항공우주 엔지니어링 서비스 회사, Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 항공기 인증 비용 절감

확실한 비용 절감

Boeing의 수석 엔지니어인 Wayne Tygert는 인증에 사용된 787-10 Dreamliner 시험 비행 프로그램 중 하나를 설명하면서 다음과 같이 말합니다. "우리의 목표는 지금까지 본 적 없는 가장 지루한 비행 테스트 프로그램을 갖추는 것이었습니다."

900시간에 걸친 3대의 항공기 테스트, 수천 개의 규정, 4,000개 이상의 문서, 수백만 달러가 필요한 작업을 설명할 때 일반적으로 지루하다는 단어가 가장 먼저 떠오르지는 않습니다. 787-10이란 무엇인가요? 이미 인증된 787-9의 중간 부분을 간단히 확장하여 승객 40명을 더 수용할 수 있습니다. 최초의 787 Dreamliner는 새로운 설계에 대한 신청부터 인증까지 8년이 걸렸으며, 비행 테스트에 4,645시간의 비행 시간을 기록했고, FAA(미국 연방항공국) 전문가들은 200,000시간 이상이 걸렸으며, 인증 비용은 훨씬 더 높았습니다.

새 항공기든 개조된 항공기든 항공기 인증을 받는 것은 가장 안전한 운송 수단을 획득하는 과정임에도 불구하고 장기간에 걸친 비용이 많이 드는 규제적 절차입니다. 역사상 가장 큰 항공기부터 강철과 직물로 만든 2인승 소형 항공기에 이르기까지 모든 항공기는 운항 전에 감항성 및 규정 준수를 입증하고 규제 당국의 인증을 받아야 합니다.

막대한 인증 비용

인증 비용은 기본 범주 항공기(좌석 3개 이하)의 경우 100만 달러, 일반 항공기의 경우 2,500만 달러, 상업용 항공기의 경우 1억 달러 이상으로 추산됩니다. 인증 비용과 지연 비용은 수백만 달러에 달할 수 있으며, 때로는 항공기 개발 비용만큼 많은 비용을 소모할 수 있습니다. 인증 프로세스에 따라 손익이 달라질 수도있습니다.

인증 요구사항을 충족하지 못하고 비용이 많이 드는 재설계 및 비행 테스트가 필요한 설계로 인한 프로그램 지연, 배송 날짜 경과, 비용 초과 및 안전 문제가 자주 발생합니다. 기업이 인증 비용과 시간을 절감하려면 어떻게 해야 할까요? 감항성을 입증하면서 비용이 많이 드는 테스트를 줄일 수 있을까요?

TLG Aerospace의 Robert Lind와 Andrew McComas는 항공기 설계, 개발 및 인증 분야에서 쌓은 45년의 경험을 바탕으로 이러한 문제를 능숙하게 해결합니다. 시애틀 레이크 유니온(Lake Union)에 있는 6층 건물의 한 층을 차지한 이 소박한 사무실에서 현대 항공업게의 주요 고객에게 경험과 전문성을 제공한다고 믿기 어려울 수 있습니다. TLG Aerospace는 수많은 고객이 미국에서 저렴한 비용과 놀라운 수준의 효율성으로 짧은 시간 내에 FAA 인증을 받도록 지원해 왔습니다.

해석 기반 검증

FAA 항공기 인증은 설계 인증, 생산 인증(PC) 및 감항성 인증(AC)의 세 단계로 구성됩니다. 설계 인증 단계에서 설계 안전성, 작동성 및 내구성을 승인하며, 새로운 설계에 대한 유형 인증서(TC)와 수정된 설계에 대한 추가 유형 인증서(STC)가 포함됩니다. PC 단계에서 부품, 컴포넌트 및 시스템의 제조를 승인하는 반면 AC 단계에서 항공기 작동을 승인합니다.

이 프로세스는 전 세계의 다른 규제 기관과 유사합니다. FAA는 테스트 또는 테스트를 통해 검증된 해석을 기반으로 한 인증을 요구합니다. 이 업계에서는 이를 CBA(Certification by Analysis)라고 부릅니다. 이러한 해석은 인증 기관에서 사전에 합의한 대로 비행 범위 중 지정된 범위에 대한 비행 테스트를 통해 검증된 전체 기체 모델을 사용하여 수행됩니다. 전체 기체 모델의 구성요소는 다음과 같습니다.

