고고도 의사위성(HAPS)의 역할과 설계 특징

미래 항공우주 분야의 신개념 플랫폼

위성은 전 세계 통신과 정찰, 기상 관측의 핵심 인프라로 활용되어 왔습니다. 그러나 발사 비용이 크고, 궤도 진입 후에는 궤도 변경이나 수리·개선이 사실상 불가능하다는 한계가 존재합니다. 이러한 문제를 보완하기 위해 개발된 것이 고고도 의사위성(HAPS, High-Altitude Pseudo-Satellite)입니다. HAPS는 성층권 고도(약 17~22km)에 장기간 체공하면서 위성과 유사한 기능을 수행하는 항공 플랫폼으로, 위성과 드론, 항공기의 장점을 결합한 새로운 개념으로 평가받고 있습니다.

HAPS의 기본 개념과 정의

HAPS는 성층권에서 장기간 체류하며 통신·관측·정찰 임무를 수행하는 무인 항공기입니다.

• 고도 : 17km 이상 성층권에 위치하여 일반 항공기 운항 고도보다 훨씬 높고, 저궤도 위성(LEO)보다는 낮은 영역.
• 운용 방식 : 태양광 발전 및 고효율 배터리로 구동되어 수주에서 수개월 이상 체공 가능.
• 형태 : 대형 드론 형태, 초경량 비행기 구조, 또는 풍선형 비행체까지 다양한 구조가 개발 중.

즉, HAPS는 하늘과 우주 사이의 경계 영역에서 “위성을 대신하는 플랫폼”으로 작동하는 것입니다.

고고도 플랫폼의 역할

HAPS는 위성과 유사한 임무를 수행하지만, 운용 유연성과 경제성에서 차별성을 갖습니다.

• 통신 중계 : 지상 기지국이 닿지 않는 지역에 인터넷 및 이동통신을 제공.
• 재난 대응 : 지진, 홍수, 산불 등 재난 발생 시 현장 상황을 실시간 파악하고, 긴급 통신망을 확보.
• 군사 정찰 : 위성과 달리 궤도 제한이 없어 특정 지역 상공에 장시간 머물며 고정 감시 가능.
• 기상 관측 : 위성보다 낮은 고도에서 고해상도 대기 관측 데이터를 수집해 기상 예보의 정확도 향상.
• 과학 연구 : 성층권 환경, 대기 오염, 기후 변화 등 연구를 위한 플랫폼으로 활용.

설계 특징 1 : 초경량 구조와 대형 날개

HAPS는 성층권의 희박한 공기 밀도를 극복하기 위해 초경량 소재와 대형 날개 구조를 채택합니다. 이는 HAPS가 고도 20km 이상의 극한 환경에서도 안정적으로 비행할 수 있게 하는 핵심 설계 요소입니다.

• 복합재(CFRP, 탄소섬유 강화 플라스틱) : 무게를 최소화하면서도 강도를 유지하기 위해 사용.
• 초대형 날개 스팬 : 수십 미터 이상에 달하는 날개를 장착해 희박한 공기에서도 충분한 양력을 확보.
• 저속 비행 특화 : 고속 추진보다 안정적인 체공을 위해 낮은 속도로 장기간 운항 가능하게 설계.

설계 특징 2 : 에너지 자립 시스템

성층권에서 장기간 체류하기 위해 HAPS는 태양광 발전과 배터리를 기반으로 한 에너지 자립 시스템을 갖습니다. 이러한 자급적 전력 체계 덕분에 HAPS는 ‘반영구적 체공’이 가능하다는 평가를 받습니다.

• 태양광 패널 : 날개 상단에 초경량 태양광 셀을 장착해 낮 동안 에너지 확보.
• 고효율 배터리 : 야간 운항과 구름층을 통과하는 환경을 대비해 장기 충전 가능한 리튬-황 또는 차세대 배터리 사용.
• 에너지 관리 시스템 : 기온 차와 일조량 변화에 따라 에너지 분배를 자동으로 최적화.

설계 특징 3: 자율 비행 및 항법 시스템

HAPS는 조종사가 없는 무인기이므로 고도의 자율 비행 능력을 갖추어야 합니다. 이러한 자율 비행 능력은 인력 개입을 최소화하면서 효율적인 운용을 가능케 합니다.

• GPS 기반 항법 : 정밀한 위치 제어를 통해 특정 지역 상공에서 장기간 머물 수 있음.
• AI 비행 제어 : 기상 변화나 기류 변화를 자동 인식하고 경로를 조정.
• 충돌 회피 알고리즘 : 다른 항공기 및 HAPS 간 간섭을 방지하는 시스템.

HAPS와 위성의 차별성

HAPS는 위성과 비교할 때 아래와 같이 여러 장점을 가집니다. 하지만 기상 조건, 배터리 수명, 항속 거리 등에서는 위성보다 제한적입니다.

• 비용 절감 : 위성 발사 대비 수십 분의 1 수준의 비용.
• 유연성 : 필요에 따라 특정 지역에 배치·철수 가능.
• 정밀성 : 위성보다 낮은 고도에서 고해상도 영상 및 데이터 수집 가능.
• 수리 가능성 : 지상으로 회수해 재정비와 업그레이드가 가능.

실제 개발 사례

• 에어버스 Zephy r : 태양광 기반 HAPS, 26일 연속 체공 기록 보유.
• SoftBank HAPSMobile : 통신 서비스 제공을 위한 HAPS 플랫폼 개발.
• 구글 Loon 프로젝트 : 풍선 기반 HAPS로 아프리카 등 통신 소외 지역 인터넷 제공 시도.

이처럼 HAPS는 글로벌 기업과 방위 산업체에서 활발히 개발되고 있습니다.

도전 과제와 미래 전망

HAPS가 상용화되기 위해 해결해야 할 과제도 많습니다.

• 극한 기상 환경 : 강풍, 저온, 태양광 부족 상황에서 안정적 체공 보장 필요.
• 배터리 기술 한계 : 장기 운항을 위한 고에너지 밀도 배터리 확보.
• 규제 및 관제 체계 : 성층권 항로 관리와 국제 규범 마련 필요.
• 운용 비용 : 위성 대비 저렴하지만, 대규모 상용화를 위해서는 유지보수 비용 절감이 과제.

앞으로 배터리·소재·AI 기술이 발전하면 HAPS는 위성과 항공기를 잇는 미래형 플랫폼으로 자리 잡을 것입니다.

하늘과 우주를 잇는 새로운 항공 자산

고고도 의사위성(HAPS)은 위성과 항공기의 장점을 결합한 혁신적 항공 플랫폼으로, 통신·정찰·재난 구조·기상 관측 등 다양한 임무에서 활용될 수 있습니다. 초경량 구조, 에너지 자립, 자율 비행 기술은 HAPS의 핵심 설계 특징이며, 향후 스마트 시티, 글로벌 통신망, 국방 분야에서 더욱 중요한 역할을 할 것입니다. 결국 HAPS는 하늘과 우주의 경계에서, 차세대 항공우주 시대를 여는 연결 고리가 될 것입니다.