[기고] 벡터의 하이브리드 항공기 테스트 솔루션

[테크월드뉴스=김경한 기자] 하이브리드 항공기의 시스템을 개발하려면 시험 비행을 하기 전에 적절한 방법으로 시스템 전체를 검사할 수 있도록 구성 가능하고 다목적인 테스트 소프트웨어와 하드웨어가 필요하다. 

벡터의 CANoe는 네트워크 전체와 개별 라인의 교체 가능 장치(LRU, Line Replaceable Unit)를 개발, 테스트, 분석할 수 있는 소프트웨어 툴이며, 개발 프로세스 전반에 걸쳐 엔지니어를 지원한다. 이 툴은 문제 해결, 통신 분석, 버스 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 수동 및 자동 테스트를 최적화할 수 있는 다목적 기능을 갖추고 있다. 더 나아가 항공 우주 산업에서 사용되는 버스 네트워크 전반을 지원하며, 여기에는 AFDX, ARINC 664, ARINC 429, ARINC 825가 해당된다. 

LRU를 테스트하기 위해서는 통신 네트워크뿐만 아니라 I/O(Input/Output) 인터페이스에도 연결이 필요하게 된다. 이 작업은 벡터 VT 시스템으로 처리하면 된다. 이 시스템에는 I/O 채널을 하나의 모듈에 연결하는 데 필요한 모든 회로 컴포넌트가 통합돼 있기 때문에 테스트 벤치나 HIL(Hardware-in-the-loop) 테스트 시스템 설정이 간단해진다[그림 1]. 

사례 연구 ‘에어랜더 10’ 

에어랜더(Airlander) 10 하이브리드 항공기의 개발사인 HAV(Hybrid Air Ve¬hicles)의 엔지니어들은 벡터 시스템의 도움을 받아 완벽한 테스트 시나리오를 실행하기로 결정했다. 에어랜더 10은 세계에서 길이가 가장 긴 항공기로서, 항공기 및 헬리콥터에 LTA(Lighter-than-air) 기술을 결합하는 새로운 유형의 하이브리드 콘셉트를 적용하며 항공기에 새로운 성능을 제공한다. 이런 규모의 선구적인 프로젝트에서 제어 및 통신 시스템에 대한 꼼꼼한 테스트는 대단히 중요하기 때문에 시험 비행 전과 시험 비행 중에 중요한 역할을 한다. 

개발자들은 CANoe의 테스트 및 시뮬레이션 기능, 그리고 VT 시스템을 이용해 개별 제어 장치의 HIL(hardware-in-the-loop) 테스트를 진행하기 위한 최적의 툴 조합을 찾아냈다. 해당 조합의 테스트 적용 범위는 광범위한 모니터링 작업에서 최초 시험 비행 전 전체 하위 네트워크의 검증까지 가능하다. 

이 프로젝트에서는 CANoe와 VT 시스템이 에어랜더 10의 RS422 및 RS485 통신 시스템을 처리하고 있으며 CAN 버스 시스템도 사용하고 있다. HAV가 차세대 하이브리드 비행선이나 시리즈 생산에서 ARINC 825와 같은 버스 시스템으로 전환이 필요한 경우 CANoe 인터페이스의 물리적 레이어만 교체하면 되므로 추가 변경이 필요하지 않다[그림 2]. 

프로젝트 시작 시점에서는 HAV에서 사용되는 정보를 CANoe의 네트워크 통신에 맞게 매핑하는 방식으로 개발했다. VT 시스템을 함께 사용해서 실제와 같은 HIL 환경에 개별 제어 장치(LRU)를 테스트할 수 있었다. 무엇보다 개발자는 매트랩/시뮬링크(MATLAB/Sim¬ulink)를 사용해 에어랜더 10의 공기 역학적 모델을 설계한 다음 이를 CANoe에 연결했다. 추가적으로, CANoe에서 매트랩/시뮬링크 모델을 테스트하고 제어할 수 있도록 에어랜더 조종석의 가상 매핑을 생성하는 데에도 사용됐다. 이 소프트웨어는 벡터 에어랜더 플라이트 트레이너(Vector Airlander Flight Trainer)를 개발하는 데 활용됐다[그림 3]. CANoe는 스위치, 슬라이더, 포인터 기기 등과 같은 그래픽 컨트롤의 개별 레이아웃을 이용해 사용자 정의 패널을 만드는 기능을 갖추고 있다. 원하는 신호나 변수에 이런 컨트롤이 연결되면 관련 값이 변경돼 실시간으로 표시된다[그림 4]. 