• 공기역학: CFD(전산 유체 역학), 저차수 방법, 풍동 및 핸드북 분석의 조합은 비행 테스트에서 압력 및 변형률 측정으로 검증됩니다.
• 구조: FEA(유한 요소 해석) 및 핸드북 계산은 지상 진동 테스트(GVT) 및 지상 테스트의 정적 하중으로 검증됩니다.
• 질량 특성: CAD(Computer-Aided Design) 및 분동 부기는 계량으로 검증됩니다.
• 비행 제어: 비행 제어 법칙은 통합 시뮬레이션과 비행 테스트로 검증됩니다.

통합된 전체 기체 모델은 궁극적으로 비행 테스트를 통해 검증되며 정확하거나 보수적인 모델임을 나타내야 합니다. 인증 기관은 분석을 통해 안전한 결과를 얻도록 보장합니다. OEM(주문자 상표 부착 생산업체)은 일반적으로 중량 초과와 성능 저하를 방지하기 위해 보수성을 제한하는 것을 우려하고 있습니다.

CFD를 통한 인증에 대한 TLG Aerospace의 접근 방식

TLG Aerospace의 엔지니어링 책임자, FAA 비행 분석가 DER(지정 엔지니어링 담당자) 겸 FAA 플러터 DER을 맡고 있는 Lind는 다음과 같이 말합니다. "수행할 수 있는 분석의 양과 인증 프로세스에서 사용할 수 있는 양 사이의 균형에서 변화가 일어났습니다." "이는 업계에서 30년 동안 일하면서 목격한 정말 흥미로운 발전입니다. CFD 코드와 컴퓨터의 성능이 향상됨에 따라 더 빠르게 더 낮은 비용으로 인증할 수 있습니다."

Lind는 고객이 해석에 기반해 인증을 입력하도록 지원하는 업무를 주로 담당하고 있습니다. TLG Aerospace에서 4명의 상주 DER 중 한 명인 그는 FAA를 대신하여 특정 인증 기능에 서명할 수 있습니다. TLG Aerospace는 CFD 해석을 위해 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter STAR-CCM+ ™ 소프트웨어를, FEA를 위해 MSC Nastran® 소프트웨어를 사용하여 전체 비행 범위에 적합하게 모델링된 하중, 플러터 및 핸들링 품질에 대한 전체 기체 인증 모델을 개발합니다.

TLG Aerospace의 엔지니어링 관리자 겸 공기역학 전문가인 Andrew McComas는 다음과 같이 언급합니다. "설계와 다른 인증 환경에서 Simcenter STAR-CCM+를 활용합니다. CFD는 인증 프로세스에서 중요한 역할을 합니다. FAA에서 승인한 답변을 얻기 위해서 CFD를 사용한 것이 아닙니다. CFD를 사용하면 실물 크기의 항공, 구조, 제어 모델을 구축하여 기체 반응을 시뮬레이션하고 적재 및 처리 정보를 생성할 수 있습니다."

새 항공기를 인증하려면 공기역학 데이터베이스가 필요합니다. 전체 분석 데이터베이스를 구축하려면 짧은 시간 내에 수십만 개의 조건에 대한 데이터를 사용할 수 있어야 합니다. 기체의 공기역학적 특성은 설계 시 CFD를 사용하여 극단적인 비행 범위에서 계산됩니다. CFD 결과는 공탄성 프로세스 내의 차수 축소 공기역학 모델에 매핑됩니다. TLG Aerospace는 공탄성 모델을 보정하여 강성 CFD를 기반으로 하는 전체 기체 공탄성 솔루션을 개발합니다. 최종 공탄성 모델은 강성 모드에서 전체 기체 통합 및 분산 공기역학을 재현하고 몇 초 만에 수렴된 공탄성 솔루션을 생성합니다.

