우리 생활에서 드론(drone)은 십 년도 안 되는 짧은 기간 동안 흔히 볼 수 있는 기기 중의 하나가 되었다. 쿼드롭터 즉 4개의 모터가 돌아가면서 내는 소음이 마치 벌이 윙윙거리는 것 같다(drone의 사전적 의미는 ‘윙윙 울리는 소리, 단조로운 저음’)고 해서 드론이라는 이름을 일반적으로 사용하고 있다. 1930년대 영국에서 대공포 훈련용으로 사용되던 표적용 무인기의 이름이 ‘Queen bee’ 인 것을 보면 벌과 관련된 드론의 역사는 오래되었다. 드론은 사용자가 무선으로 조종하는 무인기이다.





무인기는 UAV(Unmanned Aerial Vehicle), UAS(Unmanned Aircraft System) 등 사용하는 기관, 협회에 따라 다양한 이름으로 불리고 있지만 2013년 국제민간항공기구(ICAO)는 RPAS(Remotely Piloted Aircraft System)를 무인기의 공식 명칭으로 지정하고 있다. 하지만 공식 명칭이 있지만 친숙한 명칭인 드론 또는 UAV가 더 일반적으로 사용되고 있다.
UAV라는 용어가 대중적으로 가장 많이 언급되기 시작한 건 중동 지역 분쟁으로 미국이 Global Hawk로 정찰을 하거나 Predator를 사용하여 공격하는 장면이 뉴스에 나왔을 때이다. 이때 나온 군용 UAV는 경비행기 크기였다. 그리고 현재는 손바닥만 한 쿼드롭터 드론이 우리 주변을 비행하고 있다. UAV는 군사용으로 먼저 사용되다 보니 임무 성격과 중량에 따라 분류가 된다.





Brooke-Holland가 영국에서 사용되는 군용 드론을 아래 표와 같이 중량에 따라 등급을 분류하였다. 여기서 MALE(Medium altitude, Long endurance), HALE(High altitude, Long durance)은 군용 목적으로 사용되는 운용 고도와 시간이 포함이 되어 있다. 최근에는 나노 드론보다도 더 작은 드론이 분류되기도 하는데 3g이하의 PAV(Pico air vehicle), 0.5g d이하의 SD(Smart dust)도 연구개발 되고 있다.





드론은 많은 분야에서 사용되고 있지만, 최근에는 전기·전자, 소재, 통신 기술의 발달로 인해 소형화가 되면서 우주탐사나 위성 분야에서도 많은 연구개발이 진행 중이다. 심우주나 다른 행성/위성 탐사 분야에 사용되는 드론은 미니 드론과 작은 드론이 주로 사용되며 궤도 비행의 경우 대형급 드론이 사용되고 있다.

먼저 지구 대기권 궤도에서 사용되고 있는 드론들을 소개하고, 후반부에서는 달, 화성, 타이탄 등의 탐사를 목적으로 개발되고 있는 드론에 대해 소개하고자 한다.
 

[View full text: https://http://www.seradata.com/what-a-waste-of-money-boeing-pulls-out-of-darpas-xs-1-reusable-rocket-plane-programme-forcing-its-cancellation/]
 

DARPA(Defence Advanced Research Projets Agency)의 Experimental Spaceplane-1(XS-1) 프로젝트는 미군 위성을 하루에 한번씩 보낼 수 있는 재사용 가능한 극초음속 비행체이다.[Figure 1] XS-1은 액체 수소와 액체 산소를 사용하는 Space Shuttle엔진인 Aerojet Rocketdyne AR-22 엔진을 사용한다. XS-1은 길이 30 m로 위성을 궤도에 보내기까지 마하 10으로 비행을 하며 탑재중량은 1360 kg이다.





하지만 2020년 발사예정이던 XS-1은 취소되었고, 해당 프로젝트로 취소가 되었다. 정확한 취소 이유는 공표되지 않았지만 XS-1이 극초음속 비행을 해야 하기 때문에 단열재로 인한 중량 증가와 통합 체계의 복합성으로 제작의 어려움이 있었으며, DARPA의 발사 시스템 테스트 실패와 엔진 디자인에서 결함이 일부 발견된 점도 있는 것으로 보도되고 있다.

