요약:
영국 회사인 BAE Systems는 PHASA-35 고고도 태양광 드론에 새로운 무선 전원 공급 장치 기능을 추가하고 있습니다. 이 드론은 지상 스테이션을 사용하여 비행 드론에 마이크로파 에너지를 방향적으로 방출하여 전력을 보충합니다. 이 프로젝트는 영국 고등연구발명청(ARIA)으로부터 1,570만 파운드, 약 2,100만 달러의 계약 지원을 받았으며, 향후 3년 반 이내에 기술 개발과 비행 검증을 완료하는 것을 목표로 하고 있다. 이번 시험이 성공하면 태양광을 활용한 고고도 드론의 야간 비행 유지와 겨울철 햇빛 부족 등의 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
PHASA-35는 고고도 장기체공 태양광 동력 UAV로 "고고도 의사석"(HAPS)으로도 분류됩니다. 약 20,000m 이상의 성층권에서 작동하도록 설계되었습니다. 대부분의 기상 시스템과 전통적인 항공 교통을 피하고 시속 약 90km의 속도로 계속 순항할 수 있습니다. 항공기에는 35m 길이의 탄소섬유 복합재 날개가 장착되어 있습니다. 동체는 매우 가볍습니다. 날개 표면에는 태양전지가 배치돼 전기 모터와 탑재 장비에 에너지를 공급한다.
이런 유형의 항공기의 가장 큰 장점은 임무를 수행하기 위해 오랫동안 지정된 지역에 머물 수 있다는 것입니다. 고고도 태양광 발전 드론은 우주로 발사해야 하는 기존 위성보다 배치 비용이 저렴하고 일반 항공기처럼 임무 영역을 변경할 수 있습니다. 앞으로 PHASA-35는 통신 중계, 지구 관측, 감시 및 장기간 연속 작동이 필요한 기타 작업을 수행할 수 있습니다.
이론적으로 PHASA-35는 낮에는 태양 에너지를 이용해 전기를 생산하고, 밤에는 비행을 유지하기 위해 배터리에 잉여 전력을 저장합니다. BAE 시스템은 이전에 이 항공기에 대해 최대 1년의 연속 비행 목표를 설정했습니다. 그러나 이 능력은 지역 햇빛 조건에 따라 크게 달라집니다.
적도 근처에서는 일년 내내 낮과 밤의 길이 변화가 적기 때문에 태양열 드론이 충분한 햇빛을 받기가 더 쉽습니다. 그러나 영국과 같은 고위도 지역에서는 상황이 완전히 다릅니다. 겨울에는 낮이 크게 짧아지고 밤이 길어집니다. 어떤 기간에는 효과적인 햇빛이 오랫동안 부족할 수도 있습니다. 항상 고도를 유지해야 하는 항공기의 경우 배터리 용량은 궁극적으로 비행 시간을 결정하는 데 중요한 제한이 됩니다.
긴 겨울밤을 견디기 위해 배터리를 대량으로 추가하게 되면 항공기의 무게는 더욱 늘어나게 된다. PHASA-35와 같은 초경량 태양열 항공기의 경우 중량 증가는 비행 효율성에 직접적인 영향을 미치며 통신 장비, 센서 및 기타 임무 부하에 사용될 수 있는 중량 공간을 차지합니다.
따라서 ARIA는 고고도 태양광 플랫폼이 주야간 및 계절적 제한을 피할 수 있는 새로운 에너지 시스템을 개발하기 위해 '지속적 대기 플랫폼' 프로젝트를 시작했습니다. BAE Systems의 자회사인 Prismatic은 PHASA-35를 실제 비행 검증 플랫폼으로 활용하여 향후 3년 반에 걸쳐 지상 무선 전원 공급 장치 기술을 단계적으로 개발 및 테스트할 예정입니다.
기본 원리는 지상에 전용 에너지 송신소를 구축해 전기 에너지를 지향성 마이크로파 빔으로 변환하고, 그 에너지를 고지대에 위치한 PHASA-35에 정확하게 보내는 것입니다. 항공기 날개 내부에는 특수 수신 장치가 통합되어 수신된 마이크로파 에너지를 전기 에너지로 변환한 다음 이를 항공기 모터 및 배터리 시스템에 공급합니다.
