K-UAM의 성공을 위한 기술 혁신 방안
다쏘시스템 3DEXPERIENCE가 지원하는 안전하고 소음 없는 eVTOL 항공기 설계
서론
기존 도시 지역과 개발 중인 도시 지역의 거주자들은 교통 혼잡이라는 성가신 문제에 직면해 있습니다. 교통 혼잡을 완화하기 위한 수백년 간의 노력과 수 십억 달러의 공공 지출에도 불구하고 상황은 갈수록 악화되는 듯 합니다. 도로 이용 차량의 증가, 미흡한 교통 관리 체계, 제한된 주차 공간 등으로 인해 도시 통근자들이 불편을 겪고 있으며, 이에 따라 응급 차량 이송도 점점 지연되고 있습니다.
설문 조사에 따르면 런던과 방콕 거주민들의 출퇴근 시간은 하루 평균 각각 74분과 72분이라고 합니다. 1년으로 계산하면 출퇴근 시간으로 꼬박 14일을 허비하는 셈입니다. 이는 거주민의 피로감을 높일 뿐만 아니라, 탄소 배출과 기후 변화에도 영향을 미칩니다. 혁신가들은 출퇴근 시간을 활용하기 위해 MI(모바일 인터넷), IoT(사물인터넷), AV(자율 주행차량) 기술, 몰입형 인터페이스 등 여러 가지 방법을 적용하고 있습니다.
그러나 도심지의 이동성을 개선하기 위해 PAV(개인용 항공기)나 AT (에어 택시) 같은 혁신 기술이 진지하게 논의되고 있습니다. 이러한 전기 및 하이브리드 eVTOL(전기 수직 이착륙) 항공기는 상공을 이용하므로 지상의 교통 혼잡을 완화할 수 있는 놀라운 미래를 약속합니다.
eVTOL은 항공 셔틀, 온디맨드 에어 택시, 에어 앰뷸런스 같은 도심지 이동 수단 시장에 가능성을 제시합니다. 헬리콥터는 이에 상응해 P2P(Point-to-Point) 수송에 사용할 수 있는 가장 근접한 기술이지만, 대중 교통 수단으로 이용하기에는 소음과 대기오염이 심하고 비효율적이며 비용 또한 높습니다.
전기 추진 기술은 DEP(Distributed Electric Propulsion) 같은 컨셉을 추가하고 wing-borne VTOL에 새로운 접근 방식을 지원함으로써 VTOL 항공기 설계 영역을 열어줍니다. 도시 이동성의 새로운 시대가 열렸지만, 항공우주 업계에서는 민간 VTOL 시장을 개척하고 평가하기 위해 대기업들과 신생 기업들 간에 쟁탈전이 이미 벌어지고 있습니다. 이를 흔히 ‘3차 항공우주 혁명’이라고 합니다.
에어 택시 추진 프로젝트로는 Uber Elevate, NASA UAM Grand Challenge, Kitty Hawk 등이 있습니다. Uber는 2023년까지 온디맨드 에어 택시 서비스를 시범 운영할 계획이며, 테스트는 2020년에 시작됩니다. 이를 둘러싸고 항공기 및 자동차 제조업체, 규제 당국, 대행사, 연구 기관, 학계 등 여러 이해 관계자들이 주목하고 있습니다. 현재 Vertical Flight Society에는 155 대의 eVTOL 항공기가 등록되어 있으며 현재 개발 단계에 있습니다.
여기에는 추력 편향 항공기 55대, 이륙-순항 겸용 플랫폼 17대, 날개 없는 멀티콥터 34대, 호버 바이크 및 개인용 항공 기기 30대, 전기 회전 날개 항공기 7대가 포함되어 있으며, 이 외에도 더 많은 항공기들이 주기적으로 등장하고 있습니다. 공항 셔틀 및 에어택시 시장은 제약이 없는 상황에서 총 유효 시장 가치가 5천 억 달러에 달하는 발전성 있는 시장입니다. 업계 대기업들과 신생 기업들은 eVTOL 항공기에서 추진력을 얻어, 10억 달러 이상의 투자 금액을 유치해왔습니다.
배터리 기반의 전기 모터 항공기를 위한 가장 전도 유망한 세 가지 컨셉으로 이륙-순항 겸용 구성, 틸트 윙, 틸티 로터를 들 수 있습니다. 전 세계적으로 전기 모터, 배터리, 컴퓨터 모델링/시뮬레이션 및 복합재료 설계가 발전하면서 Boeing, Airbus, Bell, Embraer, Pipistrel Aircraft, Lilium 등의 기업들이 도시 출퇴근에 사용할 eVTOL의 시제품을 개발 중입니다. 비행기는 보통 자주 이용하지 않는 값비싼 교통 수단으로 여겨지며, 소형 항공기와 헬리콥터를 도시교통 수단으로 이용하기에는 비용이 너무 큽니다.