또한 XS-1 2, 3단계에 참여했던 Boeing의 Phantom Works부는 미공군이 최근에 발사에 성공한 X-37B 개발에 참여하고 있는 부서로 중복 개발에서 먼저 성공한 X-37B로 예산이 편성되었기에 중단된 게 아닌가 사료된다.

[View full text: https://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_X-37]


보잉의 X-37은 OTV(Orbital test vehicle)로 불리는 지구 대기권에서 운용하는 재사용 가능한 무인 우주선이다.[Figure 2] X-37은 1999년 NASA 프로젝트로 시작되었으며 2004년에 미국 국방성으로 프로젝트가 이전되었다. X-37은 2006년에 처음으로 공중낙하 시험이 시행되었으며, 2010년 4월에 처음으로 Atlas V 로켓에 실려 궤도 비행 임무를 수행했으며, 그해 10월 지구로 귀환하였다.
2019년 9월에 X-37은 SpaceX의 Falcon 9에 탑재되어 발사되었으며 779일 17시간 51분이라는 장기간 우주 궤도 임무 시간을 기록하였다. 2020년 5월에 6번째 임무 수행을 위해 Atlas V501 로켓으로 발사되었으며, 기존에는 미공군이 주관이었지만 6번째 임무에서부터는 미우주군(US Space Force) 주관으로 진행되었다.





X-37은 길이 8.92m, 날개폭 4.55mm, 높이 2.9m, 이륙 중량 4,990kg이다. GaAs 태양전지와 리튬-이온 배터리를 사용하며, LEO(Low Earth Orbit)에서 궤도 비행 속도는 28044km/h이다. X-37의 임무는 대부분 베일에 싸여 있지만 공개된 임무는 태양광 에너지를 라디오 주파수의 마이크로웨이브 에너지로 변환 시켜 지구로 전송하는 시험, 미국 공군사관학교 생도들이 만든 위성 FalconSAT-8(136kg)의 소형 위성을 궤도에 올리는 시험, MEP(Magetogradient Electrosatic Plasma Thruster) 전자기 플라즈마 추진체 시스템 테스트, 초경량 안테나 테스트, 카본 나노튜브 실험, 고도 조절에 따른 에너지 저장 시험 등을 수행할 예정이다.



 

[View full text: http://asiatimes.com/2019/03/china-to-fly-solar-drone-to-near-space/]


중국의 CASIC(China Aerospace Science and Industry Corp)은 근우주(near Space)에서 태양광발전 드론인 Feiyun(flying clouds) 비행을 성공적으로 수행하였다[Figure 3].
Feiyun은 장거리 비상 통신이나 인터넷 서비스를 위한 드론으로 2019년에 100회 이상의 비행 시험을 하였으며, 2020년 드론 네트워크를 시작하였다.





초경량 소재를 사용한 Feiyun 드론은 태양광 전지와 전기 모터를 사용하여 비행하며 1톤 미만의 하중을 가지며 날개 길이는 Boeing 777 여객기의 날개 길이와 비슷하다. 10000 개 이상의 태양광 전지와 Lithium-sulfur 충전용 배터리가 있기에 밤 동안에도 비행이 가능하다. 비행고도는 20 km에서 100 km이며 성층권에서 위성 궤도 아래인 지구 열권의 하류층까지 비행이 가능하다. Feiyun은 지상 관측, 정찰, 통신이 가능하며, 여러 대의 드론이 통신 중계 장치를 사용하여 사용자간의 무선 인터넷 서비스도 가능하다



 

[View full text: http://www.airforce-technology.com/projects/zephyr/]
 

성층권 무인기는 중국이 처음이 아니라 성층권 비행과 관련하여 영국 QinetiQ가 영국 국방부의 투자로 개발한 Zephyr가 최초이다.[Figure 4] Zephyr 7은 2010년 7월에 태양광 전지와 리튬-황 배터리를 사용하여 고도 21,561m에서 336시간 22분 8초 (약 14일)을 비행했다. 날개폭은 22.5 m에 탄소 섬유 복합재를 사용하였고 무게는 53kg이다.





