스마트한 지속성

낡은 항공기가 원래 예정된 퇴역 날짜보다 오래 운항하게 되면, 임무 수행 능력(방위 자산이 최소한 하나의 임무를 수행하는데 적절한 상태에 있는 시간 비율)이 용납할 수 없을 정도로 낮아지기 때문에 북대서양 조약 기구(NATO) 국가들에게 점차 문제가 되고 있습니다.

예를 들어 미국에서는 2011 ~ 2019 회계연도의 대부분 기간 동안 50가지 유형의 항공기 중 3대만이 임무 수행 능력 목표인 70%를 달성했다고 미국 정부 회계 감사국(US Government Accountability Office)이 최근 보고했습니다.

지난 20년간, 미국, 영국 및 프랑스의 지역에서, 노후된 항공기, 헬리콥터가 배치되어왔습니다. 또한, 항공기 노후화에 이어, 수요까지 증가하면서 예상 수명을 초과한 항공기도 운항할 수 있도록 유지보수, 업그레이드 및 개선('지속')하는 작업이 더 필요해졌습니다.

이와 대조적으로 상업용 항공사는 비행 준비 능력 98% 미만인 항공기를 받아들이지 않습니다.

기존 방위 자산의 수명 연장에 대한 압박이 커지고, 신기술의 높은 비용으로 인해, NATO 회원국들의 고정 국방 예산 또한 타격을 입었습니다. 이러한 복합적인 이유와 새로운 시스템의 개발 및 운영이 10~15년 이상의 시간이 소요된다는 이유로 노후화된 장비를 새로운 시스템으로 교체하는데 어려움을 겪고 있습니다.

항공기 문제 해결, 수리 또는 업그레이드에 있어 점차 대중화되고 있는 전략은 무엇일까요? 팀원들은 버추얼 트윈을 활용하여, 대화형 3D로 문제를 시각화하고 다양한 접근 방식의 결과를 시뮬레이션하여 빠르게 최적의 유지 관리 전략을 파악할 수 있습니다.

“우리는 독자적인 접근방식을 개발하여 중요 방위 시스템의 임무 수행 능력 개선이라는 비전을 세우고 있습니다. 이러한 비전은 군 전체로 퍼질 것이고, 동시에 정부가 프로젝트를 표준화하는데 필요한 요구 사항을 개발할 수 있도록 지원할 것입니다."라고 위치토 주립대학 (Wichita State University)의 국립항공연구소 (National Institute for Aviation Research, NIAR)) 지속 책임자인 멜린다 라우바흐 호크(Melinda Laubach-Hock)는 말했습니다. "다른 계약업체가 우리의 발자취를 밟을 때, 정부 고객은 버추얼 트윈 모델이 얼마나 필요한지 알게 될 것입니다."

버추얼 트윈으로 임무 수행능력 향상

예를 들어 NIAR는 버추얼 트윈을 활용하여 노후 기체의 지속성을 향상할 수 있는 방법을 보여주는 프로젝트를 주도하고 있습니다.

NIAR이 업계 및 정부 파트너와 협력하여 추진하고 있는 목표는 B-1B 랜서 폭격기와 UH-60L 블랙 호크 헬리콥터를 포함해 특정한 방위 시스템의 임무 수행 능력을 높이고 유지 보수 비용은 줄이는 것입니다.

B-1B와 UH-60L 모두 수십 년 전, 종이 도면을 토대로 설계되고 제조되었으나, 예상 퇴역 시기는 각기 2040년과 2050년입니다. 두 도면을 대화형 버추얼 트윈 환경으로 변환하면 다양한 지속 가능 전략을 신속하게 분석할 수 있기 때문에 유지 관리 전략 및 업그레이드를 식별, 시뮬레이션, 테스트, 확인 및 구현하는 유지 관리팀의 능력이 크게 향상됩니다.

그 외의 미 육군과 공군 장비도 같은 프로세스를 거칩니다. 전 세계 공군에 2,200대 이상 배치된 F-16 Falcon이 가상화를 진행할 차기 대상이 될 것입니다. 1980년 미 공군의 작전에 투입됐던 F-16의 퇴역 날짜는 정해지지 않았습니다.

특정 방위 시스템의 임무 수행 능력 목표를 80%로 설정한다는 내용이 담긴 제임스 매티스(James Mattis) 미 국방부 장관의 메모가 NIAR 이니셔티브를 촉진했습니다. 예를 들어 2017년 B-1B의 임무 수행 능력은 53% 미만이었습니다. 미 의회는 임무 수행 능력을 개선할 기술을 도입하기 위한 자금을 승인함으로써 매티스 국방부 장관의 행동 촉구에 응답했습니다.

