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항공기 안전운항을 위한 복합재 구조용 고효율 결빙보호시스템 연구
명노신 센터장(항공핵심기술 선도연구센터)/myong at gnu.ac.kr/

사업명: 산업수요기반 고효율 안전 항공핵심기술 연구센터 

연구기관: 경상대학교 기계항공공학부

유형: ERC 선도연구센터

연구책임자: 명노신 센터장 / myong at gnu.ac.kr

 

 

탄소섬유강화 복합재는 우수한 비강도, 비강성의 특성으로 항공기 구조물에 많이 적용되고 있습니다. 또한 항공기 결빙현상은 잘 알려진 결빙인자 및 비행조건 외에도, 다양한 물리적 요소가 항공기 표면의 결빙 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.

오늘 인터뷰에서 만나 볼 명노신 교수(경상국립대학교 기계항공공학부)는 공력해석 및 설계, 전산유체역학(CFD), 극초음속 및 마이크로/나노 스케일 기체 유동, 항공기의 결빙, 낙뢰, RF/IR 스텔스 관련 연구를 진행하고 있습니다.

 

또한 항공핵심기술 선도연구센터(Research Center for Aircraft Core Technology; ACTRC, http://actrc.gnu.ac.kr/) 센터장을 맡아 항공기 복합재의 태생적 난제를 해결하는 마이크로기술, 안전관련 핵심 시스템 설계, 안전필수 비행제어 원천기술을 연구 중입니다. 연구에 대한 자세한 이야기를 들어 보도록 하겠습니다.


1. 항공핵심기술 ERC 선도연구센터 (Research Center for Aircraft Core Technology: ACTRC)에 대한 소개 부탁드립니다.

항공핵심기술 선도연구센터는 항공기에서 마차 바퀴의 린치핀(Linchpin)과 같은 급소 역할을 담당하고, 국내 독자 개발 항공기에 적용이 가능한 미래형 고효율·안전 항공핵심기술을 개발하고 있습니다. 국내 항공산업은 신규시장 진입과 환경 및 기후 변화와 관련된 각종 기술장벽에 직면해 있고, 이 난관을 극복하기 위해서는 첨단융합기술 전문가로 이루어진 집단연구를 통해 산업수요 중심의 항공기 미래형 고효율·안전 핵심원천기술을 우선적으로 개발해야 합니다. 

 


 

따라서 센터에서는 국내 항공분야의 학문적, 기술적 수준을 대폭 향상시키기 위해 항공기 복합재의 태생적 난제를 해결하는 마이크로기술, 세계적 수준의 안전관련 핵심시스템 설계, 안전필수 비행제어 관련 원천기술을 개발 중에 있습니다. 경상국립대 뿐만 아니라 UNIST, KAIST, SNU 등의 참여대학 핵심연구원들이 센터에 소속감을 갖고 집단 공동연구를 유기적으로 수행할 수 있도록 연구 인프라 구축과 워크숍 등의 각종 학술 활동을 진행하고 있습니다. 

 

21년 2월에 1단계 4년간 사업이 마무리되었고, 3월부터 원천기술의 실용화에 초점을 맞춘 2단계 사업을 진행하고 있습니다. 국내 항공분야 학문 및 기술적 수준을 한 단계 업그레이드 시키고, 진주·사천 항공국가산단의 산학협력 거점 전문센터 역할을 성공적으로 수행하여, 장기적으로 입주 기업의 연구개발 및 시험평가를 지원하는 자립형 연구소로 성장하고자 합니다.


2. 탄소섬유강화 복합재는 항공기 운항 중에 발생하는 충격 및 비틀림 하중에 취약하다고 하는데요. 그 이유가 무엇인지 궁금합니다.





탄소섬유강화 복합재는 우수한 비강도, 비강성의 특성으로 항공기 구조물에 많이 적용되고 있습니다. 그러나 적층 방식으로 제작되는 공정의 한계인 층과 층 사이가 분리되는 층간분리 현상이 나타나, 항공기 운항 중에 발생하는 충격 및 비틀림 하중에 취약합니다.