2013년에 Zephyr 시스템은 Airbus 우주방위 사업부에 인수되었고 HAPS(고고도유사위성, High Altitude Pseudo-Satellite) 프로그램으로 사용되고 있다. 2018년 여름에 Zephyr S(또는 Zephyr 8)는 25일 23시간 57분의 비행기록을 새웠으며 Ampius 리튬-이온 배터리와 MicroLink Device의 1500 W/kg, 350 W/m2급 고성능 태양전지를 사용하고 있다.
구글이나 페이스북에서도 아프리카와 같은 인터넷 오지 지역이나 통신망이 마비된 재난지역에서의 신속한 네트워크 구성을 위해 성층권 드론을 활용한 프로젝트 등이 진행 중이다. 성층권 드론은 앞서 이야기한 것처럼 고고도유사위성(HAPS) 또는 대기권 위성(atmospheric satellite)로 불리며, 성층권과 중간 열권에서 장기 비행이 가능하고 위성이 하는 관측, 데이터 송수신이 가능하지만 위성보다는 값싼 장점이 있다.

[View full text: http://kids.donga.com/?ptype=article&no=20200827114815171494]

국내에서는 한국항공우주연구원이 2010년부터 기상 관측과 통신 중계 등의 목표로 고고도 장기체공 전기동력 무인기 EAV를 개발하고 있다.[Figure 4] 2016년 EAV-3는 18.5 km 성층권 상공을 90분 비행하며 영국, 미국에 이어 세계에서 3번째로 성층권 비행에 성공하였다.
EAV-3는 날개 길이 20 m, 동체 길이 9 m 무게 50 kg이다. 2020년에서는 12~18 km 고도에서 53시간을 비행하여 비행시간 기록을 갱신 중이며, 최종적으로는 12 km 이상 고도에서 수개월간 비행하면서 통신, 미세먼지 및 기상 관측 등의 임무를 수행할 예정이다.

[View full text: http://defense-update.com/20180912_space-drone.html]


이스라엘 항공 관련 기업인 IAI(Israel Aerospace Industries)는 영국의 Effective Space 기업과 함께 소형인공위성인 Space Drone 개발을 시작하였다.[Figure 5] Space Drone은 소형 무인 우주선으로 연료가 떨어져가는 위성이나 고장 난 위성을 수리하여 운용중인 위성의 수명을 연장시키거나 위성의 궤도 변경이 가능하며, 추가적으로 우주궤도에 있는 우주 쓰레기들을 제거하는 목적이 있다.





Space Drone은 무게 400kg으로 제논(Xenon) 이온 추진을 사용하며, 거미와 같은 형상을 하고 있으며 추력 팔을 가지고 있어 다양한 임무 수행이 가능하다. 2017년에 국제 위성 수용자들과 계약을 통해 2020년 러시아의 Khrunichev Proton 발사체를 통해 2대의 Space Drone이 발사될 예정이며, 각 드론의 임무수명은 약 15년 정도이다.
2020년 현재 일본기업인 Astroscale Holdings Inc의 미국 자회사인 Astroscale U.S. Inc가 IAI이 Space Drone 프로그램을 인수하게 되면서 발사 일정은 미루어진 상태이다.
참고로 Astroscale U.S.는 주로 지구저궤도 위성의 감시, 관측 위성에 초점을 맞추고 있고, Effective Space는 지구 정지궤도(GEO, Goestationary earth orbit)의 통신 위성에 초점을 맞추고 있다. Astroscale과 Effective Space는 각자 또는 협력적 방법을 통해 LEO, GEO에서 운용중인 위성의 수명을 연장시키고 우주쓰레기 제거를 위해 Space Drone프로그램을 계속 진행할 예정이다.