"우리는 독자적 접근방식을 개발하여 중요 방위 시스템의 임무 수행 능력 개선이라는 비전을 세우고 있습니다."

멜린다 라우바흐 호크, NIAR 지속 담당 이사

NIAR 연구소와 협력사들은 NIAR 이니셔티브를 통해 B-1B 및 UH-60L 함대의 임무 수행 능력을 매티스 국방부 장관이 목표한 80%까지 향상시키지는 못하더라도 상당한 개선 효과를 낼 수 있다고 확신합니다.

NIAR 및 정부 파트너는 이러한 프로젝트의 대상으로, 버추얼 트윈 기술의 추가가 플랫폼의 서비스 수명 연장에 가장 큰 영향을 미칠 항공기 중에서 전략적으로 선택했습니다. 그 결과, "이제 군사 지도자들이 디지털 엔지니어링을 위한 자금 지원을 포함시키고 있습니다."라고 라우바흐 호크는 말했습니다.

미래에 대한 전망

현재 두 가지 프로그램 모두, 너트, 볼트를 모두 분해하고 디지털 스캔을 통하여 이를 3D모델로 변환하는 작업인, 리버스 엔지니어링이 적용되고 있습니다. NIAR 팀은 스캔 데이터와 레거시 엔지니어링 도면을 템플릿으로 사용해 제조 품질을 3D CAD (Computer-Aided Design) 모델로 생성합니다. 이 모델은 디지털로 재조립되어 실제 세계에 존재하는 기체와 똑같은 디지털 모델인 버추얼 트윈을 생성합니다.

NIAR 팀은 기하학적으로 똑같은 버추얼 트윈 외에도 구조 테스트 또는 기체 작동을 통해 얻은 응력 및 변형률 데이터를 사용해 충실도가 높은 엔지니어링 모델을 개발하고 검증합니다. 일단 검증되면 이러한 모델에 가상 "로드(load)"를 적용하여 시간 경과에 따른 다양한 비행 조건에서 구조적 결함, 피로, 부식 및 균열을 예측할 수 있습니다. 이러한 예측적 유지 관리 기능을 사용하면 고장 난 후에만 수리하는 오래된 접근 방식에서 벗어날 수 있습니다.

2021년 여름인 현재, 절반 정도 진행된 NIAR의 UH-60L 2개년 프로그램은 회전익기를 디지털 방식으로 재조립 하고 있습니다. 이와 동시에 NIAR 기술팀이 6년 동안 진행할 B-1B 프로그램은 약 18개월 진행된 상태로, 날개 구조에 대한 디지털 모델링이 거의 완성에 가까워졌습니다.

엔지니어는 물리학 기반 버추얼 트윈을 생성함으로써 전체 방위 시스템의 주요 특성을 디지털 캡처할 수 있습니다. 그리고 그 주요 특성 하나하나 모두 살아있는 기록입니다. 항공기 운항 담당자는 버추얼 트윈 모델의 "경험" 부분에 해당하는 예측 분석을 사용해 적절한 유지 관리 일정과 프로세스를 고안하고 검증하고, 임무 프로필 및 비행시간을 토대로 특정 부품의 교체가 필요한 시기를 예측하는 등 임무 수행 능력을 최적화합니다.

"우리는 지금부터 10년 또는 15년 후에 발생할 수 있는 잠재적인 문제를 살피고자 디지털 기술을 사용합니다. 따라서 육군과 공군은 자산을 유지하는 데 있어 사후 대처 방식이 아닌 사전 대응 방식으로 접근할 수 있게 되었습니다. 이렇듯, 버추얼 트윈은 레거시 시스템을 유지 관리하는 데 필요한 모든 데이터에 대해 신뢰할 수 있는 단일 정보원을 제공합니다."

프랑스의 10년 계획

빅 데이터 및 분석 기능과 버추얼 트윈을 하나로 결합해 스마트한 지속을 달성하기 위해 사용한다는 개념은 미 국방부만의 고유 전략이 아닙니다.

프랑스의 경우, 버추얼 트윈 경험을 만들고 관리하기 위한 비즈니스 혁신 플랫폼이 항공기 제조업체 다쏘 항공 (Dassault Aviation)과 프랑스 국방부의 항공 유지 관리 부서가 체결한 10개년 유지 관리 계약에서 핵심적 역할을 하고 있습니다. 파리에서 활동하고 있는 한 방위 산업 컨설턴트에 의하면 이 프로젝트의 목표는 프랑스 공군과 해군이 보유하고 있는 라팔 (Rafale) 전투기 152대의 가용성을 최적화하는 것입니다. 프랑스 항공우주 산업 무역 기구인 GIFAS의 보고에 의하면, 라벨 (RAfale VEticalLise, RAVEL) 계약은 2050년 이후에도 계속 운항할 것으로 예상되는 다목적 항공기의 기체 대부분에 적용됩니다.

