드론의 탄생

드론(Drone)은 조종사 없이 움직일 수 있는 항공기로, 인공지능 또는 프로그래밍에 의해 자율 혹은 반자율적으로, 또는 원격 조종에 의해 비행할 수 있다. 대부분의 드론에서 사용되는 핵심 기술은 바로 무선 통신이다. 무선 통신 기술을 최초로 시연한 사람은 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)로 1893년 최초 공개 후, 1898년에는 소형 선박을 무선 조종하는 모습을 통해 이 기술이 다양한 분야에 유용하게 이용될 수 있음을 보여주었다. 
20세기 
1918년 첫 비행을 한 케터링 버그(Kettering Bug)는 자이로스코프와 기압계를 탑재한 무인 공중 어뢰이다. 풍향, 풍속, 목표물까지의 거리를 통해 기술자들이 엔진 회전수를 계산하였고, 정해진 이 수만큼 회전한 후 엔진이 작동을 멈추는 방식으로 작동하였다. 1930년대에는 Queen Bee와 Radioplanes 등의 연습 사격용 무인 비행기가 등장하였다. 그 후 1943년에 처음 사용된 FX-1400(Fritz X)는 최초의 원격 조종이 가능한 대함 활공 폭탄으로 사람이 송신기를 통해 폭탄의 움직임을 조절할 수 있었다. 이후 적에 의해 탐지되지 않는 스텔스(Stealth)기를 포함한 다양한 종류의 군사용 드론이 개발되었다.

21세기 
군사용 드론이 대부분이었던 20세기와는 달리, 21세기부터는 민간용 드론의 발달도 활발히 이루어졌다. 군사용 드론 부분에서는 미국의 Global Hawk, 영국의 Taranis 등의 최첨단 무인 항공기가 개발되었고, 민간 부분에서는 촬영에 이용되는 헬리캠, 배송용 드론, 통신용 드론 등이 등장하였다.





드론 비행원리

드론의 종류에 따라 비행 원리는 제각각이다. 드론을 포함한 항공기는 날개의 형태에 따라 고정익기, 회전익기 그리고 두 가지 방식이 혼합된 복합형으로 나뉜다. 고정익기, 회전익기를 분류하여 설명하기 전에 종류와 무관하게 드론은 양력을 일으킨다. 그것을 이해하기 위해서는 ‘베르누이의 정리’를 이해해야 할 필요가 있다. 베르누이의 정리에 의하면, 점성이 없고 수축하지 않는 유체에서는 <q2/2+p/ƿ+gz> 가 일정하다. 이 때 q는 유속, p는 압력, ƿ는 밀도, g는 중력가속도, z는 수평선으로부터의 높이를 뜻한다. 즉, 밀도 등의 다른 변수는 일정하고 오로지 유속과 압력만 변한다면, 유속은 압력의 제곱과 반비례 관계라는 것을 알 수 있다. 에어포일을 기준으로 에어포일을 지나는 공기는 속도가 아랫면의 공기보다 빨라진다. 즉 윗면에서의 공기 압력이 더 낮아지는 것이다. 이로 인해 날개 아래의 공기가 위로 올라가면서 양력을 만들어낸다. 아래 내용에선 베르누이 정리가 적용되는 것을 인지한다는 전제로 생략하여 설명하겠다.



또한 양력 뿐아니라 다양한 요소들이 복합적으로 적용된다. 그 중 하나는 ‘드론의 프로펠러나 날개에 경사를 주어 ’작용, 반작용 법칙‘을 적극 활용하는 것이다. 구조적인 요소를 이용하여 공기를 아래로 밀어내어 이에 대한 반작용으로 위쪽 방향으로 힘을 받게 된다. 이 뿐 만아니라 ’받음각‘ 등의 요소들이 공중으로 뜨는데 영향을 준다.



고정익 드론

이 형태의 비행체는 날개가 고정되어 있다고 해서 고정익이라 불리는데, 이 고정익이 기체를 하늘로 띄우는 결정적인 역할을 한다. 정지해 있는 상태에 바람이 불지 않는 상태라도 사물이 움직이면 공기의 흐름인 바람이 생긴다. 이러한 원리로 고정익기가 엔진의 힘을 이용해 빠르게 활주로를 달리면 반대로 공기가 빠른 속도로 날개를 향해 다가오게 된다.



1. 고정익기가 전진한다.

2. 날개 위 아래로 바람이 생성되어 흐른다.

3. 위아래로 흐르는 바람의 압력차이로 인해 고정익기를 위로 들어 올리는 힘이 발생한다.



