[논문]덕티드 추진체를 사용한 수직 이·착륙 초소형 무인 항공기 개발 동향

김진완

doi:10.20910/jase.2020.14.1.68

초록
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본 논문은 산악 지형, 도심, 함정, 교량 등에서 수직 이·착륙 비행, 제자리 비행, 고정익기처럼 저속 및 고속비행을 할 수 있는 덕티드 추진체를 사용한 수직 이·착륙 초소형 무인 항공기 개발 동향을 기술한다. 이 항공기는 여러 측면에서 헬리콥터와 고정익기와는 비행 특성이 다르다. 미육군 미래 전투 체계와 DARPA의 OAV 프로그램의 목적은 운용자에 안전하고 낮은 음향 특성을 갖는 수직 이·착륙 덕티드 팬 초소형 무인 항공기 개발이다. 현재의 초소형 무인 항공기에 영상/적외선 카메라를 탑재하고 숲이나 언덕 뒤에 숨어 있는 적을 정지비행과 응시로 약 1 시간 동안 감시 및 정찰을 한다. OAV의 Class-I은 개인 병사가 배낭에 담아 운반할 수 있는 크기와 무게의 수직 이·착륙 덕티드 MAV 개발이다. Class-II는 Class-I보다 두 배의 운용 시간과 더 넓은 범위의 비행이 가능한 유기체의 수직 이·착륙 덕티드 팬 초소형 무인 항공기 개발이다. 초소형 무인기는 장시간 운용을 위해 현재의 '호버 및 응시'에서 '퍼치-앤-응시'으로 기술을 발전시켜야 한다. 근 미래의 OAV 개념은 유·무인 지상 차량이 주행하는 동안에 차량의 상부에 자동 이착륙하고, 탑재된 상태로 이동하고, 재급유, 재충전, 재이륙하는 합동 운용으로 임무 능력과 효율성을 확장하는 것이다. 덕티드 MAV는 지상 차량의 착륙 패드에서 자동으로 이착륙하기 위해 저렴한 초소형 GPS를 활용한 고정밀 상대 위치 기술 개발이 필요하다. 또한, VTOL 덕티드 MAV와 유·무인 지상 차량 간에 유기체의 협업 동작이 가능케하는 공통 명령과 제어 아키텍처를 개발할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This purpose of this paper was to review the development trend of the VTOL MAVs with a ducted propellant that can fly like the VTOL at intermediate and high speeds, hovering, landing, and lifting off vertically over urban areas, warships, bridges, and mountainous terrains. The MAV differs in flight ...

This purpose of this paper was to review the development trend of the VTOL MAVs with a ducted propellant that can fly like the VTOL at intermediate and high speeds, hovering, landing, and lifting off vertically over urban areas, warships, bridges, and mountainous terrains. The MAV differs in flight characteristics from helicopters and fixed wings in many respects. In addition to enhancing thrust, the duct protects personnel from accidental contact with the spinning rotor. The purpose of the U.S. Army FCS and DARPA's OAV program is spurring development of a the VTOL ducted MAV. Today's MAVs are equipped with video/infrared cameras to hover-and-stare at enemies hidden behind forests and hills for approximately one hour surveillance and reconnaissance. Class-I is a VTOL ducted MAV developed in size and weight that individual soldiers can store in their backpacks. Class-II is the development of an organic VTOL ducted fan MAV with twice the operating time and a wider range of flight than Class-I. MAVs will need to develop to perch-and-stare technology for lengthy operation on the current hover-and-stare. The near future OAV's concept is to expand its mission capability and efficiency with a joint operation that automatically lifts-off, lands, refuels, and recharges on the vehicle's landing pad while the manned-unmanned ground vehicle is in operation. A ducted MAV needs the development of highly accurate relative position technology using low cost and small GPS for automatic lift-off and landing on the landing pad. There is also a need to develop a common command and control architecture that enables the cooperative operation of organisms between a VTOL ducted MAV and a manned-unmanned ground vehicle.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 RQ-16 T-Hawk MAV of U.S. Army[3-5]
그림 Fig. 2 Near Future Organic Air Vehicle Concept
그림 Fig. 3 Configuration of iSTAR
그림 Fig. 4 Flight Concept in Ducted VTOL MAV
그림 Fig. 5 Ducted Fan/Prop MAV Developed in Korea and Abroad[4,11]
그림 Fig. 6 Control Vane and Stator Arrangements for Ducted VTOL MAVs
표 Table 1 Ducted Fan/Prop MAV Specification Developed in Korea and Abroad
그림 Fig. 7 Fan Disk Loading vs Power Loading for Ducted VTOL MAVs

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 다목적으로 활용할 수 있는 덕티드 팬 또는 프로펠러를(이하 덕티드로 칭함) 사용한 수직 이·착륙 초소형 무인 항공기 개발 동향을 기술한다.

제안 방법

미국 DARPA의 미래 전투 체계(FCS : Future Combat Systems)의 무인 항공기 핵심요소 기술 개발은 4단계로 편성되었다. 소대, 중대, 대대, 여단으로 편성 단위(클 래스)별 무인기의 크기를 정하고, 클래스별 임무에 따르는 무인기의 기술 개발 프로그램을 결정한 것이다.
수직 이·착륙 초소형 덕티드 무인 항공기의 형상매개변수 분석을 위하여 국내·외에서 개발된 다양한 초소형 덕티드 무인 항공기들을 Fig. 5와 Table 1과 같이 조사하였다.

