양한 유인 및 무인표적기를 개발하여 활용해 오고 있다. 특히 경제성을 고려하여 퇴역한 전투기를 무인표적기로 개조하는 FSAT(Full Scale Aerial Target) 프로그램을 적극적으로 추진해 왔다. 우선 F-86을 개조한 QF-86을 시작으로, QF-100, QF-102, QF-106A, QF-4 등 다양한 기종의 무인표적기를 개발하였으며 현재는 F-16를 개조한 QF-16이 운용중에 있다. 개조된 무인표적기 대부분은 지상 운용자에 의한 원격 통제 방식뿐 아니라 조종사가 직접 탑승하여 비행 가능하도록 개조된 OPV이다. QF-86은 한국전 당시 미 공군의 주력기로 활약한 F-82(Sabre)를 개조한 무인표적기로 조종사 훈련 및 각종 방공시스템의 시험에도 활용되었다. QF-100은 1950∼1960년대 미 공군의 초음속 전투기인 F-100(Super Sabre)을 개조한 무인표적기로 1981년 11월 처음 무인 비행을 수행하였고 미국의 대표적 중거리공대공미사일인 AMRAAM(Advance Medium-Range Air-to-Air Missile) 개발 프로그램의 표적기로도 활용되었다. QF-100은 약 10소티 비행 후 실사격용으로 소모되었다.

 

 

 

[그림 2] QF-86 무인표적기(왼쪽) QF-100 무인표적기(오른쪽) 

*출처 : commoms.wikimedia.org/wiki/File

 

 

QF-102는 1950∼1960년대 미 공군의 초음속 요격기인 F-102(Delta Dagger)를 개조한 무인표적기로 1974년 초도비행을 시작으로 F-15 전투기 개발 시 공중 표적으로 사용되었으며 각종 무장시험 및 훈련 목적으로도 사용되었다. 이후 QF-102는 성능이 개량된 PQM-102A로 발전 하였으며 Stinger 및 Patriot 미사일 시험평가에 활용되었다. QF-106은 1960∼1970년대 미 공군의 초음속 전천후 요격기인 F-106(Delta Dart)을 개조한 무인 표적기로 방공시스템 평가 및 조종사 훈련에 활용되었다. 1986년부터 총 194대가 미 공군에 인도되었으며, 1998년까지 무인표적기로 활용되었다.

 

 

 

[그림 3] PQM-102A 무인표적기(왼쪽) QF-106 무인표적기(오른쪽) 

*출처 : commoms.wikimedia.org/wiki/File, “Convair F-106 Delta Dart”, Wikipedia

 

 

QF-4는 대공방공망과 전투기 조종사 훈련 및 대공 유도 무기 시험평가를 위해 퇴역한 F-4전투기를 무인화한 공중표적기이다. BAE Systems사가 무인화 설계 및 개조를 주관하였으며 비용은 대당 약 260만 달러가 소요되었다. QF-4는 1996년부터 2013년까지 총 300대 이상이 미군에 인도되었으며 1997년부터 20년간 미 공군 및 해군의 훈련 및 시험에 투입되어 다양한 임무에 활용되었다.

 

 

 

[그림 4] QF-4 무인표적기

*출처 : Report of the Defense Science Board Task Force on Aerial Targets, DoD

 

 

QF-4는 조종사의 실사격 훈련용 공중 표적뿐 아니라 아군 조종사를 위한 다양한 공대공 전술 개발 및 지상 대공망의 준비 태세와 숙련도를 유지하는 용도로도 활용되었으며 방공시스템과 미사일 개발에 대한 시험평가용 표적으로 활용되었다. 현재 QF-4 임무는 종료되었으며 2015년부터 F-16을 무인화한 QF-16이 역할을 담당하고 있다.

