[논문]수직이착륙(VTOL) 무인항공기 감항기준 개발에 대한 연구

길기남; 유민영; 박종성

doi:10.20910/jase.2020.14.1.44

수직이착륙(VTOL) 무인항공기 감항기준 개발에 대한 연구
A Study on the Development of Airworthiness Standards for VTOL UAS 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.14 no.1, 2020년, pp.44 - 53

길기남 ((주)대한항공 항공기술연구원) , 유민영 ((주)대한항공 항공기술연구원) , 박종성 ((주)대한항공 항공기술연구원)

초록
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무인항공기 산업은 인공지능, 빅데이터, 사물 인터넷 등의 4차 산업혁명 기술과 융합하여 새로운 패러다임으로 발전하고 있다. 미국과 같은 항공 선진국들은 비행안전성이 보장된 무인항공기 개발에 많은 역량을 집중하고 있다. 대한민국의 경우, 한국항공우주연구원에서 2011년 국가 R&D 사업의 일환으로 국내 최초 수직이착륙 무인항공기인 스마트무인기 개발에 성공하였고, 이를 통해 첨단 IT 기술이 접목된 수직이착륙 무인항공기 개발 기술을 보유하게 되었다. 이러한 국가차원의 노력에도 불구하고 아직까지 국내 수직이착륙 무인항공기의 개발과 시장 운용은 제한적이다. 국내 기술로 개발한 수직이착륙 무인항공기의 형식증명 절차는 국내 항공안전법에 명시되어 있으나 형식증명을 위한 감항기준은 아직 제정되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 자체 중량 150 kg을 초과하는 수직이착륙 무인항공기의 국내 외 개발 동향과 국가별 인증제도 및 절차에 대해 조사하고, 유럽항공안전청에서 2019년 7월 2일 제정공포한 수직이착륙 항공기용 특별감항요건(special conditions)을 벤치마킹하여 국내 수직이착륙 무인항공기 형식증명을 위한 감항기준을 정립할 수 있는 방안에 대해 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In conjunction with the Fourth Industrial Revolution, the unmanned aerial vehicle industry is being developed to a new paradigm by combining advanced technologies such as AI, Big Data and the IoT. Aeronautical developed countries such as the U.S. are focusing their efforts on the development of the safer unmanned aerial vehicles. The Korea Aerospace Research Institute, as part of the national R&D project in 2011, had succeeded in developing the first vertical takeoff and landing (VTOL) UAS, called Smart-UAV. However, although the development technology of the VTOL UAS is possessed, developing and operating of the VTOL UAS for commercial or military use are limited. The type certification procedure of the VTOL UAS developed by domestic technology is stipulated in the Korean Aviation Safety Act, but the Korean VTOL UAS airworthiness standards (KAS) hsve not been established. Thus, this study investigated the development trends of the VTOL UAS in Korea and abroad and national certification systems and procedures, and benchmarked the special conditions for the VTOL aircraft, announced by the EASA on July 2, 2019, to establish standards for type certificate of the VTOL UAS in Korea.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Eagle Eye
그림 Fig. 2 Fire Scout MQ-8C
그림 Fig. 3 Schiebel Camcopter S-100
그림 Fig. 4 V-750
그림 Fig. 5 Guardian CL-327
그림 Fig. 6 Smart UAV
그림 Fig. 7 KUS-VH
그림 Fig. 8 Flow diagram of UAS Type certification
표 Table 1 UAS Airworthiness Classification
표 Table 2 VTOL UAS Special Airworthiness
표 Table 3 Contents of MIL-HDBK-516C
표 Table 4 EASA Airworthiness Standards
표 Table 5 Military UAS Airworthiness Standards
표 Table 6 CS-23 & Special Condition VTOL
그림 Fig. 9 VTOL UAS Airworthiness Development

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 미국, 유럽, 한국 등 국가별민간분야 중심으로 무인항공기 감항기준 현황과 최근 유럽항공안전청(EASA)에서 제정한 수직이착륙 항공기용 특별감항요건인 SC-VTOL-01을 상세 분석하였다. 또한, SC-VTOL-01의 기준 문서인 CS-23Amendment 5 대비 기준 삭제 및 추가, 변경된 항목에 대해 분석하여 향후 대한민국의 민간용 수직이착륙무인항공기 개발과 감항기준 정립 시 참고할 수 있도록 하였다.
먼저, 항공기 개발 능력을 보유한 국가에서 개발을 통한 계통 별 기술기준을 적용하여 검증하고 이를 감항기준으로 채택하는 방안과 타국가에서 이미 검증되어 적용하고 있는 기종 및 유형별 감항기준을 그대로 채택하여 자국의 감항기준으로 적용하는 방안이 있다. 본 논문에서는 상기 2개 방안을 고려하여 한국 실정에 부합된 자체중량 150 kg을 초과하는 수직이착륙 무인항공기 감항기준 개발 방안을 제안하고자 한다.

