모델 기반 시스템 엔지니어링을 활용한 eVTOL의 가상 인증의 가속화

현재 항공우주 분야에서는 연속적 엔지니어링, 인증, 분산, 협업 개발, 통합 검증 플랫폼, 인증, 그리고 견고한 운영 성능과 같은 다양한 과제가 있습니다. 이러한 도전에 대응하기 위해서는 종합적이고 신뢰할 수 있으며 추적 가능하며 반복 가능하며 맞춤 가능한 가상 환경에서의 의사결정이 필요합니다. 또한, 통합업체와 공급업체 간의 긴밀한 협업과 높은 안전 수준을 유지하는 것이 중요한데, 이를 위해서는 각 결정과 그 배경을 추적할 수 있는 능력이 필요합니다. 이러한 능력은 엔지니어링 플랫폼에 중요한 가치를 제공합니다.

항공 개발에 관련된 다양한 고객 및 연구 프로젝트에 참여하면서, EASA 및 FAA와 같은 권위있는 기관이 제정한 인증 기준은 기술적 측면에서는 새로운 기술 때문에 매우 엄격하며, 안전 수준이 높기 때문에 행정적 측면에서도 매우 엄격합니다. 최종 인증을 위해 충족해야 할 성능 및 안전 요구사항을 정의하는 구체적인 규정(예: MOC SC VTOL 제안)을 살펴보겠습니다:

1. 리프트-오프 확인

“출력과 동력 전달 시스템 설계는 최대 이륙 중량인 1.6톤(페이로드 포함)에서 이륙이 가능하도록 해야 하며, 동시에 배터리와 전기 시스템에 최대 부하가 발생하는 상황에서도 안전한 상태를 유지해야 합니다”

2. 최대 열 테스트

“적용된 냉각 시스템은 배터리를 최대 부하와 가장 불리한 조건에서 최소 5분간 안전한 온도로 유지해야 합니다.”

3. 자세 및 운동 제어를 위한 컨트롤러 디자인

“자동 비행 제어 시스템은 정상 운영 및 주어진 환경 조건 하에서 각각 20도와 10m 내외의 허용 오차 범위 내에서 사전에 정의된 경로를 유지하고 따라갈 수 있어야 합니다.”

4. 배터리 구성 요소 시험

“피크 전류(최대 전류의 5배)에 대한 배터리 전압 감소는 200V 이하로 유지되어야 합니다.”

5. 모터 고장 시 비상 착륙

“자동 비행 제어 시스템은 단일 로터 전원 손실이 20%인 비정상 상황을 감지하고 주어진 환경 조건 하에서 안전한 비상 착륙을 수행할 수 있어야 합니다.”

저와 동료들은 5월에 텍사스의 포트워스에서 열린 VFS Forum 78에서 이 주제에 대한 논문을 발표했습니다. 이는 로터크래프트 이벤트로서, 우리는 모범적인 eVTOL 아키텍처를 활용하여 엔지니어들이 새로운 디자인의 크기와 성능을 가상으로 검증할 수 있는 솔루션을 소개했습니다.

우리는 이와 관련된 솔루션 파트너로서의 역할을 수행하기 위해 CleanSky2 프로젝트 MISSION의 핵심 파트너로서 활동하며 주요 경험과 발전을 이루어 왔습니다. 여기서 ESI는 항공우주 설계 프로세스에서 요구 사항부터 인증까지 다양한 시스템 분해 수준과 시스템 통합에 이르는 원활하게 통합된 워크플로우를 지원하는 소프트웨어 툴체인 기술을 개발했습니다. 우리가 제시한 구체적인 사용 사례를 살펴보기 전에, 현대의 가장 큰 공학적 도전 과제 중 하나인 시스템과 그 기반이 되는 프로세스의 복잡성에 대해 간단히 되돌아보겠습니다.

• 항공 우주 분야에서 복잡성이 증가하는 한 가지 이유는 새로운 기술이 적절히 인증되어야 한다는 것입니다.
• 제품의 성능을 보장하고 시장 출시 전 및 제품 라이프 사이클 동안 그 행동과 안전에 대한 신뢰를 확립하는 것도 또 다른 이유입니다.
• 마지막으로, 차세대 메카트로닉 및 사이버물리 시스템 자체의 점점 더 증가하는 복잡성과 OEM(Orginal Equipment Manufacturer)들이 점차적으로 개발 및 테스트를 가상화하고 지속 가능한 저배출 실천을 통한 새로운 제품을 추가로 복잡하게 만드는 것입니다.

