무인항공기시스템의 실험분류 특별감항증명 제도에 관한 고찰

현재 Order 8130.34의 유효한 개정판은 2017년에 개정된 Order 8130.34D “Airworthiness Certification of Unmanned Aircraft Systems and Optionally Piloted Aircraft”이다. Order 8130.34D 는 무인항공기시스템(UAS), 기내 또는 기내가 아닌 곳에서 제어할 수 있는 유인항공기인 OPA(Optionally Piloted Aircraft), 조종사 유무에 관계없이 OPA 또는 UAS로 운용가능하도록 설계된 항공기인 OPA/UAS의 실험분류 특별감항증명에 대한 상세절차를 다루고 있다. Fig. 2는 무인항공기의 실험분류 특별감항증명 절차를 나타내며, 내용은 다음과 같다.

Fig. 2. Airworthiness certification process of unmanned aircraft systems

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신청자는 감항증명을 신청하기 위해 감항증명 신청서와 비행시험계획서를 FAA에 제출해야 한다. FAA는 비행시험계획서를 검토하여 실험목적에 적합 여부와 운용한계를 결정한다. 신청서는 AC 21-16C “Application for U.S. airworthiness certificate, FAA Form 8130-6”을 참고해서 작성한다. 신청자는 부록 C “Program Letter”를 참고하여 비행시험계획서를 작성한다. FAR §21.193을 충족할 수 있도록 시험목적, 과거 비행이력, 비행시험장소, 항공기와 원격조종실의 삼면도 또는 사진을 포함한 무인항공기의 시스템 구성에 대한 정보가 첨부되어야 한다. 비행시험지역은 FAR §91.305에 따라 규정된다. 무인항공기 정상 속도 및 기동 범위 내에서 제어할 수 있고, 안전성이 입증될 때까지 장애물이 없는 개활지, 개방수역(open water), 사람이 거의 없는 지역(sparely populated areas), 항공 교통이 적은 지역(light air traffic)에서 이루어져야 한다. 필요에 따라 여러 지역을 지정할 수 있다. 위험도 평가를 위해 무인항공기의 위험도 지수를 평가할 수 있도록 항공기의 최대이륙중량(maximum take-off weight), 최대속력(maximum speed), 최대운용고도(maximum operating altitude), 비행이력(flight history)과 같은 항공기 자체 정보와 야간비행(night operation), 비가시권 비행(BVLOS, Beyond Visual Line of Sight)과 같은 운용상의 특수성도 작성해야 한다. 마지막으로, 통신 두절(loss of control)이나 안전 및 위험 완화(safety and risk mitigation) 내용도 포함해야 한다. 비행시험계획서에는 신청자의 지식재산권 또는 민감한 정보는 포함하지 않아도 되지만 FAA가 FAR §91.319에 따라 안전한 운용을 위한 조건 및 운용한계를 평가할 수 있도록 충분히 상세하게 작성해야 한다.

무인항공기마다 크기와 무게, 비행영역선도 등의 편차가 크기 때문에 항공기마다 자체위험도가 다르다. 2017년에 개정된 Order 8130.34D는 부록 E “Risk Index”를 신설하여 이러한 무인항공기의 자체위험도와 운용의 위험도를 결합한 위험도 평가 방법을 제시하고 있다. 또한, 위험도 지수 총합에 따라 신청자의 업무를 차등하여 인증절차의 효율성을 높였다. Table 1은 부록 E의 “위험도 분류(Risk Categories)”이다. 위험요소는 크게 최대이륙중량, 최대속도, 최대운용고도, 비행이력이며, 이는 충돌에너지평가기법(impact energy criteria)에 기반하여 항공기 자체 위험성을 정량평가함을 알 수 있다(Roland E. and John, R., 2005). 충돌에너지 평가기법에 따르면 공중 충돌이나 지상 추락으로 인한 위험의 심각도(severity)는 충돌 시 운동에너지에 의존하며, 발생빈도(frequency)는 항공기의 신뢰도에 의존한다. 따라서, 심각도는 무인항공기의 최대이륙중량과 최대속도를 고려하며, 신뢰도는 누적 비행시간에 따라 판단할 수 있다. 따라서, Table 1에 따라 무인항공기의 최대이륙중량, 최대속도, 최대운용고도, 비행이력에 따라 점수(value)를 부여한다. 총합에 따라 Group I(저위험도, 0∼16), Group Ⅱ(중위험도, 17∼39), Group Ⅲ(고위험도, 40 이상)로 분류되며 절차의 간소화를 위해 Group I의 저위험도로 평가된 무인항공기는 안전점검표를 요구하지 않는다.

