제56차 일본 남극지역관측대는 큐슈대학과 후쿠오카대학이 공동 개발한 무인관측 항공기 Phoenix-S 1호기를 이용한 고도 22km의 에어로솔 회수 및 고도 23km의 에어로솔 농도 측정에 성공하였다.
대기 중에 부유하고 있는 에어로솔의 농도분포 및 형성물질의 종류를 다양한 장소 및 고도에서 조사하면 지구대기가 어떻게 순환하고, 어떤 물질이 이동, 반응하는지 알 수 있다. 이것은 지구온난화 및 오존홀의 해명 및 앞으로의 예측을 수행할 때 상당히 중요한 단서가 된다. 지금까지 에어로솔 농도 관측과 샘플링 채취에는 유인항공기가 이용되어, 높은 고도에서는 자유기구가 유일한 관측방법이었다. 그러나 자유기구는 높은 고도에 도달하지만, 상승 중에 바람에 의해 강하게 흘러가기 때문에 1대 100만 엔 이상의 기구 및 샘플을 회수하는 것이 상당히 곤란하다는 큰 문제가 있었다.
그래서 연구그룹은 기구에 의한 높은 고도까지의 상승과, 무인항공기에 의한 자율귀환, 회수를 조합시킨 “기구 분리형 무인관측 항공기 Phoenix 3호기”를 개발하여 2013년 남극에서 고도 10km까지의 에어로솔 관측과 샘플회수에 성공하였다. Phoenix 3호기는 큐슈대학이 무인항공기의 개발과 운용을 담당하고, 후쿠오카대학이 소형 에어로솔 관측기기의 개발과 관측을 담당하였다. 채취된 샘플로부터는 대류권에 중위도의 해양 위에서 운반된 것으로 보이는 황산에어로솔의 고농도 층이 발견되었지만, 성층권으로부터의 운송의 역할을 해명하기 위해서는 10km보다 높은 고도이 관측이 필요하다. 그래서 Phoenix 3호기를 개량하여 개발한 것이 Phoenix S1호기이다.
Phoenix S1호기는 소형 무인비행기로는 전례가 없는 고도(20~30km)를 비행한다. 고도 30km에서는 공기밀도가 지상의 약 1/100이 되며, 비행조건이 지상부근과 동일한 경우, 기체의 속도는 음속 근처에 도달하여 기체의 강도 및 기체제어계의 한계를 넘을 것으로 예측되었다. 그래서 우선 실속을 방지하고 비행속도를 낮추기 위해 플랩이라는 장치를 새롭게 추가하였다. 그리고 최고 도달속도에서 한 번에 활공시키지 않고, 기구를 사용하여 상승시킨 후 항공기 부분을 기구로부터 분리하여 일단 낙하산으로 일정 고도까지 강하시킨 후 낙하산으로부터 분리하여 활공을 개시하는 2단계 분리방식을 채용하였다. 그리고 동체를 연장하여 탑재용량에 여유를 갖도록 하였으며, -80도의 저온환경에도 견딜 수 있도록 단열, 보온대책을 실시하여 저온실험에 의해 동작확인을 수행하였다.
이렇게 개발된 Phoenix S1호기는 2015년 1월 24일 오후 6시 5분, 고무기구에 연결하여 남극대륙 빙상인 S17지점부터 에어로솔 농도 관측과 샘플링을 수행하면서 S17의 남쪽 약 7km, 고도 23km까지 도달하였다. 거기서 기압의 저하에 의해 팽창된 기구가 파열되었기 때문에 Phoenix S1호기는 고도 12km까지 일단 낙하산으로 강하한 후, 낙하산을 분리하여 오후 8시 10분에 S17에 자율 활공 귀환하였다. 고도 23km라는 높은 고도에서의 에어로솔 측정은 유인, 무인항공기로는 세계 최초이다.
이번 관측으로 얻은 0.3μm에서 0.66μm의 입자 수, 농도의 연직분포를 보면, 고도 23km까지 연속적으로 수, 농도값을 얻을 수 있었으며, 2015년 1월 쇼와기지 상공의 성층권 에어로솔 층이 3개의 층 9~11km, 11~13km, 13~23km의 영역으로 구성되어 있다는 것을 알았다. 그리고 고도 1~22km의 에어로솔 샘플 13개 세트를 회수하는데 성공하였다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
