최근 군수 무기체계 개발에서는 실제 시험 이전 단계에서 다양한 임무 환경을 디지털 공간에 구현하고, 그 결과를 바탕으로 성능과 구조 안전성을 검토하는 방식이 중요해지고 있습니다.
특히 공중급유 임무처럼 여러 항공기가 동시에 움직이고, 비행 경로와 속도, 고도, 상대 위치, 연료 상태까지 함께 고려해야 하는 경우에는 단순한 단일 해석만으로 전체 임무를 평가하기 어렵습니다.
이번 사례에서는 Ansys STK를 활용해 KC-330 공중급유기와 KF-16 전투기의 임무 시나리오를 구성하고, STK에서 얻은 항공기 간 상대속도 데이터를 LS-DYNA 구조해석에 연계해 공중급유 붐의 변위와 응력을 검토했습니다.
즉, 단순히 비행 경로를 확인하는 데 그치지 않고, 임무 시뮬레이션 → 항공기 간 상대운동 분석 → 구조하중 입력 → 급유 붐 구조해석까지 하나의 흐름으로 연결한 사례입니다.
STK를 활용한 공중급유 임무 효과도 분석
공중급유 임무는 단순히 급유기와 전투기가 특정 지점에서 만나는 것으로 끝나지 않습니다. 실제 임무를 구성하려면 다음과 같은 요소를 함께 고려해야 합니다.
- 공중급유기의 대기 위치와 비행 경로
- 수유기의 접근 경로
- 항공기별 속도 및 고도
- 랑데뷰 시점
- 급유 순서
- 연료 상태
- 급유 후 이탈 기동
- 후속 작전 경로
Ansys STK는 이러한 임무 조건을 2D와 3D 환경에서 구성하고, 시간 흐름에 따라 항공기의 움직임과 상태 변화를 확인할 수 있는 시뮬레이션 환경을 제공합니다.
특히 여러 항공기가 참여하는 임무에서는 개별 항공기의 경로뿐 아니라 서로 간의 상대 위치와 속도를 함께 분석할 수 있다는 점이 중요합니다.
KC-330과 KF-16 공중급유 시나리오 구성
이번 시뮬레이션에서는 KC-330 공중급유기 1대와 KF-16 전투기 3대가 참여하는 공중급유 임무를 구성했습니다.
KF-16 3대는 독도 인근에서 작전을 수행하던 중 연료 보급을 위해 KC-330과의 접선을 시도합니다.
KC-330은 동해상에서 원형으로 비행하며 KF-16의 접근을 기다립니다.
이후 KF-16이 접근하면 KC-330은 서쪽으로 방향을 전환하고, 각 전투기와 속도 및 고도를 맞춘 뒤 순차적으로 공중급유를 수행합니다.
급유가 완료된 KF-16은 후속 작전을 위해 다시 이동합니다.
전체 임무 흐름은 다음과 같이 정리할 수 있습니다.
대기 → 접근 → 랑데뷰 → 속도·고도 동기화 → 공중급유 → 이탈 → 후속 작전
이처럼 STK에서는 단순한 비행 궤적이 아니라 실제 임무 단계별 행동을 시나리오로 구성할 수 있습니다.
KC-330 공중급유기와 KF-16 모델 구성
KC-330은 대한민국 공군이 운용하는 다목적 공중급유기로, 공중급유 임무뿐 아니라 병력 및 화물 수송 등 다양한 임무에 활용되고 있습니다. 원문에서는 2018년 1호기 도입 이후 총 4대를 운용 중이라고 설명하고 있습니다.
이번 분석에서는 실제 KC-330과 KF-16을 기반으로 STK 환경에서 항공기 모델을 구성했습니다.
위에는 KC-330과 KF-16의 실제 사진입니다.
STK에 항공기 모델 및 정보를 입력할 수 있으며, 위는 STK에서 구성된 모델입니다.
항공기 기본 정보와 연료 조건 설정
공중급유 임무 효과도를 분석하려면 단순한 비행 위치만 설정해서는 충분하지 않습니다.
항공기별 연료 상태와 연료 소비량도 함께 고려해야 실제 임무와 유사한 조건을 구성할 수 있습니다.
원문에서는 KF-16의 모델 및 기본 정보를 STK에 내장된 데이터를 활용해 설정했습니다.
연료 조건은 기본 탱크 용량을 18,000파운드로 설정하고, 초기 연료량은 10,000파운드로 지정했습니다.
필요한 경우 설정 화면을 통해 보조 연료 탱크를 추가하는 것도 가능합니다.
이처럼 초기 연료량을 설정해두면 임무 수행 과정에서 연료가 얼마나 소모되는지, 어느 시점에 급유가 필요한지, 급유 후 연료량이 어떻게 변화하는지 분석할 수 있습니다.
