VTOL(Vertical Take-off Landing) 기술은 수직 이착륙 및 이착륙 능력을 갖춘 항공기 기술을 말한다. VTOL 능력을 가진 항공기는 제한된 공간에서도 이륙 및 착륙이 가능하며, 고정익 항공기의 필요성을 줄여 효율적인 운용이 가능하다.
VTOL 기술은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 대표적인 VTOL 시스템 중 하나는 기체의 엔진과 추력을 조절하여 수직 이착륙을 가능하게 하는 제트 엔진을 사용하는 것이다. 제트 엔진은 고속의 기체 운항에 적합하며, 수직 이착륙을 위해 엔진의 추력을 조절하여 필요한 상승력을 발생시킨다. VTOL 항공기는 이러한 제트 엔진을 사용하여 수직 이착륙 후 수평 비행으로 전환할 수 있다. 대표적인 항공 기체로는 해리어와 F-35B가 있다.
또 다른 VTOL 기술은 회전익을 갖춘 다중 로터 시스템을 사용하는 것이다. 이 기술은 주로 드론이나 개인용 항공기에서 사용된다. 다중 로터 시스템은 여러 개의 회전익과 프로펠러를 갖추어 수직 이착륙 및 이륙을 가능하게 한다. 이러한 시스템은 모터의 속도와 회전 방향을 조절하여 필요한 추력을 발생시킨다.
유인항공기의 경우 주로 제트 엔진을 이용한 VTOL 기술을 사용하지만, 무인항공기는 전기모터를 활용한 다중 로터 시스템을 사용한다. 그럼 이제 무인항공기 VTOL 기술의 종류 및 특징에 대해 살펴보도록 하자. 참고로 본 글에 언급한 VTOL 기술 분류는 내가 직접 정의한 것이므로, 일반적으로 통용되는 기술분류체계가 아닐 수 있다.
1. 하이브리드 형(Lift+Cruise)
- 가장 일반적인 VTOL 드론으로, 쿼드로터 드론과 Fixed-wing 드론을 혼합한 형태이다.
- 드론이 이착륙할 때에는 4개의 수직방향 모터(혹은 엔진)를 이용하여 쿼드로터 드론처럼 비행하고, 순항할 때에는 수평 방향으로 모터(혹은 엔진)을 이용하여 고정익 드론처럼 비행한다.
- 이때 드론이 순항할 때에는 Fixed-wing에 의해서 양력이 발생하므로 수직방향 추력장치(모터 혹은 엔진)는 사용하지 않아도 된다.
- 장점 : 구조가 간단하고, 제어하기 쉽다. 수직 이착륙<->수평비행 조건에서도 충분한 양력을 확보할 수 있다. 현존하는 기술들을 충분히 활용할 수 있기 때문에 기술성숙도가 높다. 그래서 개발/양산 비용이 저렴하다.
- 단점 : 목적이 다른 추력장치가 드론에 붙어 있어야 한다. 즉, 드론이 이착륙할 때는 수평방향 추력 장치가 필요없고, 드론이 순항할 때는 수직방향 추력 장치가 필요없다. 특히 드론이 고속으로 순항할 때 수직방향 추력장치(모터+프로펠러)가 저항으로 작용한다.
2. Tail-Sitter 형
- Tail-Sitter 드론은 특별한 유형의 VTOL 드론으로, 수직으로 이착륙 할 수 있다. 이 유형의 드론은 일반적으로 ‘꼬리 앉은’ 방식으로 착륙하고 이륙하는 것에서 그 이름이 유래되었다. 즉, 드론이 수직으로 서 있으면서 프로펠러가 위를 향해 있다.
- 장점 : Tail-Sitter 드론의 주요 장점 중 하나는 헬리콥터와 같이 수직으로 이착륙할 수 있으면서, 고속으로 비행할 수 있는 고정익 비행기의 특성을 결합한다는 것이다. 이로 인해 복잡하거나 협소한 공간에서의 이착륙이 가능하며, 또한 긴 거리를 빠르게 이동할 수 있다.
- 단점 : 수평 비행과 이착륙 사이의 천이구간에서 드론을 제어하기가 상당히 어렵다. 이를 위해 고도 조정, 속도 조절 등 복잡한 제어 알고리즘이 필요하다.
3. 틸트로터(Tilt Rotor)형
- 틸트로터 드론은 이름에서 알 수 있듯이, 프로펠러 또는 로터가 회전하는 축이 기울어질 수 있는 특징을 가진 드론이다. 이러한 기능은 드론이 수직 이착륙(VTOL)과 고속 전진 비행 사이를 원활하게 전환할 수 있게 해준다.
- 틸트로터 드론은 프로펠러의 각도를 변경함으로써 수직으로 이착륙하는 헬리콥터 모드와, 전진 비행을 위한 고정익 비행기 모드 사이를 전환한다.
- 장점 : 틸트 로터 드론은 이착륙 공간이 제한된 곳에서도 운용이 가능하면서도, 고정익 비행기처럼 높은 속도와 효율적인 에너지 소비로 긴 거리를 비행할 수 있다.
- 단점 : 모터(엔진)+프로펠러의 각도를 조정하는 메커니즘이 복잡하고, 이착륙 모드와 전진 비행 모드 사이를 전환하는 과정에서의 안정성 유지는 높은 수준의 제어 기술을 요구한다.
4. 45도 추력형#1
- 상기 VTOL 드론은 “FIXAR 007”이라는 모델이다. 날개와 동체를 중심으로 전방에 추력 2개, 후방에 추력 2개가 위치하고 있다.
- 드론이 지상에 착륙했을 때, 4개 추력의 방향이 모두 지상을 기준으로 45도를 향하고 있다.