따라서 항공핵심기술 선도연구센터 I​그룹 연구팀은 복합재료의 태생적 한계인 층간분리의 불확실성을 해결하기 위해 복합재료 3차원 보강법인 I-Fiber 스티칭 원천기술을 개발하였으며, 다양한 형상의 구조물에 적용하여 공법의 우수성을 검증하였습니다.



3. I-fiber 신공법은 고비용, 저효율 공정 대비 간단한 공정 및 장치로 항공분야 뿐만 아니라 다양한 산업에도 적용할 수 있다고 하는데요. 연구하신 I-fiber 공법은 무엇이며, 항공 외 어떤 산업에 적용할 수 있는지 궁금합니다.

I-Fiber 신공법은 고강성 섬유인 탄소섬유를 일정 간격으로 배치할 수 있는 보강 공법입니다. 기존 복합재료 보강법은 양방향으로 장비가 배치되어 공정 효율이 매우 떨어지고, 보강 효과 또한 크지 않아 산업 현장에 적용하기 어렵습니다. 하지만 I-Fiber 신공법은 한 방향에서 보강하는 공법으로 복합재의 두께방향 물성을 획기적으로 향상시킬 수 있어 간단한 공정 및 장치로 항공분야 뿐만이 아닌 복합재료가 적용되는 모든 산업에 적용할 수 있습니다.





현재는 자동차 산업 진입을 위해 본 공법을 적용한 “대량생산이 가능한 일체형 복합재 휠”을 개발하고 있으며, 추후 제안된 I-Fiber 신공법의 원천기술을 바탕으로 항공기 전주기 복합재 구조건전성에 관한 원천기술을 확보할 수 있을 것입니다.


4. 항공기 결빙보호시스템은 항공기의 Wing, Engine Inlet, WindowShield, Sensor 등에 적용되어 운용 중 발생할 수 있는 표면 결빙으로부터 항공기를 보호합니다. 기존 결빙보호시스템과 최신 기법을 비교했을 때 어떤 부분이 발전되고 있는지 자세한 설명 부탁드립니다.

기존의 결빙보호시스템은 엔진의 고온 공기를 사용하는 Piccolo Tube 방식이 주로 채택되었습니다. 현대의 항공기는 경량 및 고효율 소재로 각광받는 탄소섬유 등의 복합재를 더 많은 구성품에 사용하는 추세입니다. 하지만 이러한 복합재는 열에 취약한 단점이 있습니다.





엔진의 고온 공기를 사용하는 Piccolo Tube는 복합재에 Overheating 문제를 발생시켜 전기 열선, 복합재 매트릭스에 나노입자를 분산시키는 방법에 기반한 전기열 방식이 사용되고 있습니다. 그러나 기존 방법들은 발열 효율이 낮고 구조적 일체성이 부족하며 대면적에 활용하기 어렵습니다. 

 

본 연구팀은 탄소섬유에 금속 무전해 도금을 적용하여 추가적인 무게 증가 패널티 없이 전기적 물성을 부여하는데 성공하여, 전력량 대비 대면적 활용성, 고온 표면 유지, 높은 에너지 효율, 신속 열 제어 등이 가능한 고효율 결빙보호 기능을 갖는 복합재 구조물을 구현하였습니다.


5. 항공기 복합재 연구는 복합재의 손상을 감지하고 판별할 수 있는 건전성 모니터링 시스템 개발이 필수적입니다. 항공기 복합재 구조물 건전성 계측시스템 어디까지 왔는지 궁금합니다.

항공핵심기술 선도연구센터의 그룹 I에서는 복합재의 태생적 난제인 층간분리 손상을 방지하는 기술과 함께 손상의 예측·탐지·수리로 이어지는 항공기의 전주기 구조건전성을 확보할 수 있는 미래형 기술을 개발하고 있습니다. 기존의 복합재구조 검사 및 탐지기술은 시스템의 작동을 중단해야 하고 수동으로 직접 하중을 가하여 손상탐지를 수행해야 하므로, 소요 시간이 많이 필요하고 항공기 날개와 같은 대형 구조에 적용하기가 어려웠습니다. 