항공기별 임무 시나리오 설정
이번 해석에서 가장 중요한 단계 중 하나는 각 항공기의 운항 시나리오 설정입니다. STK에서는 비행 단계별로 방향, 속도, 고도, 기동 방식 등을 설정할 수 있습니다.
KC-330의 임무는 크게 세 단계로 구성됩니다.
첫 번째는 원형 대기 기동입니다.
KC-330은 동해상에서 원형 비행을 수행하며 KF-16이 접근할 때까지 대기합니다.
두 번째는 랑데뷰 기동입니다.
KF-16이 접근하면 두 항공기가 접선할 수 있도록 위치와 속도를 조정합니다.
세 번째는 급유 기동입니다.
접선 이후 KC-330은 서쪽 방향으로 순항하면서 KF-16과 속도 및 고도를 맞추고 실제 급유를 수행합니다.
KF-16 역시 각 항공기마다 급유 순서에 맞춰 임무가 설정됩니다.
KF-16 1호기는 KC-330으로 접근한 뒤 랑데뷰 기동을 수행하고, 속도와 고도를 동기화한 뒤 먼저 급유를 시작합니다.
급유가 완료되면 후미 우측 상단으로 이동해 2호기와 3호기의 급유가 끝날 때까지 대기합니다.
KF-16 2호기와 3호기는 1호기의 이동 경로를 따라 비행하다가 자신의 급유 순서가 되면 KC-330과 동기화해 순차적으로 급유를 수행합니다.
이러한 설정을 통해 실제 다수 항공기가 참여하는 공중급유 상황을 단계별로 구현할 수 있습니다.
STK 공중급유 시뮬레이션 결과
모든 비행 조건과 임무 단계를 설정한 뒤 시뮬레이션을 실행하면 KC-330과 KF-16의 전체 공중급유 과정을 시간 흐름에 따라 확인할 수 있습니다.
이 결과를 통해 각 항공기가 언제 접근하고, 언제 속도와 고도를 동기화하며, 어떤 순서로 급유하고 이탈하는지 시각적으로 확인할 수 있습니다.
특히 여러 항공기가 동시에 참여하는 상황에서는 이런 3차원 시각화가 임무 시나리오의 오류나 비현실적인 경로를 확인하는 데 도움이 됩니다.
공중급유 결과를 그래프로 확인
STK에서는 시각적인 비행 경로뿐 아니라 다양한 수치 결과도 확인할 수 있습니다. 이번 공중급유 임무에서는 대표적으로 다음과 같은 결과를 분석할 수 있습니다.
- 항공기별 연료 소모량
- 급유량
- 시간에 따른 연료 변화
- 비행 속도
- 비행 고도
- 항공기 간 거리
- 상대속도
이러한 데이터를 이용하면 단순히 공중급유 임무가 수행되었는지만 확인하는 것이 아니라, 임무 과정이 얼마나 효율적으로 수행되었는지도 평가할 수 있습니다.
Tanker와 Receiver 간 상대속도 분석
이번 사례에서 중요한 부분은 STK 해석 결과를 LS-DYNA 구조해석으로 연결했다는 점입니다.
공중급유 과정에서는 Tanker인 KC-330과 Receiver인 KF-16이 완전히 동일한 위치와 속도로 움직이지 않습니다.
대기 흐름이나 항공기 움직임 등 여러 요인으로 인해 두 항공기 사이의 상대 위치가 지속적으로 변화할 수 있습니다.
두 항공기가 급유 붐을 통해 연결된 상태에서는 이러한 상대운동이 급유 붐에 하중으로 전달될 수 있습니다.
즉, 항공기 간 상대속도 변화 → 급유 붐에 변위 발생 → 구조 응력 발생이라는 관계가 형성됩니다.
이 상대속도 데이터를 LS-DYNA 구조해석의 입력값으로 사용해 급유 붐이 실제 운용 중 어떤 거동을 보일 수 있는지 검토했습니다. 이 부분이 STK와 LS-DYNA 연계의 핵심입니다.
STK 결과를 LS-DYNA 구조해석으로 연계
STK에서 임무 수준의 상대운동 데이터를 얻었다면, 다음 단계에서는 이를 구조해석 모델에 적용합니다. 이번 해석에서는 LS-DYNA에서 급유 붐에 대한 유한요소 모델을 구성했습니다.
급유 붐은 실제 운용 중 반복적인 하중과 변위를 받을 수 있기 때문에 재료 특성과 구조적 거동을 함께 검토하는 것이 중요합니다.
원문에서는 급유 붐의 재료로 다음 세 가지를 검토했습니다.
- 알루미늄
- 두랄루민
- CFRP
각 재료는 강성, 밀도, 변형 특성 등이 다르기 때문에 동일한 운용 조건에서도 서로 다른 구조 응답을 보일 수 있습니다.
상대속도 데이터를 급유 붐 입력값으로 적용
STK에서 계산한 KC-330과 KF-16의 상대속도 데이터는 LS-DYNA에서 급유 붐 끝단에 적용할 입력 조건으로 사용했습니다.