대상 데이터

GoldenEye 100에서 파생된 GoldenEye 50은 화학탐지 임무를 목적으로 하는 다목적 무인기이다. 2004년 7월 초도 비행을 하고 2005년 4월에는 수평천이비행을 시행하였다. GoldenEye의 큰 특징은 동급의 헬리콥터 소음보다 낮은 소음 특성을 가지고 있다.
하니웰사가 제작한 RQ-16 T-Hawk는 미육군에서 실전에 활용 중이며, 완성도 및 상용화면에서 가장 앞서있다. 2011년 4월에 일본 후크시마 원전 사고 상황을 파악하기 위해 투입되었다. 이때, 수직 이·착륙 덕티드 초소형 무인 항공기의 역할이 부각되기 시작했다.

성능/효과

1) 유무인 지상 차량에 장착된 착륙 패드에 자율적으로 수직 이·착륙 반복이 정확하게 하려면 매우 정확한 위치 기술이 필요하다.
1)수직 이·착륙 초소형 무인 항공기이며, 운용자에게 위험이 적고 무인 헬리콥터보다 낮은 음향 특성을 가진다.
3)영상/적외선 카메라와 거리 측정 센서, 통신 중계기 등 임무 장비를 탑재하고, 숲이나 건물 또는 언덕 뒤에 있는 적으로부터 멀리 떨어진 높은 곳에 착륙하여 영상을 실시간 전송 및 비행체에 저장하고, 임무 완료 후 재이륙하여 되돌아오는 “퍼치 및 응시” 기능이다.

후속연구

3) 유· 무인 지상 차량과 무인 항공기 간에 완전히 유기적으로 협업 동작이 가능케하는 공통 명령 및 제어 아키텍처 개발할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수직 이·착륙 덕티드 초소형 무인 항공기의 장점은 무엇인가?	본 논문에서는 다목적으로 활용할 수 있는 덕티드 팬 또는 프로펠러를(이하 덕티드로 칭함) 사용한 수직 이·착륙 초소형 무인 항공기 개발 동향을 기술한다. 이 수직 이·착륙 덕티드 초소형 무인 항공기는 휴대성과 안전성이 좋고, 수직으로 이·착륙 비행, 제자리 비행, 저속 비행 및 고정익기처럼 고속비행 특성 때문에 산악 지형, 도심, 함정, 교량 등 활주로를 확보하기 어려운 장소에서 감시와 정찰, 통신 중계 등의 임무 비행할 수 있다. 대표적인 수직 이·착륙 덕티드 초소형 무인 항공기 형상은 단발 덕티드, 쌍발 덕티드, 쿼드콥터 형 덕티드, 테일 시터 덕티드 등이 있다.
	대표적인 수직 이·착륙 덕티드 초소형 무인 항공기 형상에는 무엇이 있는가?	이 수직 이·착륙 덕티드 초소형 무인 항공기는 휴대성과 안전성이 좋고, 수직으로 이·착륙 비행, 제자리 비행, 저속 비행 및 고정익기처럼 고속비행 특성 때문에 산악 지형, 도심, 함정, 교량 등 활주로를 확보하기 어려운 장소에서 감시와 정찰, 통신 중계 등의 임무 비행할 수 있다. 대표적인 수직 이·착륙 덕티드 초소형 무인 항공기 형상은 단발 덕티드, 쌍발 덕티드, 쿼드콥터 형 덕티드, 테일 시터 덕티드 등이 있다.
	RQ-16 T-Hawk의 단점은 무엇인가?	T-Hawk의 운용 시간은 약 1시간 미만이다. 간헐적으로 이륙지점의 조종자와 T-Hawk 사이에 높은 건물이나 산악 지형이 있다면 통신장애가 발생한다. 이 경우 통신 중계 장치를 탑재한 무인기가 필요하다. 그리고 초소형 무인 고정 익기와 운용 측면에서 비교하면 큰 단점은 제한된 탑재 중량과 짧은 비행시간이다.

참고문헌 (11)

Andy Ko, Osgar John Ohanian, Paul Gelhausen, "Ducted Fan UAV Modeling and Simulation in Preliminary Design", AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 20 - 23 August 2007.
DARPA, "Fact File a Compendium of DARPA Programs" Revision 1, https://www.hsdl.org, August 2003
https://www.navy.mil/view_image.asp?id41139
"Jane's Unmanned aerial vehicles and Targets", Jane's Defence Library, 2011.
LTC Win Keller and David L. Jones, " Developing the Class I Unmanned Aerial System(UAS)", ARMY AL&T, April, 2008
Daniel Newman, "MAV-Demonstrated Backpackable Autonomous VTOL UAV Providing Hover and Stare RSTA to the Small Millitary Unit", 25th Army Science Conference, DARPA, November, 2006
K. Mullens, A. Burmeister, M. Wills, T. Nelson, T. Denewiler, "Development of a UGV-Mountrd Automated Refueling system for VTOL UAVs", SPIE Unmanned Systems Technology Conference VIII, 17 APR, 2006
S. Saripalli, J. F. Montgomery, and G. S. Sukhatme, "Visually-Guided Landing of an Unmanned Aerial Vehicle," In IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 19, No. 3, pp. 371-381, Jun, 2003.

상세보기
http://waas.stanford.edu/research/jpals.htm, November, 2005
Osgar John, "Ducted Fan Aerodynamics and Modeling, with Applications of Steady and Synthetic Jet Flow Control", Ohanian III, 2011,
Eric N. Johnson, Michael A. Turbe, " Modeling, Control, and Flight Testing of a Small Ducted-Fan Aircraft", Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol.29, No.4, July-August, 2006.

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