테스트, 테스트, 그리고 추가 테스트 

지난해 8월, 시험 비행 전의 중요한 준비 단계에서는 항공관제 네트워크, 배전 컨트롤러, 비행 테스트 장비와 같은 제어 및 통신 시스템에 대한 광범위한 테스트가 포함됐다. 항공관제 네트워크 는 하이브리드 항공기의 공기 역학적 동작을 직접 제어하는 데 사용되며, 조종실이나 항공관제소에서 전기모터로 명령을 전송한다. 관리자들은 다가올 테스트가 어려운 과제가 될 것임을 절실히 깨닫고 있었다. 접근 가능한 검증된 콘셉트나 모델이 존재하지 않았기 때문에 많은 것들을 처음부터 개발해야만 했다. 

프로토 타입은 실험적인 성격을 여전히 지니고 있다. 기체에 장착된 전자 장치의 세부 사항이 변경될 가능성이 여전히 존재하기 때문에, 양산까지 최적의 솔루션을 찾고 변화하는 제약 조건을 충족하는 동시에 고도의 유연성으로 문제점에 잘 대처할 수 있는 테스트 시스템이 필요했다. 

많은 사람들이 원하는 테스트 시스템은 특수 용도로 설계된 것이 아니었다. 즉, HAV에는 에어랜더에 관한 전기·전자 개발 하위 프로젝트와 관련된 수많은 다른 작업에 적합한 일반적인 툴이 필요했다.

HAV는 CANoe 소프트웨어와 VT 시스템의 유용성을 점점 깨닫게 됐다. 독일 슈투트가르트에 본사를 두고 있는 벡터는 임베디드 시스템을 만들기 위한 툴, 소프트웨어 컴포넌트, 서비스의 전문적이고 개방적인 개발 플랫폼을 제공하는 기업으로 알려져 있다. 이는 엔지니어들에게 어렵고 대단히 까다로운 문제를 가능한 간단하고 이해하기 쉽게 만드는 데 있어서 중요한 이점을 제공한다. 벡터 시스템은 전 세계의 자동차, 항공 우주, 대형차, 철도 운송, 해양 산업 외에도 수많은 자동화 프로젝트에서 사용되고 있다. 

100% 자동화 방식 테스트 

HAV는 가상 조종석의 스위치와 컨트롤을 사용해 파일럿의 일반적인 동작을 시뮬레이션하고 이를 통해 테스트 중인 장치의 신호를 인가한다. 이때 엔지니어는 제어 장치가 다른 상황에서 어떻게 반응하는지 관찰할 수 있다. 이런 시뮬레이션의 가장 큰 장점은 아직 사용할 수 없는 컴포넌트가 일부 있더라도 개발 중에 하위 네트워크를 미리 연결해 테스트해 볼 수 있다는 것이다.

누락된 모듈을 시뮬레이션하고 전체 시스템이 구현될 때까지 단계별 프로세스에서 실제 장치로 추후에 대체할 수 있다. HAV는 이런 방법으로 지상에서 비행 제어 네트워크 전반을 테스트하고 가상으로 시작할 수 있었다. 