이제 특정 조건에서 규정이 충족됨을 입증하도록 예측을 실행합니다. 그런 다음 비행 테스트를 통해 해석 모델을 검증합니다. 이 검증에서는 비행 중 테스트의 위험을 줄이기 위해 전체 비행 범위보다 작은 값으로 제한될 수 있습니다. 검증이 완료되면 다른 비행 조건에서 규정 준수를 표시하는 데 사용할 수 있습니다. 충실도가 높은 비행 전 테스트 모델을 사용하면 필요한 비행 후 테스트 모델 조정 및 보정의 양이 크게 줄어듭니다.

Simcenter STAR-CCM+를 통한 인증 비용 절감

McComas는 Simcenter STAR-CCM+와 AWS(Amazon Web Services)가 인증 비용을 절감하는 최적의 해법을 제공한다고 말합니다.

McComas는 다음과 같이 언급합니다. "Simcenter STAR-CCM+는 간단한 프로세스와 모범 사례를 통해 강력하고 정확하며 반복적으로 실행됩니다." "이를 통해 이 코드를 항공 데이터베이스 생성을 위한 소스로 사용할 수 있다는 확신을 갖게 되었습니다. Siemens의 POD(Power-on-Demand) 라이선스를 사용하는 AWS의 탄력적인 컴퓨팅으로 다중 컴퓨터 클러스터에서 다중 시뮬레이션을 동시에 안전하게 실행할 수 있습니다. POD 라이선스 모델이 없다면 탄력적 컴퓨팅 리소스를 충분히 활용할 수 없고 연간 라이선스 비용이 커집니다.

요컨대, 전체 항공 데이터베이스는 비용 효율적인 라이선스를 통해 더 짧은 시간에 구축됩니다. 추가적인 이점은 무엇일까요? 풍동 테스트 횟수 감소가 있습니다.

CFD 또는 풍동 중 어떤 것을 사용할까요? 두 개 모두를 사용할 수 있습니다. TLG Aerospace는 저속 및 고속에서 100회 이상의 풍동 테스트 캠페인을 경험한 후 테스트 분야에서 상당한 실험 배경 지식을 보유하고 있습니다. 그렇다면 풍동 테스트는 인기가 떨어졌나요? 전혀 그렇지 않습니다.

쉽게 설명하자면 풍동은 여전히 왕이지만 이제 왕은 CFD라는 신뢰할 수 있는 자문 위원회에 왕실의 의무를 갈수록 더 많이 위임하고 있습니다. 풍동 테스트는 새로운 항공기 구성을 위한 항공 데이터베이스 개발에 여전히 사용됩니다. 그러나 CFD는 일부 조건에서는 테스트를 보완하고 다른 조건에서는 테스트를 대체하여 막대한 비용 절감 효과를 거두고 있습니다. 그림 4는 TLG Aerospace에서 관찰한 풍동 테스트와 레거시 CFD 코드 및 Simcenter STAR-CCM+의 개념을 비교한 것입니다. Simcenter STAR-CCM+는 최소한의 투자로 일부 테스트 요구사항을 줄이고 대체할 수 있습니다. 풍동 테스트의 사용률과 모델 비용을 고려하면 상당한 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

풍동 테스트는 여전히 높은 받음각(angle of attack) 및 사이드슬립 처리 분석과 같은 초기 분리 방식에 가장 적합합니다. CFD는 적당한 받음각과 상세한 유동장(flow-field) 조사에 가장 적합합니다.

McComas는 다음과 같이 말합니다. "현재 Simcenter STAR-CCM+에서 레거시 방법 및 풍동 테스트보다 훨씬 적은 비용과 일정으로 대규모 데이터베이스를 실행할 수 있습니다." "불과 10년 전만 해도 불가능했던 일입니다."

탄력적인 컴퓨팅과 클라우드 라이선싱을 사용하면 많은 수의 CFD 사례를 동시에 실행하는 데 기술적 제한이 없습니다. 또한 TLG Aerospace는 규모에 관계없이 대부분의 모델을 한 시간 이내에 실행할 수 있는 완전히 상세한 대규모 시뮬레이션을 정기적으로 실행할 수 있으며, 이는 이전에는 불가능했던 일입니다.

