모델 기반 시스템 엔지니어링을 사용하여 차세대 A350 XWB 개발

혁신적인 항공기 제품군

최초의 A350은 A330 및 A340과 함께 Airbus 장거리 제품군에 추가되는 모델로 구상되었습니다. 그러나 항공사 고객들은 Airbus가 훨씬 더 혁신적이고 더 큰 야망을 실현할 것을 요구했습니다. 이에 따라 첫 번째 프로젝트는 철회되고 2006년에 훨씬 더 야심찬 프로그램인 A350 XWB로 대체되었습니다.

Airbus는 -800, -900 및 -1000 기종으로 구성된 A350 XWB 프로그램을 통해 효율성, 편안함, 환경 보호 측면에서 현재와 향후 수십 년의 시장 요구에 부응하는 혁신적인 항공기 제품군을 제안합니다. A350 XWB는 모든 용도에 맞춰 최상의 재료와 기술을 사용하여 설계되었습니다. 모델링 및 시뮬레이션 배포 책임자인 Christian Bénac은 개발 리드 타임, 산업적 램프업, EIS(서비스 진입) 시 성숙도 기대 측면에서 성공을 뒷받침하는 가능한 M&S(모델링 및 시뮬레이션) 기술에 집중했습니다.

A350-900의 첫 비행이 2013년 중반에 예정된 가운데, Bénac은 A350 XWB 프로그램이 자신의 작업 방식을 재고하게 만든 계기가 되었다고 회상합니다.

Bénac은 "우리는 또한 6년 반 내에 3가지 항공기 모델을 개발해야 하며, EIS에서 높은 성숙도 수준에 도달해야 합니다.

프로그램을 시작할 때 A380을 위해 이미 개발된 고급 기술을 재사용할 수 있고 이를 더욱 최적화할 수 있다는 것을 알고 있었지만, 보다 정확한 예측을 하고 설계 성능을 향상시키기 위해서는 완전히 새로운 접근 방식을 도입해야 한다는 것도 분명했습니다."라고 말합니다.

Bénac은 "또한 우리의 노력은 주로 제품 검증 단계에 집중되었으며, 특히 항공사의 운용성 측면에서 기대에 부응하는 데 주력했습니다.

계약 시간과 성숙도 수준의 제약을 감안할 때 정의 단계 초기에 통합된 성숙한 설계를 개발하고 설계 검증에 더 많은 노력을 기울이는 것이 매우 중요했습니다."라고 덧붙였습니다.

요구사항을 전달하는 데 사용되는 모델

초기 개발 단계에서 설계를 강화하기 위해 선택된 특정 모델링 및 시뮬레이션 사용 사례를 추진하기 위한 전담 팀이 구성되었습니다.

Bénac은 "우리가 프로젝트를 설정하는 기준은 첫째 새로운 기술 문제를 해결하는 것이었고, 둘째 A380과 A400M 프로그램에서 얻은 교훈을 활용하는 것이었고, 셋째 새로운(티어 1) 공급업체를 확장된 엔터프라이즈 전략에 통합하는 것이었습니다."라고 말합니다.

그의 팀 목표는 설계 주기에서 사양 품질을 보장하고, M&S를 사용하여 시스템의 해당 부분에 대해 명확하게 정의된 동작을 작업하고, 장비 공급업체 및 고객과의 명확한 의사소통을 촉진하는 것입니다.

Bénac은 "우리는 66개의 M&S 프로젝트 포트폴리오를 관리하고 있습니다."라고 말합니다.

이 포트폴리오는 두 가지 프로젝트 유형으로 나뉩니다. 첫 번째 그룹은 시스템 또는 기능의 의도된 기능적, 논리적 아키텍처를 설명하는 모델을 구축하는 데 중점을 둔 MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링) 프로젝트를 포함합니다. 이러한 모델은 그래픽 형식주의에 의존하며 관련 운영 시나리오에 따라 기능 순서의 조기 검증에 중점을 둡니다. 두 번째 그룹은 특정 운영 조건에서 의도된 시스템의 물리적 성능을 평가하기 위한 모델링과 시뮬레이션에 더 중점을 둡니다.

