활주로 주변에는 우리가 당연하게 여기는 비행과 관련된 보이지 않는 위험 요소가 많이 존재합니다. 작은 물체 하나라도 항공기 이착륙 과정에서는 심각한 사고로 이어질 수 있습니다.
예를 들어, 영국 버밍엄 공항에서는 세 대의 항공기 승무원이 착륙 중 활주로에서 물체를 봤다고 보고한 사례가 있었습니다.
이후 확인 결과, 해당 물체는 일상적인 정비 중 트럭 뒤에서 떨어진 약 7피트, 즉 2m 크기의 사다리였습니다.
세 번째 항공기가 해당 물체를 확인하고 보고한 뒤 활주로가 완전히 폐쇄되었고, 항공기에 상당한 손상을 줄 수 있었던 사다리는 제거되었습니다.
이 사건은 승무원들의 신속한 관찰 덕분에 잘 마무리되었습니다. 하지만 눈으로 쉽게 확인되지 않는 작은 물체라면 상황은 달라질 수 있습니다. 원문은 활주로 FOD 위험성과 밀리미터파 레이더 기반 탐지 시스템 개발 사례를 다룹니다.
활주로 FOD가 위험한 이유
2000년대 잔해 관련 사고 중 가장 치명적인 사례 중 하나는 초음속 콩코드 여객기 추락 사고입니다. 해당 여객기는 파리 샤를 드골 공항에서 이륙한 지 5분 만에 추락했습니다.
조사 결과, 사고 원인은 선행 항공기에서 활주로로 떨어진 42cm 길이의 금속 조각이었습니다. 이 금속 조각으로 인해 연료 탱크에 구멍이 났고, 여객기는 화염에 휩싸였습니다. 이 사고로 탑승자 전원이 사망했습니다.
이처럼 활주로 위의 작은 이물질도 항공기에는 치명적인 위험 요소가 될 수 있습니다.
FOD란 무엇인가?
FOD는 Foreign Object Debris의 약자로, 공항 환경에서 항공기 운항에 위험이 될 수 있는 이물질을 의미합니다.
FOD에는 다음과 같은 물체가 포함될 수 있습니다.
- 항공기에서 떨어진 부품
- 돌
- 건축 자재
- 수화물
- 지상 장비에서 떨어진 부품
- 정비 차량에서 떨어진 잔해
겉으로 보기에는 큰 문제가 없어 보이는 잔해라도 활주로, 화물 계류장, 유도로, Run-up 구역에 있는 항공기에 심각한 피해를 줄 수 있습니다.
Boeing에 따르면, 항공우주 산업은 엔진으로 빨려 들어가거나, 이착륙 시 항공기 타이어를 절단하거나, 항공기 내부로 들어가 고장을 일으키는 물질로 인해 매년 약 40억 달러의 손실을 보고 있습니다.
기존 활주로 점검 방식의 한계
공항에는 수많은 항공편이 들어오고 나갑니다. 여기에 악천후, 야간 조건, 가시성 부족까지 고려하면 활주로와 교통량이 많은 지표면 구역을 차량이나 도보로 점검하는 방식은 비효율적일 수밖에 없습니다.
인력이 충분하더라도 물체의 위치와 크기에 따라 일부 FOD를 간과하거나 완전히 놓칠 위험이 있습니다.
따라서 작은 금속 물체를 더 빠르고 정확하게 감지할 수 있는 레이더 시스템은 활주로 안전을 높이고 사고 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다.
Hitachi Kokusai Electric의 밀리미터파 레이더 개발
Hitachi Kokusai Electric은 Ansys 소프트웨어의 도움을 받아 활주로에서 FOD를 감지하는 밀리미터파 레이더를 개발하는 정부 프로젝트에 참여했습니다.
Hitachi Kokusai Electric은 일본 도쿄에 본사를 둔 회사로, 방송 시스템, 보안 및 감시 시스템, 무선 통신, 정보 시스템을 제조합니다.
이 프로젝트는 안전을 개선하고 손실을 줄이기 위해 활주로 위의 FOD를 감지하는 기술 개발을 목표로 했습니다.
Ansys HFSS가 필요한 이유
Hitachi Kokusai Electric은 말레이시아 공항 Sepang 및 Universiti Teknologi Malaysia, UTM과 협력하여 쿠알라룸푸르 국제공항에서 초기 테스트 및 구현될 시스템 개발에 착수했습니다.
테스트 과정에서 연구팀은 해결해야 할 문제가 전기적으로 매우 큰 규모라는 점을 확인했습니다. 이에 따라 분석을 위해 Ansys HFSS가 효과적인 Solver 기술을 제공한다는 것을 알게 되었습니다.
특히 연구팀은 HFSS의 고주파 해석 기능 중 SBR+ Solver의 점근적 기능에 크게 의존했습니다. SBR+ Solver는 Method of Moments, MoM 기법의 Integral Equation, IE Solver보다 대형 모델을 효과적으로 처리할 수 있습니다.
HFSS는 하나의 통합 사용자 인터페이스에서 다양한 분석 규모에 맞는 여러 Solver를 제공하므로, 분석 목적에 따라 적합한 Solver를 선택해 사용할 수 있습니다.
