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Nikkei Electronics_2023.11 Hot News (p21-25)

ACSL, ‘레벨4’ 드론의 개발
일본 국내 제1호기 인증

2028년도의 국내 시장 규모는 2022년도 대비 약 3배인 9340억엔으로 성장한다(임프레스 종합연구소 조사). 이렇게 급성장이 예측되는 드론 시장에서 기폭제가 된 것은, 일본에서 2022년 12월 5일에 해금된 유인지대(제삼자 상공)에서의 보조자 없는 육안 비행, 이른바 ‘레벨4 비행’이다.

그 실현에 꼭 필요한 것이 안전성 인증을 얻은 기체로, 일본의 드론 업체 ACSL이 제1호가 되었다. 레벨4 드론은 어떻게 탄생했을까? 그 궤적을 따라가보자.

-- 비행시간을 40% 단축 --
2023년 3월 24일, 닛폰유빈(일본우편)은 국내 최초로 드론(무인항공기)의 레벨4 비행을 이용한 배송을 시험적으로 도쿄도 오쿠타마초에서 실시했다.

약 1kg의 짐을 탑재한 드론은 오쿠타마우체국 옥상을 이륙. 차량이 오가는 도로와 주택 상공을 지나, 최고 시속 36km 속도로 편도 약 4.5km 떨어진 산간지역 주택으로 향했다.

드론은 미리 설정된 경로를 약 9분 만에 비행해 목적지인 주택 마당에 착륙. 기체에서 짐을 자동으로 내리고 다시 상승해 원래의 경로를 따라 오쿠타마우체국으로 무사히 귀환했다.

2019년도에 같은 장소에서 실시한 레벨3 비행(무인지대에서의 보조자 없는 육안 외 비행) 시험에서는 유인지대를 우회하는 루트를 설정해야 했지만, 이번 레벨4 비행에서는 유인지대 상공에 효율적인 비행 루트를 설정했다. 그 결과, 레벨3 비행과 비교해 비행거리를 22%(편도 5.87km→약 4.5km), 비행시간을 40%(편도 약 15분→약 9분) 단축할 수 있었다.

드론의 레벨4 비행이 해금됐다고 해서 당장 도시 상공을 물류 드론이 날아다니는 미래가 도래하는 것은 아니다. 그러나 이러한 산간지역이나 낙도 등 물류의 ‘말단’에서는 배달 드라이버의 노동력 부족과 배달에 대한 부담이 큰 과제가 되고 있어 드론 물류에 대한 요구는 크다. 레벨4 비행은 이러한 지역부터 사회 구현을 시작해 점차 인구밀도가 높은 교외나 도시지역으로 침투해 나갈 것으로 보인다.

-- 기체인증 제도는 '차량검사'에 해당 --
레벨4 비행에 반드시 필요한 것이 국토교통성 항공국(이하, 항공국)의 인증을 받은 기체다.  인증을 받은 제1호 기체는 닛폰유빈(日本郵便)의 시험 비행에 사용된 ACSL의 국산 드론 ‘PF2-CAT3’다. 이 기체의 페이로드(최대 적재 중량)는 1kg이다.

드론의 기체인증 제도는 자동차의 차량검사에 해당하는 것으로, 안전기준에 대한 적합성(설계, 제조과정, 현황)을 검사해 인증을 받는다. 취미 용도가 출발점이었던 드론에서는 지금까지 없던 제도다.

기체인증 제도는 양산기의 경우는 기종별 ‘형식인증’과 기체별 ‘기체인증’의 2종류가 있다. 형식인증을 받은 기체에 대해서는 기체별로 실시하는 기체인증 검사의 전부 또는 일부가 생략된다.

형식인증과 기체인증은 각각 제1종과 제2종으로 구분되는데 레벨4는 모두 제1종을 취득해야 한다. PF2-CAT3는 23년 3월 13일에 '제1종 형식인증'을, 3월 15일에 '제1종 기체인증'을 항공국으로부터 받았다. 현 시점에서는 국내 유일의 레벨4 드론이다.