이러한 정량적 평가 외 Order 8130.34D의 무인항공기의 운용 기준(baseline)을 벗어나는 경우 위험도를 Group Ⅲ으로 분류한다. Order 8130.34D의 운용 기준은 다음과 같다.

따라서, 이러한 기준에서 벗어나는 다음의 사항이 하나라도 있는 경우, 정량적 평가 결과와 별도로 위험도를 가장 높게(Group Ⅲ) 분류하여 위험에 대한 완화(mitigation) 수단이 충분히 마련되어 있는지 검토해야 한다.

미국 Public Law 112-95에 따르면 무인항공기시스템이란 비행기와 조종사가 국가공역시스템(NAS, National Airspace System)에서 안전하고 효율적으로 운용하기 위해 필요한 부속물(C2 데이터링크, 원격조종실 등)로 정의된다(Public Law, 2012). 따라서, 실험분류 특별감항증명 시, 무인항공기는 항공기뿐 아니라, 원격조종실, C2 데이터링크(command and control data link)를 포함하여 하나의 시스템으로 인증(certified as a system)을 받아야 한다. 이러한 유인항공기와 차별된 특성으로 인해 유인항공기 기반의 감항기준 등의 적용이 어렵다. 따라서, 무인항공기 고유 특성을 고려한 안전성 확보방안이 필요하다. 이를 위해, 위험도 평가에 따라 Order 8130.34D 부록 D의 안전점검표를 작성하여 제출해야 한다(Table 2). 안전점검표는 감항증명 신청 시 항공기의 설계 및 운용에 대한 정보를 담고 있으며 항공안전감독관은 안전성 평가 전, 인증팀원들이 사전에 검토할 수 있도록 미리 배포해야 한다.

안전점검표 항목 중 유인항공기 설계와 가장 차이점이 있는 부분이 “Command and Control” 부분으로 무인공기의 필수적인 C2 데이터링크와 원격조종실에 대한 내용을 포함하고 있다. C2 데이터링크와 원격조종실의 주요 안전점검항목은 Table 3과 같다. 무인항공기 현재 기술 수준으로 항공기 운항기술기준 FAR §91.111 “Operating near another aircraft”와 FAR §91.113 “right-of-way-rule”을 포함한 요건들을 만족할 수 없다. 따라서, “Operation”에 대한 안전점검항목 중 감시자는 항공기가 비가시권 및 가시권 운용 시에도 반드시 있어야 한다. 감시자는 무인항공기가 다른 항공기와 충돌하는 것을 방지하도록 조종사(pilot in command)를 돕는다. 비가시권에서 운용할 때는 추적항공기에 추적항공기 조종사와 감시자가 탑승해야 한다. 추적항공기의 조종사는 무인항공기 조종사와 음성 통신(voice communication)을 유지해야 하며, 통신두절이 발생했을 때는 즉시 ATC(Air Traffic Control)에 알려야 한다. 만약 추적항공기의 육안감시자와 무인항공기의 조종사와 통신이 두절되었다면, 무인항공기 조종사는 즉시 통신두절 시 조치해야 하는 비상절차를 수행하여, 비행을 종료해야 한다. 감시자와 추적항공기의 관련한 상세 규정은 Order 8900.1 “Flight Standards Information Management System”에서 제공한다. 감항증명 발급 후, 무인항공기의 주요 형상 또는 주요 운용 상 변경사항이 발생했다면 안전점검표를 최신화하여 FAA에 제출해야 한다. 만약 특정 모델의 주요하지 않은 형상변경이 있다면, 안전점검표에 이러한 차이를 붙임으로 작성한다.