제안 방법

CS-23 감항기준 대비 수직이착륙 항공기용 특별감항요건은 비행제어, 동력전달체계 관련 일부 기준이 추가 및 변경되었으며, 탑승인원 9인 이하의 소형 수직이착륙 항공기 특성에 맞게 여압장치는 미적용하였다. 국내 VTOL 항공기 형식증명을 위한 감항기준 정립을 위해 각 계통별로 기존 CS-23 대비 특별감항요건의 추가, 삭제 및 수정 내용은 다음과 같다.
5와 같이 블레이드 수량은 3개로 구성되어있으며 2개의 동축 반전용 로터를 사용한다. SeaState 5 조건에서 함상 이착륙 시험에 성공하여 함상운용 성능을 입증하였다. 최고속도 160 km/h, 최대이륙중량 350 kg, 체공시간 6시간 30분으로 해상임무에 주로 활용하고 있다.
항공기 설계 및 제작분야에서는 착륙장치와 관련하여 이착륙을 포함하여 지상주기시에도 운동에너지를 흡수하여 완충하는 기능을 구비하도록 기준을 제정하였다. 그 외에도 비상 부유(flotation) 장치 및 착수(ditching) 관련 인증 관련 세부기준을 추가하였다. 승객 보호를 위해 곡예비행 기준을 삭제하였으며 화재 및 낙뢰와 같은 높은 에너지 관련하여 비상착륙 시 화재에 대한 위험이 최소화될 수 있도록 관련 기준을 추가하여 수직이착륙 기능을 보완하였다.
따라서 본 논문에서는 미국, 유럽, 한국 등 국가별민간분야 중심으로 무인항공기 감항기준 현황과 최근 유럽항공안전청(EASA)에서 제정한 수직이착륙 항공기용 특별감항요건인 SC-VTOL-01을 상세 분석하였다. 또한, SC-VTOL-01의 기준 문서인 CS-23Amendment 5 대비 기준 삭제 및 추가, 변경된 항목에 대해 분석하여 향후 대한민국의 민간용 수직이착륙무인항공기 개발과 감항기준 정립 시 참고할 수 있도록 하였다.
그 외에도 비상 부유(flotation) 장치 및 착수(ditching) 관련 인증 관련 세부기준을 추가하였다. 승객 보호를 위해 곡예비행 기준을 삭제하였으며 화재 및 낙뢰와 같은 높은 에너지 관련하여 비상착륙 시 화재에 대한 위험이 최소화될 수 있도록 관련 기준을 추가하여 수직이착륙 기능을 보완하였다. 설계 및 제작관련 CS-23 감항기준 대비 추가된 특별감항요건은 다음과 같다.
시스템과 장비 관련하여 Single Fail에 의해 치명 결함을 유발하지 않도록 하고 위험을 유발하는 시스템 및 장비 상태를 모니터하도록 관련 기준을 추가하였다. 특히, 비행 중 비행정보를 원격으로 전송하는 시스템을 기준에 추가함으로써 SC-VTOL을 조종사가 탑승하지 않은 Air-Taxi, PAV, 또는 수직이착륙 무인항공기까지 적용할 수 있도록 하였다.
유럽 내 수직이착륙 항공기 개발 수요 증가와 이에 따른 감항기준 수립의 필요성에 따라 유럽항공안전청(EASA)은 2018년 10월에 소형 수직이착륙 항공기용특별감항요건 초안을 각 국가에 제안하여 국가별 의견을 접수하였고 Working Group을 구성하여 특별감항요건과 국가별 의견을 면밀히 검토하였다. 약 1년여의 검토기간을 거쳐 2019년 7월 2일 특별감항요건 형태의 Special Condition을 제정 및 공포하여 유럽 내 각국에서 이를 적용하도록 하였다. 아직까지 특별감항요건 별 적합성 검증 방법은 정의되지 않았으나 유럽항공안전청(EASA)는 향후 기준 별 적합성 검증방법을 구체화하고 수직이착륙 항공기 인증 사례를 통해 완전한 Certification Specification 형태의 감항기준으로 발전시킬 계획을 가지고 있다.
제2장에서 제4장까지 국내외 수직이착륙 무인항공기의 개발사례, 감항기준 현황과 유럽항공안전청(EASA)의 SC-VTOL에 대해 분석하고 이를 토대로 항공안전법에 따라 수직이착륙 무인항공기 형식증명을 위한 감항기준 개발 방안을 아래와 같이 정리하였다.
미 국방부는 육∙해∙공군 별로 감항인증 전문기관을 두어 군용 무인항공기의 감항인증을 수행하고 있으며2002년 10월 미 국방부는 MIL-HDBK-516A를 제정하여 군용 항공기 감항기준으로 적용하고 있다. 최근이슈화 되고 있는 군용 항공기 소프트웨어 분야의 감항기준을 2018년 4월에 추가하여 MIL-HDBK-516C로 개정하였다. Table 3은 미 국방성에서 제정한MIL-HDBK-516C의 기본 내용을 요약 정리한 것이다.
시스템과 장비 관련하여 Single Fail에 의해 치명 결함을 유발하지 않도록 하고 위험을 유발하는 시스템 및 장비 상태를 모니터하도록 관련 기준을 추가하였다. 특히, 비행 중 비행정보를 원격으로 전송하는 시스템을 기준에 추가함으로써 SC-VTOL을 조종사가 탑승하지 않은 Air-Taxi, PAV, 또는 수직이착륙 무인항공기까지 적용할 수 있도록 하였다. 반면에 삭제된 기준은 다중 엔진 장착 항공기의 엔진 구동 관련 부품을 각 엔진에 분산 배치하는 기준과 안전비행 및 착륙을 위해 엔진 구성품들의 단품 단위 결함이나 이상 작동을 방지하는 기준, 주 전원 결함 시 장비나 시스템이 항공기가 안전하게 비행과 착륙이 가능하도록 충분한 기능을 갖도록 하는 기준이 있다.
수직이착륙 무인항공기의 감항기준 개발 방안 수립을 위해 2019년 7월 2일에 유럽항공안전청에서 제정한SC-VTOL 특별감항요건을 계통별로 분석하였고 그 결과 대부분의 특별감항요건이 한국형 수직이착륙 무인항공기에도 적용 가능한 것으로 분석되었다. 한국형수직이착륙 무인항공기 감항기준은 현재까지 국내에서 수행된 Tilt Rotor 무인항공기, 고정익과 회전익 무인항공기 개발을 통해 확보한 기술력과 인증 경험을 바탕으로 계통 별 감항기준을 수립하고 유럽항공안전청의 SC-VTOL 특별감항요건과 연계하여 제정하는 방안을 제안한다.

