항공우주 산업이 수소 동력 비행을 탐구하면서 한 가지 과제가 금세 가장 중요한 문제로 떠오릅니다. 바로 항공기 내에서 액체 수소를 어디에 보관할 것인가 하는 점입니다. 기존 연료와 달리 액체 수소는 극저온 상태를 유지해야 하므로, 열 관리, 구조 통합, 안전성, 임무 수행 능력 등 복잡한 요구사항이 수반됩니다. 이러한 극저온 수소 저장 문제를 효율적으로 해결하려면 새로운 공학적 접근법이 필요합니다.
지멘스의 가상 통합 항공기(VIA) 방법론은 요구사항, 시뮬레이션, 설계, 검증 활동을 하나의 디지털 스레드로 연결해 이 문제를 해결합니다. 수소 동력 UAV를 시연 플랫폼으로 활용해, 엔지니어들은 개념 단계 초기 설계 과정에서 극저온 수소 저장 시스템을 평가하고 최적화했습니다.
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| VIA 디지털 스레드는 극저온 수소 저장 개발 전반에 걸쳐 요구사항, 시뮬레이션, 설계, 검증 활동을 연결합니다. |
그 임무에는 수소가 얼마나 필요합니까?
모든 항공기 설계는 임무 요구사항에서 시작됩니다. 이 프로젝트에서 지멘스는 가상의 엔젤 아울 정찰 UAV를 기준 플랫폼으로 삼아, 기존 기체 구조와 임무 능력을 유지하면서 원래의 등유 연료 시스템을 액체 수소로 대체하는 야심찬 목표를 세웠습니다.
엔지니어들은 Simcenter Amesim을 활용해 항공기 성능, 추진 특성, 비행 프로파일, 수소 특성, 연료 소비량을 반영한 임무 수준의 모델을 만들었습니다. 또한 시뮬레이션에서는 저장된 수소 질량의 약 0.1%를 보수적으로 끓어 증발하는 손실로 가정하여 극저온 손실도 반영했습니다.
이 초기 분석은 상세 설계 작업에 들어가기 전에 지속 비행 시간과 항속 거리 요구를 충족하는 데 정확히 얼마나 많은 액체 수소가 필요한지에 대한 명확한 답을 제시했습니다.
수소 탱크가 항공기 안에 들어갈 수 있나요?
얼마나 많은 연료가 필요한지 아는 것은 도전 과제의 일부에 불과합니다. 액체 수소는 약 20K(-253°C) 근처에서 저장되므로, 탱크는 뛰어난 단열이 필요하고 기존 연료 탱크보다 더 많은 부피를 차지합니다.
최적의 해결책을 찾기 위해 엔지니어들은 사용 가능한 동체 부피 내에서 CAD 기반의 패키징 연구를 수행했습니다. 설계 규정상 수소와 단열 시스템 모두를 위한 충분한 공간이 필요했으며, 각 탱크 주변에는 2인치의 여유 공간이 포함되어야 했습니다.
여러 개념을 평가한 결과, 단일 대형 탱크보다 네 개의 소형 탱크가 사용 가능한 공간, 단열 요구사항, 설치 제약 조건 사이에서 더 나은 균형을 제공하는 것으로 나타났습니다. CAD 모델을 요구사항과 시뮬레이션 데이터에 직접 연결함으로써, 디지털 스레드는 의사결정 전 과정에서 완전한 추적성을 보장했습니다.
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| 포장 연구에서는 사용 가능한 공간, 단열 요구사항, 설치 제약 조건 사이에서 최적의 절충안으로 4탱크 구성을 선정했습니다. |
수소를 어떻게 차갑게 유지하나요?
극저온 수소 저장 성능은 열 누출을 최소화하는 데 크게 좌우됩니다. 작은 열 유입만으로도 탱크 압력이 상승해 귀중한 연료가 증발할 수 있습니다.
열 설계를 평가하기 위해 엔지니어들은 Simcenter 3D를 사용해 극한 운전 조건을 분석했습니다. 한 시나리오에서는 여름철 두바리 지상에 앉아 있는 UAV가 거의 공기 흐름이 없는 상태에서 50°C에 육박하는 주변 온도에 노출되는 상황을 가정했습니다. 분석에는 탱크 시스템에 작용하는 전도, 대류, 복사 열전달 효과가 포함되었습니다.
일련의 매개변수 연구를 통해 단열 두께 옵션을 비교하고, 허용 가능한 열부하 한도를 초과하는 설계는 자동으로 제외했습니다. 그 결과, 설치 가능한 공간과 열 성능의 균형을 맞춘 최적화된 단열 구성이 완성되었습니다.
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| 열 시뮬레이션을 통해 열 유입과 단열 효율을 평가하여 끓어오름을 최소화하고 극저온 저장 조건을 유지하는 방안을 검토했습니다. |
실제 임무 중에는 무슨 일이 일어날까요?
정적인 열 해석에서 우수한 성능을 보이는 탱크는 전체 비행 동안에도 동일한 성능을 유지해야 합니다.
이 질문에 답하기 위해 엔지니어들은 Simcenter Amesim과 Simcenter 3D를 공동 시뮬레이션 환경으로 연결했습니다. 결합된 모델은 수소 소비, 끓어오름 발생, 배출 거동, 변화하는 환경 조건, 그리고 이륙, 순항, 착륙 시 항공기의 상세한 열 반응을 포착했습니다.
시뮬레이션이 진행되는 동안 두 모델은 열 및 유체 시스템 데이터를 지속적으로 교환하며 임무 전반에 걸친 수소 탱크의 거동을 현실감 있게 재현했습니다.
결과는 고무적이었다. 선택된 설계는 안정적인 수소 온도를 유지하고 액체에서 기체로의 전환을 제한했으며, 단열 시스템 전반에 걸쳐 200K를 초과하는 열 구배를 지속적으로 유지했습니다. 이러한 결과는 저장 시스템이 액체 수소를 효과적으로 보존하면서 끓어 증발하는 손실을 최소화할 수 있음을 보여주었습니다.
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| 결합 시스템과 3D 시뮬레이션은 실제 비행 조건과 임무 프로파일 하에서 수소 탱크의 성능을 검증했습니다. |
분석에서 확신으로
이 극저온 수소 저장 탱크 연구는 시뮬레이션 기반 개발 프로세스의 가치를 입증합니다. 여러 차례의 물리적 시제품 제작에 의존하는 대신, 엔지니어들은 연결된 디지털 환경에서 연료 요구사항을 평가하고, 탱크 배치를 최적화하며, 단열 설계를 개선하고, 임무 성능을 검증할 수 있었습니다.
요구사항, 설계 모델, 시뮬레이션, 검증 활동을 디지털 스레드로 연결함으로써, 가상 통합 항공기 방법론은 팀이 통합 문제를 더 일찍 발견하고, 다양한 설계 대안을 탐색하며, 더 자신 있게 더 나은 의사결정을 내릴 수 있도록 돕습니다.
수소 동력 항공이 계속 발전함에 따라, VIA와 같은 통합 디지털 엔지니어링 접근법은 개발 리스크를 줄이고 혁신을 가속화하는 데 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다.
[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/virtual-integrated-aircraft-cryogenic-hydrogen-storage/