- 드론이 이륙할 때는 추력 방향 때문에 지상과 45도로 상승하지만, 공중에 상승한 이후에는 추력 방향이 지상과 수직이 된다.
- 드론이 순항할 때는 지상 상황과 마찬가지로 추력 방향이 비행방향과 45도가 된다. 하지만 고정익은 비행방향과 동일하다(고정익은 드론 진행방향과 정방향에 위치한다). 고정익은 드론 동체에 추가적인 양력을 제공한다.
- 착륙은 이륙과 동일하다.
- 즉, 기본적으로 FIXAR 007는 쿼드로터 드론과 동일한 형태로 비행한다고 볼 수 있다. 다만, FIXAR 007 드론은 고정익이 있기 때문에 순항 중에 더 많은 양력을 얻을 수 있다. 즉, 쿼드로터 드론(레이싱 드론)에 고정익이 설치한 것이다. 이런 이유 때문에 FIXAR 007 드론은 기존 쿼드로터 드론 대비 더 오랫동안 비행할 수 있다.
- 장점 : 수평방향 추력장치와 수직방향 추력장치가 별도로 존재하지 않으므로, 추력장치의 개수를 줄일 수 있다. 구조가 간단하고 추력 제어가 쉽다. 기본적으로 이륙과 순항에 관계없이 양력을 항상 유지할 수 있다. 즉, 고정익은 드론 기체에 양력을 추가하여 추력의 부담을 덜어줄 뿐, 고정익이 양력의 100%를 전담하지 않는다. 따라서 비행 안전성이 높다. 상업적으로 성공한 쿼드로터 드론과 부품을 공유할 수 있기 때문에 제조 단가가 저렴하다.
- 단점 : 드론 순항 시, 추력의 일부만 전진기동에 사용하므로 속도가 다소 낮을 수 있다. 초기 이륙 시 드론 기체가 45도 방향으로 날아갈 수 있다.
5. 45도 추력형#2
- 위의 그림은 BAE사에서 개발한 STRIX VTOL 드론이다. 앞단에서 설명한 FIXAR 007과 유사한 형태로 볼 수 있지만, 상당한 기술적 차이가 존재한다.
- STRIX 드론은 추력장치가 앞쪽 고정익에 2개, 뒤쪽 고정익에 2개가 있다. 드론이 지상에 있을 경우, 앞쪽/뒤쪽 고정익과 추력장치는 지상을 기준으로 45도 방향을 향해 있다. 추력 장치가 45도로 되어 있기 때문에 앞쪽과 뒷쪽의 추력장치를 제어하여 드론을 이착륙 시킬 수 있다.
- 추력이 45도 방향을 향하고 있기 때문에 이륙할 때 추력 제어를 통해 STRIX 드론의 앞쪽을 위로 들어 올릴 수 있다. 이때 뒷바퀴는 지면에 닿은 상태로 유지한다. 드론이 지상과 수직방향으로 똑바로 서면, 모든 추력을 증가시켜 위로 상승하게 된다.
- 드론이 순항할 때는 추력과 고정익의 방향이 진행방향과 동일하다. 순항할 때 드론이 얻는 양력은 고정익이 100% 담당하고 있다.
- 착륙은 이륙과 동일하다.
- 기본적으로 STRIX 드론은 고정익 드론과 동일한 형태로 비행한다고 볼 수 있다. 즉, 고정익 드론의 추력을 제어하여 쿼드로터 드론처럼 이착륙하는 방식이라고 생각하면 된다.
- 장점 : 수평방향 추력장치와 수직방향 추력장치가 별도로 존재하지 않으므로, 추력장치의 개수를 줄일 수 있다. 드론이 순항할 때, 고정익과 추력이 드론 비행방향과 정방향에 위치한다. 따라서 순항 시 비행 속도가 빠르다.
- 단점 : 드론의 추력 제어가 상대적으로 어렵다. 만약 이륙 시 추력을 완전히 드론 기체를 상승하는데만 사용하려면 드론 기수를 90도가 될때까지 상승시켜야 한다. (그러면 드론 기체는 로켓 발사처럼 꼿꼿이 서게 된다.) 하지만, 이렇게 제어하는 것이 어렵다. 왜냐하면 초기 추력이 45도이기 때문에 뒷쪽 바퀴를 지상에 고정한 채 앞쪽 기수만 들어올리는 것이 어렵기 때문이다(전진하려는 힘도 동시에 생기므로). 만약 추력 제어를 제대로 하지 않으면 드론이 이륙할 때 지상을 기준으로 45도 방향으로 날아갈 가능성이 높다. 이것은 이륙 시 많은 공간을 요구한다.
(즉, 추력 제어를 잘하면 이륙 시 공간 효율성이 높지만, 추력 제어를 잘못하면 이륙 시 공간 효율성이 낮다.). 순항과 이착륙 시 추력 제어를 잘못하면 양력을 잃어버릴 수 있다(왜냐하면 프로펠러의 힘이 항상 기체를 상승시키는데만 사용하지 않기 때문이다.). 또한 상대적으로 제조 단가가 비싸다.
우리나라의 대한항공도 BAE사의 STRIX 컨셉을 그대로 모방하여 개발한 사례가 있다. KUS-VX라는 이름의 무인기는 2023년 ADEX 대한항공 부스에 소개된 바 있다. 재미난 것은 2024년 1월 말까지 유튜브에 KUS-VX를 검색하면 여러 동영상이 올라와 있었는데, 2024년 2월 초부터 KUS-VX에 관련된 많은 동영상이 한꺼번에 사라지는 사건이 발생하였다. 아마도 BAE사에서 대한항공으로 뭔가 요청한 듯하다(내 추측).
