UAM과
가상 디지털 트윈
글.김창균(주)모아소프트 기술총괄(공학박사)
디지털 트윈은 존재하는 실물을 디지털 모델로 전환해, 실물의 상태를 관찰하고 변화를 반영한다.
이를 통해 실물 모델 단독으로 제공하기 힘든 서비스를 제공하거나
기존 서비스의 질을 향상시키는 것은 물론, 상태를 검증해 위험을 줄일 수 있다.
그러나 만약, 실물이 존재하지 않는 경우라면 어떻게 해야 할까?
이 때 필요한 것이 바로 ‘가상 디지털 트윈’이다.
특히 UAM과 같이 최상의 성능과 수명을 유지하는 것이관건인 경우에는
실물 제작 전 가상 디지털 트윈을 통해 그 효과와 안전성을 검증해야 한다.
가상 디지털 트윈은 디지털 모델인
가상 원형 모델(Virtual Prototype Model)을 만들고
가상 원형 모델이 생산 또는 출하되기 전에
최상의 성능과 수명을 유지할 수 있도록
설계 모델 데이터를 시뮬레이션 기반으로 최적화하여
출하 전 가상 설계 검증을 하는 일련의 과정을 의미한다.
현실에 없는 실물을 위한 ‘가상 디지털 트윈’
도로위에 자율주행 자동차가 있다면 하늘에서는 UAM이 있다. 자율주행 자동차와는 다른 서비스를 목적으로, 하늘길을 다니며 자율 운항을 하는 것이 목표다. 자율주행 자동차와 다른 UAM의 경우 항공기이므로 ‘항로’라는 이름으로 제어가 필요하며 기존의 항공기가 가지는 항공 운항과는 또 다른 새로운 항로와 운용 계획 시나리오가 필요하다. UAM의 운항을 위해서는 많은 준비가 필요할 것이다. 첫번째, 항공기 제작 및 승인, 두번째, 항공기 운항 및 관제 로 크게 구분할 수 있을 것 같다. 본 기고 글에서는 항공기 제작 및 승인에 관한 부분을 ‘가상 디지털 트윈’이라는 이름으로 접근해 본다.
일반적인 디지털 트윈은 실물이 존재하는 상태에서 실물을 디지털 모델로 전환(Digital Transformation)하고 실물과 똑같이 생긴 쌍둥이 디지털 모델에서 실물의 상태 기반 관찰(Condition Based Monitoring, CBM)을 통해 시스템이 최상의 조건으로 운행이 가능하도록 하는 모든 조치(시뮬레이션기반 해석을 통한 최적화)를 현실에 있는 실물에 반영하는 것을 목표로 하는 기술이다.
반면, 아직 현실에 실물이 없는 경우 가상 디지털 트윈으로 정의할 수 있으며 디지털 모델인 가상 원형 모델(Virtual Prototype Model)을 만들고 가상 원형 모델이 생산 또는 출하되기 전에 최상의 성능과 수명을 유지할 수 있도록 설계 모델 데이터를 시뮬레이션 기반으로 최적화하여 출하 전 가상 설계 검증을 하는 일련의 과정을 의미한다.
시뮬레이션 기반 기술은 기계적 특징인 소음, 진동, 충격(Noise, Vibration, Harshness, NVH), 열-유동(Thermal-Fluent), 큰 에너지 흐름의 전기적 장치와 제어 기반의 전자적 장치와 같은 물리적인 형상을 가지는 것으로 국한한다. 소프트웨어 부분은 RTCA DO-178C와 같은 항공기 시험 규격이 적용된다.
연료 탱크가 없는 전기 비행체인 UAM의 경우
배터리, 모터, 전자 항법 장치와 같은
비행 필수 장치 등 어느 것 하나 소홀할 수 없다.
더구나 항공기는 3차원 공간을 이동하는 탈 것이기에
자동차와는 다른 전자 제어 장치를 필요로 한다.
특히 자율주행 및 관제 유도를 해야 하므로
무선 통신 및 항법 장치가 파손되면
운전대가 없어진 자동차의 형국이 된다.
UAM에 더 엄격한 기준이 필요한 이유
기계적인 부분은 항공기를 이루는 뼈대이자 몸통이므로 어느 것 하나 소홀히 해서는 안 된다. 이륙 중량으로 인한 항공기 경량도 필수 조건이다. 그러다 보니 사소한 연결 브라켓과 같은 형상도 토폴로지(Topoogy, 공간 관계를 명시적으로 정의하는 위상 구조) 해석을 통해 경량화해야 하며 기계적인 강도는 유지하면서 뼈대의 무게를 줄여야 한다. 이런 부품과 부품을 결합하면 전체 항공기 뼈대와 몸통이 만들어질 것이다. 이제 배터리와 모터만 있으면 이륙할 수 있을 것 같지만 그렇지 않다. 자동차에서도 배터리의 발화와 같은 불안 요소가 여전히 고민거리인 만큼, 항공기 역시 이 부분을 간과할 수 있다. 자동차가 하늘을 날아간다는 의미로 보면 더 큰 배터리와 모터가 필요할 것은 어찌 보면 당연할 것이다.
