무인항공기의 소형화와 감시 장비의 개발

제 1 장 서 론 1.1 연구 배경 2010년 중반에 들어서면서 무인항공기의 소형화 및 정밀제어 기술의 발달에 힘입어 무인항공기의 눈과 같은 역할을 수행하는 소형 감시 장비의 개발이 절실 히 필요하게 되었다. 특히 국방 분야는 현대전에 들어서 전장 상황을 실시간으로 가시화하는 영상정보센터와 타격 체계의 중요성이 점차 부각되고 있다. 소형 감 시 장비의 기술 개발을 위해 본 논문에서는 초경량 EOTS 플랫폼의 진동 감쇠를 위한 구조 안정화 설계에 대한 연구를 수행하였으며 최적화 설계 및 방진구의 진동 특성 분석을 중심으로 연구를 진행하였다. 그림 1. EOTS 플랫폼의 개념도 [Fig.1 Conceptual Chart of EOTS Platform] - 2 - EOTS(전자광착추적장비; Electro-Optical Tracking System)는 회전‧고정익 무인항공기, 전투차량, 선박 등 플랫폼에 설치‧운영되며 주로 항공기에 탑재되어 정찰용으로 사용되고 있다[5]. EOTS 플랫폼의 구조는 주간/야간 카메라 모듈과 LRF(레이저 거리 측정 센서; Laser Range Finder Sensor)로 구성되며, 시선 안 정화(LOS; Line of Sight) 기능과 목표물의 추적, 좌표 도출 기능이 포함되어 있 는 것이 특징이다[5-9]. 이러한 기능은 EOTS는 동체의 구동이나 발생하는 진동 이 카메라 모듈로 전달되는 것을 방진구와 모터 구동으로 방지해 안정적인 영상 을 실시간으로 획득할 수 있도록 한다. 또한 EOTS가 항공기 순항 시 자동 표적 추적 및 항법 기능이 포함되어 있어 안정적으로 작동되도록 돕는데, 이를 위해서 는 EOTS 플랫폼의 최적화 설계 및 무인항공기 동체에서 전달되는 진동을 저감 시켜주는 방진구의 연구가 필요하다. EOTS 플랫폼의 활용 개념은 그림 1을 통 해 나타냈다. EOTS 플랫폼은 진동 외란 주파수 대역에 고유진동수가 존재할 경 우 공진 등이 발생하여 성능 저하 및 구조물의 파괴를 일으킬 수 있어 외란 주 파수 대역 내에 고유진동수가 없도록 설계가 이루어져야 한다. 불가피하게 존재 할 경우에는 구조물의 진동 특성이 안정화 성능을 갖출 수 있는 제어 대역에 최 적화되도록 설계를 고려해야 한다. 그림 2. EOTS 플랫폼의 구성요소 [Fig.2 Components of EOTS Platform] - 3 - 본 논문에서는 초경량 EOTS를 개발하기 위하여 소형, 경량화 구조 설계와 EOTS 플랫폼에 방진구 적용에 따른 진동 저감 성능을 분석하기 위한 연구를 수 행하였다. 연구는 크게 구조물의 소형, 경량화를 위해 최적화 설계를 수행하고 무인항공기 운항 중 발생하는 프로펠러에 의한 진동을 감쇠시키기 위해 적용한 방진구의 진동 특성 분석 및 진동 저감 성능을 확인을 목표로 하였다. 연구 순서 는 플랫폼의 구조 설계를 시작으로 무인항공기에서 전달되는 진동 외란에 대한 가속도 데이터를 측정하여 주파수 특성을 분석, 관심 주파수 대역을 선정하였습 니다. 최종적으로 EOTS 플랫폼의 운용 환경을 고려한 방진구의 진동 해석 및 실험 순으로 진행하였다. - 4 - 1.2 연구 동향 1.2.1 EOTS 기술동향 4차 산업혁명 시대의 도래와 더불어 ICT 기술과 항공 기술이 융합된 수많은 종류의 무인항공기들이 군사 및 민간분야에서 매우 다양한 용도로 쓰이고 있다. 우리 군도 첨단 미래전을 대비한 핵심 전력 구축의 일환으로 드론봇 전투단을 2018년에 창설하여 정찰 드론, 무장형 드론, 전자전 드론 등의 전략화 과정을 밟 고 있으며 미래 전장에서는 다양한 유무인 복합체계에 기반한 무인체계가 수백 에서 수천 명의 병력을 대신하여 전투 수행이 가능할 것으로 예측하고 있다[10]. 전장의 위험 상황을 식별하고 목표물을 감시 및 추적하며 그 좌표를 산출하는 EOTS는 무인항공기의 필수 장비로서, 전자광학, 제어, 통신. 기계공학 등 다양한 분야의 기술이 집약된 고부가가치 장비이다. 국내 무인항공기 산업은 한국항공우주산업(주), 대한항공 등 전통적인 항공 산 업체가 군의 수요를 바탕으로 선도하고 있으며, 정찰 혹은 군사 위주로 전개되고 있는 실정이다. 현재 상용화된 민수용 무인항공기에 탑재된 영상 시스템은 전자 광학(EO) 카메라 장착이 일반적이며 특수한 경우 야간관측을 위하여 적외선 카 메라(IR)를 병행하여 운용하고 있다[11-12]. EO/IR 센서와 레이저 거리 측정기 (LRF)를 포함하는 무인항공기는 주로 군용으로 사용되고 있으며, 무인항공기에 탑재되는 EO/IR 카메라는 대부분 해외제품을 수입하여 장착하고 사용하는 실정 이다. 이러한 장비 중 EOTS는 EO/IR 카메라와 LRF, 항법장치 등을 탑재하여 목표물을 인식하고 추적하는 기능을 갖춰야 한다. 무인항공기의 소형화와 과학기 술의 성장은 점차 무인항공기의 무게를 최소화하고 비행시간을 최대화를 요구하 며 초경량 EOTS의 개발을 점차 요구하고 있다. 현재 국내에 개발된 EOTS 장 비들은 대부분 9kg 이상으로 무인항공기에는 장착에 한계가 있어 EOTS의 소형, 경량화 개발이 시급한 실정에 있다. - 5 - 국외 시장은 중국의 DJI사를 선두로 미국과 중국이 사실상 시장을 주도하는 가운데, 기존 항공기 제조업체와 더불어 IT, 통신업체 등이 무인항공기 시장에 빠르게 진출하고 있다[13-15]. 중국의 DJI사는 점차 부가가치가 높은 EOTS 장 비로 주력 제품을 확장하고 있으며, 미국은 DST Control사는 소형 EOTS 장비 (OTUS-U135)를 제품화하여 상용화와 함께 모델별 고객 맞춤형으로 개발을 통 해 구체적 사양을 선택할 수 있게 제품을 구성하고 있다. 이렇듯 소형 EOTS 장 비의 기술 선진국의 연구개발 및 투자는 공격적이고 적극적이게 진행되고 있지 만, 국내의 경우 기술 개발이 부족하여 추가적 연구가 필요한 실정이다. 그림 3. Octopus ISR System사의 EOTS(좌) & DST Control사의 EOTS(우) [Fig.3 Octopus ISR System’s EOTS(Left) & DST Control’s EOTS(Right)