대상 데이터

항공안전법에서는 무인기를 비행특성과 관계없이 항공기 중량 150 kg을 기준으로 무인동력비행장치와 무인항공기로 분류하고 있다. 본 논문은 항공기 중량이150 kg을 초과하는 수직이착륙 무인항공기를 대상으로 하며, 무인항공기는 항공안전법에 따라 Table 1과같이 무인항공기로 분류되고 특별감항증명 대상이다.
7과 같다. 비행제어, 데이터링크 등 핵심기술을 개발하여 2019년 7월 비행시험에 성공하였으며군 감항당국으로부터 특별감항인증을 획득하였다. 특히 유인기를 무인화 하는데 필요한 핵심기술 개발에 성공함으로써 국내 무인화 기술 확보에 기여하였다.
군용 무인항공기의 경우 2014년 육군의 사단정찰용 UAV를 ㈜대한항공이 개발에 성공하여 국내 최초로 군용 무인항공기 형식인증을 획득하였다. 이후 육군에서 운용중인 500MD 유인기를 무인화로 개조개발하고 비행안전성 입증에 성공하여 2019년 7월 방위사업청으로부터 연구시험 목적의 특별감항인증서를 발급받았다.
현재 육군에서 운용중인 500MD 항공기를 ㈜대한항공이 2015년부터 회전익 무인항공기로 개조하였고 형상은 Fig. 7과 같다. 비행제어, 데이터링크 등 핵심기술을 개발하여 2019년 7월 비행시험에 성공하였으며군 감항당국으로부터 특별감항인증을 획득하였다.