이 솔루션은 전통적인 의미의 무선 충전과는 분명히 다릅니다. 드론은 지상에 착륙하거나 충전 장비와 접촉하지 않습니다. 대신 장거리 지상 장비로부터 에너지를 받아 수만 미터 고도에서 계속 비행한다. 따라서 지상국이 항공기 위치에 계속 에너지를 공급할 수 있는 한 PHASA-35는 해가 져도 계속 비행할 수 있습니다.
고고도 태양광 드론의 경우 이 기술의 가장 큰 의미는 단순히 야간 비행 시간을 연장하는 것이 아니라 항공기의 제한된 중량 예산을 재분배할 수 있다는 점입니다. 항공기가 긴 겨울 밤을 견딜 수 있는 대용량 배터리를 더 이상 탑재할 필요가 없다면 배터리 무게를 줄일 수 있고, 해방된 무게를 통신 장비, 레이더, 전자 광학 센서 또는 기타 임무 페이로드를 추가하는 데 사용할 수 있습니다.
BAE Systems는 PHASA-35가 이전에 저가형 대체 위성 플랫폼임을 입증했으며 이번 프로젝트에서는 이 항공기가 더 강력한 연속 작업 능력을 갖도록 만드는 방법을 추가로 탐색할 것이라고 밝혔습니다. 궁극적인 목표는 태양광 고고도 플랫폼이 더 이상 계절적 햇빛에 의해 제한되지 않도록 하여 실제로 일년 내내 장기적인 공중 배치를 달성하는 것입니다.
PHASA-35는 이전에 여러 번의 비행 및 내구성 테스트를 완료했습니다. 이 항공기는 2020년 첫 비행을 완료한 후 수십 시간의 내구성 테스트와 탑재 센서에 대한 포괄적인 검증을 거쳤습니다. 성층권에서 장기간 작동하고 기존 위성 및 일부 유인 항공기가 경제적으로 수행하기 어려운 작업을 수행하도록 설계되었습니다.
지상 기반 마이크로파 에너지 공급 기술이 최종적으로 입증된다면 이 항공기의 적용 범위는 더욱 확대될 수 있을 것이다. 통신 임무의 경우 고고도 플랫폼은 오랫동안 대상 지역 위에 머물면서 원격 지역에 대한 통신 중계를 제공할 수 있습니다. 감시 및 지구 관측 임무의 경우 일반 드론처럼 자주 착륙하고 재충전할 필요 없이 오랫동안 고정된 지역 근처에 머물 수 있습니다.
그러나 지상에서 고고도 항공기에 무선 전원을 공급하는 것은 마이크로파 에너지 전송 효율, 장거리 빔 제어, 항공기 수신 장비 중량, 복잡한 기상 조건에서의 에너지 전송, 비행 안전 등 여전히 많은 기술적 문제에 직면해 있습니다. 이번 프로젝트의 핵심 포인트 중 하나는 실제 비행 시연을 통해 이 기술이 실제 대기 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는지 검증하는 것이다.
ARIA의 계약은 포괄적인 비행 시연을 위한 완전한 시스템을 갖춘 PHASA-35의 최종 목표를 가지고 3단계로 진행됩니다. 궁극적으로 성공하면 태양광 발전 고고도 드론은 "낮에는 태양에 의존하고 밤에는 배터리에 의존하는" 작동 모드에서 "태양 에너지와 지상 기반 무선 에너지 공급을 결합"하는 전천후 에너지 시스템으로 전환될 수 있습니다.
PHASA-35의 경우 원래 가장 큰 약점인 밤과 겨울에 햇빛이 부족하다는 점을 지상 에너지 공급을 통해 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 전체 HAPS 분야에서 이 기술을 사용하면 고고도 태양광 항공기가 일년 내내 공중에 머물 수 있게 되어 특정 통신, 감시 및 지구 관측 임무에서 기존 항공기와 위성 사이에 새로운 플랫폼을 형성할 수 있습니다.
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