출처 : PIE AERONEFS – Air Race E 공식 홈페이지
첫 번째 Air Race E 예선 경기를 몇 달 앞둔 상황에서 시간은 빠르게 흐르고 있었다. 최초의 전기 항공기 레이스 시리즈에 참가하는 팀들은 항공기 설계와 제작을 완료해야 하는 상당한 시간 압박을 받고 있었다. 이제 모든 일정은 계획대로 진행되어야 했다.
이전 글에서는 스위스의 Team Pie Aeronefs가 물리 테스트를 위해 유리섬유 동체를 설계하고 제작해 온 진행 상황이 설명되었다.
출발선까지의 과정을 계속 추적하는 과정에서, 시뮬레이션이 어떻게 잠재적으로 치명적인 설계 문제를 식별하고, 더 중요하게는 이를 해결하는 데 도움을 주었는지가 확인되었다.
고성능 항공기 제작에서 발생한 구조적 응력 문제
항공 경주 E팀 예선 첫 경기를 위해 에일러론을 정비하고 있는 모습
Team Pie Aeronefs 구성원들은 첫 번째 Air Race E 예선을 위해 에일러론 작업을 진행하고 있었다.
동체가 거의 완성되었을 때, 팀은 날개 전체 제작으로 넘어가기 전에 에일러론 작업을 먼저 진행하기로 결정하였다. 에일러론은 날개 끝 근처에 위치한 패널로, 위아래로 움직이며 항공기의 롤을 제어하거나 조종사가 선회 동작을 수행할 수 있도록 하는 부품이었다.
Team Pie Aeronefs 엔지니어들은 19개 부품으로 구성된 에일러론을 작업하고 있었으며, 팀의 최고마케팅책임자이자 스폰서십 아웃리치 담당자인 Timothy Kriegers는 이를 “꽤 복잡한” 구조라고 설명하였다. 이러한 복잡성이 레이스에서 승리할 수 있는 잠재력을 제공하였다.
Kriegers에 따르면, 해당 에일러론 설계에서는 최대 속도에서 롤 속도가 매우 컸고, 한쪽을 완전히 편향시키면 1초에 한 번 회전할 수 있었다. 이처럼 놀라운 민첩성에는 그만큼 큰 힘이 수반되었다.
에어 레이스 E 항공기 설계에서 중요한 설계 문제를 파악하는 데 도움이 되었다.
팀은 이러한 조건에서 제안한 설계가 어떻게 작동할지 이해하기 위해 시뮬레이션을 활용하였다. 엔지니어들은 Ansys Mechanical을 사용해 에일러론 조립체의 유한 요소 해석(FEA)을 수행하였다.
시뮬레이션은 조립체의 주요 구조 요소인 에일러론 스파의 굽힘과 비틀림이 결합되면서 예상치 못한 중요한 2차 고장 모드가 발생한다는 사실을 보여주었다.
이를 해결하기 위해 팀은 스파를 적절히 보강하였고, 해당 고장 모드를 제거하였다.
시뮬레이션이 제조 신뢰성을 제공한 방식
시간이 중요한 상황에서 이 문제를 사전에 식별한 것은 팀이 에일러론 제조를 확신을 가지고 진행할 수 있게 하였다.
팀은 에일러론 스킨 구조를 탄소섬유 한 층, 강성을 위한 허니컴 구조, 그리고 또 다른 탄소섬유 층으로 제작하였다. 이 과정은 각각의 단계와 하룻밤 동안의 대기 시간이 포함되었기 때문에 시간이 많이 걸리는 작업이었다.
Kriegers는 먼저 탄소섬유 한 층을 깔고 진공 백에 밀봉한 뒤 하룻밤을 기다렸고, 다시 열어 허니컴을 전체에 배치한 후 진공 백을 다시 밀봉하고 하룻밤을 기다렸다고 설명하였다. 이후 다시 열어 또 다른 탄소섬유 층을 추가하고, 다시 하룻밤 동안 경화되도록 진공 백을 밀봉하는 과정이었다.
만약 시뮬레이션이 사용되지 않았다면, 핵심 설계 문제는 훨씬 나중에야 발견되었을 것이었다. 그 경우 에일러론 제조에 투입된 여러 날이 낭비되었을 수 있었고, 항공기를 출발선에 맞춰 준비하는 일정에도 위협이 되었을 수 있었다.