 

 

 

[그림 5] QF-16 무인표적기 프로그램 일정 *출처 : “Boeing QF-16 Programt”, 48th Annual NDIA Conference Targets, UAVs & Range Operations Symposium & Exhibition

 

 

QF-16 AST(Air Superiority Target) 프로그램은 전투기 조종사 훈련과 공대공 미사일의 성능평가를 위한 표적기를 제공하기 위해 퇴역한 F-16A와 블록 25, 30과 F-16C를 무인화하는 프로그램이다. 미 국방부는 2010년 보잉사와 2013년까지 QF-16을 개발하고 2019년까지 QF-16 120 대를 미 공군에 제공하는 약 7천만 달러 QF-16 FSAT(Full Scale Aerial Target)계약을 체결하였으며 미 공군은 2014년 QF-16 초도기를 인도받아 2015년부터 운용중에 있다.

 

 

 

[그림 6] QF-16 공중표적기 *출처 : DoD

 

 

F-4를 포함한 이전 전투기는 아날로그 방식의 항공전자시스템이 적용되어 무인기로 개조되면 지상체를 통한 원격통제는 가능하나 무인기 자체 자율화는 매우 제한적일 수밖에 없었다. 반면 F-16은 컴퓨터를 활용한 디지털 방식의 항공 전자시스템이 적용되어 무인화 구현이 가능하였다. 실제로 미 공군과 록히드마틴은 ‘Loyal Wingman’ 프로그램의 일환으로 조종사가 탑승한 F-16과 무인화된 F-16으로 편대를 구성하여 함께 공대지 임무를 시연하는 Have Raider II 프로그램을 진행하였다. 2017년 본 프로그램에서는 무인화된 F-16이 동적 위협 환경에서 자율적으로 임무의 우선순위를 정하고 탑재 무장을 기반으로 공대지 임무를 수행하는 기술을 비행시험으로 시연하였다.

QF-16은 무인표적기로 개발되었지만 조종사의 전술훈련 목적으로 활용하기 위해 기존 F-16과 같이 조종사가 직접 탑승하여 조종할 수 있도록 유인모드가 유지되었으며, 지상운용자가 원격으로 QF-16을 통제하거나 자율적으로 비행할 수 있는 무인모드가 추가되었다. 이를 위해 QF-16에서는 F-16 형상을 기준으로 다양한 수정 설계가 이루어졌는데 주요 개조사항은 [그림 7]과 같다.

 

 

 

[그림 7] QF-16 개조사항 *출처 : “Boeing QF-16 Programt”, 48th Annual NDIA Conference Targets, UAVs & Range Operations Symposium & Exhibition

 

 

▲ 자율비행 및 원격통제 : QF-16의 항전 및 비행제어 시스템은 자율 비행 또는 원격 제어가 가능하도록 수정되었다. 이를 위해 URAP(Universal Remote Auto Pilot)과 AFCC(Automatic Flight Control Computer), Auto_ throttle 같은 무인 자율화 장비가 장착되었다.

▲ 데이터링크 : QF-16에는 지상체와 안정적인 연결을 위해 데이터링크 시스템으로 CTS(Commend Telemetry System)가 장착되었다.

▲ 표적모의 : QF-16에는 잠재적인 적 항공기의 레이다 신호 및 다양한 위협 시나리오를 모의하기 위한 PCS(Payload Control System)가 장착되었다.

▲ 교육훈련 : 주어진 임무에 따른 조종사의 성과를 점수로 측정할 수 있는 VSS(Vector Scoring System)가 장착되었다.

▲ 비행안전 : 무인화에 따른 안전과 신뢰성 확보를 위해 고도계가 2중화되었다. 또한 비상상황을 고려하여 비행체 내부에 안전장치로 FTS(Flight Termination System)와 VAS(Visual Augmentation System)가 추가 장착되었다.

FTS는 QF-16이 무인모드로 운용중 비상 시 또는 항공기 통제가 불가능하여 지상에 큰 피해 발생이 우려될 경우 사용하는 장비로 공중에서 폭발장치를 작동시켜 항공기를 파괴할 수 있는 장비이다. VAS는 비행 중 연막을 살포하는 장비로 비상상황에서 표적기의 위치를 파악할 수 있다.