성능/효과

Tilt 방식이 아닌 고정익과 헬리콥터 형식의 무인항공기이기는 하나 사단정찰용 UAV 개발과 500MD무인화 헬기 개발을 통해 비행제어(Flight ControlSystem) 및 동력전달계통이 수직이착륙 무인항공기에서도 핵심 기술과 구성품임을 확인할 수 있었다. 이는 수직이착륙 무인항공기의 비행제어시스템이 이착륙 과정과 전진비행을 분리하여 수행해야하기 때문이다.
일반적으로 감항기준 개발은 아래와 같이 2가지 접근방법으로 이루어진다. 먼저, 항공기 개발 능력을 보유한 국가에서 개발을 통한 계통 별 기술기준을 적용하여 검증하고 이를 감항기준으로 채택하는 방안과 타국가에서 이미 검증되어 적용하고 있는 기종 및 유형별 감항기준을 그대로 채택하여 자국의 감항기준으로 적용하는 방안이 있다. 본 논문에서는 상기 2개 방안을 고려하여 한국 실정에 부합된 자체중량 150 kg을 초과하는 수직이착륙 무인항공기 감항기준 개발 방안을 제안하고자 한다.
셋째, 다양하고 복잡한 무인항공기 임무 능력 구비이다. 과거에는 공중 촬영, 감시 활동과 같은 단순 임무에 국한되었다면 현재는 기존 유인항공기가 담당하던 정찰, 인원 및 물자수송, 통신, 구조 등의 다양한 임무를 무인항공기가 수행하는 것으로 변화하고 있다.
수직이착륙 무인항공기의 감항기준 개발 방안 수립을 위해 2019년 7월 2일에 유럽항공안전청에서 제정한SC-VTOL 특별감항요건을 계통별로 분석하였고 그 결과 대부분의 특별감항요건이 한국형 수직이착륙 무인항공기에도 적용 가능한 것으로 분석되었다. 한국형수직이착륙 무인항공기 감항기준은 현재까지 국내에서 수행된 Tilt Rotor 무인항공기, 고정익과 회전익 무인항공기 개발을 통해 확보한 기술력과 인증 경험을 바탕으로 계통 별 감항기준을 수립하고 유럽항공안전청의 SC-VTOL 특별감항요건과 연계하여 제정하는 방안을 제안한다.
첫째, 기체의 중형화 및 최대이륙중량의 증가이다. 이는 다양한 임무장비를 탑재하고 장시간 비행하기 위한 것으로 이를 위해 기체 크기가 중형화되고 최대이륙중량 또한 증가되는 추세이다.

