AEGLOSLAB 무인항공과 첨단항공모빌리티

제1부 비행체 기술 기반

1.14 특수 형상 II: 계류형(테더드) 드론

1.14.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

계류형 드론은 케이블로 지상(또는 차량·선박)과 이어진 무인기다. 케이블이 전력을 올려 주므로 배터리 때문에 내려올 일이 없다. 대신 케이블의 무게와 바람, 고도 제한을 떠안는다. 이 장은 "줄 하나가 무엇을 주고 무엇을 앗아 가는가"를 숫자로 따라간다.

배우는 것:

  • 계류의 세 가지 뜻 — 능동 계류(전력·데이터를 주는 줄), 수동 계류(안전줄), 계류 풍선·연. 이 장의 중심은 능동 계류 멀티콥터다.
  • 케이블 질량의 법칙 — 같은 전력 손실에서 도체 질량이 고도의 제곱에 비례하고 전압의 제곱에 반비례한다는 것, 그리고 실제 케이블이 그 하한보다 무거운 이유.
  • 되먹임과 고도 천장 — 케이블이 기체를 무겁게 하고, 무거워진 기체가 더 큰 전류를 요구해 케이블을 더 굵게 만드는 고리. 어느 고도에서 평형이 사라진다.
  • 바람과 장력 — 가는 케이블도 바람에서는 큰 힘을 받는다는 것.
  • 보안성의 원리 — 링크가 전파가 아니라 선일 때 바뀌는 것과 바뀌지 않는 것.
  • 안전 — 단선·정전·낙뢰 때 기체가 안전하게 내려오는 구조.

선수 지식: 호버 동력은 1.2, 멀티콥터의 구성은 1.7. 전기 계통의 배선·고전압 안전은 1.19를 지시한다.

특히 중요한 독자: 엔지니어(케이블 사이징·되먹임 계산), 사업(용도 선택 — 계류가 이기는 곳과 지는 곳), 인증·법무(계류가 규제 분류를 바꾸는가).

기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월 기준이며, 집필에 사용한 지식은 2026년 중반까지다. 제품 제원은 제조사 공개 자료이므로 (공개 주장치)다. 본문의 계산은 원리로 만든 교육용 모형이고 가정을 표로 밝혔다. 특정 제품의 성능이 아니다. 확인하지 못한 법령 조문·제원은 (확인 필요)로 둔다.

1.14.2 개념·직관 — 줄 하나가 바꾸는 설계

일반 드론의 비행 시간은 배터리가 정한다. 배터리를 키우면 무거워져 호버 동력이 더 들고, 그래서 멀티콥터의 체공은 대개 수십 분에서 끝난다(1.7·1.21). 계류형은 에너지원을 지상에 두어 이 한계를 없앤다.

"계류"라는 말은 세 가지를 지칭한다. 이 장은 첫째를 다룬다.

종류줄의 역할양력의 근원대표 용도
① 능동 계류(actively tethered)전력·데이터를 주고 팽팽하게 유지로터감시 초소, 행사·방송, 통신 중계
② 수동 계류안전줄 — 기체는 배터리로 난다로터·날개호버 시험, 촬영, 추락 방지
③ 계류 풍선·연계류 + 전력·데이터부력·바람장시간 감시, 통신 중계

계류가 주는 것과 앗아 가는 것을 먼저 한 표로 본다.

얻는 것잃는 것
에너지 한계가 없다(전원이 지상에 있는 한 체공이 이어진다)고도 — 케이블이 무거워 천장이 있다
큰 전력(탑재체·조명·무선 중계기를 오래 구동)이동 범위 — 줄 길이 안에 갇힌다
유선 링크(광섬유) — 전파 재밍·도청의 영향이 다르다바람에 민감 — 케이블 풍하중
기체가 가벼워짐(큰 배터리가 필요 없다)케이블이 새 고장점이 된다(단선·감김장치)
규제 분류에서 유리해질 가능성(나라별 확인 필요)기동성 — 멀리 가거나 빠르게 움직일 수 없다

세 축에서 계류형을 찾는 이유는 다르다.

  • 군용 드론은 기지·초소의 상시 감시와 방호를 위해 사용한다. 무선 링크가 없다는 점이 전자전 환경에서 매력이다(11.5·11.6).
  • 민간 UAS는 행사·방송·점검·재난 통신 중계처럼 한 자리에서 오래 떠 있는 일에 사용한다(14.4·14.7·14.12).
  • AAM은 비행체로서 계류를 사용하지 않는다. 사람을 태우고 이동해야 하기 때문이다. 다만 초기 호버 시험에서 안전줄로 기체를 묶는 시험 방식은 일반적인 관행이다(일반 관행, 개별 사례는 확인 필요).