ACSL의 와시야(鷲谷) CEO는 “드론이 사람의 생활공간 근처를 비행하지 못하면 그 부가가치의 일부만 누릴 수 있다. 레벨4는 드론의 궁극적인 형태다. 레벨4 비행이 가능해진 것은 의미는 크다. 시장이 열리는 첫걸음이 될 것이다”라고 말한다.

-- 리더는 미쓰비시항공기 출신자 --
ACSL의 제1종 인증 취득을 위한 프로젝트는 2020년 말에 시작되었다. 소형 무인기 관련 환경 정비를 위한 민관협의회가 2020년 7월에 공표한 '하늘의 산업혁명을 위한 로드맵 2020'에서, 2022년도 내 레벨4 비행을 실현한다는 목표를 내걸었기 때문이다. ACSL은 일본의 최고 업체로서 선두를 서겠다고 결정했다.

이 프로젝트의 책임자는 예전 미쓰비시항공기에서 ‘미쓰비시 스페이스 제트’의 형식증명(TC) 업무를 담당했던, 사업개발유닛의 나카무라(中村) 씨다. 2020년 11월에 ACSL에 입사했다.

나카무라 씨는 정보 수집부터 시작했다. 항공기에 관한 지식은 풍부했지만 드론에 대해서는 잘 몰랐기 때문에 기술이나 법 정비 등의 현재 상황을 배웠다.

인증에는 규격이 필요하지만 당시 일본에서는 아직 법적 요건 등이 정해지지 않았다. 그래서 미 연방항공국(FAA)과 유럽항공안전기구(EASA) 등 앞서고 있는 해외의 규격을 학습했다. 레벨4를 위한 기술 사양 등을 검토해 컨셉을 확정하고, 부족한 부분을 찾아 나갔다고 한다.

우선은 인증 취득의 첫걸음인 설계개념서(ConOps: Concept of Operations)의 초안을 만들어 수정을 거듭했다. ConOps에는 기체 사양이나 운용 형태, 운용 지역의 인구밀도나 지리적 경계, 비행 시 기상 상태 등, 상정하고 있는 운용에 대해 정의할 필요가 있다. 형식인증에서는 이를 바탕으로 어떻게 안전성을 증명할 것인가를 항공국에 제시하고, 합의를 얻어야 한다.

기체는 ACSL의 주력기 ‘PF2’를 기반으로 개발하기로 했다. “PF2는 이미 장시간의 비행 실적이 있었다. 새 기체를 개발하는 것은 시간이 걸리지만 22년도 안에 비행을 실현한다는 시간적 제약이 있었기 때문에 기체의 실적을 중시했다"(나카무라 씨).

-- 리던던시(redundancy)성과 장애 내성 --
그럼 PF2에 어떤 안전 장비를 설치해 인증에 도전했을까? 여기서 포인트는 레벨 4 드론은 유인항공기와 마찬가지로 제삼자 상공을 비행한다고는 하지만 그것과는 ‘별개의 것’이라는 것이다.

“유인항공기로는 추락하지 않도록 2중, 3중 이상의 리던던시성을 갖도록 하는 것이 상식이지만 드론은 경장비가 장점이다. 필요 최소한의 기능으로 비행하고 있다”(나카무라 씨). 특히 PF2와 같은 멀티콥터형 드론은 부품 개수가 적고 비교적 저비용으로 제작할 수 있는 것이 장점이다. 만약 안전대책을 위해 중장비로 하면 그 장점을 잃게 된다.

유인항공기의 형식증명은 부품의 고장률 축적으로 안전성을 확보하는 접근법이지만 드론은 부품 수준이 아닌 기체의 실증비행 시험으로 내구성 및 신뢰성(D&R)을 증명해 나가는 접근법을 택한다.

이 부분에 대해서는 항공국과의 사전 조정 단계에서 협의했다고 한다. “항공국 입장에서도 드론 심사는 처음이었는데, 현실을 이해하고 유연하게 대응해 주셨다”(ACSL의 와시야 CEO).

