KARI 한국항공우주연구원

미래형 개인항공기(PAV, Personal Air Vehicle) 시장에 대비하기 위해 이미 확보한 틸트로터 기술을 바탕으로 로터가 4개 달린 쿼드틸트프롭 무인기(QTP-UAV)를 개발했다. 쿼드틸트프롭 무인기(QTP-UAV)는 전기배터리를 에너지원으로 하여 4개의 전기모터 및 프롭으로 구성된 분산전기추진 방식의 무인기이다. 전기 배터리가 여러 개의 모터에 동력을 공급하기 때문에 시스템이 단순하고 4개 로터의 콜렉티브 피치 제어를 통해 비행 안정성을 높일 수 있다.
쿼드틸트프롭 무인기(QTP-UAV)는 이착륙 시 4개의 로터가 헬리콥터처럼 수직 방향으로 위치해 있다가 이륙 후 비행 시에는 일반 고정익 항공기처럼 수평방향으로 추력을 발생시키기 때문에 고속비행이 가능하다. 쿼드틸트프롭 무인기(QTP-UAV) 개발 시 중요한 핵심기술은 여러 개의 로터를 동시에 제어해 이착륙과 비행 시 비행체 자세를 안정적으로 유지하는 자세제어 기술과 전기 배터리에서 각 모터에 전력을 고르게 보내는 전력제어 기술이다.
쿼드틸트프롭 무인기(QTP-UAV)는 2016년부터 2018년까지 2년간 주요사업을 통해 개발했다. 체계종합에서는 무인기 시스템을 설계하고, 비행체 사이징, 성능해석, 형상설계, 프롭 및 틸트 계통에 대한 하중해석과 체계통합 지상 및 비행시험을 수행했다. 추진분야에서는 엔진, 발전기, 배터리로 구성된 하이브리드 시스템을 개발했으며, 제어분야에서는 비행제어시스템과 지상관제장치(GCS)를 개발했다. 구조분야에서는 비행체의 구조하중해석과 구조설계를, 공력분야에서는 비행체의 전산유동해석 및 풍동시험을, 회전익분야에서는 프롭의 설계 및 해석을 담당했다.

쿼드틸트프롭 무인기(QTP-UAV) 시스템은 비행체와 지상관제 및 통신장비로 구성되어 있다. 비행체에는 두 개의 UHF 주파수의 통신장비와 센서 일체형 통합 비행제어컴퓨터(FCC)를 장착했다. 쿼드틸트프롭 무인기(QTP-UAV)는 배터리 버전 2대, 풍동모델 1대 등 3대를 제작했다. 풍동모델은 시험 완료 후 하이브리드 버전으로 개조할 수 있도록 제작했다.
쿼드틸트프롭 무인기(QTP-UAV)의 본격적인 비행시험은 고흥항공센터에서 진행했다. 안전줄을 뗀 최초의 회전익 비행은 2018년 9월 11일에 이루어졌다. 비행시험은 호버 비행을 시작으로 활주로 상공 저고도 회전익 모드 시험부터, 외부 조종사의 수동비행과 내부조종사의 유지모드, 그리고 최종적으로 자동비행 순으로 진행했다. 회전익모드 비행이 완료된 후 천이 비행은 고도 100~200m, 반경 500~600m의 점항법 비행을 통해 점진적으로 이루어졌다. 2018년 9월 18일에는 점항법 모드에서 단계적인 증속을 통해 틸트 0도, 비행속도는 시속 145㎞까지의 천이비행을 성공했다. 2018년 10월 25일 비행에서는 비행특성을 향상시키기 위한 제어로직 및 이득 조정을 거쳐 최대 속도 시속 165㎞까지 도달했다.
쿼드틸트프롭 무인기(QTP-UAV) 개발은 쿼드틸트프롭 비행체에 대한 특성과 관련 비행제어기술을 확보하는 성과를 거두었으며 또한 총중량 50㎏급의 고속-수직이착륙 무인기 시스템 기술을 확보했고, 분산 추진형 전기추진 수직이착륙 항공기에 대한 원천기술 확보로 미래형 교통수단으로 떠오르고 있는 전기추진 수직이착륙 개인용 항공기 사업에 적극 활용할 수 있게 되었다.

총 4개의 프롭으로 구성되고 배터리 동력을 사용하는 QTP-UAV는 최대 비행시간이 30분 이내로 제한된다. 이러한 비행시간의 제한을 극복하는 방안중의 하나로 기존의 배터리 대신에 엔진-발전기-배터리로 구성된 하이브리드 추진 시스템을 QTP-UAV에 적용하여 개발하였다. 하이브리드 추진 시스템은 10마력급의 2-실린더 왕복엔진과 최대 5kW급의 발전기, 그리고 600Wh의 배터리를 이용하여 구성하였으며, 기존의 배터리 장착공간에 장착하였다. 더불어 비행체의 중량절감 및 프롭의 추진효율 증대를 위해 전방 2개의 프롭은 고정피치형 리프트 프롭으로 대체하였다. 하이브리드 추진시스템을 탑재한 DTP-H의 비행시험은 2019년 12월 16일 가장 파워가 적게 요구되는 비행속도 60~70km/h에서 이루어 졌으며, 약 4리터의 연료로 총 62분 비행에 성공하였다.