1.14.3 계류 시스템의 구조 — 전력·데이터·인장 한 가닥

계류 시스템은 지상부, 케이블, 기체부 셋이다. 케이블 한 가닥이 세 가지 일을 한다. 전력을 올리고, 데이터를 오가게 하고, 인장 하중을 받는다.

1.14.3.1 지상부 — 전원·변환기·감김장치

  • 전원 — 상용 계통, 발전기, 차량 전원. 지상 전원이 끊기면 계류형의 이점이 사라지므로, 이동 운용에서는 발전기나 차량 전원이 짝이 된다.
  • 고전압 변환기 — 교류를 고전압 직류로 바꿔 올려 보낸다(원리는 1.14.4).
  • 감김장치 — 기체가 오르내리거나 바람에 밀릴 때 케이블을 풀고 감아 장력을 적정하게 유지한다. 케이블이 늘어지면 프로펠러에 감기거나 사물에 걸리고, 너무 팽팽하면 기체를 끌어내린다.
  • 슬립링과 광 회전 접합부 — 릴이 돌아도 전력과 광신호가 이어지게 하는 부품이다.

1.14.3.2 케이블 — 도체·광섬유·보강재

  • 전력 도체 — 구리 2선이 보통이다. 단면은 전류 한계와 기계 강도로 정해진다(1.14.4).
  • 광섬유 — 제어·영상 데이터를 나른다. 전파를 내지 않는다.
  • 보강재·피복 — 아라미드 같은 섬유가 인장을 받고, 피복이 마모를 막는다. 도체는 인장을 받지 않게 설계한다.

1.14.3.3 기체부 — 기내 변환기·비상 배터리

  • 기내 DC-DC 변환기 — 고전압 직류를 모터 전압으로 강압한다. 이 변환기는 기체에 실리는 질량이다.
  • 비상 배터리 — 케이블이 끊겼을 때 안전하게 내려오기 위한 에너지다. 비행 시간을 늘리려는 배터리가 아니라 하강용이다. 그래서 작다(1.14.6).
  • 비행 제어기·탑재체 — 일반 멀티콥터와 같다(1.7·2.2).
지상 계류 케이블 기체 지상 전원 발전기·계통·차량 고전압 변환기 AC→DC 400~800 V 지상 통제소 영상·명령 감김장치 윈치·슬립링·장력 전력 도체 2선 고전압 직류 광섬유 전파 방출 없음 보강재·피복 인장은 아라미드 비상 배터리 단절 시 자동 하강용 기내 DC-DC·배전 모터 전압으로 강압 비행 제어기·탑재체 광 송수신기 기체 결합부 인장 하중 전달
계류 시스템 구성도 — 전력(위)·데이터(가운데)·인장(아래)이 같은 케이블 한 가닥을 따라 흐른다. 비상 배터리는 케이블이 끊겼을 때 안전하게 내려오기 위한 것이다

1.14.4 원리 I — 전력 전송과 케이블 질량

결론: 같은 전력 손실로 보내려면, 전압을 두 배로 올릴 때 도체 질량은 4분의 1로 줄고 고도를 두 배로 높이면 도체 질량은 4배가 된다. 그래서 계류 드론은 고전압을 올려 보내고 기내에서 낮춘다.

유도는 간단하다. 기체가 사용하는 전력을 $P$, 케이블 전압을 $V$라 하면 전류는 $I \approx P/V$이다. 도체 한 가닥의 단면을 $A$, 케이블 길이를 $L$이라 하면 왕복 2선의 저항은 다음과 같다.

$$R = \frac{2\rho_e L}{A}$$

전력 손실 $I^2R$을 부하 전력의 비율 $f$로 묶으면 다음이 된다.

$$f = \frac{I^2 R}{P} = \frac{2\rho_e L P}{A V^2} \quad\Rightarrow\quad A = \frac{2\rho_e L P}{f V^2}$$

구리 도체의 질량은 $m_{cu} = 2\rho_m A L$이므로 다음을 얻는다.

$$m_{cu} = \frac{4\,\rho_m \rho_e\, L^{2} P}{f\, V^{2}}$$

기호뜻값·단위
$P$기내 변환기가 받는 전력W
$V$케이블(지상 쪽) 전압V
$I$전류A
$L$케이블 길이(수직이면 고도)m
$A$도체 한 가닥의 단면적$\mathrm{m^2}$
$f$손실 비율 $I^2R/P$0.10 가정
$\rho_e$구리의 전기 저항률$1.72\times10^{-8}\ \Omega\,\mathrm{m}$
$\rho_m$구리의 밀도8,960 $\mathrm{kg/m^3}$

식에서 $L^2$과 $V^2$이 눈에 띈다. 고도의 제곱에 비례하는 이유는 길이가 늘면 저항이 늘고, 같은 손실을 유지하려면 단면도 길이에 비례해 늘려야 하기 때문이다. 질량은 단면과 길이의 곱이므로 길이의 제곱이 된다.