그러나 이러한 복잡성을 관리하는 능력은 시스템 엔지니어링과 같은 방법론을 정의할 필요성을 보여줍니다. 이러한 방법론은 관심 대상 시스템을 종합적으로 접근하는 모델 기반 파생물을 통해 이루어집니다. 제품의 라이프사이클 동안 격리되어 있는 구성 요소를 효과적으로 통합하기 위해서는 데이터와 프로세스를 견고하게 통합하거나 연결하는 것이 필요합니다. 이것이 현대 제품 개발이 모든 엔지니어가 가상으로 명시, 정의, 시뮬레이션 및 검증을 통해 신중한 결정을 내릴 수 있는 포괄적이고 지속적인 참여를 허용하는 방식으로 진화하고 있는 이유입니다.

이 새로운 작업 방식을 살펴보겠습니다. 저와 동료들은 중립적인 디지털 스레드 통합 기술을 적용하여 MBSE 방법론을 실현하여 모든 eVTOL 시스템 요구 사항의 가상 검증을 가능하게 했습니다. 이를 통해 개발 시간과 비용을 줄였습니다. 우리의 샘플 사례에서는, 반자율적인 Urban Air Mobility (UAM) 응용을 위한 의미 있는 유용하고 지속시간을 갖는 eVTOL을 설계하는 것이 목표였으며, 안전, 성능 및 편의에 관한 인증 규정을 준수했습니다.

이는 전형적인 항공우주 분야의 예시로, 다음과 같은 특징이 있습니다:

• 설계 검증을 위한 물리적 프로토타입은 매우 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요됩니다.
• 센서 디자인(자율 주행 UAM을 위한)은 교통 및 시나리오 시뮬레이션 내에서 검증되어야 합니다.
• 시뮬레이션 기반의 인증은 모든 아티팩트 사이의 강력한 추적 가능성을 필요로 합니다.

높은 안전 수준과 에너지 소비 예측과 같은 KPI(성과 평가 지표)를 가진 복잡한 시스템의 인증 학점은 "실험실과 같은" 단일 시스템 주기 테스트가 아닌 통합 시나리오 기반 테스트를 필요로 합니다. 따라서 이러한 사용 사례는 다중 물리 시스템 시뮬레이션의 완벽한 적용 사례입니다.

우리의 예시에서는, ESI의 시스템 모델링 소프트웨어인 SimulationX ​​​​​​를 활용하여(우리는 중립적인 통합 접근 방식을 제시했음에도), 기본 설계가 이륙 사전 조건을 충족시키지 못했음을 입증했습니다. 수정된 날개 에어폴과 더 높은 양력 대 항력 비율을 사용하면 개선된 설계는 이륙 요구 사항을 충족시켰지만 요청된 비상 상황을 처리할 수 없었습니다. 마지막으로, 특정 비상 상황을 위한 다양한 운전 모드를 갖는 확장된 컨트롤러를 사용하여 최종 설계는 모든 요구 사항을 충족시켰습니다.

그러므로 자동 가상 테스트에 의해 확인된 여러 번의 반복 루프 후, 시스템 아키텍처 및 크기 결정은 고정되고 전체 디지털 스레드에 확장될 수 있습니다. 제품 개발 라이프 사이클 관점에서 아키텍처 탐색 및 크기 결정과 같은 주요 설계 결정 및 분석 작업은 기하학적이지 않은 시뮬레이션을 기반으로 합니다. 설계 중인 시스템의 성숙도 수준이 증가함에 따라 이러한 결과는 특정 구성 요소 수준 요구 사항 및 부하 사례에 따라 기하학적인 3D 설계로 이어집니다. ESI의 eVTOL 데모에서는 내부 및 외부 소음 분석을 위한 예시를 통해 이러한 연쇄성 구상을 지원했으며, 이는 성능 시뮬레이션 결과에 의해 주도되었습니다.

공급업체 중심의 다중 도구 플랫폼 구현은 모델 기반 통합 기술을 사용하여 항공우주 기업이 가상 테스트를 통한 완전 추적 가능한 초기 단계 요구 사항 확인을 달성할 수 있게 합니다. 시스템 시뮬레이션 소프트웨어를 사용함으로써 엔지니어들은 어떤 인증과 관련된 해답을 얻을 수 있을까요? 저희가 여기에서 공유한 모든 통찰력을 얻으려면 기술 컨퍼런스 논문을 다운받으세요.