KARI 한국항공우주연구원

성층권 태양광 무인기는 고도 18㎞ 이상의 성층권에서 수개월 체공하는 전기 무인기에 대한 국제적 관심이 높아지면서 친환경 전기추진 동력시스템 기술과 고고도(성층권) 장기체공(HALE, High Altitude Long Endurance) 기술을 접목한 항공기이다.
성층권 태양광 무인기는 이륙 시 배터리를 사용하고 비행 중에는 날개 윗면에 장착된 태양전지가 배터리를 지속적으로 충전해 에너지원으로 활용하는 무인기로 고(高)고도인 성층권에서 비행한다.
고도 18㎞의 성층권은 대기압이 지상의 14분의 1에 불과하고 온도가 –70℃까지 내려간다. 하지만 대기가 안정되어 구름, 강우와 같은 기상현상이 없어 주간에는 태양광을 항상 활용할 수 있으므로 지상관측, 기상관측 및 통신 중계 등의 임무를 수행할 수 있다. 또한 일반 민항기가 고도 10km에서 비행하기 때문에 성층권 태양광 무인기는 민항기와 사고 날 일이 없어 매우 안전한 비행이 가능하다.
미국의 유력 항공기 시장조사 기관인 틸그룹(Teal Group)이 낸 보고서에 따르면, 통신분야의 경우 고고도 장기체공 무인기의 활용시장은 2025년 15억달러 규모로 중/소형 무인기를 활용한 농업분야(13.6억달러)를 넘어 건설분야(16.5억 달러)에 근접하게 성장할 것으로 전망하고 있다.

연료전지 시스템을 적용한 날개길이 2.6m급의 EAV-1을 개발해 비행시험을 수행한 바 있으며, 이후 날개길이 6m급의 EAV-2를 개발해 각 동력원의 장단점과 향후 활용 가능성을 점검했다. EAV-1은 기존 배터리를 사용할 경우 1.5시간 비행만 가능하나 저압 수소 발생형 PEM 타입 연료전지를 적용해 2010년 4.5시간 비행에 성공했다. EAV-2는 야간에는 연료전지와 배터리를, 낮에는 태양에너지를 이용하는 하이브리드 방식으로 2012년 22시간 연속 비행하였다.
EAV-2의 확장형인 EAV-2H는 2013년 국내 최장 기록인 25시간 40분 연속 비행기록을 세웠고, 2014년에는 고도 10㎞까지 상승함으로써 국내 무인기 비행고도 기록을 수립했다.
태양전지와 배터리만을 적용해 동력 시스템을 단순화시킨 날개길이 20m급의 EAV-3를 개발하여 2015년 고도 14.2㎞, 2016년 비관제공역인 고도 18.5㎞에서 90분간 비행해 성층권 태양광 무인기의 활용 가능성을 시연했다. 이러한 성과는 미국과 영국에 이어 세계에서 세 번째다. 이후 한국항공우주연구원은 고고도에서 비행이 가능한 고성능 배터리 팩 및 초경량 고강성 구조물 기술을 개발해 왔으며, 50km 거리까지 실시간 HD 영상을 전송받을 수 있도록 통신 성능을 향상시켜 2020년 고도 12km~18km 성층권에서의 16시간 비행을 포함, 국내 최장 53시간 연속비행을 기록했다. 또한 2020년 국산 리튬황 배터리를 장착하고 고도 22km까지 상승하여 국내 무인기 최고 비행고도 기록을 수립하였다.
밀도와 온도가 낮은 성층권 환경에서 운용되는 비행체는 초경량 기체구조 기술, 저온 저밀도 추진 시스템, 태양광 및 배터리 동력기술, 저 레이놀즈 수 영역의 프로펠러 설계 기술 및 유연한 항공기 자동제어 기술 등이 필요하다. 이에 따라 관련 기술을 확보하고 T-800급 국산 복합재를 처음으로 무인기에 적용하고 저온 특성과 인장 능력이 우수한 마일러 소재를 적용해 초경량 기체 구조를 실현했으며, –70℃의 환경에서 작동하는 저속 고토크 BLDC 모터와 모터 제어기를 개발했다. 아울러 모터 특성과 저밀도 성층권 대기를 고려해 저 레이놀즈 수 영역에 적합한 고효율 프로펠러를 설계하고 비행제어컴퓨터, 대기측정장치 및 조종면 작동기등 주요 시스템을 이중화해 유사시에도 안전하게 자동비행이 가능토록 하였다.

현재 그 동안의 연구성과를 바탕으로 20kg 이상의 임무 장비를 싣고, 30일 이상 성층권 연속비행이 가능한 세계 최고 성능의 성층권 태양광 무인기 EAV-4를 개발 중에 있다. 2025년에 실제로 성층권에서 30일 이상 비행시험으로 성능을 입증할 계획이며, 2026년 이후 공공임무 수요에 대응하는 실증플랫폼 개발을 준비 하고있다.