비행 중 비행과 관련된 중요한 작업이 배전 컨트롤러에 할당되므로 항상 충분한 에너지를 확보할 수 있다. 시스템은 배터리의 충전 상태, 발전기, 비상 전원 시스템, 디젤 연료 공급 장치 등과 같이 에너지 공급에 기여하는 모든 컴포넌트를 모니터링한다. 예를 들어 발전기가 고장나는 등의 비상 상황이 발생할 경우 배전 컨트롤러가 신속하게 올바른 조치를 시작하고 비상 모드로 전환해야 한다. 발생 가능한 모든 상황에서 기능이 보장되는지 확인하기 위해 수백 개의 테스트 케이스가 실행된다. 벡터의 CANoe, VT 시스템, vTESTstudio의 도움으로 HAV는 테스트 구성을 신속하게 만들었을 뿐 아니라 자동화된 테스트 시퀀스로 테스트 범위를 100%까지 달성했다. vTESTstudio 소프트웨어 툴은 자동 구성을 편리하게 생성할 수 있는 다양한 방법을 제공한다. 이런 시퀀스는 테이블 포맷이나 CAPL 스크립트 언어로 정의하거나 C# 프로그래밍을 사용해 정의하거나, 그래픽 표기법(다이어그램)으로 모델링할 수 있다. 테스트 파라미터를 엑셀로 수정할 수 있으며 사용자는 I/O 변수를 연결해 사용하게 된다. 

테스트 장비 검사 

끝으로 벡터 테스트 툴은 비행선에 설치하기 전에 비행 테스트 장비(FTE, Flight Test Engineering)를 심층적으로 검사하는 데 사용됐다. 테스트 장비는 테스트 비행 중에 온보드 전자 장치를 모니터링하고 중요한 이벤트를 기록한다. FTE를 설치하고 시작하기 전에 시스템 자체가 올바르고 안정적으로 작동하는지 검토해야 한다. 벡터 툴의 네트워크 및 하드웨어 시뮬레이션은 FTE를 검토하기 위한 기초로 사용됐다. 이런 맥락에서 흥미로운 점은 CANoe가 의도적으로 오류를 통신에 주입하는 것이다. 예를 들어, 이는 메시지를 차단 또는 위조하거나, 체크섬(오류 검출을 위해 사용되는 자료)을 조작하는 것을 뜻한다. 하드웨어 측면에서 보자면 VT 시스템은 I/O 라인의 절단이나 단락을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있다. 이런 장애가 발생할 때는 FTE의 로그 데이터에서 오류를 찾을 수 있어야 한다.

요약 및 전망 

벡터의 CANoe 및 VT 시스템으로 인해 에어랜더 10의 제어 장치와 통신 네트워크의 개발 및 테스트 프로세스가 괄목할 만한 수준으로 단순화됐다. HAV에 중요하게 요구되는 것은 하드웨어 및 소프트웨어를 시뮬레이션하고 모델 기반 방법을 사용해 초기에 해당 기능을 구현할 수 있는 능력이다. 이는 실제 컴포넌트를 사용할 수 있기 전인 프로젝트 단계에서 이미 가능했다. 개발자들은 CANoe와 VT 시스템을 사용하면서 툴의 한계에 도달한 적이 전혀 없으며, 이 조합을 사용해 자신들이 원하는 모든 종류의 소위 ‘미친 아이디어’도 구현할 수 있었다고 솔직하게 밝혔다. 테스트 장치 관리자는 이제 많은 작업들을 한 번만 수행하면 됐고, 유형 인증 에어랜더 10을 사용하는 차후 계획된 프로젝트나 규모가 훨씬 더 큰 에어랜더 50에서도 궁극적으로 언제나 테스트 케이스를 다시 사용할 수 있다는 점이 큰 이점이라고 평가했다. 
HAV는 시뮬레이션과 테스트의 신뢰성 및 재현성 면에서 특히 만족스러워했다. 모든 것을 추적할 수 있으며 그 결과는 신뢰성 있는 기반으로부터 얻었다. 이로써 보다 발전된 개발의 기반을 확보했다. 하이브리드 비행선에 설치된 시스템은 가상 조종실에서 제어할 수 있으며 지상 테스트 중에 중앙 제어 스테이션에서 많은 작업을 수행할 수 있으므로 에어랜더 10의 압도적인 치수를 감안할 때 많은 시간과 보행 거리를 단축할 수 있다. 