 

[View full text: http://en.wikipedia.org/wiki/Near-Earth_Asteroid_Scout]


미국은 달에 유인 2024년까지 달에 최초의 여성 우주인과 남성 우주인을 착륙시키는 아르테미스 프로그램을 수행 중이다.[Figure 6]. 아르테미스(Artemis) 프로그램은 총 3개의 미션으로 이루어져 있으며, 아르테미스 1은 큐브샛을 포함한 무인 달 궤도선을 2021년 11월에 발사 예정이며, 아르테미스 2는 2023년 유인 우주선 달 궤도 비행과 달 게이트웨이(소형 우주정거장) 구축, 아르테미스 3은 2024년 유인 우주선을 달에 착륙시키는 것이다.





여기서 아르테미스 1 미션에는 총 13개의 CubeSat(달 탐사 드론)이 탑재될 예정이다. CubeSat은 부피 10X10X10cm를 1U라 하며, 중량은 1U당 1.33 kg 정도 표준 규격을 가지는 나로 등급의 위성이다. 각 CubeSat은 달의 얼음층 탐사나 새로운 추진 기관 테스트, 통신 장비 개발 등의 임무를 수행할 예정이다. 이 중에서 일본 JAXA에서 개발한 Near-Earth Asteroid Scout CubeSat은 태양풍 항해를 통한 지구 주변의 소행성을 조사할 예정이다.



 

[View full text: http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7505]

2019년 NASA 제트추진연구소는 Shape shifter라는 미니 드론을 선보였다.[Figure 7] 이 로봇은 쿼드롭터형으로 서로 결합하여 구를 수 있고 비행, 수영까지 가능하다. Shape shifter는 cobot들의 결합과 해체가 가능하며 합체를 하게 되면 둥근 모양으로 굴러다닐 수 있으며 해체하게 되면 각 cobot들은 비행이나 수영이 가능하다.




현재 Shape shifter의 초기 모델은 두 개의 드론이 합체 및 분리되어 비행 및 지상에서의 이동 등의 테스트가 수행되고 있다. Shape shifter는 토성의 위성인 타이탄 탐사를 위해 개발된 드론이며, 유럽우주국의 Huygens Probe이 보낸 데이터로 타이탄은 에탄/메탄으로 된 호수와 암석 등으로 초기 지구 환경과 매우 유사한 형태이기에 호수, 동굴, 산악 지형 등의 다용도 탐사 드론이 필요하다. 타이탄은 지구에 비해 대기밀도가 높고 중력이 약하기 때문에 Huygens와 같은 착륙선을 cobot 10기를 사용하여 비행 이동시키는 게 가능하다.

2020년 NIAC(NASA Innovative Advanced Concepts) Phase II에 신청한 상태이지만 이미 타이탄 탐사에는 Dragonfly가 선정된 상태이기에 Shape shifter의 타이탄 탐사는 더 오래 걸리거나 다른 행성이나 위성 탐사에 사용될 가능성이 높다.





2020년 NIAC(NASA Innovative Advanced Concepts) Phase II에 신청한 상태이지만 이미 타이탄 탐사에는 Dragonfly가 선정된 상태이기에 Shape shifter의 타이탄 탐사는 더 오래 걸리거나 다른 행성이나 위성 탐사에 사용될 가능성이 높다.



 

[View full text: https://www.nasa.gov/press-release/nasas-dragonfly-will-fly-around-titan-looking-for-origins-signs-of-life]


NASA는 타이탄 탐사를 위해 Dragonfly 프로젝트를 2017년부터 계획하고 있으며, 2026년에 발사하여 2034년에 타이탄에 착륙시킬 예정이다.[Figure 9]
Dragonfly는 1m 지름의 이중 로터를 가진 쿼드롭터이다.
비행 속도는 10~36 km/s이며 상승고도는 4 km이다. 타이탄의 대기 밀도는 지구의 4배, 대기압은 1.45배, 중력은 지구의 14%정도이기에 지구에서의 1/40 비행 동력이 있으면 된다.





Dragonfly는 리튬이온 배터리를 사용하며 야간에는 MMRTG를 사용하여 충전하게 된다. MMRTG(Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator)는 방사선 동위원소의 자연감쇠에서 발생하는 열을 전기로 변환시켜주는 장치이다. Drogonfly의 중량은 450 kg이며 지구시간으로 8일 정도 임무수행을 할 예정이다.