호버 동력 1.09 kW, 100 m, 손실 10%로 계산한 구리 도체의 이론 하한은 다음과 같다(파이썬으로 계산).

케이블 전압48 V100 V200 V400 V800 V
구리 질량 [kg]296.71.70.420.10

48 V에서는 도체만 29 kg이라 6 kg급 기체가 들 수 없다. 400 V에서는 0.42 kg이다. 이것이 계류 전원이 고전압을 사용하는 이유다.

그러나 이 값은 하한이다. 실제 케이블은 전기 식이 아닌 다른 세 가지가 질량을 정한다.

하한무엇이 정하나고전압에서의 영향
전류 밀도가는 도체에 흘릴 수 있는 전류의 열 한계전압이 높을수록 전류가 줄어 단면이 줄지만, 손실 한계보다 먼저 걸리면 질량이 전압의 제곱이 아니라 전압에 반비례해 줄어든다
기계 강도최소 단면·인장 부재(아라미드)·피복전압이 올라도 줄지 않는다 — 하한이 된다
절연 두께전압에 비례해 두꺼워진다전압이 오르면 늘어난다

두 한계(손실·전류 밀도)가 만나는 전압은 $V^{*}=2\rho_e L J_{max}/f$이다. 길이 100 m, 전류 밀도 한계 8 $\mathrm{A/mm^2}$, 손실 10%이면 약 275 V이므로, 400 V 이상에서는 전류 밀도가 먼저 걸린다(이 구조는 1.17의 배선 질량 계산과 같다). 그래서 고전압 쪽에서는 도체가 아니라 보강재·피복·절연이 질량의 대부분이 된다. 시판 계류 전원 계통의 공개 사양서에는 100 m급 케이블의 선밀도가 약 56 g/m로 적힌 사례가 있다(제조사 사양서, 입력 600~900 V급, (공개 주장치)·정확한 모델은 확인 필요). 이 책의 모형(20~30 g/m)보다 무거우므로, 모형은 낙관적일 수 있다고 읽는다.

전압을 올리는 일에는 대가가 있다.

  • 직류 약 60 V 위는 감전 위험의 경계로 취급되는 일이 많다(규격별로 다르다, (확인 필요)). 400~800 V는 지상 작업자에게 치명적일 수 있다.
  • 절연·커넥터·접촉기·절연 감시가 필요하다. 배선·부분 방전의 원리는 1.19에서 다룬다.
  • 기체에는 고전압 변환기가 실린다. 이 질량과 효율($\eta_{dc}\approx 0.95$)을 모형에 넣었다.

1.14.5 원리 II — 케이블이 기체를 무겁게 한다: 되먹임과 고도 천장

케이블은 지상에서 기체까지 매달려 있으므로 그 무게를 기체가 일부 또는 전부 진다. 이것이 계류형의 가장 중요한 비선형 효과다. 쉽게 말해 줄이 길수록 기체가 무거워지고, 무거운 기체는 전력을 더 먹고, 전력을 더 먹으면 도체를 굵게 해야 해서 줄이 더 무거워진다.

호버 동력은 기체 질량 $m$에 대해 $m^{3/2}$로 늘어난다(1.2).

$$P_{h} = \frac{(m g)^{3/2}}{\mathrm{FM}\,\sqrt{2\rho A_d}}, \qquad m = m_0 + \lambda(P, V, L)\,L$$

여기서 $\mathrm{FM}$은 성능지수(1.2), $A_d$는 로터 디스크 면적의 합, $m_0$는 케이블을 뺀 기체 질량, $\lambda$는 케이블의 선밀도(kg/m)다. $\lambda$가 $P$에 의존하므로 식의 오른쪽에 $m$이 다시 들어 있다. 반복해서 푼다(고정점 반복).

이 고리에는 해가 없는 영역이 있다. 고도를 올려 가면 어느 지점에서 반복이 수렴하지 않는다. 케이블 질량이 기체 질량을 키우는 속도가, 기체가 그 질량을 감당하도록 케이블을 보강하는 속도를 앞지르기 때문이다. 이 고도가 천장이다. 천장 근처에서는 케이블 질량이 급격히 늘어, 현실에서는 그 전에 기체의 추력 여유가 먼저 소진된다. 그래서 이 장의 도해는 기체가 들 수 있는 총질량 한도를 따로 그었다.

