항공기 전기화를 위한 시뮬레이션

항공우주 산업에서 현재 두 가지 트렌드가 진행되고 있다. 하나는 기존 기계와 유압 시스템을 전기 시스템으로 교체되는 것이고, 다른 하나는 구동 컴포넌트로서 전기 모터가 항공기와 우주선 설계자의 관심을 받고 있다는 것이다. 이때 결과에 빠르게 도달하기 위해서는 시뮬레이션을 사용하는 것이 도움이 된다.

파올로 콜롬보(Paolo Colombo): Ansys Inc. Aerospace & Defense 글로벌 산업 디렉터

항공우주 산업에서 메인 플레이어들에게 영향을 끼칠 수 있는 전기화에 대한 두 가지 이니셔티브가 있다. 첫 번째는 MEA(more electric aircraft)를 목표로 한다. 이 MEA는 무거운 기계와 유압 시스템을 전기 구성 요소로 대체하여 항공기 무게를 경량화하는 것이다. 두 번째 항공 우주 이니셔티브는 전통적인 추진 시스템을 전기 또는 하이브리드 옵션으로 대체하는 것이다. 전기 추진 장치는 항공기를 보다 효율적이며 조용하고 친환경적으로 새로운 규제를 준수할 수 있다.

하지만 이러한 트렌드가 아직 주류는 아니다. 이는 대형 항공 회사들이 근시일 내에 전기 구동 항공기를 구매하리라 기대할 수 없기 때문이다. 그럼에도 불구하고 드론, 리프팅 플랫폼, UAM(Urban Air Mobility, 도심용 공중 이동체), 상업용 지역 항공 교통은 항공기 추진 장치 전기화가 이미 착수를 시작했다.

운송 업계에서 전기화가 시작되었다

기업 및 지역에 따른 전기화 전행 상황

운송 업계 전기화는 놀라운 일이 아니다. 자동차 엔지니어들이 십여 년 전부터 전기 구동 시스템 개발을 촉진하고 있다. 하지만 항공 우주 업계는 아직 이러한 트렌드에 주춤하고 있다. 그 이유는 승인에 필요한 성능과 안전에 도달하기 위해 전기 기술의 많은 분야에서 출력 밀도와 출력 전압을 더욱 높여야 하기 때문이다.

이 같은 상황은 새로운 플레이어들에게 업계를 변화시킬 기회를 제공하기도 한다. 항공우주 산업에 대한 유럽 비전을 설명하는 Flightpath 2050 리포트에 에너지, 친환경성 그리고 복잡성 관리와 관련하여 첨단 기술을 개발하는 업체가 미래의 업계 리더가 될 것이라는 보고가 있었다. 미국 FAA Destination의 초안에도 그와 유사한 리포트가 있다.

다시 말하면, 몇몇 스타트업이 아무것도 없는 곳에서 불현듯 무대에 등장할 수 있다는 것을 감안해야 한다. 이들은 항공 우주 섹터에서 우후죽순 스텔스 모드로 나타날 수 있고, 이들 중 많은 플레이어들은 인수되거나 업계 리더로 성장하게 될 것이다.

시뮬레이션이 지식을 구축하는 데에 도움이 된다.

시뮬레이션은 이와 같이 상황에서 항공 우주 산업의 전기화를 이해하기 위해 구축할 수 있는 경제적인 방법을 제공한다. 항공 우주 기업들은 복잡한 시스템을 어떻게 전기화할 수 있는지를 소개하는 데에 어려움이 있다. 일반적으로 항공 우주 기업들은 이를 위해 이른바 구리 새를 만든다. 여기서 관건은 하드웨어 프로토타입을 개발하고 테스트하는 데에 이용하는 거대한 시험 시스템이다. 이러한 접근법은 안전하고 이해하기 쉬워야 한다. 그러나 시장의 요건은 물리적 프로토타입을 수익성 있게 만들기에는 너무 빠르게 변하고 있다.

유체 기술, 섀시, 전자 구성 요소, 반도체, 임베디드 소프트웨어에 대한 시뮬레이션 소프트웨어가 있다.

항공 우주 업계는 리스크를 빠르고 경제적으로 관리하여 혁신을 가속화해야 한다. 이때 시뮬레이션이 큰 도움이 된다. 설계 팀은 시뮬레이션을 이용하여 물리적 테스트에서 재현하기 어려운 이론과 시나리오를 연구할 수 있다. 시뮬레이션은 엔지니어들이 결과로 나타나는 현상으로부터 무언가를 배우고 그들의 설계를 최적화하는 데에 도움이 된다.

물리적 테스트는 여전히 필요하다

그렇다면 모든 물리적 테스트를 시뮬레이션으로 대체할 수 있는가? 물론 아니다. 물리적 테스트는 지켜야 할 규정이고 최종 설계가 정확하게 기능하는지 확인하기 위한 방법이다. 엔지니어들은 가상 공간에서 많은 것을 개발하고 배울 수 있다. 항공우주 기업들은 유체동역학과 구조 메커니즘의 모델링을 위한 시뮬레이션의 중요성을 이해하고 있다. 그럼에도 불구하고 전기 시뮬레이션에서 아직 수용성에 간극이 있다. 이는 아마도 고도로 정밀한 전기 및 전자석 시뮬레이션이 아직 CFD (Computational Fluid Dynamics, 전산유체역학)와 FEM(유한 요소법)에 비해 훨씬 역사가 짧기 때문이다.

             Ansys 엔지니어팀도 다중 물리 시뮬레이션을 이용하여 구성 요소의 전자기 성능, 회로 및 시스템을 시뮬레이션 한다. 이로 인해 배터리, 연료셀, 전기 기계, 전력 전자장치 및 전체 시스템 시뮬레이션과 같은 넓은 적용 스펙트럼에서 열과 진동 그리고 다른 중요한 기계적 효과를 평가하고 있다. 따라서 항공 우주 기업들은 시뮬레이션을 통해 자신들의 설계를 더욱 빠르게 추진할 수 있다.

 

MM 정의

컴퓨터를 사용하는 시뮬레이션과 컴퓨터를 사용하지 않는 시뮬레이션

이론적으로 시뮬레이션은 공식에 따라 취급하기에 너무 복잡하고 비용이 많이 드는 시스템을 분석하기 위한 방식을 일컫는다. 따라서 우선 적합한 모델을 찾아야 한다. 이러한 과정을 모델링이라고 한다. 시뮬레이션 방법은 수많은 실무 문제를 위해 사용한다. 유체 시뮬레이션, 교통 시뮬레이션, 기상 시뮬레이션, 기후 시뮬레이션 등이 잘 알려져 있다.

시뮬레이션은 컴퓨터를 사용하는 시뮬레이션과 그렇지 않은 시뮬레이션으로 나눌 수 있다. 시뮬레이션은 단지 프로세스를 모사하는 것이다. 따라서 물리적 실험도 시뮬레이션이라고 할 수 있다. 가장 유명한 물리적 실험이 자동차 충돌 테스트이다. 오늘날 시뮬레이션이라고 말할 때에는 대부분 컴퓨터 시뮬레이션을 의미한다. 산업에서는 제조 시스템 개조를 시뮬레이션이라 할 수 있다. 현실에서 시스템을 여러 번 개조하는 것은 너무 번거롭고 비용도 크기 때문에 시뮬레이션을 이용해야 한다.