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비행기인듯 위성인듯..성층권 누비는 태양광 드론

곽노필 입력 2019.10.28. 06:06 수정 2019.10.28. 10:26
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구름 없고 바람 잔잔한 하늘에서
햇빛 에너지로 수십일 연속 체공
관제탑 통제 없어 자유비행 가능
같은 장소 상시감시할 수도 있어
인공위성 보완 수단으로 급부상
에어버스, 최초 양산모델 발표
소프트뱅크, 첫 시험비행 마쳐
보잉은 시험비행 무기한 연기
한국 항우연도 독자 개발 나서
세계 3번째로 성층권 도달 성공
2020년 '24시간 체공' 달성 목표
최초의 성층권 태양광 드론 양산모델인 에어버스의 ‘제퍼에스’. 에어버스 제공

비행기가 등장한 지 1세기 남짓 흐른 지금, 항공산업은 우주까지 포함해 거대한 산업 분야로 성장했다. 전 세계 항공여행객 수는 연간 12억명을, 우주 관련 산업의 시장 규모는 연간 3천억달러를 넘어섰다. 여객기들이 배출하는 온실가스 문제, 위성들이 남기는 우주 쓰레기 위험이 세계의 현안으로 떠오를 정도다. 하지만 이런 환호와 걱정에서 한발 비켜서 있는 한적한 하늘 영역이 있다. 하늘의 중간지대인 성층권이다.

성층권은 고도 10~50km 사이의 하늘을 말한다. 민간 제트여객기가 난류를 피하기 위해 성층권 경계선(고도 10~11km)을 순항하지만, 성층권의 특성이 잘 드러나는 지점은 12km부터다. 20세기 후반 한때 초음속 여객기 콩코드가 성층권을 이용한 적이 있지만 현재는 군용 정찰기들의 독점 공간이다.

이 숨어 있는 하늘을 미래의 산업활동 무대로 키우려는 움직임이 활발해지고 있다. 새로운 경쟁을 이끌고 있는 것은 고고도 태양광 드론이다. 유럽의 에어버스, 미국의 보잉, 일본의 소프트뱅크 등이 성층권을 누비고 다닐 드론 개발에 앞장서고 있다. 한국도 바짝 추격 중이다.

에어버스의 경쟁업체 보잉이 개발 중인 태양광 드론 ‘오디세우스’. 오로라 플라이트 사이언스 제공

성층권에선 구름이 없어 날씨 급변을 걱정할 필요가 없다. 구름이 없으니 태양광을 에너지원으로 사용하기에도 좋다. 또 공기밀도가 낮아 더 적은 에너지로 더 빨리, 더 멀리 날 수 있다. 공기의 상하이동도 덜해 오랫동안 머물 수 있다. 성층권 드론은 바람이 가장 약한 고도 18km 이상을 주 무대로 한다. 고도 18km의 공기밀도는 지상의 15분의 1에 불과하다. 여기서부터는 관제탑의 통제도 받지 않는다. 드론 성능에 따라 며칠, 몇주 또는 몇달 동안 계속 날 수 있다. 장기간 비행이 가능한 것이 위성에 버금간다고 해서 성층권 드론을 고고도 유사 위성(HAPS)이라고 부르기도 한다.

일본 소프트뱅크가 투자한 햅스모바일의 태양광 드론 ‘호크30’. 햅스모바일 제공

성층권 드론은 계속 지구를 돌아야 하는 위성과 달리, 한 곳을 24시간 계속 들여다볼 수 있다. 이런 장점은 감시 활동과 대기질 측정에 유용하다. 예컨대 배타적 경제수역 감시나 산불 등의 재난 감시, 태풍 등 기상현상 관측에 유리하다. 그동안 군용 정찰기에 의존했던 오존층 측정은 물론 직접 정찰 기능을 수행할 수도 있다. 인터넷 중계 서비스도 가능하다. 기존 위성보다 제작비와 운영비가 매우 저렴한 것도 드론의 장점이다. 최소한 수백억원이 들어가는 위성에 비해 수십억원이면 충분하다. 필요할 때 바로 띄우고 원하는 곳으로 이동시킬 수 있어 기동성이 좋고, 지상에서 조작하기도 쉽다.

성층권 드론 개발의 관건은 가벼우면서도 날개는 길어야 한다는 것이다. 공기밀도가 낮은 성층권에서 저속으로 날기에 충분한 양력을 만들기 위해서다. 그래서 동체 소재는 가볍고 강한 탄소섬유를 쓴다. 가장 앞서 있는 것은 유럽의 항공기제작업체 에어버스가 개발한 최초의 성층권 드론 양산모델 ‘제퍼에스’다. 날개 길이 25m, 무게 75kg인 ‘제퍼에스’는 26일 연속 성층권 비행 기록을 갖고 있다. 에어버스는 지난해 영국 북동부 도시 판버러에 공장을 세우고 한 해 30대를 목표로 생산에 들어갔다. 지난해 말엔 오스트레일리아에 전용 비행장도 만들었다. 에어버스는 후속 제품으로 날개 길이를 33m로 늘린 제퍼티도 내놓을 계획이다.