[참고] 소형 비행선의 대명사 ‘HAV’

영국의 HAV(Hybrid Air Vehicles)는 에어랜드 10의 소유 기업이자 설계 및 조립 업체다. 이 업체는 현재 전 세계에서 21개의 특허를 보유하고 있으며, 풀 사이즈 하이브리드 항공기를 설계하고 제작하는 회사다. 

40년 동안 LTA 전문 기술을 보유하고 있는 HAV는 2007년에 새로운 법인으로 설립됐으며, 2010년에 미국 정부와 계약을 체결해 3억 달러를 프로젝트에 투입해 90분간의 최초 시험 비행에 성공하기에 이르렀다. 미군의 LEMV(Long Endurance Multi-Intelligence Vehicle) 프로젝트가 종료된 후 HAV는 항공기를 인수하고 에어랜더를 영국 베드퍼드셔(Bedfordshire)로 다시 운송했다. 이곳에서 8월에 실시된 최초 시험 비행에 대비한 테스트가 진행됐다. 

오늘날 HAV는 LTA 기술을 갖춘 세계 최고의 하이브리드 항공기 제조업체로 받아들여지고 있으며, 에어랜더는 일련의 특별한 차별성이 돋보인다. 소형 비행선, 항공기, 헬리콥터 특성의 조합이 특히 주목할 점이다. 

정적 양력을 이용한 헬륨 충전이 양력의 약 60%에 기여하고 나머지는 공기 역학적 형태와 추진 시스템이 담당한다. 각각 출력이 325hp인 4ℓ V8 터보 디젤 엔진으로 구동되는 4개의 로터 드라이브는 회전할 수 있으며, 필요에 따라 위쪽이나 아래쪽 방향으로 추진력의 ±25%를 생성한다. 기존 비행기의 날개와 유사한 공기 역학적 형태는 전진 이동에 반응할 때 양력의 40%까지 담당할 수 있다. 외피나 선체는 인장 강도가 높고 매우 비탄력적인 액정 폴리머 섬유로 만들어진다. 외피나 선체의 형태를 유지하기 위해서는 헬륨이 약간 과압 상태이기만 하면 된다. 이 콘셉트에 근거한 항공기의 작동은 헬리콥터의 작동보다 10배 더 비용 효율적이다. 이 차세대 항공기는 주로 비용 효율성을 높이고 연료 소비량을 감소시킬 것으로 예상된다. 

가능한 한 가장 긴 비행 범위 및 비행 기간, 탑재 화물 용량 및 이착륙에 대한 높은 요구사항과 관련된 유연성 면에서도 바람직하다. 에어랜더 10은 이런 분야와 그 외의 분야에서 새로운 표준을 설정하고 근본적으로 선구적인 역할을 맡고 있다. 에어랜더 10은 탄소 발자국과 소음 배출량 감소의 모범을 보여주며, 최대 5일 동안 유인 상태로 공중에 머물 수 있고 잔디, 사막, 얼음, 눈, 물에 수직으로 이착륙할 수 있다. 

한편 하이브리드 항공기는 최대 10t(미터톤)의 화물과 최대 60명의 승객을 약 150km/h의 속도로 지점 간 최단 거리로 운송할 수 있다. 에어랜더 10의 응용 분야로는 풍력 발전기 컴포넌트, 석유, 가스 또는 파이프라인 장비와 같이 접근하기 어려운 장소에서의 무거운 화물 운송 및 배송, 크레인 작업 등을 들 수 있다. 용도로는 관광 여행, 호화 사파리 여행, 전기 통신 및 장기 모니터링 임무 등이 포함된다.

<자료제공: 벡터코리아(Vector Korea)>

글: 아르네 브레머(Arne Brehmer) 박사(Vector Informatik 항공 우주 분야 팀장)

외른 하세(Jörn Haase) Vector Informatik 항공 우주 엔지니어