이해 관계자들이 보기에 공항 셔틀 서비스는 실현 가능성이 있는 시장을 형성 중이며, 에어 택시는 대중 교통 시장으로 나아가고 있습니다. 하지만 eVTOL 항공기를 시장에 널리 보급하기 위해서는 몇 가지 해결해야 할 과제가 남아 있습니다. 바로, 소음이나 운영 효율성, 성능, 신뢰성, 안전성, 인프라 개발, 경제성 등의 문제를 해결해야 합니다. 도시 항공 교통 시장을 구현하기 위해서는 해결해야 할 중대한 과제들이 있습니다.
도입 과제
도시 항공 교통에 대한 야심찬 비전을 실현하기 위해서는 항공기 설계자들과 규제 당국, 도시, 지역 사회 및 네트워크 사업자들이 반드시 효과적으로 협력해야 합니다. VTOL 항공기가 낮은 고도에서 비행할 수 있으려면 미국 FAA(Federal Aviation Administration) 나 EASA(European Aviation Safety Agency) 같은 항공 당국의 검증을 거쳐야 합니다. 뿐만 아니라, 기존의 FAA 인증 표준 중 어떤 것을 VTOL에 적용할 것인지, 기존 인증의 개정 필요성을 판단하는 것도 문제입니다. 첨단 기술 업체의 CEO들은 규제 당국의 느린 행보로 인해 에어 택시의 도입이 늦어지고 있다고 불평할 수도 있겠지만, 최근 발생한 항공기 사고와 운항 중단으로 인한 비용 손실은 항공 업계의 안전 규정이 왜 엄격해야 하는지를 보여줬습니다.
도시 VTOL 네트워크를 지원하는 인프라의 개발은 도시 당국이 관심을 가져야 하는 또 다른 과제입니다. 소음이 적은 이착륙 절차를 위해서는 수직이착륙 비행장(대대적인 지원 인프라를 갖춘 대규모 VTOL 스테이션)과 수직이착륙 정류소(승객을 신속하게 승 하차시킬 수 있는 보다 적은 규모의 스테이션)를 위한 최적의 위치를 확보해야 합니다. 주차장 옥상이나 기존 헬리콥터 발착장 및 쇼핑몰 테라스를 승객 승차 장소로 용도 변경하는 방법이 제시되고 있습니다. 현재로서는 도시들이 필요한 이착륙 부지를 갖추고 있지 못하기 때문에 기업들은 도시 및 인프라 계획, 물류, 지역 관리 및 환경 적응을 위해 ‘가상’ 시나리오를 수행할 수 밖에 없습니다.
eVTOL을 시장에 배포하는 데 있어 사회적 장벽과 대중의 인식 역시 중요한 걸림돌로 작용하고 있습니다. NASA나 Airbus 같은 조직들은 UAM(Urban Air Mobility)에 대한 대중의 인식을 알아보기 위해 설문 조사를 실시했습니다. 교통 비용은 이동 시 항상 기본적으로 고려해야 하는 사항이며, 사람들은 자동 또는 원격 UAM 항공기보다는 조종 항공기를 선호합니다. 안전성과 프라이버시는 승객 입장에서 또 다른 우려 요인입니다[6]. 여기에는 항공기에 대한 신뢰도 포함되는데, 이는 시스템을 유명 기업이 제작하는지 여부와 머리 바로 위로 비행하여 승객들이 집과 마당을 훤히 내려다 볼 수 있다는 프라이버시 우려에 따라 좌우될 수 있습니다.
VTOL을 운영하거나 UAM에 서비스를 제공하는 업체들이 곧 겪게 될 기술적 과제로는 ATM(Air Traffc Management), 배터리 기술, 항공기 성능, 효율성, 경제적 문제 등이 있습니다. DEP(Distributed Electric Propulsion)는 고정 윙 항공기(이륙 및 추력 로터가 장착)에서 운항 중에 배터리를 효율적으로 사용할 수 있게 해줍니다. DEP는 에지와이즈(edgewise) 로터 비행이라는 헬리콥터의 근본적인 한계점을 탈피할 수 있게 해주며, DEP를 장착한 VTOL은 60마일의 목표 거리를 비행할 수 있습니다. 틸트 로터, 수축 로터, 효율적인 배터리 사용의 이점을 가진 경량 비행기 같은 비행 전환 개념을 통해 운항 중 공기역학적 효율성을 한층 개선할 수 있습니다.
