국방기술진흥연구소에서 주관하는 ‘고성능 저비용 무인기 마이크로터빈 추진시스템 기술 특화연구센터’ 사업은 추력 800N급 무인기용 마이크로터빈 엔진의 원천기술을 확보하고 통합설계, 제작, 시험평가 기반을 구축하는 국가 차원의 핵심 기초연구 과제입니다.
총 4개의 전문 연구실(통합설계·제작, 주유로 구성품, 구조·회전체, 시험평가)로 구성된 본 특화연구센터 과제는 엔진 레이아웃 설계부터 초고속 회전체 동역학, 고온 연소기 유동 해석 등 복잡한 하이브리드 CAE 역량을 필요로 합니다.
모아소프트는 MDAO(Multidisciplinary Design Analysis and Optimization) 기반 통합설계 플랫폼 구축, MBSE(Model-Based Systems Engineering) 방법론 적용, 다물리 해석, 제어 시스템 연동, 자동화·최적화 역량을 바탕으로, 요구사항 정의부터 해석·검증까지 끊김 없는 Digital Thread를 구현하여 본 특화연구센터의 연구 목표를 가상 공간에서 완벽히 실증할 수 있는 최적의 M&S 파트너입니다.
1. 특화연구센터 연구실별 요구사항 및 모아소프트의 기술 매칭 전략
모아소프트는 공통 기반 역량을 바탕으로 특화연구센터 내 각 연구실의 세부 과제별 핵심 역할을 완벽하게 매칭하여, 제안서의 기술적 탁월성과 신뢰성을 극대화합니다.
① 제1연구실: 엔진 통합설계·제작 기술 (MGT-11 ~ MGT-14)
- RFP 요구사항: 마이크로터빈 엔진 레이아웃 설계 및 성능해석 플랫폼 구축(MGT-11), 엔진 제어 기술(MGT-12) 및 상태진단 기술(MGT-13) 개발
- 모아소프트 매칭 (MBSE 기반 통합설계 및 제어 연동): MBSE 방법론으로 엔진 시스템 요구사항을 구성품별 설계 파라미터로 분해·추적하고, Ansys Twin Builder와 Python/Matlab 인터페이스를 연동하여 운용 파라미터를 통합 관리하는 ‘엔진 통합설계 플랫폼’을 구축합니다. SCADE(Ansys SCADE)를 활용하여 안전 강화 제어 로직을 모델 기반으로 검증하고, SAM(System Architecture Model)으로 엔진 시스템 아키텍처를 SysML 기반으로 형식화하며, Ansys ModelCenter가 SAM과 엔지니어링 해석 도구 사이의 MBSE Integration Hub로서 요구사항 검증(Requirements Verification)과 Trade Study를 자동화하여 실시간 엔진 제어 알고리즘 및 가상 상태진단 1D 모델을 제공하고, 설계 초기 단계에서 레이아웃의 타당성을 선제적으로 검증합니다.
② 제2연구실: 주유로 구성품 및 터보제너레이터 기술 (MGT-21 ~ MGT-24)
- RFP 요구사항: 압축기 기술(MGT-21), 연소기 기술(MGT-22), 축류터빈 기술(MGT-23), 동력터빈-기어박스 기반 터보제너레이터 기술(MGT-24) 등 주유로 구성품 설계·해석, 성능평가 및 하이브리드 전기추진 통합.
- 모아소프트 매칭 (MDAO 기반 다물리 해석 · 최적화 및 전동화 엔지니어링서비스): 초고속 회전 환경의 압축기·축류터빈 유동 특성을 Fluent, Ansys CFX, BladeGen을 활용하여 초고정밀 해석하고(BladeGen으로 블레이드 프로파일 정의 → CFX로 터보머시너리 전용 유동 해석), 연소기 내부 고온·고압 열유동은 Chemkin 기반 화학반응 해석과 Fluent 연소 모델을 결합하여 수행하며, 이를 구조적 열변형과 유기적으로 연계하는 다물리계 결합 해석(Coupled Analysis)을 수행합니다. Ansys optiSLang과 PIDO 기반 자동화로 압축비와 터빈 효율을 극대화하는 블레이드 형상 최적화 솔루션을 제공하며, MGT-24 터보제너레이터 과제에는 전동화 엔지니어링서비스 분야의 전문 역량을 바탕으로 발전기–기어박스–동력터빈 간 전자기-열-구조 다물리 결합 해석을 통해 출력 밀도와 효율을 최적화합니다. Ansys ModelCenter를 MBSE Integration Hub로 활용하여 SAM에서 정의된 터보제너레이터 요구사항을 공력 · 기계 · 전자기 해석 도구와 직접 연결하고, MDAO 프레임워크로 동력터빈 공력 설계 · 기어박스 기계 설계 · 발전기 전자기 설계를 단일 워크플로우로 통합하여 Trade Study와 Design Exploration을 수행, 설계 변수 간 상층관계(Trade-off)를 신속히 탐색하고, MBSE 방법론으로 터보제너레이터의 시스템 요구사항(출력 전력, 회전속도, 열관리)을 구성품 설계 파라미터로 자동 분해·추적하여 800N급 하이브리드 전기추진 통합 모델 기반 성능분석(2031년 목표)까지 일관된 설계 데이터 흐름을 보장합니다.