 

[View full text: http://www.nasa.gov/feature/jpl/6-things-to-know-about-nasas-ingenuity-mars-helicopter/]


NASA는 2020년 7월 30일 화상 탐사 로버 Perseverance와 탐사 드론인 Ingenuity(Mar's helicopter)를 발사했다. Ingenuity의 하중은 1.8 kg이며 두 개의 로터를 가지고 있으며 2400rpm으로 회전한다.




화성의 대기는 대부분 이산화탄소로 구성되었으며, 대기 밀도는 지구의 1%도 되지 않기 때문에 비행을 위해서는 지구에서보다 가볍고 더 빠른 속도로 로터가 돌아가야 한다. 이 때문에 날개를 가진 드론보다는 헬리콥터 같은 형태를 사용하고 있다. 지구에서 통신을 통한 조종은 시간 지연이 많기 때문에 미리 설정된 이동 지점으로의 자율주행을 하도록 설계되어 있다.
Ingenuity는 화성에서의 비행 가능 시험이 주목적이며 추가적인 탐사 장비는 탑재되어있지 않다. Ingenuity의 주요임무는 화상 착륙 후에 Perseverance 로버에서 정상 이륙하여 자율 비행을 하며 밤 동안에는 기체를 자율적으로 보온하고 태양광 패널을 사용한 자율 충전 등의 임무를 약 한 달간 수행한 예정이다. Ingenuity의 임무가 성공적으로 수행이 된다면 보다 큰 드론을 보내어 고해상도의 화성 지표 촬영이나 로버나 인간 탐사의 주변 정찰 등의 임무를 수행할 예정이다.




 

우주 개발 분야에서의 드론의 활용은 과거 우주 개발에 들어가는 막대한 비용을 절감하면서 적용 기술 분야는 보다 확대되었다는데 의미가 있다. 드론, 로봇, 인공지능 등의 조합을 통해 우주 탐사에 들어가는 비용 대비 위험성이 크게 줄었으며, 또한 기존에 위성을 통한 촬영에 비해 보다 고해상도의 이미지를 얻을 수 있다.

탐사 로버들은 지상을 이동하기에 느리고 거리가 제한되지만 드론을 사용하게 되면서 다양한 지역의 탐사가 가능해졌다. 심우주 연구나 지구 궤도 비행에서도 대형 위성들을 대체해서 성층권 드론이나 CubeSat들이 많이 사용되고 있는 추세이다. 가장 큰 이유는 우주개발에서도 경제성이 중요한 요소가 되었기 때문에 저렴하면서 효율적인 기술이 요구되었고 이를 충족하고 있는 게 드론이 아닌가 사료한다.
 
 
참고문헌
1. https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%AC%B4%EC%9D%B8_%ED%95%AD%EA%B3% B5%EA%B8%B0.
2. L. Brooke-Holland, Unmanned Aerial Vehicles (drones): An Introduction, House of Commons Library, UK, 2012.
3. https://www.seradata.com/what-a-waste-of-money-boeing-pulls-out-of-darpas-xs-1-reusable-rocket-plane-programme-forcing-its-cancellation/
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_X-37
5. https://asiatimes.com/2019/03/china-to-fly-solar-drone-to-near-space/
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Airbus_Zephyr
7. http://kids.donga.com/?ptype=article&no=20200827114815171494
8. https://defense-update.com/20180912_space-drone.html
9. https://www.calcalistech.com/ctech/articles/0,7340,L-3830172,00.html
10. https://en.wikipedia.org/wiki/Artemis_program
11. https://en.wikipedia.org/wiki/Near-Earth_Asteroid_Scout
12. https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7505
13. https://www.nasa.gov/press-release/nasas-dragonfly-will-fly-around-titan-looking-for-origins-signs-of-life
14. https://en.wikipedia.org/wiki/Dragonfly_(spacecraft)
15. https://www.nasa.gov/feature/jpl/6-things-to-know-about-nasas-ingenuity-mars-helicopter/