후속연구

SC-VTOL과 NATO STANAG 뿐 아니라 미 국방부 감항기준을 기반으로 국내 감항기준을 제정할 경우 앞서 언급한 수직이착륙 무인항공기 감항인증 개발 고려요소 중 Tilt, Flight Control System 등 핵심기술 인증에 대한 내용을 모두 포함하여 국내 감항기준으로 제정이 가능할 것이다.
국내 연구개발을 통해 확보한 기술과 시험 및 인증경험을 바탕으로 한국형 수직이착륙 무인항공기 감항기준 수립이 가능하다. 국내 체계개발 및 연구시험 과정에서 경험한 구성품 및 체계 단위의 시험, 인증 기술을 활용하고 국내 기관 및 업체가 협업하여 관련 감항기준을 수립한다면 수직이착륙 무인항공기 관련 기술개발을 더욱 가속화시키는 것은 물론 비행안전성 입증이 가능할 것이다. Figure 9는 한국형 수직이착륙 무인항공기 감항기준(KAS) 수립을 위한 개발 개념을 도시화한 것이다.
앞서 분석한 CS-23 Amendment 5와 SC-VTOL의 특별감항요건 내용을 분석한 결과, 유럽항공안전청의수직이착륙 항공기용 특별감항요건인 SC-VTOL을 적용하여 국내 수직이착륙 무인항공기용 감항기준을 정립할 수 있을 것으로 분석된다.
한국항공우주연구원에서 개발한 Smart UAV는 국내최초로 수직이착륙 무인항공기 중에서 Tilt Rotor 형식의 무인항공기로 지상 및 함상 이착륙 시험을 성공적으로 완료하였다. 이를 통해 핵심기술인 비행제어와 동력전달계통 등에 대한 기술을 확보하였고 확보된 기술과 경험은 감항기준을 수립하고 비행안전성을 입증하는데 활용 가능하다.
동력전달체계의 경우 유럽항공안전청(EASA)에서 제정한 SC-VTOL에 관련 특별감항요건이 포함되어 있지 않다. 하지만 수직이착륙 무인항공기의 핵심 특성이 회전익 모드에서 고정익 모드로의 천이하는 것임을 고려하면 동력전달계통 관련 감항기준이 수립되고 설계, 분석, 시범, 지상 및 비행시험 등의 결과를 토대로 충분히 검증되어야 한다.
특히 유인기를 무인화 하는데 필요한 핵심기술 개발에 성공함으로써 국내 무인화 기술 확보에 기여하였다. 향후, 다양한 유형의 유인항공기를 무인항공기로 개조할 수 있는 기술을 확보하고 비행안전성을 검증한 것에 대해 큰 의미가 있다.
수직이착륙 무인항공기는 고정익과 회전익의 특성을 모두 가지고 있으며 고정익에서 회전익으로, 회전익에서 고정익 형상으로의 천이(Tilt)구간 특성도 가지고 있다. 현재 국내 고정익과 회전익 무인항공기개발 및 인증기술은 일정수준 이상 도달하였으며 이를 수직이착륙 무인항공기에 적용할 경우 고정익과 회전익 모드에서의 비행안전성은 현 시점에서도 확보 가능한 반면 천이를 위해 필요한 기계적 및 전기적 구성품들과 그 기능/성능 등에 대한 비행안전성 확보는 보다 많은 연구가 필요한 수준이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	감항기준 개발의 2가지 접근 방법은?	일반적으로 감항기준 개발은 아래와 같이 2가지 접근방법으로 이루어진다. 먼저, 항공기 개발 능력을 보유한 국가에서 개발을 통한 계통 별 기술기준을 적용하여 검증하고 이를 감항기준으로 채택하는 방안과 타국가에서 이미 검증되어 적용하고 있는 기종 및 유형별 감항기준을 그대로 채택하여 자국의 감항기준으로 적용하는 방안이 있다. 본 논문에서는 상기 2개 방안을 고려하여 한국 실정에 부합된 자체중량 150 kg을 초과하는 수직이착륙 무인항공기 감항기준 개발 방안을 제안하고자 한다.
	항공안전법에서 무인기를 분류하는 2가지는 무엇인가?	항공안전법에서는 무인기를 비행특성과 관계없이 항공기 중량 150 kg을 기준으로 무인동력비행장치와 무인항공기로 분류하고 있다. 본 논문은 항공기 중량이150 kg을 초과하는 수직이착륙 무인항공기를 대상으로 하며, 무인항공기는 항공안전법에 따라 Table 1과같이 무인항공기로 분류되고 특별감항증명 대상이다.
	수직이착륙 항공기 개발의 계기는?	무인항공기 개발 및 운용이 본격화되기 이전인 제 2차 세계대전 당시 미국은 고정익 유인항공기가 운용 환경상의 문제로 이착륙이 불가할 경우에도 제공권을 장악할 수 있도록 야지에서도 쉽게 이착륙 할 수 있는 수직이착륙 항공기의 필요성을 인지하고 군수산업체에 고정익 항공기를 기반으로 날개(wing)를 회전(tilt) 시키는 수직이착륙 항공기 개발을 발주하였다. 수직이착륙 항공기는 기술적 문제로 실용화되지는 못하다가 이후 지속적인 군수산업의 발달로 1950년대 말에 실용화 배치 단계에 이르렀다.

참고문헌 (6)

L. Pinsard, "VTOL Special Condition," Rotorcraft Structures Workshop 2019, Feb 2019.
World UAS Annual Production Value Forecast, 2017 Ed., Teal group corporation, Fairfax, 2017
S. O. Koo, "Development and Commercialization of Smart UAV," Proc. of Korean Society of Hazard Mitigation conference, Feb 2013.
O. S. An, "Tilt rotor aircraft and high speed VTOL aircraft development competition," Current Industrial and Technologic Treads in Aerospace, KARI, vol. 5, pp. 76-78, July 2017.
European Aviation Safety Agency , SC-VTOL-01: Special Condition for VTOL Aircraft, Cologne, July 2019.
NATO Standardization Office, AEP-89: Draft of UAV systems Airworthiness requirements for Light VTOL Aircraft, Ed.A, Ver.1, Brussels, 2019.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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