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항공기 역사와 드론의 정의- Ⅹ
서울 서대문소방서 허창식   |   2023.12.01 [14:30]

<지난 호에서 이어지는 내용입니다.>

 

무인항공기는 일반 항공기와 다른 발전 과정을 거쳤을 거로 생각하지만 사실 그렇지 않다. 우리 실생활과 연관되지 않고 관심이 없어 알려지지 않았을 뿐 역사를 자세히 살펴보면 항공기 발전과 항상 밀접하게 함께해 왔단 사실을 알 수 있다. 따라서 이번 연재부터는 항공기 역사에 이어 무인항공기 역사에 관련된 내용에 대해 자세히 다뤄보려 한다. 항공기의 역사 연재와 오버랩 되는 내용도 있으니 지난 내용을 참조한다면 전체 항공기 발전 과정을 한 번에 이해하는 데 많은 도움이 될 거다.

 

12. 무인항공기의 역사(1900년대 이전)

1900년대 이전 항공기를 개발하기 위해 가장 먼저 사용한 동력은 바로 1차 산업혁명 핵심 발명 중 하나인 증기(외연)기관이다. 증기기관은 수증기의 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치다. 1705년 영국의 발명가 토머스 뉴커먼(Thomas Newcomen, 1663~1729)이 처음 개발했다.

 

이후 1769년 제임스 와트(James Watt, 1736~1819)가 개량해 두 배 이상 효율을 높인 증기기관차를 발명했다. 시속 3.6㎞ 정도의 속도를 낼 수 있던 증기기관차는 1820년대 들어 90t의 무게를 시속 약 26㎞까지 달릴 수 있을 만큼 발전했다. 

 

비슷한 시기 항공 분야에서는 영국의 항공 과학자 조지 케일리(George Cayley, 1773~1857)가 비행 원리와 작용하는 힘의 이론을 제시하면서 현대적인 항공기 개발을 본격화한다.

 

그러나 항공기 개발을 위해 사용할 수 있는 동력은 제한적이었다. 그로 인해 많은 항공 분야 선구자는 당시 개발된 증기기관을 개량해 사용하기 시작했다. 그러나 초기 증기기관 성능은 한계가 있었다.

 

당시 기술로는 항공기를 띄울 수 있을 만한 폭발적인 동력을 생산하지 못했기 때문이다. 증기기관차와 같이 조금 느리더라도 앞으로 움직이기만 하면 되는 정도의 동력이 아니라 양력을 생성하기 위해선 훨씬 높은 동력이 필요했다.

 

이해하기 쉽게 1897년 루돌프 디젤(Rudolf Diesel, 1858~1913)에 의해 개발된 디젤 내연기관과 비교하면 증기기관은 크기가 매우 크고 기계적으로도 복잡했다. 에너지 효율적 측면에서도 증기기관의 물을 사용한 랭킨 사이클 원리는 필요한 열을 생성하기 위해 별도의 연소 공정이 필요했다.

 

따라서 디젤을 연료로 실린더 내부에서 직접 연소하는 내연기관의 작동 원리보다 열 전달이나 에너지 변환 속도 측면에서 효율성이 매우 떨어졌다.

 

게다가 내연기관보다 매우 낮은 온도에서 작동해 많은 에너지를 생산하지 못하는 점도 있었다. 그만큼 초기 개발된 증기기관은 항공기가 하늘을 날 수 있는 충분한 동력을 생성하지 못했다.

 

그런데도 많은 선구자는 항공기 동력에 증기기관 방식을 사용할 수밖에 없었다. 당시 사용할 수 있는 동력은 증기기관뿐이라 지속적인 연구로 경량화하며 성능을 개선하려 애썼다.

 

대표적인 예가 바로 1842년 존 스트링 펠로우(John String fellow, 1799~1883)와 윌리엄 새뮤얼 헨슨(William Samuel Henson, 1812~1888)의 승객을 태울 수 있는 공중 증기 마차(아리엘, Ariel) 특허 취득이다.

 

특별히 설계된 경량 증기 동력 엔진이었지만 날개 길이가 150ft고 무게가 3천파운드인 기체를 띄우지 못해 실패했다. 다만 이때 고정식 날개와 동력 엔진에 의한 프로펠러 추진 장치를 가진 현대적 개념과 비슷한 항공기가 처음 설계될 정도로 항공 분야에서 여러 방면으로 연구가 이뤄진 건 고무적이었다. 

 

많은 선구자의 노력에도 당시 증기기관 방식의 동력으로는 승객을 태운 항공기를 띄울 수 있을 만한 양력을 얻기 어려웠다. 그로 인해 이륙 후 필요한 항공역학(비행 제어, 안전성 등)에 관한 후속 연구까지 많은 제한이 있을 수밖에 없었다.

 

일단 띄울 수 있어야 하는데 사람까지 태우고 비행할 수 있는 동력이 언제 개발될지 예상도 할 수 없던 시기였다. 결국 가장 기본적인 이륙 중량을 최대한 낮춰야 했고 그러기 위해선 우선 항공기에 사람을 태우지 않는 방안을 택해야 했다.