HFSS SBR+ Solver를 활용한 대형 항공기 시뮬레이션
Hitachi Kokusai Electric의 엔지니어들은 하나의 도구 안에서 다양한 Solver에 접근할 수 있었기 때문에 분석 대상에 따라 HFSS에서 여러 분석 방법을 사용할 수 있었습니다.
이물질 탐지 시스템은 작은 금속 이물질을 탐지하도록 설계되어야 합니다. 이를 위해 연구팀은 시스템 간섭 연구에 필요한 항공기의 레이더 단면, 즉 RCS, Radar Cross Section와 인공위성의 인접 주파수 영향을 분석해야 했습니다.
Hitachi Kokusai Electric은 HFSS의 Shooting and Bouncing Rays, SBR+ Solver를 사용해 대형 항공기를 시뮬레이션할 수 있었습니다.
90GHz 밀리미터파 레이더와 RoF 기술
Hitachi Kokusai Electric은 승객과 승무원의 안전을 고려하여 가능한 최고 수준의 FOD 감지를 목표로 했습니다.
이를 위해 회사의 광학 감시 카메라 시스템과 선형 셀 레이더 시스템을 결합했습니다. 그 결과 일반 광학 카메라보다 뛰어난 범위, 해상도, 높은 야간 탐지율을 갖춘 완전한 FOD 탐지 솔루션이 탄생했습니다.
이 시스템은 활주로를 따라 RoF, Radio over Fiber 기술을 사용한 90GHz 대역 밀리미터파 레이더를 배치합니다. 이후 전파를 이용해 활주로 전체를 스캔하고 금속 물체를 효율적이고 정확하게 탐지합니다.
탐지된 물체는 정확한 위치 정보로 보고되며, 이를 통해 불필요한 활주로 폐쇄를 예방할 수 있습니다.
FOD 탐지 결과와 시스템 성능
레이더가 불필요한 금속 물체를 감지하면, 시스템은 고화질 카메라로 촬영한 FOD 이미지와 함께 위치 정보를 전송합니다.
원문에 따르면 이 시스템은 500m 거리에서 3cm 금속 조각을 감지한 지 10초 후 거의 즉각적으로 위치 정보를 전송할 수 있습니다.
나리타 국제공항과 쿠알라룸푸르 국제공항에 설치된 시범 시스템에서는 FOD, 즉 Foreign Object Detection 레이더의 기본 성능이 확인되었습니다.
Ansys Cloud를 활용한 시뮬레이션 시간 단축
시스템 개발 과정에서 Hitachi Kokusai Electric은 라이선스 부족 문제를 경험했습니다. 사용자 간 충돌로 인해 필요한 시점에 HFSS 분석을 실행할 수 없는 경우가 있었기 때문입니다.
Ansys Cloud는 이러한 문제에 대한 실용적인 해결책이 되었습니다. Hitachi Kokusai Electric은 Ansys Cloud를 통해 고성능 컴퓨팅 환경을 필요한 만큼 사용하는 방식으로 활용할 수 있었습니다.
원문에 따르면 이 연구는 16개의 Intel Xeon 프로세서 코어가 탑재된 Microsoft Azure 기반 H16mr 가상 머신에서 실행되었습니다. Ansys Cloud on Intel 구성을 사용한 결과, 사내 시뮬레이션보다 실행 속도가 20배 빨라졌습니다.
클라우드를 사용하지 않았을 경우 약 8일 반이 걸릴 작업이 Ansys Cloud 사용 시 약 10시간으로 단축되었습니다.
Ansys Cloud 도입 효과
Nobuhiko Shibagaki는 Ansys Cloud가 제한된 HFSS 라이선스 문제를 해결해 주었다고 설명했습니다.
이전에는 필요할 때 시뮬레이션 소프트웨어에 접근할 수 없는 경우가 있었지만, Ansys Cloud를 사용하면서 분석을 빠르게 실행해야 할 때 언제든 사용할 수 있게 되었습니다.
또한 대규모 투자 없이 이상적인 기계 환경을 활용할 수 있다는 점도 중요한 장점입니다. Hitachi Kokusai Electric은 앞으로도 로컬 Ansys HFSS와 Ansys Cloud를 결합해 밀리미터파 레이더 개발에 HFSS를 효과적으로 사용할 계획입니다.
Millimeter Wave Radar는 활주로 안전을 높이는 핵심 기술
활주로의 FOD는 작은 금속 조각이라도 항공기 안전에 치명적인 영향을 줄 수 있습니다. 기존의 육안 점검이나 차량·도보 점검 방식은 악천후, 야간, 물체의 크기와 위치에 따라 한계가 있습니다.
Hitachi Kokusai Electric의 사례처럼 90GHz Millimeter Wave Radar, RoF 기술, 광학 감시 카메라 시스템을 결합하면 활주로 전체를 효율적으로 스캔하고 FOD 위치 정보를 빠르게 확인할 수 있습니다.
또한 Ansys HFSS의 SBR+ Solver와 Ansys Cloud를 활용하면 전기적으로 큰 항공기 모델과 레이더 시스템을 효과적으로 해석하고, 시뮬레이션 시간을 크게 단축할 수 있습니다.
결국 Millimeter Wave Radar 기반 FOD 탐지 기술은 항공기 이착륙 안전을 높이고, 공항 운영 손실을 줄이는 중요한 항공 안전 기술이라고 할 수 있습니다.
원문 : Cleaning Up Runway Junk with Millimeter Wave Radars
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