항공기 출력 향상 시뮬레이션

"이전의 모든 Airbus에 대해 시뮬레이션을 수행했지만, 실제 MBSE는 존재하지 않았습니다."라고 Bénac은 말합니다. "이것은 완전히 새로운 것입니다. A350 XWB의 경우 한 달 전(2012년 여름)에 철새에 대한 전력 테스트를 수행했지만, MBSE 덕분에 설계 단계에 있던 2년 전에 이 출력 향상을 시뮬레이션하고 3년 전에 잠재적인 충돌을 피할 수 있었습니다.

"우리가 개발한 출력 향상 모델은 타이밍 기능 모델입니다. 여기에는 항공기 시스템의 모든 전기 부품이 포함됩니다. 이 출력 향상 모델 덕분에 이러한 해석이 개발 사이클 타임의 초기 단계에서 수행되었으며 사양 시스템의 품질이 크게 향상되었습니다."

"예를 들어, 우리는 공급업체의 모델을 통합한 항공기 열 시뮬레이션 환경도 만들었습니다."라고 Bénac은 말합니다. "최고의 아이디어는 특정 주제에 특화된 MBSE 모델을 구축하고, 이 모델을 공급업체와 공유하고, 항공기의 전원을 켜는 등 작동 중 발생하는 변화에 대해 시스템이 어떻게 반응하는지 시연하는 것입니다. 이를 통해 공급업체는 시스템을 최적화하고 테스트 범위를 개선할 수 있습니다. 이 모든 것은 새로운 것이 아닙니다. 이전에는 통합 항공기 환경이 아닌 개발 주기의 훨씬 후반에 훨씬 더 작은 규모로 수행했습니다.

"우리는 시스템의 행동과 시스템이 서로의 행동에 어떻게 영향을 미치는지 설명하는 MBSE 모델을 개발했습니다. 기능적인 전용 전체 항공기 MBSE 모델을 사용하여 더 나은 예측을 조기에 수행함으로써 항공기를 보다 효율적으로 최적화하고 원치 않는 부작용을 대폭 줄일 수 있습니다. 시뮬레이션 모델 덕분에 성능 목표에 도달했는지 미리 알 수 있으므로 더 많은 인사이트를 바탕으로 테스트 단계를 준비할 수 있습니다. 물론 이러한 생산적인 결과는 테스트 장비에서 확인될 것입니다."

문제 및 복잡성 마스터

"이전에는 테스트 단계에서 예기치 않은 동작이 발견되었을 때 케이블, 설계 결함, 테스트 장비 자체 중 무엇이 문제의 원인인지 알 수 없는 경우가 많았습니다. 거의 모든 것이 오작동을 일으킬 수 있었습니다."라고 Bénac은 말합니다. "이제 개발 초기 단계에서 예상치 못한 효과를 예측할 수 있을 뿐만 아니라 테스트 중 오작동이 발생하면 더 많은 인사이트를 바탕으로 해석을 지원하고 분류할 수 있습니다. 문제가 투명해졌습니다."

고급 M&S 접근 방식이 없다면 A350 XWB의 복잡성을 관리하는 것은 불가능할 것입니다.

“A310에서 A350 XWB에 이르기까지 여러 세대의 항공기를 거치면서 복잡성은 100배에서 1,000배까지 증가했습니다.”라고 Bénac은 말합니다. "전문가라 할지라도 인간이 이 복잡성을 마스터하고 감독하는 것은 더 이상 불가능합니다. 기술 자체가 복잡해진 것이 아니라 기술과 시스템의 축적, 데이터 양, 상호의존성의 양이 복잡해졌습니다. 개발 주기를 단축하고 EIS에서 거의 100%에 달하는 성숙도를 달성해야 한다는 압박을 감안할 때 MBSE의 도움 없이 항공기 개발을 마스터하는 것은 불가능해졌습니다."