 

본 연구팀은 레이저를 활용하여 초당 약 1000 검사점에 대한 검사를 수행하고, 기존 방식 대비 100배의 분해능을 갖는 기술을 개발하였습니다. 또한, 실험적 검증을 통해 상용화 모델에 대한 안정화 연구를 수행하고 실시간 모니터링 시스템 통합 시제품을 제작하여 실용화를 달성하고자 합니다.


6. 항공기 복합재 마이크로홀 가공기술에 대해 궁금합니다.

마이크로 홀 가공기술은 볼트나 리벳을 활용하여 복합재를 체결하고 수리하기 위해 복합재료에 홀을 가공하는 기술입니다. 기존의 복합재 마이크로 홀 가공기술은 기계가공, 레이저가공, EDM 가공법 등이 있습니다. 그 중 기계가공기술이 주로 사용되는데, 기계가공으로 고난삭 복합재에 마이크로홀을 가공할 경우 공구마모 및 절삭열로 인한 복합재 가공면의 손상을 야기할 수 있습니다. 따라서 가공 과정에서의 결함을 방지하고, 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 초정밀 가공기술의 개발이 필요합니다. 

 

본 연구팀은 기존의 복합재 기계가공에서 발생하는 문제를 해결하기 위해 초정밀 하이브리드 가공기술 개발에 대한 연구를 수행 중입니다. 초정밀 하이브리드 가공기술은 기계가공 방식에 초음파 가공방식을 융합하여 기계가공에서 발생하는 문제를 해결하고, 극저온 가공법과 결합하여 마이크로 홀 가공 시 발생하는 결함을 최소화 할 수 있는 기술입니다. 본 연구팀에서 개발중인 가공기술은 항공산업 뿐만 아니라 복합재의 홀 가공이 필요한 다양한 산업분야에서 응용될 수 있는 기술입니다.


7. 항공업계는 미래에 전기식 수직이착륙(eVTOL) 방식의 PAV(Personal Air Vehicle; 개인용 항공기)나 UAM(Urban Air Mobility; 도심항공모빌리티) 항공기가 출현할 것이라고 예측하는데요. 곧 하늘길이 열린다고 합니다. 교수님 의견은 어떠신지요?

현재 전 세계적으로 주요 항공기 회사, 자동차 회사, 스타트업 회사들이 미래 운송수단 시장 선점을 위해 이 분야에 진출하고 있습니다. 국내에서도 민수 수요가 주 시장이 되는 도심항공 운송수단 분야가 뜨거운 감자로 떠오르고 있고, 관련 연구도 본격적으로 진행되고 있습니다. 하지만 새로운 패러다임인 도심항공 운송수단이 상용화되고 대중화되기 위해서는 여러 난관을 극복해야 합니다.

우선, 현재 eVTOL의 핵심이 되는 배터리의 에너지 밀도는 제트기관과 같은 기존의 추진방식에 비해 1/50 정도에 불과하고 가까운 시일 내에 상황이 쉽게 개선되지 않을 것으로 판단됩니다. 해서 일부 전문가들은 순수 배터리 방식의 UAM 항공기보다는 Zero Emission 상업용 항공기와 연계되는 분야의 기술 개발이 더 중요하다고 주장합니다. 저도 이러한 주장이 일리가 있다고 생각하며, 기존의 추진방식에 배터리, 수소에너지, 바이오 연료 등의 탄소 저감 방식을 혼합(Hybrid)한 30-40인승 HeV/STOL 항공기를 항공 선진국들이 주요 시장으로 여기고 있지 않나 생각합니다. 즉 PAV/UAM과 탄소 중립이라는 세계적 화두를 별도로 접근하는 것보다 함께 고려해야 한다고 봅니다.

다음으로 기술적 문제 외에 민수 UAM 항공기의 상용화에 관련된 명확한 규제가 구축되어야 합니다. 공역과 고도 활용의 문제로부터 이착륙 절차 등의 법적 규제, 이착륙을 위한 지상 관제 시스템 등의 인프라, 비행 안전 문제 등 많은 과제를 해결해야 합니다. 본 연구팀에서는 대형 항공기를 대상으로 개발 중인 안전 시스템 핵심기술인 결빙보호 설계 기술을 PAV/UAM 기체에 응용하는 연구를 수행할 예정입니다. 그리고 UAM 항공기의 안전운항의 또 다른 주요 문제인 비행 중 낙뢰 영향성을 분석하고 적절한 낙뢰보호시스템을 개발하는 연구를 수행할 예정입니다. 또한 최근 센터에 충원된 다기능 복합재 설계 분야의 남영우 핵심연구원, 공력 및 소음 분야의 이학진 핵심연구원의 도움을 받아 PAV/UAM의 고효율 경량화 소재 선정 및 구조 설계, 소음 저감, 최적 설계, 안전 핵심시스템 설계 등의 연구를 수행할 예정입니다.


