안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
기계공학
Q. 전기자동차 배터리가 작동하는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.전기자동차는자동차 구동에너지를 내연기관 자동차의 엔진이 아닌전기에너지로 부터 얻는 차량입니다.일반적으로 외부에서 전기 충전을 통한 전기모터로 구동되는 차량을 말하는데요전기에너지는고전압 배터리에 저장되고충전은 대표적으로 완속충전 (AC)/ 급속충전 (DC)이 있습니다.배터리에 저장된 전기에너지는 인버터를 통해 (DC)에서 (AC)로 변환되어 모터를 구동시킵니다.또한 고전압 배터리에서 DC-DC 컨버터를 통해 저전압 배터리 충전에 사용되는데요.자동차 전장 부하가 저전압배터리로부터 전기에너지를 공급받으므로저전압 배터리를 충전시켜주는 컨버터가 필요하게 됩니다.전기 자동차는 주행 중 전기를 사용하기도하고 충전하기도 하는데요차량주행 / 회생제동 / 완속충전 / 급속충전의 4가지 상황이 있습니다1, 차량주행주행 중 고전압 배터리에 저장된 DC 전기를 인버터통해서 AC로 변환해서 모터를 구동합니다.모터는 감속기 거쳐 바퀴로 동력을 전달하고요주행중에는 각종 전장시스템 사용을 위해 고전압배터레에 저장된 DC를 컨버터통해 12V 전압으로 변환합니다2, 회생제동브레이크를 밟으면 유압브레이크 외에 모터와 인버터도 브레이크 역할을 하는데요모터와 인버터에 의해 브레이크 작동 시 전기를 생산할 수 있습니다이를 회생제동이라 하는데 이때 생성된 에너지를 재 사용 합니다.3, 완속충전고전압 배터리 잔량 부족 시 전기충전스탠드 및 휴대용 충전기를 통해 완속충전이 가능한데요.AC 전기를 OBC ( On Board Charger) 를 통해 완속 충전이 가능합니다완속충전은 AC 를 OBC를 통해 DC로 변환 후 배터리에 충전시킵니다4, 급속충전완속 외 급속 충전도 있는데요.EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) 전기차 전원공급장치에서 DC 로 공급되어 고전압 배터리로 바로 연결되어 충전시킵니다.이런 4가지 상황에서 전기차는 충전을 하여전기모터를 구동하여 전기차가 작동하게 됩니다.
기계공학
Q. 고에너지 레이저 무기와 같은 신기술은 공중전을 어떻게 변화시킬까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.말씀대로 대한민국 에서도소형드론 등에대한 대응을 위한고에너지 레이져 무기가 실전배치되었다는 뉴스는 있었습니다한화에서 개발한것으로 알고있구요개인화기로도 소형으로 개발되었다는 보도도 있었습니다만 개인화기 화력에 대해선아직 미지수입니다. 레이저 무기의 핵심 문제는 출력입니다. 출력을 높일수록 대응할 수 있는 표적의 범위가 증하는데요. 대전차 미사일을 파괴하려면 100㎾급 출력, 순항미사일은 300㎾급 출력, 전투기나 지상표적 파괴를 위해서는 메가와트(㎿)급 출력이 필요하단 말인데요이번 실전배치 된 급은 20kW급 입니다아직 드론정도 파괴수준이지요물론 드론하나파괴를 위해수십억 미사일발사보다는 훨씬 경제적 효울적입니다만그 후로 다 강해지기 위해서는 갈 길이 멉니다 출력이 클수록 그 위력이 증대되지만, 고출력을 내려면 그만한 에너지가 소요되며 지속적인 발사를 위해선 장비의 고열을 식히는 냉각 장치 등도 필요해 전체 시스템의 규모가 매우 커져야 하는데 현재 기술력으로서는 이를 넘어서는 게 쉽지 않습니다. 