③ 제3연구실: 구조·회전체 기술 (MGT-31 ~ MGT-33)
- RFP 요구사항: 구조설계/해석기술(MGT-31), 초고속 회전체 시스템 해석, 2차유로 및 연료·윤활계통 해석.
- 모아소프트 매칭 (MDAO 기반 구조·회전체 동역학 및 계통 해석): 마이크로터빈의 핵심인 초고속 회전축 시스템에 대해 Ansys Mechanical 및 Motion을 활용하여 진동, 캠벨 선도(Campbell Diagram), 위험 속도(Critical Speed) 분석을 수행하고, MDAO 워크플로우로 구조-열-유동 결합 해석을 자동화합니다. 2차유로의 열전달 및 연료 · 윤활계통의 내부 유동을 모의하여 가혹한 운용 환경에서도 베어링 및 로터 시스템이 파손되지 않는 구조적 강건성을 입증합니다.
④ 제4연구실: 구성품·엔진 시험평가 기술
- RFP 요구사항: 마이크로터빈 구성품 및 엔진 통합 시험평가 인프라와 기술 확보.
- 모아소프트 매칭 (MBSE 연계 시험평가 M&S 지원): MBSE로 정의된 시스템 요구사항을 시험 시나리오와 연계하여, 실제 물리적 시험이 제한되거나 막대한 비용이 소요되는 고속 회전 및 고온 환경의 시험 조건을 디지털 트윈 기반 가상 시험평가(M&S)로 백업합니다. 불확실성 정량화(UQ) 및 대리모델(Surrogate Model) 기술을 적용하여 가상 성능 예측 결과와 실제 시험 데이터 간의 오차를 보정하고, 시험평가의 안정성을 높입니다. 조설계/해석기술(MGT-31), 초고속 회전체 시스템 해석, 2차유로 및 연료·윤활계통 해석.
2. 가상 엔진 실증 심층 기술 Q&A
Q1. 800N급 마이크로터빈 엔진의 레이아웃 설계(MGT-11) 단계에서 구성품 간의 성능 간섭과 비선형적 특성을 M&S로 어떻게 통합 제어합니까?
A1. 모아소프트는 MBSE 방법론으로 엔진 시스템 요구사항을 구성품별 설계 파라미터로 분해한 뒤, 압축기·연소기·터빈 각 구성품의 고정밀 3D 해석 데이터를 Ansys Twin-Builder 기반 고차원 축소모델(ROM)로 변환하고, Python/Matlab과 연동하여 1D 시스템 레벨에서 통합 시뮬레이션을 수행합니다. 이를 통해 가속, 감속, 과도 응답 상태에서 발생할 수 있는 비선형적 성능 저하와 매칭 오류를 가상 플랫폼 상에서 실시간으로 추적하고 제어 파라미터를 최적화할 수 있습니다.
Q2. 연소기(MGT-22)의 초고온 가스 유동이 터빈 블레이드(MGT-23) 및 주변 구조물에 미치는 열-변형 문제를 얼마나 정확히 예측할 수 있습니까?
A2. 모아소프트의 강력한 다물리(Multi-Physics) 결합 해석 프로세스를 적용합니다. Chemkin 기반 화학반응 해석으로 연소기 내 반응 경로와 화염 온도를 먼저 도출한 후, Fluent 및 Ansys CFX를 통한 유동·연소 해석 결과(가스 온도, 압력 분포)를 Ansys Mechanical 구조 모델로 실시간 매핑하여 열응력 및 변형량을 계산합니다. 이 열변형이 다시 유동장에 미치는 영향까지 고려하는 양방향(2-Way) FSI(Fluid-Structure Interaction) 해석 기법을 통해, 터빈 블레이드의 팁 클리어런스(Tip Clearance) 변화 및 구조적 열피해 리스크를 예측합니다. 이러한 MDAO 기반 다물리 결합 해석 프로세스는 연소기-터빈 간 열적 상호작용을 설계 초기에 완전히 파악할 수 있게 합니다.
