고고도 태양광 무인기는 고도 18km 이상의 성층권에서 수주일 체공하는 전기 무인기에 대한 국제적 관심이 높아지면서 개발에 착수한 사업이다. 친환경 전기추진 동력시스템 기술과 고고도장기체공(High Altitude Long Endurance, HALE) 기술을 접목한 항공기 체계개발 기반기술 확보를 위해 2010년부터 6년간 주요사업으로 추진했다.
고고도 태양광 무인기는 이륙 시 리튬이온배터리를 사용하고 비행 중에는 날개 윗면에 장착된 태양전지가 2차 전지를 지속적으로 충전해 에너지원으로 활용하여 고(高)고도인 성층권에서 비행한다. 고도 18km의 성층권은 대기압이 지상의 1/20에 불과하고 온도가 섭씨 영하 70도까지 내려간다. 하지만 비관제 영역으로 풍속이 낮고 구름이 없어 지상관측, 기상관측 및 통신중계 등의 임무를 수행하기에 알맞다. 이러한 조건에서 장기체공하기 위해서는 기존 화석연료 대신 태양에너지는 이용하는 것이 적합할 것으로 판단했다. 또한 일반 민항기가 고도 10km에서 비행하기 때문에 성층권 비행은 민항기와 사고 날 일이 없어 매우 안전한 비행이 가능하다. 고고도 태양광 무인기는 EAV-1부터 EAV-3까지 단계를 거쳐 성능을 발전시켜 왔다.
EAV-1연료전지 시스템을 적용한 스팬 2.6m급의 EAV-1을 개발해 비행시험을 수행함으로써 경량의 연료전지 시스템의 무인기 적용 가능성을 검토했다. EAV-1은 기존 배터리를 사용할 경우 1.5시간 비행만 가능하나 저압 수소 발생형 PEM 타입 연료전지를 적용해 2010년 10월 4.5시간 체공 비행에 성공했다.
EAV-2 / EAV-2H또한 태양전지, 배터리 및 연료전지를 동력원으로 사용하는 스팬 6m급의 하이브리드 무인기 EAV-2를 개발해 각 동력원의 장단점과 향후 활용 가능성을 점검했다. EAV-2는 야간에는 연료전지와 배터리를, 낮에는 태양에너지를 이용하는 방식으로 2012년 8월 22시간 10분 연속 비행하는 기록을 수립했다. EAV-2의 고고도 장기체공 확장형인 EAV-2H는 2013년 10월 국내 최장 기록인 25시간 40분 연속 비행기록을 세웠다. 이후 2014년 9월에는 고도 10km까지 상승함으로써 국내 무인기 비행고도 기록을 수립했다.
EAV-3고고도 태양광 장기체공 Full scale기인 EAV-3는 단결정 태양전지와 리튬 이온 배터리를 동력원으로 이용해 2015년 8월 고도 14.2km, 2016년 8월 비관제 공역인 고도 18.5km에서 90분간 비행해 성층권 태양광 무인기의 활용 가능성을 시연했다. 고도 18km 이상 성층권 비행에 성공한 태양광 무인기는 미국과 영국에 이어 세 번째다. 이후 고성능 배터리 팩 및 초경량 고강성 구조물 개발 등 성능을 개선해 왔고 2020년 8월 고도 12~18km 성층권에서의 16시간 비행을 포함, 국내 최장시간인 53시간 연속비행에 성공했다. 낮에는 태양광을 이용하여 고도 18km 성층권까지 상승하고, 밤에는 낮 시간 동안 배터리에 저장된 에너지를 이용해 고도 5km에서 비행하다 다음날 해가 뜨면 다시 성층권까지 상승하는 비행을 반복한 것으로, 태양 에너지만으로 고고도에서 수일에서 수개월간 비행이 가능하다는 것을 입증했다.
미국의 유력 항공기 시장조사 기관인 틸 그룹(Teal Group)이 낸 보고서(2016.7)에 따르면, 통신분야의 경우 고고도 장기체공 무인기의 활용시장은 2025년 15억달러 규모로 중/소형무인기를 활용한 농업분야(13.6억달러)를 넘어 건설분야(16.5억 달러)에 근접하게 성장할 것으로 예상된다.
선진국이 앞 다투어 개발하고 있는 고고도 태양광 무인기는 고도 12km 이상의 성층권에서 수개월씩 장기 체공하면서 실시간으로 재해나 불법 어로감시, 통신 중계, 미세먼지나 기상 관측 등 인공위성을 보완하는 등의 임무를 보다 저렴하고 친환경적으로 수행할 수 있는 미래 기술 분야이다.
한국항공우주연구원은 앞으로 고성능 배터리 팩 및 태양전지를 활용하여 고고도 장기체공 태양광 무인기(EAV-3)의 성능을 더욱 개선하여 고도 12km이상의 성층권에서 수일에서 수개월간 장기체공하며 지상 관측, 대기자료 획득, 실시간 영상 전송, 통신 중계, 기상 관측 등 다양한 임무 수행 시험을 진행하고 고고도 태양광 무인기 기술의 실용화를 추진해 나갈 계획이다.
소형 장기체공형 무인기 핵심기술 개발(두루미)
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