8. 현재 상용화된 eVTOL은 러시아의 호버서프(Hoversurf)가 개발한 스콜피온-3(Scorpion-3)으로 2019년 두바이 경찰이 도입했습니다. 우리나라도 한화시스템이 현재 개발 중인 드론택시 ‘버터플라이’ 모형을 공개했는데요. 이처럼 상용화되어 하늘을 비행하기까지 여러 어려움이 예상되는데요. 제약이 없을까요?

기존의 고정익, 회전익 항공기에 비해 형상, 추진방식, 임무, 비행 특성이 상이한 PAV/UAM 항공기의 상업적 운용을 뒷받침하는 법률적 근거가 우선적으로 마련되어야 합니다. 또한 도심에서 운항하는 UAM 항공기의 특성 상 공역 설정, 도심 영향성 분석, 대중 수용성 등 다양한 부분에서의 연구가 진행되어야 합니다. 미국의 항공기 인증 관련 기관인 FAA와 유럽의 항공기 인증 관련 기관인 EASA에서도 수요에 따라 규정 제정을 진행하고 있는 만큼, 실제로 상용화되기까지에는 많은 시간이 소요될 것으로 예상됩니다. 그리고 상용화되더라도 대중화까지 발전하는 것은 또 다른 관문이 될 것입니다. 이러한 이유로 본 연구팀에서는 PAV/UAM의 대중화에 큰 역할을 할 안전운항을 위한 결빙 및 낙뢰 보호 기술과 소음 저감 기술을 집중적으로 개발할 예정입니다.


9. 안전필수 비행제어시스템 개발을 활용한 여러 연구들에 대한 국내 상황과 국외 상황을 구체적으로 비교해 보면 어떤 상태인지요?

현재 국내에서는 항공기 사고의 약 40%를 차지하는 LOC(Loss of Control)의 주요 원인인 결빙 등에서 기인한 항공기 Upset에 대응하기 위한 실시간 진단, 비행영역보호(Flight Envelope Protection), Upset으로부터의 회복 등을 총괄하는 비행제어 관련 국내 연구사례가 전무합니다. 또한 무인항공기 사고의 26%를 차지하는 비행제어시스템 고장에 대한 능동적인 대처가 필요하지만, 국내에서는 비행제어시스템을 다중화해 상용화한 사례가 없습니다. 뿐만 아니라 유·무인 항공기 관련 각종 사업들이 진행 중이지만, 이종 항공기 간 협업 임무 및 충돌회피에 관한 실제 비행시험 검증 연구는 진행된 사례가 없습니다.

국외에서는 센서, 구동기, 소프트웨어 등으로 구성된 비행제어시스템을 다중화하여 오류가 없는 비행제어시스템을 설계해 현재 초기 상용화 단계에 있습니다. 하지만 항공기 간 충돌 상황을 모델링하여 비행제어기를 설계하여 실제 회전익·고정익 및 이종 유·무인 항공기 간 협업 임무 및 충돌회피에 관한 비행시험 검증 결과는 해외에서도 사례가 없습니다.

이를 극복하기 위해 항공핵심기술 선도연구센터의 그룹 III에서는 유·무인 항공기의 Upset 상황과 항공기간 충돌회피를 고려한 비행제어기법과 핵심 비행제어시스템의 다중화를 통해 실용적 오류-제로 안전필수 비행제어시스템을 개발하고, 최종적으로 미래형 비행제어시스템을 비행시험을 통해 검증하고 실용화하는 연구를 수행중입니다.


10. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

항공산업은 시장창출 능력, 학문적 기술적 역량, Customer 후속지원 체계라는 세 축에 의해 지탱됩니다. 이 중 우리나라는 학문적 기술적 측면에서 상대적으로 선진국 수준에 가까운 편입니다. 하지만, 항공기의 핵심부품 개발과 환경시험 기술 분야는 거의 전부 해외업체와 시설에 의존하는 상황입니다. KF-21와 같은 대형 국가사업을 통해 이러한 기술을 보유하는 지역 중소기업체를 발굴해야 하는 이유가 여기에 있습니다. 본 센터의 핵심주제 중에 하나인 안전관련 결빙보호 핵심시스템은 환경시험을 통해 그 적합성을 입증하게 되는데, 국내에는 결빙풍동이 전무하여 해외에 의존해야 합니다. 하지만, COVID-19로 인해 해외시설을 이용하는데 어려움이 있어, 전산 시뮬레이션을 통해 사전에 그 성능을 심층적으로 분석하는 연구를 수행 중입니다. 또한 국내에 이러한 환경시험 시설을 구축하는 노력을 병행하고 있습니다.




그리고 본 센터는 십 여개 이상의 항공 관련 기업과 공동연구를 수행 중인데, COVID-19 사태로 인한 항공산업 및 연구수행에 대한 영향에 따라 항공제조업계의 수익성이 지속적으로 악화되고 있어, 연구 수행에 어려움을 겪고 있습니다. 참여기업 한국항공우주산업(주)은 중견기업임에도 불구하고 민수 항공기 사업 분야(전체 사업의 약 40%)가 직접적 타격을 입고 있습니다. 이러한 상황은 25년경까지 계속되지 않을까 예상됩니다. 이러한 어려움을 해결하기 위해 PAV/UAM 핵심기술, 헬기 무인화, 미래 국방기술 분야 등의 신규 주제를 도출하고 관련 예산을 확보하고자 노력 중입니다.


11. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

항공핵심기술 선도연구센터는 진주·사천 항공국가산단의 산학협력 거점전문센터 역할을 성공적으로 수행하여, 장기적으로 기업의 연구개발 및 시험평가를 지원하는 자립형 항공연구센터로 발전하는 것을 주요 비전으로 삼고 있습니다. 21년 3월부터 시작된 2단계 사업은 1단계 동안 개발한 핵심기술을 바탕으로 부품/시스템 시제품의 성능검증, 실용화를 중점적으로 수행할 예정입니다. 2단계 하반기에는 3년 추가로 지원받는 후속사업을 추진하고, UAM, PAV 등 미래형 비행체와 무인항공기, 인공지능, 3D 프린팅 등의 4차산업혁명 연계기술 분야로 연구영역을 확장시켜 나갈 예정입니다. 2024년 이후 3단계에는 고효율·안전 항공핵심기술 분야의 Linchpin(급소) 원천기술을 보유하고 기업의 연구개발 및 시험평가를 지원하는 산학관 공동 항공연구센터로 자립하고자 우선 현재의 센터를 “항공우주시스템연구소”로 승격시키는 프로세스를 시작하였습니다.


12. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면?

항공우주공학은 인간의 지식과 호기심의 영역을 확장시키는 노력의 최선봉에 서왔습니다. 지난 해 12월 98세로 사망한, 1947년 인류 최초로 초음속 비행을 성공시켰던 미국의 Chuck Yeager가 대표적인 인물입니다. 그는 대학 졸업장도 없었지만, 처음에는 비행 정비사, 그 후에는 조종사로 인간의 호기심과 열정의 한계를 한 단계 확장시켰습니다. 이와 같이 항공우주산업은 이전 경주의 성공에 만족하지 않고 항상 출발선에 서는 스프린터와 같은 자세의 대학원생이라면 누구나 한번 도전해 볼만 분야입니다. “Learning by Acting”과 같이 Acting을 두려워하지 않고, “질문을 질문하라”와 같이 기존 지식을 배우되 동시에 그 오류를 지적하는 것을 멈추지 않으며, “하늘아래 새것은 없다”와 같이 새로운 지식을 창출하려고 노력하되 나의 업적은 거인의 어깨 위에서 시작했기에 가능했다는 자각을 할 수 있는 대학원생이라면 더욱 그렇습니다.




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