향후 국내에서도 F-4 및 F-5 전투기의 도태시기를 고려할 때 도태 전투기에 대한 무인화를 적극적으로 고민할 필요가 있다. 무인화된 전투기는 개전 초기 적 방공망이 살아 있을 때 유인 전투기에 앞서 적 방공망을 기만하거나 대지 공격용으로 활용될 수 있으며, 국산 공대공 미사일 개발에도 활용될 수 있다.

 

 

2) K-MAX(Karman Aircraft)

 

K-MAX는 미국의 Karman Aircraft사가 개발한 화물 운송용 유인헬기이다. 1998년부터 K-MAX에 대한 무인화 개발이 시작되었고 유인 및 무인모드 운용이 가능하다. 2008년 최초 시제기가 공개되었으며 미 해군에 2대가 납품된 바 있고 2014년에는 태블릿을 사용하여 무인기를 성공적으로 착륙시킨 바 있다. Karman Aircraft사는 Lockheed Martin사와 함께 자율 화물운송용으로 K-MAX를 지속적으로 발전시킬 예정이다.

 

 

 

[그림 8] K-MAX Unmanned Multi-Mission Helicopter *출처 : “Kaman K-MAX”, Wikipedia

 

 

3) A/MH-6X(보잉)

 

A/MH-6X는 보잉사의 A/MH-6M 기종을 무인화한 헬기이다. 보잉은 민간용 MD530 기종을 무인화한 ULB(Unmanned Little Bird) 시범기 개발을 통해 확보한 무인헬기 기술을 기반으로 무인 또는 유인모드로 운용이 가능한 A/MH-6X를 개발하여 2006년 초도비행을 수행하였다. 보잉은 A/MH-6X와 유인헬기인 AH-64가 유무인협업 임무에 투입될 수 있기를 기대하고 있다. ULB는 2012년 대한민국을 방문하여 시범비행을 수행한 바 있다.

 

 

 

[그림 9] A/MH-6X 무인헬기 *출처 : “AUSA 2006 : First flight for Boeing A/MH-6X light helicopter”, Flight International

 

 

4) ALBATROSS 2.2 & UVH-500(UAVOS)

 

ALBATROSS 2.2는 미국의 무인기 전문기업인 UAVOS사가 2015년부터 슬로베니아의 경량 동력 글라이더인 Pipistrel Sinus를 개조하여 만든 무인기이다. Pipistrel Sinus는 1995년부터 생산되어 현재도 운용중인 항공기로 글라이더 항공기의 특성상 높은 양향성능을 가지고 있어 장기 체공이 가능하고, 비상 상황 시 대처할 수 있는 낙하산이 기체에 장착되어 있어 비행체 자체가 무인기로 개조 시 장점을 가지고 있다. 또한 무인기로 개조시 조종석에 연료 80리터를 추가로 탑재할 수 있어 체공 시간을 크게 증대시킬 수 있다. ALBATROSS 2.2에는 원거리 운용을 위한 위성데이터링크 및 무인자율화 장치가 추가 장착되었다.

 

 

 

[그림 10] Pipistrel Sinus light aircraft(왼쪽), ALBATROSS 2.2(오른쪽) *출처 : “ALBATROSS 2.2”, uavos.com

 

 

UVH-500(KAHU-150)은 UAVOS사가 아르헨티나의 CH7 Kompress 유인헬기를 화물운송용으로 무인화한 기종이다. 무인화를 위해 기체에 데이터링크 및 무인 자율화 장비를 추가 장착하였으며 안전을 위해 비상 착륙장치용 낙하산이 동체에 장착되어 있다. 기체 내부에 장착된 다중화된 자율비행시스템은 데이터링크 두절 시사전에 입력된 명령에 따라 자율적으로 비행이 가능하다. 초도비행은 2020년에 수행되었다.