Team Pie Aeronefs는 설계 시뮬레이션 이후 탄소섬유로 에일러론 스킨 구조를 제작하였다.
현재 팀은 푸시로드, 카운터웨이트, 인클로저 등 에일러론의 다른 구성 요소를 작업하고 있었다. 인클로저는 목재로 제작될 예정이었다.
원래 계획은 인클로저에 탄소섬유나 알루미늄을 사용하는 것이었지만, 부품이 매우 작았고 시간을 절약하기 위해 강도를 희생하지 않으면서 제조가 쉬운 목재를 사용하기로 결정하였다.
카운터웨이트를 포함한 완전한 에일러론 조립체의 무게는 허용 총 하중 400kg 중 1.8kg이 될 예정이었으며, Kriegers에 따르면 “꽤 강하고 견고한” 구조였다.
전기 항공기 엔지니어들이 편안한 조종석을 설계한 방식
모든 모터스포츠와 마찬가지로, 항공 레이스에서 승리하려면 항공기와 조종사가 완벽하게 조화를 이루어야 했다.
Pie Aeronefs SA 엔지니어들은 유리섬유 테스트 동체의 조종석 부분을 파내어 조종사가 편안하게 탑승하고 모든 조종 장치에 접근할 수 있는지 확인하였다. 팀의 CEO이자 기술 이사이며 조종사인 Marc Umbricht는 이 임시 조종석에 직접 들어가 크기를 확인하였다.
Kriegers는 조종사의 헬멧을 수용하기 위해 동체 높이를 약간 높여야 했고, 조종 장치를 사용할 공간을 확보하기 위해 폭도 약 10cm 넓혀야 했다고 설명하였다.
이 영역에서 동체에 발생하는 항력은 크지 않았기 때문에, 이러한 조정은 항공기 속도에 거의 영향을 주지 않을 것이었다. Kriegers에 따르면 Umbricht는 이 조종석에 상당히 만족하고 있었고, 실제로 해당 항공기를 조종할 사람이기도 하였다
Team Pie Aeronefs SA의 다음 단계
고성능 에일러론과 만족한 조종사를 확보한 팀은 이제 날개 제작으로 이동하고 있었다.
날개 제작을 위한 모든 몰드는 준비되어 있었기 때문에, 팀은 곧 날개 상부 스킨의 인퓨전을 시작할 예정이었다. 에일러론에서 설명한 것처럼, 각 부품에는 몇 주가 소요될 예정이었으며, 탄소섬유와 허니컴을 적층하고 진공 백에 넣어 하룻밤 동안 밀봉하는 작업이 반복될 예정이었다.
전기 모터가 도착하면 팀은 유리섬유 동체에 잘 맞는지 테스트할 예정이었다. 동체의 모든 치수가 확정되면, 레이스 항공기에 사용될 탄소섬유 동체 제작을 시작할 예정이었다.
이러한 진행 상황은 팀이 일정에 맞춰 올해 후반 첫 예선 이벤트에 항공기를 준비할 수 있는 흐름에 있음을 의미하였다. Kriegers는 아직 해야 할 일이 많이 남아 있지만, 현재로서는 올바른 방향으로 가고 있다고 확신한다고 말했다.
결론
Team Pie Aeronefs는 첫 Air Race E 예선을 앞두고 항공기 설계와 제작을 빠르게 진행해야 하는 상황이었다.
에일러론은 19개 부품으로 구성된 복잡한 구조였고, 최대 속도에서 매우 큰 롤 성능을 제공할 수 있었지만 동시에 큰 힘을 견뎌야 했다.
팀은 Ansys Mechanical을 사용한 FEA 시뮬레이션을 통해 에일러론 스파에서 굽힘과 비틀림이 결합된 2차 고장 모드를 발견하였다.
이 문제를 사전에 발견한 덕분에 팀은 스파를 보강하고 고장 모드를 제거한 뒤, 제조를 확신을 가지고 진행할 수 있었다.
원문은 시뮬레이션이 일정 압박 속에서 중요한 설계 문제를 조기에 식별하고 제조 리스크를 줄이는 데 핵심 역할을 했다고 설명하였다.
출처 : Ansys How one Air Race E team Overcame a Critical Design Challenge With Simulation
문의 및 기술 협력
- 대표 문의: 02-420-3203
- 홈페이지: https://moasoftware.co.kr/contact-us/