오드넌스 서베이의 고고도 태양광 드론. 유튜브 갈무리

에어버스 경쟁업체인 미국 보잉은 자회사를 통해 성층권 드론을 개발하고 있다. 보잉의 태양광 드론 오디세우스는 날개 길이가 무려 74m나 된다. 대형 여객기의 대명사격인 보잉 747보다 훨씬 길다. 그러나 최근 개발 일정에 차질이 빚어지고 있다. 올해 들어 시험비행을 두차례 연기한 데 이어 지금은 무기한 연기 상태다.

요즘 움직임이 활발한 곳은 일본 소프트뱅크의 합작벤처기업 햅스모바일이다. 이 회사가 개발 중인 성층권 드론 ‘호크30’은 지난 9월 미국 캘리포니아에서 첫 시험비행에 성공했다. 호크30은 날개 길이가 76m로 오디세우스보다 길다. 5세대 통신망 서비스용인 이 드론은 태양광 에너지만으로 6달 동안 고도 20km의 성층권을 나는 게 목표다. 2020년 3월까지 첫 성층권 비행에 도전한다.

세계 최대 소셜미디어업체 페이스북은 인터넷 서비스용 성층권 드론 개발에 나섰다가 포기했다. 태양광 드론 `아킬라'를 두 차례 시험비행까지 했으나 2018년 사업을 접었다. 페이스북은 대신 에어버스의 드론을 이용한다는 방침이다. 아킬라를 제작했던 공장에선 지금 다른 성층권 드론이 제작되고 있다. 영국의 지도제작업체 오드넌스 서베이가 고해상도 지구 촬영에 쓰일 시제기를 개발하는 중이다. 고도 20km에서 90일간 비행하는 걸 목표로 연내 시험비행에 나설 계획이다. 중국에서도 2018년 10월 국영기업 중국항공공업집단유한공사가 태양광 드론 모닝스타를 개발해 20km 상공 시험비행에 성공했다고 발표한 바 있다.

전남 고흥비행센터에서 시험비행 중인 한국항공우주연구원의 성층권 태양광 드론 3호기. 항우연 제공

한국항공우주연구원이 개발 중인 성층권 태양광 드론 `EAV-3'도 성층권 시험비행에 성공했다. 미국 에어로바이론먼트의 헬리오스, 에어버스의 제퍼 드론에 이어 세계 세번째다. 항우연의 드론은 2015년 고도 14km를 시작으로 다음해엔 18km 상승에 성공했다. 올 8월 실시한 3호기 초도비행에선 4시간만에 고도 17km까지 올라갔다. 개발팀을 이끄는 항우연 항공기체계부의 이융교 박사는 “내년엔 고도 18km 상공까지 올라가 24시간 체류하는 게 목표”라고 말했다.

드론에선 태양광으로 만든 전기를 저장하는 배터리의 성능이 매우 중요하다. 24시간 체류 성공의 열쇠도 배터리가 쥐고 있다고 해도 과언이 아니다. 이 팀장은 “48시간 이상 체공할 수 있으면 어선 감시나 기상 관측 등에 투입할 수 있을 것으로 본다” 며 “내년 24시간 목표를 달성하면 3~5년의 기간을 두고 상용화에 필요한 과제를 수립할 계획”이라고 말했다. 현재 항우연의 드론은 동체 길이 10m, 날개 길이 20m인데, 상용화를 위해선 더 많은 장비를 싣고 더 오래 날 수 있도록 덩치가 더 커져야 한다. 그는 “적어도 10kg 장비는 탑재할 수 있는 능력을 갖춰야 할 것”이라고 말했다. 현재 항우연의 드론 탑재 능력은 1kg 정도다.

성층권 드론이 상용화되면 위성을 대신할 수 있을까? 그렇지는 않다. 위성은 드론보다 훨씬 크고 성능이 좋은 다양한 장비들을 활용할 수 있다. 작동 기간도 훨씬 길다. 위성은 몇년 동안 계속해서 활동할 수 있지만 드론은 기껏해야 몇주, 몇달이다. 성층권 드론은 인공위성 대체용이 아니라 보완용인 셈이다. 미국의 시장조사기관 엔에스아르(NSR)는 성층권 드론을 포함한 고고도 항공기 시장이 10년 안에 연간 17억달러(약 1조9천억원) 규모로 커질 것으로 내다본다. 현재 진행 중인 개발 프로그램만 약 40개라고 한다. 여객기 활동 무대 위의 성층권이 새로운 항공산업 무대로 떠오르고 있다.

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr, ▶곽노필의 미래창 바로가기

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