고전압이라고 모든 문제가 풀리지는 않는다. 400 V를 넘으면 도체가 가벼워지는 이득보다 보강재·피복·절연의 하한이 질량을 지배한다. 고도를 더 올리려면 케이블 자체를 가볍게 만드는 쪽이 전압보다 더 중요해진다. 이 판단은 1.14.6의 계산에서 나온다.

1.14.5.1 풍하중 — 가는 줄도 바람에서는 크다

케이블은 원통이므로 바람이 불면 항력을 받는다. 단위 길이당 항력은 다음과 같다.

$$f_w = \tfrac{1}{2}\,\rho\, v_w^{2}\, C_D\, d_c$$

$v_w$는 바람 속도, $C_D$는 원통의 항력계수(레이놀즈수 수천에서 약 1.2로 가정), $d_c$는 케이블 지름이다. 지름 3.5 mm, 길이 100 m, 균일한 바람을 가정하면(파이썬으로 계산) 다음과 같다.

바람 [m/s]케이블 전체 항력 [N]기체 쪽 끝에 걸리는 몫(직선 근사 절반) [N]기체 기울기(총중량 대비)
56.43.2약 2°
1025.712.9약 8°
1557.928.9약 18°

바람이 10 m/s만 되어도 100 m 케이블의 항력은 약 2.6 kgf에 이른다. 기체 자신이 받는 항력은 여기에 더해진다. 실제 바람은 높이에 따라 세지고(1.32) 케이블은 직선이 아니라 곡선이 되므로 이 표는 규모를 보는 근사다. 케이블의 와류 진동(줄이 우는 현상)과 장력 변동은 이 장에서 개념만 다룬다. 감김장치의 장력 제어가 이 변동을 흡수해야 한다.

1.14.6 수치 예시 — 6 kg급 기체에 100 m 케이블을 달면

가정 표. 아래 값은 원리 계산을 위한 가정이며 특정 제품의 값이 아니다.

항목가정
기체 건조 질량 $m_0$6 kg(탑재체·기내 변환기·비상 배터리 포함)
로터4개, 지름 0.5 m, 디스크 면적 합 0.785 $\mathrm{m^2}$
성능지수 FM / 전자 변속기(ESC)·모터 효율0.65 / 0.80
기내 DC-DC 효율 / 탑재체·항전 전력0.95 / 100 W
케이블구리 2선, 손실 10% 이하 설계, 전류 밀도 한계 8 A/mm², 도체 최소 단면 0.2 mm²
절연·보강절연 두께 $\max(0.20\ \mathrm{mm},\ V/3\,\mathrm{kV/mm})$, 보강재·피복·광섬유 20 g/m 고정
총질량 한도12 kg(추력 여유 1.5 가정) → 케이블 허용 6 kg
공기해면 표준대기 $\rho=1.225\ \mathrm{kg/m^3}$

1단계: 계류 없이 날 때. 이상 호버 동력은 약 326 W이고 FM 0.65를 적용하면 축 동력 501 W, 모터·ESC 효율 0.80으로 전기 626 W이다. 항전을 더하면 726 W다. 배터리 1.8 kg(팩 비에너지 180 Wh/kg, 사용 가능 85%)이면 에너지 275 Wh이므로 비행 시간은 약 23분이다.

2단계: 400 V, 100 m 케이블을 달 때. 반복해서 푼 평형은 다음과 같다.

항목값
케이블 선밀도 / 질량29.8 g/m / 2.98 kg
기체 총질량8.98 kg(건조 질량의 1.50배)
기내 변환기 입력 전력1,313 W(1단계의 726 W의 1.81배)
도체 단면0.41 mm²(전류 밀도 한계가 전기 식보다 먼저 걸린다)
전류 / 선로 저항3.5 A / 8.4 Ω
전압 강하 / 기체 도착 전압29.7 V / 370 V
선로 손실105 W(지상 송출 전력 1,418 W의 7.4%)

케이블 3 kg이 붙으면 호버 전력이 81% 늘어난다. 이 가운데 기내 변환기 손실이 약 5%이고, 케이블 때문에 늘어난 몫은 72%다. 질량은 1.5배인데 동력은 $m^{3/2}$로 늘고(1.5의 1.5제곱은 1.83) 고정 전력 100 W가 일부 상쇄해 1.72배가 된다. 이 되먹임을 무시한 계산은 계류 시스템을 과대평가한다.

3단계: 전압을 바꾸면. 같은 100 m에서 케이블 질량(되먹임 포함)은 다음과 같다.