더 많은 충전과 방전으로 인한 열화 및 피로도가 누적됨에 따라 불안감도 커진다. 이런 불안은 다행히 배터리 컨디션 기반 모니터링에 기반한 최적화를 통한 개선할 수 있다. 하지만 장착 전 배터리 셀(CELL) 설계 및 가상 장착 단계에서 열화, 충방전으로 인한 피로도, 진동, 충격 등으로 인한 피로도를 모두 예측해야 유지 보수에 대한 안정성과 신뢰성을 확고히 할 수 있다. 또한, 비행 조정용 컴퓨터 및 각종 전자 제어 장치 및 센서도 필요할 것이다. 고도, 방향, 속도와 같은 것은 모두 센서에 의존한다. 이들 장치의 파괴 및 손실은 여객의 안전과 밀접한 큰 쟁점이다. 이런 장치의 파괴 및 손실은 여객의 안전과 밀접한 큰 쟁점이기에, 항공기는 제작과 관련해 RTCA DO-160G라는 까다로운 승인 절차를 통과해야 한다. 경비행기(고정익) 및 헬리콥터(회전익) 뿐만 아니라 초음속 항공장비의 환경시험 기준 및 표준절차를 제공하는 RTCA DO-160은 26개의 섹션으로 분류되어 있으며 그 중 섹션23은 낙뢰다. 낙뢰 에너지는 항공기에 피격되는 위치에 따라 구분되지만 가장 큰 값은 200,000A(암페어) 수준이며 이 규정이 적용되기 전 제작된 항공기 중 일부가 연료 탱크에 아크 불꽃이 발생하면서 큰 사고가 발생하게 되었다. 이를 계기로 항공기 환경시험 규정이 신설되어 항공기 인증 시험의 필수 항목이 되었다.
연료 탱크가 없는 전기 비행체인 UAM의 경우 배터리, 모터, 전자 항법 등 어느 것 하나 소홀할 수 없다. 자동차는 수평적 이동을 목적으로 하는 탈 것이라면 항공기는 3차원 공간을 이동하는 탈 것이므로 자동차와는 다른 전자 제어 장치를 필요로 한다. 특히 자율주행 및 관제 유도를 해야 하므로 무선 통신 및 항법 장치가 파손되면 운전대가 없어진 자동차의 형국이 된다.
그래서 더 안전하게 보호되어야 한다. 자동차는 화재가 발생해도 승객이 하차 후 대피하면 되지만 항공기에서는 이마저 불가능하다. 더욱 더 강화된 환경 시험과 안전 시험이 요구되는 이유다. 하지만 이렇듯 강화된 안전망이 경량 ‘도심형항공모빌리티’인 UAM 개발에 걸림돌이 되어 일부에서는 완화를 주장하기도 한다.
가상 설계 검증은 시뮬레이션 기반의
검증 시스템으로 기체 제작 전에
항공기 안전과 관련해 각각의 위협에
대응하려면 어떻게 해야 하는지,
얼마만큼의 안전성을 확보했는지 등을
확인할 수 있게 하는 장치다.
기체 제작 전 위협 요소를 줄이는 가상 설계 검증
가상 설계 검증은 이런 위험성을 분석하고 항공기 안전에 관한 환경시험 기준에 준하는 시뮬레이션 기반의 검증 시스템이다. 이 시스템을 통해 기체 제작 전에 각각의 위협에 대응하려면 어떻게 해야 하는지, 얼마만큼의 안전성을 확보했는지 등을 확인할 수 있다. 일종의 성적표인 셈이다. 가상 디지털 원형은 아직 생산되지 않은 상태이므로 제작 비용으로 인한 표면적 손실이 적게 발생한다. 다만, 가상 디지털 트윈 환경 구축은 기존에 없던 것을 새로이 갖추는 것이기에 초기 구축비용이 발생할 수밖에 없다.
상업적 용도의 제품을 개발해 본 개발자들은 일단 만들고 보자는 경향이 있다. 틀린 말은 아니다. 하지만 제품을 여러 번 만들다 보면 개선도 되지만 개발 기간과 비용이 상승하게 된다. 최종 제품의 승인은 전자파 인증을 통과하는 것인데 이 부분은 결과를 모른 채 전자파 시험소에 가서야 확인이 된다. 해결은 제품 디버깅이라는 이름으로 다시 수정하고 제작한다는 의미이다. 그러고도 제품이 전자파 인증을 통과하지 못하는 경우 세상에 나오지 못하고 비용만 낭비하게 된다.
전자파 장해 검증을 통과하기 위한 과정은 다음과 같다. 시뮬레이션 기반의 설계 적용과 전자파 시험 환경과 같은 디지털 전자 모형으로 최종 제품을 가상 시험하는 것이다. UAM의 경우 초기 고장 및 불량에 대응하기 위해 환경 스트레스 스크리닝(Environmental Stress Screening, ESS: 전기적 하드웨어 시험 프로세스로 새로 제작된 제품 또는 컴포넌트를 온도와 진동 같은 환경에 노출시킴으로써 잠재된 결함을 이 프로세스를 통해 발견)을 통해 부품을 관리한다. 하지만 실제 시험은 시간 비용이 많이 발생하므로 미국표준협회 ANSI/VITA 51.2 규격에서권장하는 신뢰성 도구인 Design for Reliability[구. DfR, 현. Sherlock(Ansys)] 도구로 부품 및 물리적인 진동, 소음, 충격, 온도와 같은 스트레스를 관리해야 고장의 원인과 수명이 도래한 부품의 교체 주기를 운용환경에 맞게 관리할 수 있다.
이런 부품을 사용한 전자 장치 등등을 신호 무결성, 전원 무결성, 전자파 장해 검증을 모두 시뮬레이션으로 최적화하면 UAM 기체 제작과 관련된 기본적인 가상 원형 모델이 가상설계 검증 단계를 거쳐 가상 디지털 트윈 모델로 제작 운영될 수 있는 기본을 충족하게 된다. 이로서 UAM은 가상 원형의 형상 또는 설계 변경에 따른 전체 성능 변화도 같이 연동되는 진정한 의미의 가상 디지털 트윈이 되는 것이다.