소음 문제는 제조업체와 대중이 공통적으로 우려하는 부분으로, 이는 VTOL의 도입을 저해할 수 있습니다. UAM에서 발생하는 소음은 전기 차량이 주류가 되는 미래 교통 환경에 큰 장애물이 될 수 있습니다. VTOL 개발자들은 지역 사회의 동의를 얻기 위해 소음 완화를 최우선 목표로 삼아야 합니다. 전기 추진은 엔진 소음과 추력 소음을 최소화한 설계를 가능하게 하므로 허용 가능한 소음 수준을 달성하는 데 중요한 역할을 합니다. VTOL의 설계와 저소음 궤적 및 기동 사용에 따라 가변 속도 오픈 로터와 덕티드 팬 같은 지원 기술을 통해 도시 지역에서의 저소음 운행과 목표 비행 범위에서의 효율적인 배터리 사용을 추가적으로 달성할 수 있습니다. Uber Elevate가 설정한 일반적인 소음 수준 목표는 고도 250피트의 VTOL에서 지상까지 67dB(A)에 불과합니다.
VTOL 소음 수준을 평가 및 최적화하려면 협업 환경에서 디지털 시뮬레이션/시제품 제작을 적용하는 것이 좋습니다. 이렇게 한다고해서 물리적인 시제품 제작 과정을 완전히 없앨 수 있는 것은 아니지만, 값비싼 시제품을 개발하기 전에 가상 모델로 테스트해볼 수 있으므로 물리적 테스트 이후 놓친 부분으로 인해 개발 막바지 단계에서 많은 비용을 들여 재설계를 수행할 필요가 없습니다.
시장 출시 기간 단축
eVTOL 분야에서 경쟁이 치열해지는 가운데, 가장 먼저 시장을 개척한 기업이 대중성, 투자, 그리고 브랜드 인지도 측면에서 큰 수혜를 입을 것입니다. 또, 이들의 항공기는 후발 주자들의 제품을 판단하는 기준이 될 것입니다. 이와 같이 eVTOL 컨셉 항공기의 개발에 사용되는 엔지니어링 도구의 효율성과 연결이 매우 중요합니다.
3DEXPERIENCE 회사인 다쏘시스템은 수명 주기 관리(ENOVIA) 부터 설계 및 시스템 엔지니어링(CATIA), 제조 관리(DELMIA), 모든 공학 분야에의 시뮬레이션(SIMULIA), 양자부터 분자 크기까지 아우르는 시뮬레이션(BIOVIA)에 이르기까지 브랜드 제품 내에 광범위한 기능을 제공합니다.
3DEXPERIENCE 플랫폼은 이러한 기술 포트폴리오를 하나로 통합하므로, 모든 엔지니어가 동시에 진행되는 협업 프로세스에서 단일 데이터 소스를 사용할 수 있습니다. eVTOL 항공기의 일반적인 개발 주기는 요구사항 수집, 계획, 초기 컨셉 설계, 세부 설계, 시제품 제작, 테스트, 인증 문서 작성, 그리고 마지막 단계인 제조 과정을 아우릅니다. 이러한 주기의 각 단계에서 디지털 데이터가 생성되기 때문에 이를 관리, 공유하고 적절하게 보관해야 합니다.
좌석 수, 최대 비행 범위, 조종 또는 자율 운행, MTOW(Maximum Take-off Weight) 같은 요구사항이 결정되면 설계 엔지니어는 이륙 표면, 추진 장치(예: 로터, 슈라우드 로터) 또는 참조 추진 장치에 대한 초기 연산을 시작합니다. 이 과정에서 부품 수준에서 저충실도 (low-fdelity) 최적화를 통해 예비 저소음 추진 시스템을 정의하기 위해 항공기 구성 및 기준 블레이드 정의를 설계하는 것이 관건입니다.
초기 설계 팀의 다음 목표는 정지 비행 상태에서 이륙 추력의 RPM 을 확인하고, 최대 비행 범위와 공기역학적 효율성을 극대화하기 위해 운항 시 추력/전력을 결정하는 것입니다. 이를 위해서는 성능 파라미터와 소음 문제를 적절히 조율해야 합니다. 다음 단계에서 비행 메커니즘 엔지니어가 예비 추진 장치의 성능 특성과 공기역학적 극성을 이해할 수 있게 됩니다. eVTOL 시스템에서는 이착륙 전환 시 소음이 가장 적은 비행 방법, 운항 시 최소한의 배터리 소비, 하중 제약에 따른 하중 계수 감소 등을 고려해 항공기 구성을 설계하는 것이 중요합니다. 비행 영역에서의 전력 체제를 판단하기 위해 초기 기체 형상을 구축할 수 있습니다.