미국에서 최근 개발한 ‘적재형(Palletized)’ 고에너지 레이저 무기는 필요한 곳 어디든 설치할 수 있는 독립형 무기 체계로, 미군 규격에 맞춰 제작된 최초의 10kW급 레이저인데여이것도 소형화 했다는것이 픽업트럭 뒷칸을꽉채우는 크기입니다. H4라는 모델로고에너지 레이저 모듈, 정밀 조준 기능이 포함된 장거리 EO/IR 센서, 열제어 장치, 내부 전력 공급 및 표적 추적 소프트웨어 등 다수의 구성품이 하나로 통합되어 설계되었고. 노트북과 비디오 게임에 사용되는 듯한 컨트롤러만으로 운영이 가능하며 기존의 다양한 방공 체계 및 지휘통제 체계와도 상호운용이 가능해 계층 방어 능력을 제공한다합니다. 이런 부분들을 보았을 때공중전에서의 전투기 탑재 고출력 레이저무기로서의 가능성은결국 싸이즈 및 무게 문제가 대두되기에아직은 그 부분이 해결되지 않는 한공중전에서의 실용성은 시간이 더 필요할 것으로 보입니다. 또한 레이져무기의 특성상 지향성 무기이므로환경에 따른 효율성도 문제점 중 하나로 꼽힙니다 비나 눈이 내리고 안개가 끼는 등의 기상 조건에서는 정확성 면에서 편차가 생길 수 있습니다. 빛의 지향성을 이용하는 무기인 만큼, 대기 상태 등 환경적 요소로부터 영향을 받기 때문에 굴절률의 변화 및 산란 효과 등을 겪게 되는 것이지요또한 출력에 따라 그냥 한방에 격추가 아닌지..잉 하듯 지져야하는(물론 시간은 짧지만)시간도 존재하기에 그런 부분들도 공중전에서 고려할 부분으로 꼽히겠습니다.
기계공학
Q. 초고속 무기의 발전이 공중전에 미칠 영향은 무엇일까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.일단 미사일 부분을 보면극초음속 순항미사일은 기존의 초음속(Supersonic) 순항미사일보다 훨씬 빠르기 때문에 적이 탐지하더라도 방어를 준비할 시간적 여유가 없습니다. 탄도미사일은 탄도 곡선(Ballistic Curve)을 그리기 때문에 높이 올라갈수록 레이더에 조기 탐지될 확률이 커지고, 탐지에 따른 요격 확률도 높아집니다. 또한, 일반적으로 탄도미사일은 발사 후 대기권 진입 전에 탄두가 분리되고 탄두는 일반적으로 포물선을 그리며 낙하하기 때문에 목표지점 파악이 쉽고 요격도 가능해집니다만, 극초음속 글라이더는 발사가 탐지되더라도 성층권 안에서 비행 코스를 바꾸는 활강이 가능하기 때문에 비행궤적 산정과 요격이 매우 어렵습니다.이런 사유들을 봤을 때 결국극초음속 무기는 탐지를 하더라도 그 무기의 요격이 쉽지않다는 점 때문에위력이 배가 되는데요 올해 초 뉴스를 참고하면 미국 국방전문 매체 디펜스뉴스에서 미 공군 대변인은 성명을 통해 '공중발사 신속대응무기'(ARRW)를 장착한 B-52 폭격기가 괌 앤더슨 기지에서 출격해 마셜제도의 레이건 검사장에서 시험을 진행했다고 전했는데요.공중에서 쏴버리는 극초음속 무기까지시험발사진행이 된 상태입니다. 이번 시험은 록히드마틴사가 제조한 극초음속 미사일로, 공식 명칭은 'AGM-183A 공중발사 신속대응무기'입니다. 결국 공중전에서도 극초음속 무기발사가 가능해진 시점인데6세대부터는 단지 레이더성능과 스텔스 수준그에 더해 극초음속 미사일까지 더해지는 형국으로완벽한 스텔스, 그것마저 탐지할 최신레이더기술그 기술의 차이에서 승패가 갈릴것으로 생각되는데요일단 탐지되는 순간 적보다 우수한 스텔스로 최대한 근접 후극초음속 미사일로 공격하게된다면당하는 순간도 느끼지 못한채괴멸되는 처참한 결과로 이어질 것은명확하기 때문입니다.