이 방식의 장점은 구조해석에 임의의 하중을 적용하는 것이 아니라, 실제 임무 시뮬레이션에서 계산된 데이터를 구조해석 조건으로 활용할 수 있다는 점입니다.
즉, STK에서 계산된 임무 수준의 운동 데이터를 LS-DYNA가 구조 수준의 응답으로 변환하는 형태입니다.
LS-DYNA를 이용한 급유 붐 변위 분석
LS-DYNA 해석을 통해 먼저 급유 붐의 변위 변화를 확인합니다.
상대속도가 급유 붐 끝단에 입력되면 시간에 따라 붐이 움직이고 변형됩니다.
이 결과를 통해 어느 구간에서 변위가 크게 발생하는지, 구조가 허용 범위 내에서 움직이는지 확인할 수 있습니다.
특히 공중급유 시스템은 Tanker와 Receiver 사이에서 직접 연결되는 구조물이기 때문에, 지나치게 큰 변위가 발생하면 급유 안정성에 영향을 줄 가능성이 있습니다.
LS-DYNA를 이용한 급유 붐 응력 분석
변위와 함께 확인해야 하는 또 하나의 중요한 결과는 구조물 내부에 발생하는 응력입니다.
LS-DYNA 결과를 이용하면 급유 붐의 응력이 시간에 따라 어떻게 변화하는지 확인할 수 있습니다.
특히 응력이 집중되는 위치를 확인하면 향후 구조 설계 개선이나 재료 선정에도 활용할 수 있습니다.
앞서 검토한 알루미늄, 두랄루민, CFRP와 같은 서로 다른 재료 조건을 비교하면 무게와 강성, 구조 안정성 측면에서 보다 적절한 설계 방향을 검토할 수 있습니다.
STK와 LS-DYNA 연계해석이 중요한 이유
이번 사례의 핵심은 STK와 LS-DYNA를 각각 독립적인 해석 프로그램으로 사용한 것이 아니라, 임무해석 결과를 구조해석으로 연결했다는 점입니다.
STK는 항공기의 전체적인 임무 수행 과정을 분석하는 데 강점이 있습니다.
반면 LS-DYNA는 구조물의 변형, 응력, 충격, 동적 거동과 같은 물리적인 구조 응답을 분석하는 데 활용됩니다.
두 솔루션을 연결하면 다음과 같은 해석 흐름을 구성할 수 있습니다.
임무 시나리오 설정
↓
항공기 비행 및 공중급유 시뮬레이션
↓
Tanker–Receiver 상대속도 계산
↓
LS-DYNA 입력 조건 생성
↓
급유 붐 변위·응력 분석
↓
구조 안전성 및 임무 수행 가능성 검토
이러한 방식은 단순히 특정 부품이 구조적으로 견딜 수 있는지만 확인하는 것보다 실제 운용 상황을 반영한 해석에 더 가깝습니다.
디지털 기반 임무 효과도 분석의 확장 가능성
STK와 구조해석 솔루션을 연계하는 방식은 공중급유 임무에만 적용되는 것은 아닙니다.
비행체, 무인기, 미사일, 위성, 지상체계와 같이 실제 임무 환경에서 이동하는 다양한 플랫폼에도 적용할 수 있습니다.
예를 들어,
- 무인기의 임무 경로와 구조 하중 분석
- 항공기의 기동 조건과 구조 안전성 검토
- 비행체 분리 과정과 동적 구조해석
- 플랫폼 간 상대운동과 접촉 구조 분석
- 임무 환경 기반 부품 내구성 평가
등으로 확장할 수 있습니다.
결국 디지털 기반 임무 효과도 분석의 장점은 실제 시험 전에 다양한 운용 조건을 가상환경에서 검증할 수 있다는 점입니다.
마무리
이번 사례에서는 Ansys STK를 이용해 KC-330 공중급유기와 KF-16 전투기의 임무 시나리오를 구성하고, 공중급유 과정에서 발생하는 항공기 간 상대속도 데이터를 분석했습니다. 이후 해당 데이터를 LS-DYNA와 연계해 급유 붐의 변위와 응력을 확인했습니다.
전체 과정은 다음과 같이 정리할 수 있습니다.
STK 임무 모델링 → 공중급유 시뮬레이션 → 연료·속도·고도 분석 → 상대속도 계산 → LS-DYNA 연계 → 급유 붐 변위 및 응력 구조해석
이처럼 임무 수준의 시뮬레이션과 구조해석을 연결하면 단순한 성능 분석을 넘어 실제 운용 환경을 고려한 시스템 수준의 검토가 가능합니다.
특히 공중급유처럼 여러 플랫폼이 동시에 움직이고 구조적인 상호작용까지 발생하는 임무에서는 이러한 연계해석 방식이 효과적인 분석 방법이 될 수 있습니다.
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