이러한 초기의 컨셉 설계 단계에서 초기 설계 및 비행 메커니즘 엔지니어에게는 여러 설계의 타당성을 판단하기 위한 파라미터 방식의 형상 모델이 필요합니다. CATIA를 사용하면 엔지니어가 파라미터 방식의 고급 CAD 기능을 이용해 원하는 유형의 3D 어셈블리를 모두 만들어낼 수 있습니다. 3DEXPERIENCE 플랫폼을 기반으로 하는 CATIA는 복잡한 eVTOL 항공기를 개발하는 데 필요한 부서 간 모델링 작업과 검증 및 비즈니스 프로세스 지원을 완벽히 통합합니다.
엔지니어는 양력 면적 및 추진 장치를 정의하는 것 외에도, 다양한 기체 요소들에서 토폴로지 최적화나 구조 형태 발생을 탐색할 수 있습니다. CATIA와 SIMULIA의 설계 및 시뮬레이션 도구를 사용하면 파라미터 방식을 비롯한 비파라미터 방식의 최적화를 통해 설계 공간을 탐색할 수 있습니다. 다물체 역학 시뮬레이션은 추진 장치 성능 특성을 정의하는 데 중요한 역할을 하며, 이러한 기능들은 SIMULIA Simpack 도구에서도 사용할 수 있습니다. 이러한 초기설계 단계에서 저충실도 및 고충실도 CFD 분석을 모두 수행하여 전환 기동 및 궤적에서 나타나는 소음 발생 수준을 예측할 수 있습니다.
세부 설계 단계에서는 추진 및 응용 공기역학 엔지니어가 시스템 최적화 설계를 할 수 있습니다. 추진 및 공기역학 효율성을 극대화하려면 세부적인 최적화를 수행해야 합니다. eVTOL 항공기의 여러 부품들은 작동 시 탄성 변형을 겪게 되는데, 이러한 부분을 감안하여 항공기 구성을 보다 정교하게 만들어야 합니다. 엔지니어는 정지 비행 상태에서 미 반영 추진 장치에 대해 최적화 작업을 추가로 수행하고, 전환시의 저소음 장치를 설계할 수 있습니다.
다중 로터 구성에서 BVI(Blade-Vortex Interaction) 현상이 발생할 수 있으며, 저소음 방식을 통해 BVI를 최소화할 수 있습니다. 이러한 모든 시스템 최적화를 위해서는 고충실도 CFD 분석을 통해 서로 다른 형상이 소음 수준에 미치는 영향을 이해해야 합니다. SIMULIA PowerFLOW 및 XFlow 도구를 사용하면 공기역학적/항공음향적 최적화를 수행할 수 있고, 각기 최적의 부하에서 제어 표면을 상세하게 설계할 수 있습니다.
마지막 단계에서 비행 메커니즘 및 항공음향 엔지니어는 g-factor에 의해 제약을 받고 가장 소음이 적은 전환 궤적을 설계하는 것을 목표로 합니다. 항공기 구성이 정의되면 전체 구성에 대한 고충실도 CFD 계산과 더불어 설치된 추진 장치가 궤적 최적화를 위한 소음 데이터베이스를 생성하는 데 도움이 될 수 있습니다. SIMULIA 도구는 공기역학/항공음향적으로 시스템 최적화 및 전환을 고려하여 세부 설계를 수행함으로써 기체 설계를 최적화하고 소음의 영향을 최소화하는 데 유용합니다. 동적 트리밍과 전체 항공기에 대한 데이터베이스가 하나로 결합되도록 Simpack을 사용해 공기역학적 트림 루프에서 최소 하중 계수와 발생 소음을 서로 조율할 수 있습니다.
이제 eVTOL 컨셉의 타당성 및 디지털 시제품 제작 방법과 관련된 과제를 이해하여 이러한 항공기의 구조적, 역학적, 공기역학적, 항공음향적 성능을 개선할 수 있는 방법을 심층적으로 분석할 수 있게 되었습니다.
개발 기술에 대한 자세한 내용은 아래 자료에서 확인하실 수 있습니다 (다운로드 링크)
https://drive.google.com/file/d/1YmlpnRBgzT3wKxY5xVRY_NtzXVKqf_YI/view?usp=sharing