 

 

 

[그림 11] UVH-500(KAHU-150) 무인헬기 *출처 : “UAVOS Demonstrates its Customer UVH-500 Cargo Drone”, sUASNews

 

 

5) 로봇 조종사

 

4차 산업혁명과 함께 인공지능과 로봇기술이 고도화되어 인공지능을 가진 로봇이 조종사를 대체할 수 있을까?라는 질문은 과학자들뿐 아니라 많은 대중의 관심을 끌어왔다. 2019년 8월 미 공군연구소(AFRL)와 무인기전문 업체인 DZYNE은 공동으로 인간 조종사 대신 로봇이 항공기를 조종할 수 있는 ROBOpilot을 개발하여 시험비행을 수행하였다. 시험비행을 위해 세스나 206의 조종석에서 시트를 제거하고 조종사대신 조종간 및 계기를 작동할 수 있는 로봇을 포함한 모듈화된 자율비행키트(무인화 키트)가 장착되었으며 로봇은 각종 센서를 통해 자율적으로 상황을 인지하면서 비행을 수행하였다. 이러한 방식의 무인화는 기존의 유인기를 그대로 유지하며 조종사 대신 로봇이 비행을 하는 개념이기 때문에 무인화에 따른 항공기의 영구적 개조가 불필요하여 개발 기간 및 비용을 크기 줄일 수 있다. 또한 모듈화된 무인화 키트는 다른 항공기에도 쉽게 적용할 수 있어 활용성이 높고 무인화 키트를 제거하면 기존처럼 유인기로 운용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 무인화 키트의 비행 절차는 기존 조종사의 비행절차와 동일하다. 로봇은 영상센서를 통해 조종석 계기를 인식하여 항공기 상태를 파악하고 동시에 GPS/INS 및 영상 센서를 통해 비행체의 위치 및 주변 상태를 파악한다. 컴퓨터가 수집된 정보를 바탕으로 상황에 최적화된 제어 명령을 내리면 로봇은 작동기를 통해 조종간과 출력조절레버, 러더, 브레이크 및 각종 스위치를 작동하여 항공기를 조종한다.

 

 

 

[그림 12] ROBOpilot(AFRL&DZYNE) *출처 : “ROBOpilot Unmanned Air Platform returns to flight”, Air Force Research Laboratory Public Affairs

 

 

미국의 DARPA는 2015년부터 군용기 조종사의 부족 및 운용비용을 줄이기 위해 기존 항공기에 영구적인 수정 없이 장착가능하고 조종사의 업무를 자동화할 수 있는 ‘ALIAS(Aircrew Labor In-Cockpit Automation System)’ 프로젝트를 Aurora Flight Sciences사와 함께 수행하였다. ALIAS는 음성 인식이 가능한 컴퓨터 및 카메라, 로봇팔로 구성된 로봇시스템으로 부조종사를 대신해 조종사 임무를 지원할 수 있어 조종사가 주요임무 수행 및 긴급상황 대처와 같은 업무에 보다 집중할 수 있다.

 

 

 

[그림 13] ALIAS 프로젝트 *출처 : “ALIAS-Brochure_X8”, www.AURORA.AERO

 

 

이러한 기술은 군용기뿐 아니라 민간항공기에도 적용이 가능하며 향후 항공업계에 예상되는 조종사 부족 문제를 해결할 수 있는 좋은 대안이 될 수 있다. Aurora Flight Sciences사는 보잉의 737-800NG 시뮬레이터에 ALIAS 시스템을 장착하여 이착륙을 포함한 시험을 성공적으로 수행한 바 있으며 Cessna 208 및 Diamond DA42, Havilland Canada DHC-2와 같은 고정익기와 Bell UH-1 헬기 등 다양한 기종에도 ALIAS를 통합하였다. Sikorsky사는 S-76 헬기를 무인화한 시제기 SARA(Sikorsky Autonomous Research Aircraft)를 제작하여 2013년부터 자율비행 연구에 활용하고 있으며, 2022년에는 UH-60A Black Hawk 헬기에 ALIAS를 장착한 무인비행시험을 성공적으로 완료하였다. 향후 DARPA와 Aurora Flight Sciences사는 보다 다양한 기종에 ALIAS를 통합하는 시험을 지속적으로 진행할 예정이다.