다가온 공기는 날개를 중심으로 위아래로 분리되어 흐르게 되는데 날개의 특성상 윗면이 공기가 더 빠르게 이동하고 아랫면은 느리게 이동한다. 이러한 공기의 속도 차이는 위아래 간의 압력차이를 발생시키고, 이 압력 차이가 날개를 위쪽으로 들어올리는 작용을 하여 비행기를 상공에 떠 있도록 만들어 준다. 이를 양력이라 한다. 이륙 후에도 고정익기가 상공에서 계속 비행하기 위해서는 이 양력을 유지해야 하는데, 일정 속도 이상으로 비행해야만 공기의 흐름을 발생시켜 양력을 생성시킬 수 있다. 일정 속도 이상으로 계속 비행해야 한다는 특성 때문에 고정익기는 상공에 떠 있는 상태에서 정지해 있는 제자리 비행과 수직 상승과 하강이 불가능하다. 또한 이러한 고정익의 비행원리 때문에 이착륙을 위한 활주로 같은 일정 길이 이상의 공간이 지상에 필요하다는 특성이 보인다.





2.회전익 드론

고정익과 달리 로터가 회전하면서 양력을 발생시키는 형태이다. 제자리에서 상승, 하강이 가능하고, 제자리 비행도 가능한 수직이착륙기이다. 회전익기의 로터는 고정익 드론의 날개 여러 개를 모은 것과 같은데 로터 하나 하나를 구성하는 날개를 블레이드라고 한다. 고정익기가 양력을 위해 전진하는 것과 유사하게 회전익기도 블레이드를 움직이며 양력을 얻는데, 회전익기는 고정익기처럼 날개 달린 기체를 전진시키는 것이 아니라 블레이드를 회전시키는 방식을 사용한다.



드론은 크게 단일로터와 멀티로터로 구분 할 수 있다. 그 중에서도 날개의 개수에 따라 듀얼콥터(2개), 트리콥터(3개), 쿼드콥터(4개), 헥사콥터(6개), 옥타콥터(8개)로 나눌 수 있다.



단일로터 드론의 경우 일반적인 헬리콥터 형태로 하나의 로터가 동력장치의 회전력을 받아 회전하면서 양력을 발생시켜 상승한다. 메인로터가 회전하면 작용 반작용의 원리에 의해 기체는 로터가 회전하는 반대 방향으로 돌아가는 힘(반토크)을 받는다. 따라서 단일로터 기체는 기체의 회전을 막기 위해 작은로터를 기체의 꼬리 부분에 만들어, 메인로터에 의해 생기는 회전을 상쇄시켜야 한다. 회전익기의 전진방식은 로터 회전면에 기울기를 만든 뒤 양력을 전진하는 방향으로 기울여 전진하는 힘, 즉 추력을 만드는 형태이다. 기체가 상승하고자 하는 힘을 기울여 전진방향과 상승방향으로 쪼개 전진하는 원리이다. 그렇기 때문에 직접 추력으로 전환하는 고정익에 비해 속도가 느리다.

쿼드 콥터(quadcopter)의 경우 각 날개는 연직 아래를 향하고 있으며 2개는 시계방향, 나머지 2개는 반시계 방향으로 돌아간다. 마주보는 프로펠러가 같은 방향으로 회전하고 인접한 프로펠러는 서로 반대 방향으로 회전한다. 이렇게 회전하는 이유는 만약에 4개의 프로펠러가 모두 같은 방향으로 회전한다면 작용 반작용에 의해서 프로펠러의 회전방향과 반대방향으로 드론의 몸체가 회전할 것이다. 회전익은 이처럼 2쌍씩 서로 다른 방향으로 회전하기 때문에 단일로터처럼 반토크를 막기 위한 꼬리날개 같은 장치가 필요 없다.

각 프로펠러의 회전을 이용해 드론의 이동방향이나 속도를 조절한다. 그런데 먼저 드론이 떠있거나 뜨기 위해서는 중력과 반대방향의 힘이 있어야 하는데 베르누이 법칙이 적용되어 양력이 발생한다. 비행기 날개처럼 압이 불룩한 프로펠러가 회전하면 날개를 스쳐가는 공기의 속도차가 발생하고 이 속도차에 의해 발생한 압력차로 인해 아래에서 위로 힘이 작용하기 때문이다. 예를 들어 드론을 상승시킬 때는 4개의 로터를 동일한 속도로 회전시켜 발생한 양력이 무게보다 클 때 드론은 상승하게 된다. 하강시킬 때는 마찬가지로 4개의 프로펠러를 동일한 속도로 회전시키되 무게보다 작은 양력을 주어 하강시킨다. 옆이나 앞 혹은 뒤로 이동시킬 때는 각 프로펠러의 회전을 다르게 한다. 예를 들어 앞으로 갈 때는 후방의 프로펠러의 rpm(1분동안의 회전 수)을 전방의 프로펠러의 rpm보다 크게 하여 후방의 프로펠러의 양력이 더 크기 때문에 약간 기울여진 상태가 되어 후방 프로펠러의 더 큰 양력이 드론을 앞으로 가게 하는 추력이 된다. 마찬가지로 후진이나 양 옆으로 이동할 때는 이동방향 쪽의 프로펠러의 rpm을 나머지 프로펠러의 rpm보다 크게 하면 원하는 방향으로 드론을 이동시킬 수 있을 것이다.