케이블 전압48 V150 V400 V800 V
100 m 케이블 질량해 없음14.7 kg2.98 kg2.64 kg
케이블이 6 kg에 이르는 고도32 m85 m168 m209 m

48 V에서는 약 36 m 위에서 평형이 사라진다. 150 V는 약 102 m, 400 V는 약 248 m, 800 V는 약 450 m 부근이다. 아래 그림이 이 곡선이다.

0 50 100 150 200 250 300 0 2 4 6 8 계류 고도 [m] 케이블 질량 [kg] 한도 48 V 150 V 400 V 800 V
계류 고도와 케이블 질량 — 빨간 점선은 케이블 허용 한도 6 kg(기체 총질량 12 kg 가정). 기체 건조 질량 6 kg, 손실 10% 이하로 설계한 2선 구리 케이블(가정은 본문 표). 전압이 높을수록 같은 고도에서 케이블이 가볍고 더 높이 올라가지만, 400 V를 넘으면 도체가 아니라 보강재·피복이 질량을 정해 이득이 줄어든다. 선은 케이블 질량이 8.5 kg에 이르는 곳에서 멈춘다. 더 올리면 되먹임으로 질량이 급증하다 해(평형)가 사라진다(전압별로 대략 36·102·248·450 m).

그림 읽기: 48 V와 150 V는 고도가 조금만 올라가도 케이블이 급증한다. 400 V와 800 V는 거의 같은 폭으로 올라간다. 800 V가 400 V보다 유리한 정도는 168 m에서 209 m로 약 24%에 그친다. 도체가 이미 가늘어져 보강재·피복의 고정 질량이 하한을 만들었기 때문이다. 고도를 더 올리려면 가는 고강도 케이블, 기체의 추력 여유, 또는 계류 풍선 같은 다른 형식이 필요하다(1.14.8).

4단계: 비상 배터리. 케이블이 끊긴 뒤 3분 호버에 해당하는 에너지는 1,313 W × 3분 ≈ 66 Wh이다. 팩 비에너지 180 Wh/kg, 사용 가능 80%로 약 0.46 kg이다. 건조 질량 6 kg의 약 8%다. 하강용 배터리는 작아도 되지만 0이 될 수는 없다.

이 계산의 한계를 밝힌다.

  • 케이블이 수직이라고 가정했다. 바람이 있으면 케이블은 곡선이 되고 같은 고도에 더 긴 케이블이 필요하다.
  • 호버 동력은 단순한 운동량 식이다. 케이블 하중이 한쪽으로 쏠리는 효과, 지면 효과, 로터 간섭은 넣지 않았다(1.2).
  • 보강재·피복의 20 g/m는 임의 가정이다. 시판 케이블이 더 무거울 수 있다(1.14.4).

1.14.7 보안성 — 링크가 선이면 무엇이 달라지나

계류형의 보안 이점은 링크가 무선이 아니라 광섬유라는 데서 온다. 이것은 원리 수준의 비교이며, 특정 체계를 무력화하는 방법이 아니라 설계 판단의 근거를 다룬다.

위협 범주무선 링크 드론광섬유 계류 드론남는 문제
링크 재밍(전파 교란)링크가 교란되면 제어를 잃을 수 있다전파 교란이 광섬유에는 영향을 주지 않는다GNSS 수신기 등 다른 무선 수신기는 여전히 노출된다(4.5)
무선 도청전파를 수신해 가로챌 수 있다방사되는 전파가 없다케이블에 물리적으로 접근하면 접속이 가능하다(원리)
링크 하이재킹무선 프로토콜의 취약점을 노린다무선 접점이 없다지상 통제소와 지상 장비는 사이버 공격 표면이다(8.16)
전파 방출 탐지링크 전파로 위치가 드러날 수 있다(5.4)링크 방출이 없다영상·음향·열 시그니처는 그대로다(5.6)
노획기체가 상대 손에 들어갈 수 있다(8.17)케이블이 지상에 있어 기체와 지상 장비가 함께 노획될 수 있다키·데이터 보호는 같다

설계에서 흔히 놓치는 점이 둘 있다.

첫째, 비상용 무선 링크를 같이 달면 이점이 사라진다. 케이블이 끊겼을 때 조종하려고 무선 링크를 상시 켜 두면 방출이 생긴다. 그 링크를 켜 두는 방식이 보안 설계의 핵심이다.

둘째, 위치 추정이 GNSS에 의존하면 GNSS 교란이 곧 약점이다. 케이블의 길이와 방향을 지상에서 재면 기체의 위치를 GNSS 없이 추정할 수 있다. 장력과 각도로 위치를 잡는 방식을 사용하는 계류 제품이 있는 것으로 알려져 있다(공개 제품 설명 기준, (확인 필요)). 정확도는 바람에 따른 케이블 곡선에 좌우된다. 대체 항법의 전체 지형은 제4부(4.7~4.10)에서 다룬다. 링크 방식의 일반 비교는 3.17에 있다.