신청자의 계획서와 안전점검표를 검토한 후, 신청자가 제시한 프로그램이 실행 가능하다고 판단되면 신청자에게 안전성 평가에 참여하도록 요청한다. 안전성 평가는 FAA가 지정한 위치 또는 원격회의로 수행한다. 무인항공기의 위험도 지수에 따라, Group I과 Group Ⅱ는 안전성 평가를 수행하지 않고, FAR §21.193의 준수 여부로 판단할 수 있다. 무인항공기의 유인항공기에 비해 인증 경험이 부족하고 다양한 설계와 운용방식으로 다각적인 측면에서 안전성 평가를 수행해야 한다. 이를 위해, Fig. 3과 같이 항공안전감독관을 포함하여 여러 분야의 전문가로 인증팀을 구성한다. 인증팀은 항공안전감독관을 포함하여 다음의 전문가들로 구성된다.

Fig. 3. FAA certification team (AIR-900, 2018)

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무인항공기 비행시험장(test site)에서 감항증명을 발급할 경우, 무인항공기 지정감항대리인(DAR; Designated Airworthiness Representatives)도 참여하여 감항증명을 발급할 수 있다. 인증팀은 신청자가 작성한 안전점검표를 바탕으로 감항기준에 적합성과 통신두절(lost link) 발생 시 위험 완화방법(risk mitigation) 등을 평가한다. 신청자는 감항당국의 질의사항에 대해 답변하고 해당 무인항공기시스템이 어떻게 운용되는지 설명해야 한다. FAA는 신청자에게 현장검사가 어떻게 수행되는지와 무선주파수 승인이 필요성에 대해 안내해야 한다. 안전성 평가를 통해 액션아이템을 도출하고, 신청자는 현장검사 전에 이를 해결해야 한다. 이러한 협의를 거쳐 특별감항증명을 받게 되면 같은 모델의 항공기에 대해 안전성 평가 없이 인증절차를 수행할 수 있다. 만약 중대한 변경사항이 있는 경우, 변경사항만 안전성 검사를 수행하도록 조정할 수 있다.

FAA는 현장검사 전 운용 제한(operation limit)사항을 신청자에게 알려 신청자가 현장검사 중 비행시험을 준비할 수 있게 해야 한다. AJV-115는 FAA Form 7711-1을 작성하여 FAR §91.113 요건을 면제할 수 있도록 COA를 발행한다. 만약 신청자의 운용 구역이 비행제한구역이라면 COA를 발행하지 않아도 된다. 현장검사 시, 무인항공기가 아닌 조종사가 있는 원격조종실에 항공기 등록증(aircraft registration), 감항증명서(airworthiness certificate), FAA Form 7711-1, 교범 등이 구비되어야 한다. 현장검사에는 AUS0420과 AFS-830이 참여하며, 신청자 서류 검토, 항공기와 원격조종실, 그리고 기타 부속물을 검사한다. 신규 감항증명 발급인 경우, AFS-830이 현장검사와 비행시험을 감독한다. 날씨가 좋은 경우, 비행시험계획에 따라 간단한 비행 시연도 수행할 수 있다. 실험분류 특별감항증명 요건을 충족하였다면 항공안전감독관은 특별감항증명을 발행한다. 요건을 충족하지 못했다면 FAA는 거부된 이유에 대한 서신을 작성해야 하고, 이러한 내용은 신청자의 신청서에 첨부하여 항공기 기록에 추가되도록 한다.