 

 

 

[그림 14] Sikorsky UH-60A 무인화 *출처 : “Safe, Reliable, and Uninhabited : First Autonomous BLACK HAWKⓇ Helicopter Flight”, Lockheed Martin

 

 

유럽

 

에어버스사는 프랑스 해군 함정에서 운용할 다목적 무인 헬기 소요에 맞춰 프랑스의 유인헬기 Cabri G2를 무인 화한 VSR-700을 개발하였다. 2017년 VSR-700 시제기 초도비행 후 기능 및 영역 확장을 위한 추가 비행시험이 진행되어 왔으며 2022년에는 해상 선박에서 자동 이착륙을 포함한 실제 운용을 위한 기술시범을 성공적으로 시현하였다.

 

 

 

[그림 15] Cabri G2 유인헬기(왼쪽 *출처 : “Guimbal Cabri G2”, Wikipedia), VSR-700 무인헬기(오른쪽 *출처 : “에어버스, VSR700 무인 헬기 해상에서 자율 이착륙 테스트 진행”, DiscoveryNews)

 

 

스페인의 Indra사는 이탈리아 Tecnam사의 P2006T 4인승 항공기를 무인화한 TARGUS를 개발하여 2020년 비행시험에 성공하였다. TARUS는 유무인 혼합운용이 가능한 OPV 항공기로 산림보호, 화재감시, 환경보호, 해안 감시 임무를 담당할 수 있다.

 

 

 

[그림 16] Tecnam P2006T(왼쪽), Indra TARGUS(오른쪽) *출처 : “Tecnam P2006T”, Wikipedia, “Targus, the largest civil drone in Spain”, Indra

 

 

이스라엘

 

이스라엘의 ADS(Aeronautics Defense Systems)사는 오스트리아의 Diamond DA42 Twin Star 수송기를 무인화한 Dominator II를 개발하였다. 2009년에 초도비행을 한 Dominator II는 현재 중고도 장기체공 무인기로 감시정찰용으로 활용되고 있다. Dominator II의 페이로드 900lb이며 최대 30,000ft 고도에서 28시간 동안 비행할 수 있는 것으로 알려졌다.

 

 

 

[그림 17] ADS Dominator II *출처 : ADS

 

 

중국

 

중국은 상용드론 시장의 강자 지위를 기반으로 다양한 군용무인기 체계를 개발하고 있으며, 군사 현대화를 통해 도태되는 대량의 구형 전투기에 대한 무인화도 적극적으로 추진하고 있다. 1950년대 중국 공군의 주력전투기였으며 이미 오래전에 퇴역한 J-6 전투기(MiG-19급) 300대 이상을 2013년부터 무인기로 개조하여 대만 인근 공군기지에 배치된 것이 위성사진을 통해 알려졌다. 최근에는 1960년대 중국 공군의 주력전투기로 운용되었던 J-7 전투기(MiG-21급)도 상당수 무인기로 개조되어 운용중인 것으로 알려져 있으나 공식적으로 확인된 바 없다. 참고로 J-7는 최대 2톤 이상 무장 장착이 가능하고, 마하 2 의 초음속으로 비행이 가능한 전투기로 다수의 무인화된 전투기들이 적 방공망을 유인하기 위한 기만기 또는 공격용으로 활용된다면 대만뿐 아니라 주변국에도 큰 위협이 될 수 있을 것이다.

 

 

 

[그림 18] 중국 롄청 공군기지에 도열된 것으로 추정되는 J-6 전투기 위성사진 *출처 : “중국공군, 대만에 전투기로 변신한 전투기 배치”, Meta-Defense.fr

 

 

2017년 중국의 무인기 회사인 Star UAV System사는 민간항공사인 SF Express사의 요청으로 뉴질랜드 Pacific Aerospace사의 9인승 수송기 P-750 XSTOL을 무인화한 AT200 cargo UAV를 개발하여 초도비행에 성공하였다. SF Express는 AT200을 중국내 산악지역 등 오지에 대한 택배 수송 등 물자를 수송하기 위한 용도로 활용할 예정이며, 일부 보도에 의하면 중국 공군도 남중국해 섬에 대한 군수지원을 위해 AT200 도입을 검토 중인 것으로 알려졌다. AT 200 cargo UAV는 페이로드 1,500kg 및 최대 8시간 체공 능력을 보유하고 있으며, 특히 300m 길이의 짧은 활주로에서 이착륙이 가능하기 때문에 작은 도서 또는 산악지역 운용에 적합한 것으로 알려져 있다.