기계공학
Q. 6세대 전투기 이후에는 드론 전투기가 사용될 것으로 예상되는데 어떤 변화가 있을까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.2년전만 하더라도인공지능 전투기 조종사는 인간을 대체할 수는 없고 보조 조종사 정도로만 인식이 되었습니다만올해 인간조종사와 AI가 조종하는 전투기와의실제 공중전(dogfight) 실험 후에는 그 고정관념이 사라졌다고 하겠습니다.인공지능(AI)이 조종하는 X-62 비스타(VISTA)와 인간 조종사가 조종하는 F-16 전투기가 도그파이트를 벌였습니다.(X-62A 비스타는 AI가 자율적으로 조종할 수 있도록 개조된 2인 탑승형 F-16D 전투기 )AI와 인간 조종사는 공중전 중 서로의 위치를 바꾸며 공격과 방어를 번갈아 수행했으며두 전투기는 음속의 1.5배가 넘는 최대 시속 1931㎞로 비행했으며, 근접 시에는 간격이 610m까지 좁혀졌다고 전해졌습니다.AI 알고리즘은 기계학습을 통해 실시간으로 데이터를 분석하고 결정을 내렸습니다. 이는 인간 조종사들이 오랜 경험을 통해 얻는 본능적인 판단과 유사한 방식이라는 점이 무서운데요.이번 도그파이트에서는AI 조종사가 오작동할 경우를 대비하여 X-62A에 인간 조종사 2명이 탑승했지만, “이번 공중전에서 인간 조종사는 한 순간도 안전 스위치를 작동하지 않았다”고 에드워즈 공군기지 측은 밝혔습니다.안전스위치를 작동하지 않았다는 점... 결국 인간조종사들이 오랜 경험을 통해 얻는 판단을 알고리즘을 통해 순식간에 체득한다는 부분입니다.국방고등연구프로젝트국(DARPA)의 공중전투진화 팀은 이번에 성공한 실제 도그파이트를 위해 10만회 이상 소프트웨어를 수정했다고 밝혔습니다.앞으로 더 진화한다는 것이죠.AI 자체로도 사실 공중전이 가능하다는 말입니다다만 두려움이 없고 인간에 대한 보호 개념도 없기에기본적으로 주 조종사는 인간이 된다해도그이외 주변기상, 공역 정보, 관제상황, 도심장애물, 규정 , 레이다 적군위치 등수많은 정보수집과 판단은 동시다발적으로 AI가 하고최종결정은 인간이 하며또한 급박한 순간 자동기동으로 변경시모든 정보를 통합한 최상의 선택을 인공지능이 할 수 있는 모드도 변경이 가능하도록 설계되어더욱 민첩하고도 유연하고 효율적인 공중전의 시대가 도래할 것으로 예측됩니다.
기계공학
Q. 드론과 무인 지상 차량이 전장에 투입된다면 전략에 어떤 변화가 있을까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기본적으로 드론 및 무인 지상차량의 임무는전장에서 병사대신수색 / 정찰 / 경계 임무 등을 수행하도록 개발되고 있습니다.특히 기계화부대 선단에서수색과 정찰, 경계 등의 임무를 수행하는 데요원거리에서 원격조종 내지는 자율주행으로 임무수행하며종속주행 모드(통제차량을 따라 이동)경로 주행장애물 탐지 및 정지/회피 통신단절 시 계획경로 기동 등 자율주행 모드 등이 개발되어 적용됩니다.드론과 무인 지상 차량이 따로 움직이는 경우를 생각하나각각의 장단점을 보완하기 위해무인지상차량 자체에 드론이 탑재되는 경우고 있고실제 싱가포르 방산업체에서는 올해 열린 싱가포르 에어쇼에서 정찰드론 장착 가능한 새로운 무인지상차량 '타우루스'를 공개하기도 했습니다.타 차량과의 유인-무인 병행작전을 지원하는 유연한구성변경이 가능한 모듈형 플랫폼으로특히 40분 비행가능한 드론장착으로 시야밖 작전도 지원합니다.이런 부분들로 볼 때일단은 군 수송물자 운반, 부상병 후송, 기존차량 접근힘든 지역 정찰 등에 사용될 수 있으며화물취급용 로봇팔 장착으로 화물도 취급가능하겠지만향후에는 수동조작 및 인공지능에 따른 적진 침투 및 공격작전 수행도 충분히 가능한 부분이므로전장에서의 각종 상황에 대한 빅데이터에 따른 인공지능 머신러닝이 진행됨에 따라인간보다 더욱 능동적이고도 신속한 작전 수행이 가능할 것으로 봅니다.