TLG Aerospace는 AWS와 함께 탄력적 컴퓨팅을 사용하여 CFD 시뮬레이션당 총비용의 75%를 절감하고 있습니다. 이를 지원하는 기술은 AWS 클라우드에서 사용하지 않는 컴퓨팅 용량을 대폭 할인된 가격으로 활용할 수 있는 Amazon 제품인 Amazon EC2 Spot Instances(스폿 인스턴스)입니다.

다재다능한 인증 기능을 보유한 CFD

기존 유형의 인증 항공기를 수정 및 추가하면 적용되는 규정이 변경됩니다. 구형 기체를 새롭게 변경하여 비행 한계까지 적용하면 위험하고 비용과 시간이 많이 소요됩니다. FAA에서는 최초 항공기의 규정 준수가 수정으로 인해 변경되지 않았음을 입증하는 수단으로 CFD를 허용합니다. TLG Aerospace와 같은 회사는 CFD를 적극적으로 채택하고 이를 활용하여 규정 준수를 입증하기 위한 지원 데이터와 입증 자료를 생성합니다.

"과거에는 엔지니어가 수정 사항에 대해 전혀 질문하지 않고 테스트를 진행해야 했습니다. 이제 CFD는 일부 테스트 요구사항을 제거하기 위해 데이터를 생성합니다."라고 McComas는 말합니다.

인증의 다른 CFD 응용 분야에는 2차 구조물, 페어링, 안테나 및 레이돔에 대한 압력 하중, 착빙, 공기 데이터 시스템 위치, 내부 흐름, 윙렛 등이 포함됩니다.

시나리오는 다음과 같습니다. 새로운 레이돔이 항공기에 고정되어 있다고 상상해 보십시오. 제조업체가 규정을 준수하려면 이제 레이돔 구조물이 비행기에서 떨어질 경우 충격 없이 안전하게 분리됨을 입증해야 합니다. 비행 테스트에서 레이돔을 문제 없이 분리해야 합니다. 새로운 구조물의 결빙이 규정 준수 및 운영 안전에 영향을 미치지 않는다는 것을 입증하는 데에도 이와 유사한 문제가 있습니다.

McComas는 다음과 같이 말합니다. "여기서 유일하게 실현 가능한 옵션은 검증된 분석을 사용하여 구조가 안전한 분리 기준을 충족한다는 것을 보여주는 것입니다." "TLG Aerospace는 Simcenter STAR-CCM+에 타사의 다른 소프트웨어 없이 이러한 계산을 수행할 수 있는 모든 도구를 내장하고 있습니다."

또한 드론 및 에어 택시, 군용 항공기, 재탄생한 초음속 등과 같은 새롭고 혁신적인 항공기의 갑작스러운 출현도 해석 기반 인증의 이점을 누릴 것입니다.

CFD의 'C'는 인증을 의미

McComas는 다음과 같이 말합니다. "Simcenter STAR-CCM+는 수많은 FAA 승인 인증서를 받는 데 기여했습니다." "이 소프트웨어는 TLG Aerospace의 모든 인증 프로그램에서 중요한 역할을 하고 있습니다."

컴퓨터, 코드 및 라이선스가 지속적으로 발전함에 따라 CFD가 풍동 테스트를 완전히 대체할 가능성은 거의 없습니다. 그럼에도 불구하고 인증에서 CFD의 역할은 비행 테스트를 보충하고 보완하기 위해 시간이 지남에 따라 증가할 것입니다.

현재 TLG Aerospace와 같은 회사는 CFD에서 극한의 비행 범위에서 규정 준수를 입증하는 어려운 작업을 수행하고, 비행 테스트 조건의 수를 줄이고, 테스트를 통해 하중을 낮추고, 잠재적인 테스트 위험을 예측할 수 있는 신뢰할 수 있는 작업 도구를 발견했습니다. 유연한 라이선스와 탄력적인 컴퓨팅은 해석 기반 인증의 사례를 더욱 구체화하고 있습니다.

McComas는 다음과 같이 말합니다. "이제 더 큰 범위, 더 경쟁력 있는 프로젝트에 입찰할 수 있고, 고객의 비용을 절감하고, 회사 자금을 효율적으로 사용할 수 있습니다."