Q3. 초고속 회전체 시스템(제3연구실) 설계 시 치명적인 자이로스코프 효과와 축 진동(휘돌림 현상) 문제를 가상 환경에서 어떻게 검증합니까?
A3. BladeGen으로 생성한 블레이드 형상을 Ansys CFX 회전 좌표계 해석으로 공력 하중을 추출하고, Ansys Mechanical 로터 동역학(Rotor Dynamics) 솔루션과 Motion을 활용하여 베어링의 강성/감쇠 계수 및 축의 자이로스코프 효과를 반영한 캠벨 선도를 도출합니다. 무인기 기체의 급격한 기동 조건에서 발생하는 외력을 회전체 모델에 반영하여, 위험 속도(Critical Speed)를 회피하고 공진으로 인한 엔진 파손 가능성을 설계 단계에서 원천 차단합니다. MDAO 프레임워크로 회전체-베어링-구조물 간 다학제 상호작용을 단일 루프에서 최적화하고, MBSE로 정의된 요구사항 대비 설계 마진을 자동 추적하는 강건 설계를 지원합니다.
Q4. ‘고성능·저비용’이라는 두 가지 상충되는 목표를 동시에 달성하기 위한 M&S 기반의 의사결정 지원 방안은 무엇입니까?
A4. 모아소프트가 보유한 PIDO(Process Integration and Design Optimization) 기반의 자동화 워크플로우와 MDAO(Multidisciplinary Design Analysis and Optimization) 프레임워크를 결합하여 활용합니다. 공력·구조·열·전자기 등 복수의 물리 분야를 단일 최적화 루프 안에서 동시에 고려하는 MDAO 방식을 통해, 엔진 성능을 극대화하는 동시에 제조 원가 및 공급망 안정성을 반영한 다목적 강건최적화(Multi-objective Robust Design)를 수행합니다. Ansys optiSLang 기반 실험계획법(DOE)으로 설계 변수들의 민감도를 분석하고 대리모델을 구축하며, Ansys ModelCenter를 MBSE Integration Hub로 활용하여 다학제 해석 도구들을 단일 의사결정 루프로 통합하고, Trade Study와 Requirements Verification을 자동화함으로써 최적의 성능과 경제적 타당성을 융합한 균형 잡힌 최적 의사결정 데이터를 제공합니다.
3. 모아소프트가 제안하는 기술 플랫폼
- 설계 자동화부터 최적 의사결정까지 지원(MDAO): Ansys ModelCenter를 MBSE Integration Hub로, optiSLang, Twin Builder, SCADE, SAM 등 MDAO/MBSE 제품군과 Maxwell, Mechanical, CFX, Fluent, BladeGen, Chemkin, Motion 등 CAE 해석 도구를 단일 MDAO 워크플로우로 연결하여 다학제 통합설계를 구현하고, 요구사항부터 해석·검증까지 끊김 없는 Digital Thread를 확보하여 개발 속도를 획기적으로 향상시킵니다.
- 고정밀 성능 예측 기반 비용 절감: 고성능·저비용 무인기 개발을 목표로 하는 만큼, 가상 시스템 통합 검증을 통해 시제 제작 및 시험평가 비용을 최소화합니다.
- MBSE 기반 균형 잡힌 최적화 달성: MBSE(Model-Based Systems Engineering) 방법론으로 시스템 요구사항과 구성품 설계를 연결하고, 성능, 비용, 공급 안정성 등 다차원적 요구 조건을 만족하는 균형 최적화를 통해 연구센터의 정량적 목표 달성을 보장합니다.
모아소프트는 무인기 마이크로터빈 추진시스템의 원천기술 확보와 특화연구센터의 연구 역량을 끌어올릴 가장 확실한 M&S 및 Digital Thread 기반 자동화·최적화 기술 파트너입니다.
파트너십 및 제안 참여 문의
- 공식 웹사이트: https://moasoftware004.mycafe24.com/
- 주요 협력 영역: 마이크로터빈 통합설계 플랫폼 구축(MDAO/MBSE 기반), 터보제너레이터 전동화 엔지니어링서비스, 다물리 결합 해석, 초고속 회전체 동역학, PIDO·MDAO 기반 형상 및 시스템 최적화 컨설팅(Ansys ModelCenter·optiSLang·Twin Builder·SCADE·SAM·CFX·BladeGen·Chemkin).