 

 

 

[그림 19] AT200 cargo UAV *출처 : “Chinese AT200 cargo drone went into series”, TOP WAR

 

 

국내

 

한국항공우주연구원은 2009년부터 5년간 유인기를 무인화하여 활용할 수 있는 유·무인 혼용항공기를 개발한 바 있다. 한국항공우주연구원은 독일의 2인승 경량항공기인 CTLS를 대상으로 조종계통을 개조하고 센서 및 통신 장비를 추가로 장착하여 무인화하였다.

 

 

 

[그림 20] OPV를 위한 개조(항공우주연구원) *출처 : “항우연, 유인항공기 무인화 기술 개발”, 한국항공우주연구원

 

 

대한항공(KAL)은 2014년부터 보잉의 A/MH-6X 무인헬기와 유사하게 육군에서 운용중인 500MD를 무인화하는 KUS-VH 프로그램을 진행하여 2019년 7월 초도비행을 성공적으로 수행하였다. KUS-VH는 페이로드 440kg으로 6시간 동안 체공이 가능하며 무인화를 위해 비행제어 컴퓨터, 전술급 통합항법장치, 추진제어기, 전기-기계식 로터 작동기 등 첨단 비행조종시스템이 적용되었으며 지상체 및 원격통제를 위한 데이터링크가 추가되었다.

 

 

 

[그림 21] KUS-VH(KAL) *출처 : “500MD 헬리콥터의 무인화 개발과정 사례 연구”, 한국항공우주학회지

 

 

한국항공우주산업(KAI)은 2015년부터 상용 2인승 헬기를 무인화한 NI-600VT 무인헬기를 개발하여 2019년 초도비행을 수행하였다. NI-600VT는 무인화를 위해 비행제어컴퓨터, 센서 및 데이터링크를 추가 장착하였다.

 

 

 

[그림 22] NI-600VT(KAI) *출처 : “https://uasweekly.com/category/news/”

 

 

향후 국내의 500MD, UH-1H 및 UH-60 등 군용헬기의 도태시기를 고려할 때 헬기분야에 대한 무인화를 적극 적으로 고민할 필요가 있다. 무인화된 헬기는 조종사의 손실없이 공격 및 운송 임무에 활용이 가능하고 대형헬기와 함께 유무인협업팀을 구성한다면 보다 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.

국내에서도 로봇조종사에 대한 연구가 진행되고 있다.

2023년 7월 KAIST는 인간조종사 역할을 할 수 있는 휴머노이드 로봇인 ‘파이봇(PIBOT)’을 개발하였다고 발표하였다. 파이봇은 인공지능 기술이 적용된 키 165cm, 무게 65kg인 인간형 로봇으로 인간 조종사가 조종석에서 조종하는 방식과 동일하게 항공기를 조종할 수 있다. 항공기 조종석에서 파이봇은 얼굴과 팔, 다리 등에 설치된 카메라 6개를 이용해 주변 상황을 파악하고 조종석의 각종 조종장치들을 직접 조작해 비행하는 방식을 최초로 적용하였다. 기존의 개발 사례와 차이점은 인공지능을 갖는 인간형로봇을 적용하여 로봇 장착을 위해 좌석 제거 등과 같은 추가 작업이 불필요하고 인공지능을 적용하여 자율화 수준을 높였다는 점이다.

 

 

 

[그림 22] 파이봇 *출처 : KAIST.