드론의 각 프로펠러 속도를 조절함에 따라 각종 운동(roll, yaw 운동)을 하게 할 수 있다. 드론을 회전시키고 싶은 경우는 다음과 같다. 처음에 드론의 프로펠러를 모두 한방향으로 하지 않는 이유는 작용 반작용으로 인해서 드론이 회전하기 때문이라고 했었다. 이것을 이용해 시계방향으로 회전하는 프로펠러의 속도를 높이고 반시계방향으로 회전하는 프로펠러의 속도를 낮추면 프로펠러는 시계방향으로 회전하려는 힘이 더 크기 때문에 드론은 반시계방향으로 회전하게 된다. 마찬가지로 시계방향으로 회전시키고 싶을 때는 반시계방향으로 회전하는 프로펠러의 회전속도를 높이고 시계방향으로 회전하는 프로펠러의 속도를 낮춘다. 이러한 원리 때문에 쿼드 콥터는 프로펠러가 하나만 고장나거나 망가지면 비행이 힘들다.

4. 드론활용사례

드론의 군사적 이용은 드론이 시작된 목적이라고 해도 무방하다. 미국은 2차 세계대전 직후 낡은 유인 항공기를 공중 표적용 드론으로 재활용했고, 베트남전 등에서도 정찰용 목적으로 드론을 대거 사용했다. 이어 이스라엘, 소련 등도 군사용 목적으로 드론을 쓰기 시작했다. 2010년대 들어 미군은 드론을 살상 무기로 최대한 활용했는데, 파키스탄, 예멘, 이란, 이라크, 아프가니스탄, 소말리아 등 세계 주요 분쟁지역에서 드론을 대폭 사용한 것이 그 예시이다.

드론은 농업에서도 이용하고 있다. 드론에 장착된 카메라로 특정 지역의 일조량, 토양 상태 등을 정밀하게 관찰할 수 있는데다, 농약을 살포할 때도 적외선 센서를 이용해 꼭 필요한 지역에만 농약을 뿌릴 수 있다는 장점이 있기 때문인데, 현재 일본 전체 농경지 가운데 40%가 드론으로 비료와 살충제를 살포한다고 한다.

한국에서는 공공 기관을 중심으로 드론을 활발하게 사용하고 있다. 부산광역시 해운대구에서는 지방자치단체 최초로 드론을 산림 보호 활동에 사용하기 위하여 약 2000만원을 들여 GPS, 와이파이 송수신 출력기, 카메라가 포함된 맞춤형 드론을 구입하였다. 또한 경상남도 남해군에서는 재선충 방제와 산불 감지 등을 위하여 드론을 도입하여 10여회에 걸쳐 방제 작업을 실시했다. https://www.kiast.or.kr/kr/sub06_04_03.do에서 더 많은 중앙행정기관, 공공기관, 지방자치단체에서의 드론 활용 현황을 확인할 수 있다.

대규모 건설 현장에서 전체 상황을 파악하는 목적으로 드론을 사용하기도 한다. 직접 돌아보기 어려운 곳까지 손쉽게 상황을 체크할 수 있고, 드론의 민첩함과 높은 곳에서의 다각도 촬영 능력 덕분에 작업자의 안전 수칙 준수 여부, 작업장의 안전상태 관리 등을 지속적으로 점검할 수 있기 때문에 Bechtel과 SK건설 등 국내외 대형 건설업체들 에서는 공사장에서 드론을 활용하고 있다.

드론은 감상용 목적으로도 사용하고 있는데, 첫 번째 사진은 2018 평창올림픽 개막식에서 1218대의 드론을 이용하여 오륜기를 만든 모습이고, 두 번째 사진은 레이디 가가의 공연에서 300대의 드론을 이용하는 모습이다.

5. 드론활용전망

드론 소유 비용은 지난 몇 년 사이로 크게 줄었고, 앞으로도 이런 추세가 이어질 것으로 보인다. 대부분의 드론을 제작하는 기업들이 민간 판매를 위해 성능을 낮춘 개인용 드론을 제작해 이러한 기술을 모든 사람이 사용할 수 있게 되었다. 2016년에는 15-20억 달러 규모였던 미국의 개인용 드론 시장은 20-25억 달러 이상의 규모로 성장했다..

미연방항공국에서는 2016년 190만 대이던 개인용 드론 판매량이 2020년이면 430만 대로 증가 할 것으로 전망했다. 또한 IT전문 매체인 ’리코드’ 는 ‘개인용 드론은 전체 드론 판매량의 94퍼센트를 차지하지만 매출액 점유율은 40퍼센트에 불과하다‘ 라고 밝혔다.

최근 이러한 성장세로 보아 머지않아 동네마다 드론이 휴식을 취하며 배터리를 충전하는 둥지가 조성 될 것이다. 누구든지 스마트폰으로 드론을 빌려 심부름을 시킬 수 있게 될 것이다. 낯선 사람이 집앞을 배회할 때 드론을 이용하여 기록을 하여 범죄를 예방할 수 있고, 어린 아이들이 등하교 할 때에도 드론의 보호 하에 안전하게 갈 것이다. 상상으로만 하였던 모든 것들이, 이제는 상상이 아닌 무한한 가능성이 될 것이다.