실제 안전대책은 ‘리던던시'와 '장애 내성(Fault-tolerant)'의 두 가지 접근법을 채택했다.

리던던시성은 고장이 발생했을 때 다른 또 하나의 기능으로 커버하며 비행을 계속하기 위한 시책이다. 드론은 중량에 대한 제약이 크기 때문에 비행에 특화한 기능에 대해서만 리던던시화했다.

구체적으로는 비행 중에 자기위치정보를 얻는 GPS 안테나를 2개 장착해서, 한쪽이 고장 또는 수신감도가 떨어졌을 때 다른 한쪽으로 대체하는 기능을 구현했다. 또 기체 상태를 계측하는 IMU(관성계측장치), 자기센서, 기압센서를 여러 개 탑재했다.

한편, 장애 내성은 고장이 발생했을 때 그것을 감지해 안전하게 착륙할 수 있는 페일 세이프(Fail-safe)의 핵심 기능이다. 구체적으로는 통신이 일정 시간 차단되거나 일부 기기가 고장 났을 때 긴급 착륙을 한다. 6개의 프로펠러 중 1개가 멈춰도 대각선의 프로펠러를 멈추고 4개의 프로펠러로 긴급 착륙을 할 수 있는 기능도 구현했다.

그리고 안전대책의 최종 수단으로 낙하산을 탑재했다. 닛폰카야쿠(일본화약)가 제공하는 드론용 긴급 낙하산 시스템 'PARASAFE'다. 낙하산은 기체가 전력을 상실하거나 자세각이 임계치를 초과하거나 새가 충돌했을 때 펼쳐지며, 초속 6m로 긴급 착륙한다. 낙하산이 펼쳐질 때는 프로펠러가 낙하산에 얽히지 않도록 모터를 멈춘다.

“낙하산을 탑재하지 않아도 제1종 인증을 취득할 가능성은 있다. 그러나 낙하산을 탑재하지 않으면 3~4중의 리던던시화가 필요하기 때문에 시스템 전체가 무거워진다는 우려가 있었다”(나카무라 씨).

낙하산 탑재에는 또 다른 장점이 있었다. 형식인증으로 실시하는 '내구성 및 D&R'을 증명하는 실증비행의 시험시간이 단축되는 것이다. 비행시험 시간은 드론을 띄우는 구역의 인구밀도 등 위험에 따라 정해져 있다. PF2-CAT3가 신청한 비행 구역은 인구밀도가 낮지만 낙하산을 탑재하지 않으면 375시간을 비행해야 했다. 그런데 낙하산을 탑재함으로써 비행 시간이 150시간으로 줄었다.

이 비행 시간의 경감은 22년 12월 5일의 레벨4 해금부터, 목표한 2022년도 내(23년 3월 31일)의 비행 실현까지 불과 4개월밖에 시간적 여유가 없었던 ACSL에게는 매우 중요했다.

-- 사원 전체가 총출동한 실증 비행 시험 --
사실 이번 인증 취득에서 가장 힘들었던 것은 지난 4개월간 제1종 형식인증 신청부터 인증 취득, 실제 비행까지 모든 것을 소화해야 했다는 점이다.

항공국은 드론의 형식인증에 필요한 안전기준과 균일성 기준에 대한 검사 요령을 '서큘러 No.8-001'이라는 문서에 정리해 두었다. 신청자는 여기에 적힌 다양한 시험을 수행해야 한다.

특히 힘들었던 것은 150시간의 D&R 비행시험이다. ACSL에서는 이번에 3대를 사용했기 때문에 대당 50시간의 시험이 필요했다.

하지만 대당 풀충전으로 비행 가능한 시간이 최대 20분이므로 총 100회 이상의 비행이 필요하다. 드론은 낮에만 띄울 수 있다. 날씨가 나쁘면 띄울 수 없는 날도 있다. “그야말로 시간과의 싸움이어서 사내에서는 계속 이 상태로는 어렵다는 소리가 나왔다. 전 사원(약 70명)이 2022년 12월부터 2023년 2월까지 여기에 매달렸을 정도다”(와시야 CEO).