글로벌 성과 예측을 위한 모델 연결

Bénac은 "글로벌 엔드 투 엔드 해석을 수행하고 이를 위해 서로 다른 모델을 정렬하고 연결해야 할 필요성이 더 커질 것입니다. 이것이 글로벌 성능을 예측하는 유일한 방법이기 때문입니다."라고 말합니다. "모델 작성자는 모델 구축을 시작하는 순간부터 이러한 엔드 투 엔드 철학을 채택할 것을 강력히 권장합니다. 이는 처음부터 모든 기능을 사용할 수 있어야 한다는 의미는 아니지만 엔드 투 엔드 철학을 염두에 두고 작업하고 단계별로 구현해야 한다는 의미입니다. 조기에 배치하면 조기에 이점을 누릴 수 있습니다.

“Simcenter Amesim의 직관적인 측면은 매우 강력했습니다. 덕분에 사람들이 외부 기성 제품 사용에 눈을 뜨게 되었습니다. 그리고 더 많은 내외부 협업 기회에 대한 인식을 넓힐 수 있었습니다. 또한 동료들이 동일한 엔지니어링 언어로 소통할 수 있게 되었습니다.”

디지털 새

디지털화와 시뮬레이션이 항공 산업의 생산과 비용 효율성을 높이는 주요 동력이 되었다는 것은 자명한 사실입니다. 예를 들어, Airbus의 항공기 프로그램에는 지리적으로 확장된 생산 시설과 공급업체 에코시스템이 포함됩니다. 단일 가상 작업 환경이 만들어지면서 엔지니어는 위치에 관계없이 가상 팀으로 원활하게 함께 작업할 수 있게 되었습니다.

A350 XWB의 복합재 및 구조적 크기 결정을 위해 Airbus는 모든 구조 해석을 단일 CAE(Computer-Aided Engineering) 프레임워크로 통합하고 계산 프로세스, 방법, 소프트웨어 도구 및 데이터를 포함하는 ISAMI(Improved Structural Analysis through Multidisciplinary Integration) 플랫폼을 사용합니다. ISAMI는 Siemens Digital Industries Software의 LMS Samtech Caesam™ 소프트웨어를 기반으로 합니다. Airbus는 또한 항공기와 시스템의 가상 목업(DMU)을 만들었습니다. 이 도구는 차세대 제트 여객기를 개발하는 팀 전체가 참고할 수 있는 마스터 레퍼런스 역할을 합니다.

디지털화와 시뮬레이션으로 인해 결국 프로토타입이 필요 없게 될 것인지에 대해 Bénac은 "'항공기 -1'은 여전히 제품 검증의 필요성에 부합한다"고 말합니다. 우리의 목표는 서로 다른 MBSE 모델이 연결되고 통신하는 완전한 디지털 항공기입니다. 이 디지털 새는 프로토타입으로 사용되는 것이 아니라, 통합을 훨씬 더 쉽고 빠르게 만드는 수단으로 사용됩니다. 그것이 우리의 목적입니다.

“현재 다양한 모델 유형의 가능한 연결이 제한되어 있다고 쉽게 말할 수 있습니다. 이러한 한계는 MBSE와 더 높은 수준의 디지털 발전을 방해하는 문제입니다. 물리적 도구와 기능적 도구는 이미 충분히 완성도가 높고 컴퓨팅 성능을 충분히 사용할 수 있습니다. 다음 단계는 여러 모델 유형(예: 열 및 기능, CFD 및 열)을 연결하는 것입니다. 따라서 도구 편집자는 이러한 상호 운영성을 허용하는 차세대 표준 작업에 참여해야 합니다."

인증 프로세스에서 시뮬레이션은 어떻게 사용됩니까? "저희는 이미 시뮬레이션을 인증 크레딧으로 사용하고 있습니다."라고 Bénac은 말합니다. "하지만 이는 단계별 프로세스이며 진행 상황은 모델 성숙도에 따라 크게 달라집니다. 첫째, 모델과 프로세스의 충실도에 대해 스스로 확신해야 합니다. 둘째, 감항 담당자를 설득하고 외부 신뢰를 높여야 합니다. 물리적 테스트와의 차이점은 두세 가지 시나리오를 실행하는 대신, 담당자가 훨씬 더 다양한 대체 시나리오를 실행하도록 요구한다는 점입니다."