항공기 설계 (1부): 항공우주 엔지니어링의 새로운 지평 개척

전 세계적으로 가장 어려운 공학 전공 중 항공우주 및 항공 공학이 단연 상위를 차지합니다. 이 글을 읽는 엔지니어라면 어떤 제품이든 관여하는 일반적인 설계 주기에 익숙할 수 있지만, 항공 분야에서 요구되는 복잡성의 수준이 이를 그렇게 어렵게 만듭니다.

현대 항공기 설계는 엄격한 운용, 환경, 재정적 도전에 직면해 있습니다. 최신 보잉 737 맥스(Max) 사례 같은 설계 결함을 피하면서 복잡한 시스템을 설계하는 방식에 거대한 패러다임 변화가 감지되고 있습니다. 이 글에서는 현대 항공기 설계 주기의 흐름과 시제품 제조업체 서비스를 활용한 축소 테스트가 상황을 구할 수 있는 사례를 논의합니다.

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현대 항공기 설계 주기

이 글을 읽는 모든 설계자는 개념, 예비, 상세 설계라는 세 가지 기본 설계 단계에 익숙할 것입니다. 그러나 치열한 시장 경쟁과 고객의 높은 기대치는 기업이 다양한 기준을 충족하기 위해 설계 단계에서 놀라울 정도로 혁신해야 함을 의미합니다. 생애 주기 비용을 도움으로 항공기 설계 주기를 다음 다이어그램과 함께 논의해 보겠습니다.

보시다시피 제조 단계 이전 첫 세 단계가 전체 비용의 95%를 차지합니다. 초기 세 단계 중 가장 중요한 것은 1단계, 즉 기획 및 개념 설계입니다. 따라서 다른 두 단계에 앞서 첫 단계를 자세히 살펴보겠습니다.

기획 및 개념 설계

초기 단계는 요구사항이 기존 기술로 충족될 수 있는지 판단하는 타당성 연구로 표시됩니다. 게다가 타당성 연구는 프로젝트의 경로 최적화에도 도움이 됩니다. 즉, 완전 재설계(최고 위험과 비용) 또는 기존 설계 채택/수정입니다. 이를 따라 개념 설계 단계가 시작됩니다. 항공기 설계자라면 레이머(Raymer)와 로스캄(Roskam) 모델을 잘 아실 것이고, 이들이 개략하듯 개념 설계 단계는 다음 기본 질문에 답하는 것을 포함합니다:

• 작동할 것인가?
• 어떻게 생겼는가?
• 요구사항은 무엇인가?
• 트레이드오프를 어떻게 최적화하는가?
• 중량과 비용을 어떻게 최적화하는가?

개념 설계 단계의 궁극적 목표는 추가 개선을 위한 실행 가능하고 최적의 설계 컨셉을 식별하고 준비하는 것입니다. 이 단계는 따라서 최소한의 실험 결과 지식과 설계 실용성에 대한 제한된 데이터로 다양한 설계 컨셉을 구축, 연구, 검토하는 것을 포함합니다. 아래 그래프는 개념 단계에서 후기 단계에 비해 더 큰 불확실성 범위를 묘사합니다. 이에 더해 이 단계에서 수명 주기 비용의 65%가 발생한다는 사실은 나중에 기본 설계 변경이 전체 수익 감소와 마감일 연장을 의미함을 뜻합니다.

개념 설계 단계에서 흔히 직면하는 딜레마는 충족해야 할 요구사항 세트를 명확히 정의하지 않고 설계 프로그램을 시작하는 것입니다. 시장 요구사항을 개략하고 고객이 기대를 명시적으로 알리도록 하는 것이 매우 중요합니다. 나중에 요구사항을 다듬으면 비경제적이고 비효율적인 접근이 되며, 그런 설계 주기는 발생한 수명 주기 비용에 심각한 영향을 미칩니다. 항공기 설계의 경우 고객이 설정한 다양하고 종종 상충하는 요구사항과 기대가 있습니다. 날개, 엔진, 동체, 착륙 장치, 꼬리날개, 카나드 등 항공기 다양한 부품 기반의 복잡하고 다양한 항공기 시스템은 다중 과제를 의미합니다.

이를 다루는 것은 그 자체로 하나의 예술이며, 그래서 그런 결정은 다속성 의사결정(MADM) 같은 기술을 사용하여 촉진됩니다. 이런 기술의 도움으로 암묵적 고려사항이 작동하게 되고, 의사결정이 단일 포인트 결정론적 접근에서 동적 매개변수적 접근으로 이동합니다. 게다가 다학제 분석 및 설계 최적화 같은 기술은 그런 환경에서 얽힌 제약 조건을 충족하는 데 필수적입니다. 이 기술은 다양한 항공 공학 전공 간의 상호작용을 묘사하는 다음 다이어그램에 개략되어 있습니다.

앞서 개략한 개념 설계 단계의 불확실성과 관련하여, 확립된 방법은 확률 이론과 설계 방법을 기반으로 합니다. 이 방법들은 각 설계 제약에 대해 확률 밀도 함수(PDF)와 누적 분포 함수(CDF)를 사용합니다. 여러 설계 제약에 대한 데이터가 집단적으로 플로팅되고 분석됩니다. 이 누적 데이터는 설계자에게 설계 영역에 대한 명확한 통찰을 주고 제약을 완화하거나 전반적인 설계 주기 개선을 위해 기술을 도입해야 하는지 판단하게 합니다.

간단히 말해, 설계자는 입력 요인의 변동성을 고려하여 입력과 출력 변수 간의 관계를 만듭니다.

예비 설계(Preliminary Design)

이 단계는 1단계에서 확정된 컨셉의 다양한 설계 요소를 크기 조정하는 데 기념비적으로 중요합니다. 항공기의 다양한 시스템과 하위 시스템 간의 학제간 상호작용에 대한 심층 연구와 분석이 필요합니다. 예를 들어 에어로일라스티시티(aeroelasticity) 개념은 구조 역학과 공기역학의 결합입니다.

오늘날 현대 엔지니어링 시대에서 예비 설계 단계에는 신뢰성, 정비성, 안정성, 제어, 안전, 경제성 같은 고려사항도 포함됩니다. 이제 이 설계 단계에 놓인 과제와 최적의 대처 방법을 더 자세히 논의하겠습니다.

정교하고 복잡하며 정확한 모델링에는 계산 유체 역학(CFD)과 유한 요소 분석(FEA) 같은 고급 수치 알고리즘 사용이 필요합니다. 그러나 예외적으로 높은 계산 비용은 설계자들에게 또 다른 과제입니다. 다음 다이어그램은 고충실도 도구 선택과 단순 시뮬레이션 사용 사이의 트레이드오프를 비유적으로 묘사합니다.

복잡하고 고충실도 도구로 이동한다는 것은 더 높은 계산 비용을 의미할 뿐만 아니라, 종종 수백 개에 달하는 여러 변수와 그들의 상호의존성도 다루어야 하는 과제가 있습니다. 따라서 시뮬레이션 환경을 식별하고 매핑하는 데 상당한 시간이 소요됩니다. (이야기는 끝나지 않았습니다!!!)

이 내용에 여전히 관심이 있으시다면 항공기 설계 (2부): 지평 확장을 읽어보세요. 감사합니다.