 

 

발전 방향

 

유인기를 무인화하는 방법으로 인간조종사 대신 항공기를 조종할 수 있는 로봇을 탑재하는 방식의 연구가 해외뿐 아니라 최근 국내에서도 진행되고 있다. 이러한 방식은 영구적인 항공기 수정이 불필요하고 다양한 항공기 기종에 적용이 가능할 뿐 아니라 인공지능 및 로봇기술의 발전으로 현실화되고 있다. 그렇다면 “로봇이 조종사를 대체할 수 있을까?”라는 질문은 아직도 많은 논쟁을 불러일으키고 있다. 아마도 먼 미래에는 결국 로봇이 인간조종사를 대체하겠지만 그 시기는 생각보다 오래 걸릴 것이다. 이는 기술적 문제뿐 아니라 인프라 구축, 법적문제 등 많은 사회적 변화가 필요하기 때문이다.

▲ 우선 인공지능을 갖는 로봇이 사람을 대신하여 항공기를 조종하기 위해서는 안전을 확인할 수 있는 새로운 법과 규정이 마련되어야 한다. 또한 무기를 장착한 군용 무인기의 경우 로봇의 자율화 허용 범위는 윤리적 관점 에서 고려되어야 한다.

▲ 기술적으로도 높은 신뢰성을 갖는 자율비행제어시스템이 개발되어야 하며, 다양한 방법으로 신뢰도가 검증 되어야 한다.

▲ 인공지능 기반의 로봇조종사를 학습시키기 위해서는 다양한 조건의 데이터베이스가 필요하나 국가간 보안 등의 문제로 학습에 필요한 데이터 확보에 어려움이 발생할 수 있다.

▲ 또한 현재 항공기 운용을 위한 항공관제와 같은 인프라도 인간조종사를 기준으로 운용되고 있기 때문에 이를 로봇조종사에 맞춰 보완하는데 많은 비용과 시간이 필요하다.

▲ 마지막으로 가장 현실적인 문제로 아직까지 대부분의 항공기 승객들은 조종사가 없는 여객기 탑승을 꺼릴 것이다.

따라서 가까운 미래에는 인간조종사(주-조종사)와 로봇(부-조종사)가 상호 공조하여 협업하는 형태의 운용이 최선의 대안이 될 수 있을 것이다.

 

 

맺는말

 

군뿐 아니라 민간에서도 무인기에 대한 수요는 크게 증가하고 있으나 무인기 수요에 맞춰 새로운 무인기를 개발하여 운용하기 위해서는 너무 오랜 기간과 많은 비용이 소요될뿐 아니라 개발 실패에 대한 위험도 감수해야 한다. 그러나 기존에 인증되어 운용중인 유인기를 무인화한다면 이러한 문제는 크게 줄일 수 있다. 특히 기존의 유인기 조종석을 유지하고 조종석에 자동비행모듈 또는 로봇을 추가로 장착하는 방식의 무인화는 항공기에 대한 영구적 개조가 필요 없고 운용자의 필요에 따라 항공기를 유인 또는 무인기로 탄력적으로 운용할 수 있다는 장점이 있다. 최근에는 인공지능 및 로봇기술이 발전함에 따라 점차 조종사를 대체할 수 있는 휴머노이드 방식의 로봇조종사가 개발되고 있으며 가까운 미래에는 인간 주-조종사와 로봇 부-조종사 간의 협업도 가능할 정도로 기술은 빠르게 발전하고 있다. 국내에서도 유인기에 대한 무인화 연구가 다양하게 진행되어 무인화에 필요한 기반기술은 확보된 것으로 판단된다. 최근 우리 국방부도 드론작전사령부를 창설하여 군 전력에 대한 무인화를 가속화하고 있어 무인기에 대한 조기 확보가 매우 절실하다. 또한 국산 전투기 및 헬기 개발로 인해 퇴역해야 하는 전투기 및 헬기가 많이 발생하는 국내 현실을 고려할 때 유인기의 무인화는 조기에 미래 핵심 전력을 구축할 수 있는 매력적인 방안이 될 수 있을 것이다.