1.14.8 계류 대 비계류 — 용도와 설계 트레이드오프

계류형이 이기는 용도는 한 자리에서, 오래, 안정적으로 떠 있어야 하는 일이다. 제품별 제원 비교는 24.19가 다룬다.

용도왜 계류인가한계
기지·초소 감시, 시설 방호상시 감시, 무선 방출 없음(11.5·11.6)고도·범위 한정, 바람
행사·방송·군중 감시오래 뜨고 낙하 위험이 줄어듦(14.18)군중 위 운용은 별도 위험 평가
재난 통신 중계정전·지상망 단절 시 임시 기지국(14.12·14.7)높은 고도에서 질량 한계
점검·건설 현장 관찰장시간 촬영·전력 공급(14.4)케이블이 구조물에 걸릴 위험
시험·연구안전줄로 비행 영역을 제한(2.4)케이블이 동역학에 개입

선택지는 셋이다.

① 능동 계류 멀티콥터. 장점: 에너지 무제한, 유선 링크, 구조 단순. 단점: 고도 천장(1.14.6), 바람, 케이블 취급. 이 입장을 취하는 쪽은 한 자리 체공이 곧 가치인 감시·행사·통신 중계 사업이다.

② 비계류 드론 + 자동 배터리 교체. 드론이 스스로 착륙해 배터리를 갈고 다시 뜬다(드론 스테이션, 14.16). 장점: 고도·범위 제한이 없다. 단점: 교체 사이에 공백이 생기고 기계 장치가 늘어난다. 점검·보안 분야에서 사용되고 있다.

③ 계류 풍선(에어로스탯)·마스트. 부력으로 뜨므로 전력을 양력에 사용하지 않는다. 장점: 높은 고도와 큰 탑재체. 단점: 큰 부피, 바람 한계, 계류 줄이 끊어졌을 때의 표류 위험. 미국의 JLENS 계류 풍선이 2015년 10월 계류 줄이 끊겨 펜실베이니아까지 표류한 사건이 알려져 있다. 원인에 대한 보도는 2차 출처뿐이어서 단정하지 않는다(확인 필요). 교훈은 계류 줄이 단일 고장점이라는 점이다.

견해: 낮은 고도(약 100 m 안팎)에서 수 시간 이상 떠 있어야 한다면 ①이 가장 단순하다. 150~200 m를 넘기려면 ①은 케이블 질량 때문에 형식 자체를 바꿔야 한다는 것이 이 장의 계산이 주는 결론이다. 근거는 1.14.6의 천장 곡선이다. 다만 모형이 낙관적이므로(1.14.4) 실제 천장은 더 낮을 수 있다. 선택은 임무 고도와 바람 조건을 놓고 해야 하며, 이 책은 정답을 강요하지 않는다.

1.14.9 안전 — 단선·정전·낙뢰

케이블은 새로운 고장점이다. 단선, 정전, 감김장치 고장, 낙뢰가 계류형 특유의 위험이다.

  • 단선(케이블 끊김) — 지상 쪽이 끊기면 기체가 케이블을 달고 있고, 기체 쪽이 끊기면 케이블이 늘어져 떨어진다. 충전 상태의 고전압 케이블이 지상 사람에게 닿으면 감전 위험이다. 그래서 절연 감시와 즉시 차단이 필요하다(1.19).
  • 정전·지상 전원 상실 — 기체는 비상 배터리로 전환해 안전한 하강 지점으로 간다. 감김장치가 기체를 끌어내릴 수 있으면 케이블로 회수한다.
  • 낙뢰·악천후 — 긴 도체는 낙뢰의 경로가 될 수 있다. 천둥번개가 예상되면 운용을 중단하고 회수하는 것이 기본이다(1.32·8.10).
  • 케이블과 다른 항공기 — 가는 케이블은 눈에 보이지 않는다. 유인 저고도 항공기와의 충돌 위험이 있어 표지·조명·공지(NOTAM 등)가 필요하다(14.20·18.6).
  • 감김장치 장력 오류 — 풀림이 부족하면 기체를 끌어내리고, 과하면 프로펠러에 감길 수 있다. 장력 센서와 한계 경보가 필요하다.
① 이상 감지 케이블 전압 강하·전류 급변 링크·장력 신호 이상 ② 비상 배터리로 무순단 전환 버스가 끊기지 않게 한다 ③ 원인 판정 지상 전원·케이블·링크 중 어디가? 전원만 상실 케이블 온전 감김장치로 회수 또는 지정 지점 하강 케이블 단절 또는 낙뢰 의심 즉시 제자리 하강 지오펜스 안에 착륙 링크만 상실 전력 정상 링크 상실 절차 귀환·착륙
케이블 단절·정전 시 대응 흐름 — 먼저 비상 배터리로 버스를 잇고, 무엇이 끊겼는지 가른 뒤 갈래별로 처리한다

비상 배터리 전환은 무순단이어야 한다. 비행 제어기가 전원 끊김으로 재시작되면 기체가 추락한다. 그래서 비상 배터리를 버스에 상시 연결하거나 다이오드로 합류시킨다. 어느 쪽을 택하든 케이블 전원이 정상일 때 비상 배터리가 충전되고 있어야 하며, 그 건전성을 비행 전 점검 항목으로 둔다(2.6).