장기적으로 다쏘 항공은 라팔 항공기의 가용성 또는 "작동 상태 유지 관리 (Maintenance in Operational Condition, MCO)"를 적어도 76% 개선할 것으로 기대합니다. 또한, 프랑스 국방부는 병참 서비스의 확대로 함대가 더 많은 작전 임무를 수행할 것으로 보고하고 있습니다. 이처럼, 예측적 유지 관리는 이 정도 수준의 임무 수행 능력을 달성하기 위한 핵심 열쇠이며, 이러한 프로그램의 통합 데이터 환경은 방위 시스템의 전체 수명 주기를 포괄하는 공통 데이터 모델을 기반으로 구축되고 모든 데이터 관계는 플랫폼에서 관리됩니다.

이 플랫폼은 함대 전반에 걸쳐 모든 라팔 사용량을 수집하여 라벨 계약에 명시된 성능을 모니터링하고, 학습한 내용을 수집하며 예측적 유지 관리 알고리즘을 강화합니다. 또한 함대에서 나온 데이터를 안전하게 처리하고 개별 항공기의 "상태 기록"을 생성합니다.

현재 프랑스는 유럽 NATO 회원국 중 임무 수행 능력을 개선하기 위해 버추얼 트윈 접근 방식을 구현한 유일한 국가입니다. NATO의 다른 유럽 회원국들도 버추얼 트윈 개념을 이해하고 있지만, 스마트한 지속을 구현할 준비가 되어 있지 않은 상태입니다. 그리고 NATO와 긴밀한 관계를 맺고 있는 유럽의 한 항공우주 및 방위 컨설턴트에 따르면, 이 국가들은 여전히 가능성의 이해하려고 노력 중입니다.

미래 사용 사례

운항 중인 모든 항공기는 다르게 작동하며 운항 이력에 따라 특정한 유지 관리가 필요합니다. 따라서 버추얼 트윈 경험을 개별 항공기 상태와 사용량 모니터링 시스템에 통합하면 함대 운영에 대한 인사이트를 제공할 수 있습니다. 각 항공기에 대한 온보드 센서 데이터 및 사용량 정보는 분석을 위한 풍부한 데이터 캐시를 제공하여 시스템 성능과 신뢰성에 대한 이해를 높입니다.

“버추얼 트윈을 사용하면 개발팀이 조기에 더욱더 상세한 분석을 수행하고 초기 생산 과정에서 한층 더 완벽한 적합성을 보장하며, 테스트를 더 일찍 시작할 수 있어, 위험이 줄어듭니다.”

디나 핼버슨, 시코르스키 항공 (Sikorsky Aircraft)의 프로그램 디렉터

이제 많은 방위 계약자들이 지속가능성을 넘어 버추얼 트윈을 활용해 새로운 항공기를 개발하고 있습니다.

UH-60L 제조사인 시코르스키 항공 (Sikorsky Aircraft)의 프로그램 디렉터 디나 핼버슨(Dina Halvorsen)는, “설계 및 생산부터 지속에 이르는 제품의 전체 수명 주기에 걸쳐 버추얼효과가 드러나고 있습니다. 우선 개발 비용이 줄고 제품을 현장에 배치하는 시간을 단축한다는 설계상 이점이 있습니다. 버추얼사용하면 개발팀이 조기에 더욱더 상세한 분석을 수행하고, 초기 생산 과정에서 한층 더 완벽한 적합성을 보장하며, 테스트를 더 일찍 시작할 수 있어, 위험이 줄어듭니다.” 라고 설명했습니다.

NATO와 특히 미 국방부(DoD)에게 버추얼 트윈 사용은 복잡한 하드웨어의 작동 수명을 연장하기 위한 새로운 패러다임이 됐습니다.

라우바흐 호크는 "버추얼 트윈 기술을 지상 차량 등 더 많은 플랫폼에 적용할지가 아니라, 가장 큰 요구가 무엇인지를 토대로 다음에 무엇을 할 것인지가 중요합니다."라고 말했습니다.

오늘날 방위 산업이 직면한 도전과 기회에 대한 자세한 내용에 대해 자세히 읽어보십시오.