[Amesim] 시뮬레이션 기반 성능 분석: Amesim으로 하이브리드 전기 항공기 분석해보기

 

1. 도전 과제: 혁신적이고 성능이 뛰어나면서도 깨끗한 항공기 설계하기

항공 운송 부문은 파리 협정(COP21)에서 대부분의 세계 경제가 약속한 대로 2050년까지 기후 중립에 도달해야 하는 어려운 과제에 직면해 있습니다. 이러한 제한된 기간 내에 이러한 파괴적인 전환을 달성하려면 기후 중립 항공을 실현하기 위한 새로운 기술 옵션이 필요합니다. 청정 항공 목표를 달성하고 항공기의 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 혁신적인 기술이 필요합니다. 항공기 제조업체는 항공기 설계 프로세스의 복잡성을 관리하는 동시에 새로운 기술 진화를 통합하고 항공에 대한 소비자 및 사회적 요구에 대응해야 합니다.  

기후 중립 지역 항공으로의 전환은 새로운 고성능 및 청정 하이브리드 전기 지역 항공기로 이어질 것입니다. 지역 항공기는 저공해 또는 무공해 기술을 구현하고, 지역 항공의 기후 및 환경에 미치는 영향을 줄이는 출발점이 될 수 있습니다. 하이브리드 전기 지역 항공기를 개발하는 것은 매우 복잡합니다. 새로운 재료, 적층 제조 구조, 전기 추진 시스템 및 고급 온보드 소프트웨어를 통합해야 하기 때문입니다. 항공기의 안전성, 신뢰성, 성능 및 비용 효율성을 보장하기 위해서는 광범위한 가상 및 물리적 테스트가 필요합니다.

청정 항공 문제를 해결하기 위해 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어는 연구 프로젝트 HERA에 협력하여 성능이 뛰어나고 깨끗한 미래 하이브리드 전기 지역 항공기를 달성하기 위한 기술 혁신에 중점을 둡니다.

2. 디지털 트윈은 항공기 성능 분석을 가능하게 합니다

하이브리드 전기 추진 시스템을 미래 항공기에 통합할 수 있도록 시뮬레이션 기반 접근 방식을 채택하여 HERA 파트너인 나폴리 페데리코 II 및 레오나르도 S.p.A.와 함께 진행 중인 연구개발 활동인 하이브리드 전기 항공기 성능을 분석합니다. 이 기술 혁신 작업은 ATR72-600의 매개변수 디지털 트윈 개발 및 검증으로 구성되며, 이는 미래의 시연자를 위한 하이브리드-전기 추진 통합을 지원하는 것을 목표로 합니다. 비행 시연기의 아키텍처는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1: 비행 시연기를 위한 예비 발전소 계획 제안된 현재 ATR72-600 (왼쪽).

디지털 트윈은 개념적 및 예비 항공기 설계를 위한 자바 기반 도구인 JPAD를 사용하여 구현되었습니다. 이 모델은 상세한 항공기 기하학, PW127XT-M 엔진을 기반으로 한 업데이트된 추진 시스템, 구조적, 시스템 및 페이로드 구성 요소를 포함한 완전한 질량 분석을 포함합니다. 전용 밸런스 모듈은 다양한 적재 시나리오에서 무게 중심 이동을 추적합니다. 공기역학 모델은 반경험적 및 대리 방법을 사용하여 양력 및 항력 극을 계산하여 다듬어진 공기역학 효율성과 정적 안정성을 평가할 수 있습니다.

그림 2: ATR72-600 기준선(위)과 JPAD와의 첫 비교를 위해 적응된 Simcenter Amesim 모델(아래)

그림 2는 HERA 프로젝트의 Simcenter Amesim 모델과 JPAD 모델과의 두 가지 중요한 지표 비교를 보여줍니다. 발견된 상관관계는 두 모델 결과를 더 깊이 탐구하게 하고 동기를 부여합니다.

3. 항공기 성능 시뮬레이션 및 검증 결과

주요 목표는 대표 임무에서 항공기의 성능을 시뮬레이션하고 검증하여 하이브리드 구성을 평가할 수 있는 벤치마크를 제공하는 것이었습니다. 주요 포인트 및 임무 성능 지표인 마하 수(그림 3), 상승/강하 속도(RoC/RoD)(그림 3), 천장 고도, 순항 연료 연소 및 배출량 등을 계산하여 공개된 ATR 데이터6과 비교했습니다. 결과는 2-3% 이내의 편차를 보여 모델의 정확성과 신뢰성을 입증했습니다(4).

그림 3: JPAD와 Simcenter Amesim의 마하 수(왼쪽)와 ROC/ROD(오른쪽) 비교

검증된 모델은 비대칭 추진을 특징으로 하는 예비 하이브리드-전기 구성을 평가하는 데 사용되었습니다: 한쪽은 열 엔진을 유지하고, 다른 한쪽은 100 kWh 리튬 이온 배터리로 구동되는 200 kW 전기 모터를 장착했습니다. 검증된 모델을 채택함으로써 발전소 질량이 500kg 증가했음에도 불구하고 순항 단계 연료 소비를 약 5% 줄일 수 있었습니다. 대표적인 고도와 마하 수에서 특정 공기 범위가 최대 3%까지 개선되었습니다. 이러한 결과는 등출력 혼성화4를 통한 순항 단계 배터리 부스트의 효과를 검증합니다.

Simcenter Amesim5의 보완적인 통합을 통해 비행 프로필과 에너지 소비를 동적으로 검증할 수 있었고, JPAD 기반 결과와의 일치를 확인하고 시스템 수준의 트렌드에 대한 신뢰를 높였습니다. 모델링 접근 방식은 또한 온보드 시스템 부하와 냉각 수요의 영향을 평가하여 열 관리 및 환경 제어 시스템(ECS) 크기 조정을 위한 설계 제약을 안내했습니다.

그림 4: 영향 분석 모델에 온보드 시스템(OBS) 추가

[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/simulation-driven-performance-analysis-of-hybrid-electric-regional-aircraft/