회수 방식의 선택은 상황에 달렸다. 케이블이 온전하면 감아서 내리는 것이 가장 안전하다. 케이블이 끊겼으면 제자리 하강이 기본이고, 지오펜스 안에서 착륙해야 한다. 이것이 비상 자동화(2.6)와 비상 회수 장치(1.30)가 맡는 층이다.

1.14.10 세 축 비교

항목군용 드론민간 UASAAM
계류의 용도기지·초소 상시 감시, 통신 중계행사·방송·점검·재난 통신 중계비행체로는 안 씀 — 시험 시 안전줄, 버티포트 감시 보조
계류를 택하는 이유무선 방출 없음, 무한 체공오래 떠 있기, 규제 부담 완화 가능성해당 없음(사람을 태워 이동)
전압고전압(수백 V)이 일반적저전압~고전압 혼재해당 없음
고도수십~수백 m수십~약 150 m—
핵심 위험케이블 단선·낙뢰, 야전 취급군중 위 운용, 유인기와의 간섭—
규제 쟁점군 기지 보호 구역·공역 통제비행 승인 완화 여부(나라별)—
설계를 지배하는 요구야전 견고성, 재밍 환경취급 용이성, 가격—

AAM이 거의 해당하지 않는 이유는 단순하다. 여객·화물 운송은 이동이 목적이고 케이블은 이동을 막는다. 그래서 계류 기술이 AAM에 기여하는 지점은 시험(안전 장치)과 지상 인프라(감시)에 한정된다.

1.14.11 관련 규격·프로토콜

계류형 전용으로 확인된 표준은 이 장 작성 시점에 확인하지 못했다(확인 필요). 기반이 되는 일반 표준만 적는다.

문서발행무엇을 정하나상세 장
IEC 60529 (IP 등급)IEC방진·방수 등급 — 지상 감김장치·기체1.32·8.9
RTCA DO-160 (낙뢰 시험 절 포함, 판 G 확인 필요)RTCA항공전자 환경·낙뢰 시험8.9·8.10
MIL-STD-810 (H)미 국방부군용 환경 시험8.9
MIL-STD-461미 국방부전자기 적합성 요건8.10
SAE AS50881 (판 확인 필요)SAE항공기 배선 설계1.19
JARUS SORAJARUS운용 위험 평가(계류가 비행 영역을 제한하는 점의 평가는 확인 필요)17.17

1.14.12 관련 규제·인증 요구와의 연결

계류가 규제 분류를 바꾸는가는 나라마다 다르고, 이 장에서 확인하지 못한 부분이 많다.

  • 한국 — 항공안전법 시행령의 신고 면제 대상 초경량비행장치 목록에 "계류식 무인비행장치"가 들어 있다는 2차 자료가 있다(시행령 제24조라는 설명, 현행 조문은 확인 필요). 신고 면제가 비행 승인·비행금지구역 적용의 면제를 뜻하지는 않는다. 사업에 사용하는 경우에는 면제가 달라질 수 있다는 설명도 있다(확인 필요). 분류·신고는 18.3, 비행 승인은 18.6에서 다룬다.
  • 미국 — 연방규정 14 CFR Part 101 Subpart B는 계류 풍선·연을 다룬다. 계류 드론이 Part 107의 무인항공기로 취급되는지, Part 101로 취급되는지는 확인 필요. 2024년 FAA 재승인법(Public Law 118-63)에 "능동 계류 무인항공기"를 다루는 조항(제926조라고 보도됨, 공공 안전 기관 대상, 조문과 적용 범위는 2차 출처라 확인 필요)이 있다는 보도가 있다. 보도에 따르면 비행 중 전력·제어 상실 때의 안전장치와 케이블 단절 시 제어된 착륙이 요건이다. 17.5에서 확인한다.
  • EU — 무인항공기 규정은 기체가 계류인지와 무관하게 적용된다고 알려져 있으나 확인 필요(17.11).
  • 공통 — 사람 위·군중 위 운용(14.18), 유인기와의 공존(14.20), 군사시설 보호(18.8)가 계류 여부와 별개로 따라온다. 규제 상세는 제17~18부다.