 

이렇게 사람이 타지 않는 무인항공기의 첫 시작은 현재 우리가 이해하고 있는 무인 조종이 아닌 단지 띄우기 위한 단순한 목적으로 추진됐다.

 

그리고 마침내 1848년 새뮤얼 헨슨은 6년 전의 실패를 딛고 10ft(약 3m) 날개 길이의 중형 무인 증기 동력 단엽기 비행에 성공하게 된다. 비록 비행 중 제어는 할 수 없었지만 최초의 무인 동력 비행의 성공으로 기록된다.

 

▲ 아리엘 공중 증기 운반차 광고(출처 en.wikipedia.org/wiki/William_Samuel_Henson)

▲ 아리엘 공중 증기 운반차 특허 도면(출처 en.wikipedia.org/wiki/William_Samuel_Henson)

 

1857년에도 프랑스 항공 분야 선구자인 펠릭스 뒤 템플(Felix du Temple, 1823~1890)이 자신의 소형 증기 엔진을 사용해 무인 동력 모형 항공기 이륙에 성공한다.

 

그밖에 항공 분야 선구자에 의해 여러 무인 동력 항공기가 이륙에 성공했지만 궁극적인 목표는 승객을 태울 수 있는 유인(有人)항공기 개발이었다. 펠릭스 뒤 템플 또한 기존 동력으로는 승객을 태울 수 없다는 걸 깨닫고 새로운 고출력 엔진 개발에 몰두한다. 

 

그리고 10여 년 만인 1867년 열풍 엔진과 내연 가스 엔진 등의 동력을 개발한다. 비록 만족스러운 결과를 보여주진 못했지만 포기하지 않고 연구를 계속해 1874년 개발한 초고속 순환 증기 보일러로 날개폭 13m의 중형 유인비행기(Monoplane)를 비행하는 데 성공한다.

 

비행거리와 시간이 매우 짧아 주목받진 못했지만 그가 개발한 초고속 순환 보일러는 항공 분야 외 프랑스 해군이 최초로 어뢰정 추진을 위해 채택할 만큼 상용화됐고 큰 성공을 거뒀다. 그러나 여전히 유인항공기 개발을 위한 연구에서는 이렇다 할 만큼 큰 성과를 거두지 못했다. 

 

▲ 1957년 Felix du Temple이 이륙에 성공한 무인 동력 모형 항공기(Canot planur) 특허 도면(출처 en.wikipedia.org/wiki/Du_Temple_Monoplane)

▲ 무인 동력 모형 항공기(Canot planur)를 재구성한 모델(출처 en.wikipedia.org/wiki/Du_Temple_Monoplane)


이처럼 유인항공기 개발이 오랫동안 지체되던 가운데 미국의 가장 위대한 전기 공학자인 니콜라 테슬라(Nikola Tesla, 1856~1943)에 의해 무선 조종을 위한 새로운 기술이 탄생한다.

 

지금도 우리가 가정에서 쉽게 사용하고 있는 교류 전기도 그의 업적 중 하나다. 그 밖에 주요 업적으로는 테슬라 코일, 테슬라 터빈, 무선통신, 유도 전동기, 회전자장 등이 있다.

▲ 테슬라가 개발한 Telautomaton(출처 davidjkent-writer.com/2013/01/28/nikola-tesla-makes-a-robot-boat)

▲ 1898년 매디슨 스퀘어 가든에서 테슬라가 텔오토마톤의 무선 조종을 시연하는 그림(출처 davidjkent-writer.com/2013/01/28/nikola-tesla-makes-a-robot-boat)

 

테슬라는 1893년 무선통신을 성공한 후 1895년 무인 비행선을 무선 조종할 수 있다는 테슬라 이론을 제시한다.

 

이후 1897년 전자기파를 통한 무인 운송 수단의 새 기술을 텔오토마틱스(Telautomatics)로 명명하고 연구에 몰두한 결과 1898년 개최된 매디슨 스퀘어 가든 전기박람회에서 1m 길이의 어뢰정인 텔오토마톤(Telautomaton)의 무선 조종 시연을 최초로 성공하면서 가능성을 실제로 증명했다.

 

 


참조

Unmanned Aviation(A Brief History of Unmanned Aerial Vehicles)

THE AIRCRAFT BOOK 비행기 대 백과사전

m.blog.naver.com/kstpano/50011702480

en.wikipedia.org/wiki/William_Samuel_Henson

en.wikipedia.org/wiki/F%C3%A9lix_du_Temple_de_la_Croix

ko.wikipedia.org/wiki/%EB%8B%88%EC%BD%9C%EB%9D%BC_%ED%85%8C%EC%8A%AC%EB%9D%BC

davidjkent-writer.com/2013/01/28/nikola-tesla-makes-a-robot-boat/

 

서울 서대문소방서_ 허창식 hcs119@seoul.go.kr

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2023년 12월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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