형식인증에서는 이러한 기체의 안전성과 더불어 ‘균일성’이 중요한 요소가 된다. 균일성이란 인증을 받는 기체가 균일하게 제조돼 품질을 보증할 수 있는 것으로, 서류뿐 아니라 비행시험을 하는 기체의 제조공정 심사가 있다.

서큘러 No.8-001에는 '요건에 대한 적합성을 나타내기 위한 수단으로서 제1종 형식인증은 JIS Q 9100 상당의 공적 규격 활용을 들 수 있다'고 적혀 있다. JIS Q 9100은 항공우주산업에 특화된 품질관리시스템에 관한 국제규격이다. 요점은 높은 수준의 규격이라는 것이다.

이 규격에 준거하지 않으면 인증을 취득할 수 없다는 것은 아니다. 하지만 자체 공장 없이 제조를 외부에 위탁해 온 ACSL은 이번에 PF2-CAT3용으로 JIS Q 9100에 준거한 제조설비를 사내에 만들었다.

이렇게 해서 ACSL은 제1종 인증을 취득한 제1호가 되면서 22년도 내의 레벨4 비행이라는 목표를 달성할 수 있었던 것이다. 하지만 와시야 CEO는 “이번에는 한 가지 방법을 제시할 수 있었다. 하지만 비효율적인 부분도 많아 이것이 베스트인지는 잘 모르겠다”라고 말한다. 실제 기체 개발비를 포함하면 인증 취득에는 약 10억엔의 비용이 들었다고 한다.

과연 레벨4 드론에는 안전장비를 어디까지 장착해야 할까? 앞으로 인증 기체가 늘어나면 서서히 정답이 보일 것이다.

-- 인증 신청에서 두 번째 예 --
항공국은 2023년 5월 25일, EAMS ROBOTICS(후쿠시마현)가 개발하고 있는 드론 ‘MANTA(가칭, 품번은 E600-100)’의 제1종 형식인증 신청을 접수했다고 발표했다. ACSL에 이어 두 번째 업체다. MANTA는 6개의 프로펠러를 장착한 물류 전용 기체로, 최대 페이로드는 5kg으로 ACSL의 PF2-CAT3보다 상당히 큰 기체다.

EAMS ROBOTICS는 사가와익스프레스와 최근 4년 정도 드론 물류의 공동 실증을 진행하고 있다. EAMS ROBOTICS의 소타니(曽谷) 사장은 “제1종 형식인증을 제때 취득한다면 당사가 23년도에 실시할 예정인 레벨4 실증에 사용하고 싶다”라고 말한다.

안전성에 대해서는 ACSL과 마찬가지로 리던던시성과 장애 내성의 양면에서 보증할 방침이다. 예를 들면, GPS 안테나나 배터리, 비행 컨트롤러 소프트웨어를 리던던시화한다고 한다.

장애 내성에서는 6개의 프로펠러 중 1개가 멈춰도 대각선 프로펠러를 멈추고 4개의 프로펠러로 비행을 계속할 수 있도록 하거나 긴급용 낙하산을 탑재한다.

“인증에는 수억 엔의 비용이 들 것으로 보고 있다”(소타니 사장). 최대 이륙 중량이 5kg인 소형 점검 드론도 제1종 형식인증을 신청할지 검토 중이다.

한편 ACSL은 제2탄으로 현재 닛폰유빈과 공동 개발하고 있는 물류전용기의 제1종 형식 인증 신청을 계획하고 있다. 23년도 중에 개발을 마칠 예정이며, 이 기체는 최대 페이로드가 5kg, 최대 이륙 중량이 24.9kg인 대형 기체다.

ACSL의 나카무라 씨는 “PF2-CAT3의 인증 취득에 성공한 경험이나, 거기서 얻은 지식과 기술은 의미가 크다. 앞으로는 이를 토대로 레벨4 드론이 많이 등장할 것이다”라고 말했다. ACSL는 자사가 얻은 지식을 사내뿐 아니라 세미나 등을 통해서 업계 관계자에게 전달하는 활동에 착수했다.

 -- 끝 --

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