인증 쟁점은 케이블 질량과 고전압이다. 기체 인증이 필요한 대형급에서는 고전압 배선·절연·낙뢰 보호가 심사 항목이 된다(1.19·8.10·20.1).

1.14.13 함정과 한계

오해실제더 볼 곳
"계류하면 체공 시간이 무한하다"지상 전원이 정해 준다. 고도·바람·케이블 하중이 별도의 한계다1.14.5
"고전압이면 케이블이 얼마든지 가벼워진다"400 V를 넘으면 보강재·피복·절연이 질량을 정한다1.14.6
"무선 링크가 없으면 재밍과 하이재킹에 완전히 안전하다"GNSS 수신기 등 다른 무선 수신기와 지상 시스템이 남는다1.14.7·8.16
"계류형은 규제를 받지 않는다"나라마다 다르고, 비행 승인·공역 규칙은 대체로 적용된다1.14.12·18.6
"케이블 단선은 드문 일이라 대비가 필요 없다"계류 줄은 단일 고장점이다. 비상 배터리·하강 자동화가 설계의 핵심이다1.14.9·2.6
"계류 풍선도 계류 드론과 같은 규칙이다"양력의 근원이 달라 별도 분류인 나라가 많다1.14.12

미해결 문제도 있다.

  • 케이블 동역학 — 바람 속의 케이블 곡선·진동·장력 변동을 계산하는 신뢰할 만한 모델과 시험 데이터가 드물다.
  • 고전압 가는 케이블의 신뢰성 — 반복 굽힘·마모·부분 방전(1.19).
  • 고도 천장 — 이 장의 모형은 교육용이다. 실제 천장은 제품 시험으로 확인해야 한다.

1.14.14 체크포인트·연구 질문

체크포인트

  1. 같은 손실 비율에서 케이블 전압을 두 배로 올리면 도체 질량이 어떻게 달라지는가? 고도를 두 배로 올리면?
  2. 400 V를 넘어 전압을 올려도 케이블 질량이 크게 줄지 않는 이유는 무엇인가?
  3. 케이블 3 kg이 붙은 기체의 호버 전력이 질량 증가율보다 더 크게 늘어나는 이유를 $m^{3/2}$ 관계로 설명하라.
  4. 광섬유 링크가 막아 주는 위협과 막아 주지 못하는 위협을 하나씩 들어라.
  5. 케이블이 단선되었을 때 기체가 취할 행동의 순서를 말하고, 비상 배터리를 어떻게 설계하는가?
  6. 계류 풍선이 드론 형식보다 높은 고도에서 유리한 이유는 무엇인가?

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

  1. 케이블 동역학 기반의 천장 예측 — 바람 프로파일 속에서 케이블 곡선과 장력을 결합한 최대 고도 예측 모델은 어떻게 검증할 수 있는가?
  2. 고전압 극경량 케이블 — 지름 수 mm급 고전압 케이블의 부분 방전·마모 수명을 어떻게 시험하는가?
  3. 케이블 기반 위치 추정 — 케이블의 길이와 방향으로 GNSS 없이 위치를 추정할 때 정확도의 한계는 얼마인가?
  4. 계류의 위험 완화 인정 — 계류가 비행 영역과 낙하 위험을 줄인다는 점을 위험 평가(SORA 등)에서 정량적으로 인정하는 방법은?

1차 출처(이 장)

  • Leishman, J. G., Principles of Helicopter Aerodynamics, 2nd ed., Cambridge University Press, 2006 — 운동량 이론·호버 동력
  • 미국 14 CFR Part 101(Subpart B), Part 107 — eCFR
  • 「FAA Reauthorization Act of 2024」(Public Law 118-63) — 계류 무인항공기 조항의 정확한 조문은 확인 필요
  • 한국 「항공안전법」·시행령·시행규칙 — 국가법령정보센터(계류식 무인비행장치 관련 조문은 확인 필요)
  • IEC 60529, RTCA DO-160, SAE AS50881 — 판 기호는 확인 필요

본문의 표 속 계산값은 이 장의 모형(스크립트 fig-src/1.14-cable.py)으로 만든 것이며, 제품 사양서 값이 아니다.


다음 장: 1.15에서는 계류의 정반대 극단인 성층권 플랫폼(HAPS)·비행선·태양광 무인기를 다룬다. 줄 없이 몇 주에서 몇 달을 떠 있으려면 에너지를 어디서 얻는가, 낮에 모은 태양 에너지로 밤을 넘기는 에너지 균형이 위도와 계절에 따라 어디서 붕괴하는가를 계산으로 본다.