미래 전투기 프로그램에서 미 공군의 설계 방식에 대한 핵심 테스트 실시

현재 개발 중인 미래형 차세대 공중 지배(NGAD) 전투기 플랫폼은 미 공군 역사상 가장 복잡하고 막대한 예산이 투입되는 무기 중 하나가 될 것으로 보인다.

6세대 전투기에는 최첨단 적응형 엔진부터 날개와 함께 비행하는 자율 드론에 이르기까지 다양한 신기술이 탑재될 것으로 예상된다. NGAD가 기대대로 작동한다면 중국과의 잠재적 전쟁에서 중요한 역할을 할 수 있다.

그러나 최근 몇 년 동안 공군이 신속한 항공기 개발 및 실전 배치에 혁명을 가져올 것으로 생각했던 첨단 디지털 엔지니어링 기술이 항상 실현된 것은 아니다. 이 개념을 통해 엔지니어는 설계 또는 모델을 생성하여 가정을 더 빠르고 정확하게 테스트할 수 있다. 디지털 엔지니어링이 NGAD의 핵심적인 역할을 할 것으로 예상되는 가운데, 전문가들은 이 기술이 그 약속에 부응할 수 있도록 서비스를 보장해야 한다고 말했다.

공군이 차세대 항공기를 도입하기 위해 디지털 설계 혁명을 모색한 것은 이번이 처음이 아니다. 공군과 제조업체인 보잉은 이 프로그램이 미래 항공기를 설계하고 제작하는 새로운 방식으로 이어질 것이라고 약속했다.

이 서비스는 디지털 항공기 엔지니어링을 기반으로 한 미래의 잠재적 이점에 대해 낙관적이었기 때문에 2020년에 이 훈련기의 브랜드를 'eT-7'로 바꾸고 이러한 방식으로 설계된 미래 항공기에 'e'라는 접두사를 붙이려고 잠시 시도하기도 했다.

그 이후로 일련의 실수와 지연으로 인해 T-7의 주요 일정이 미뤄졌고, 많은 찬사를 받았던 디지털 설계 접근 방식에서 약간의 빛이 바래게 되었다.

5월의 아침 식사에서 프랭크 켄달 공군 장관은 T-7의 문제로 인해 디지털 엔지니어링이 어느 정도 빛을 잃었는지 분명히 밝혔다.

장관은 기자들에게 "이것은 상당한 개선이지만 과대평가되었습니다"라고 말했다. “더욱 통합된 디지털 설계, 더 나은 모델링이 모두 도움이 되지만 혁명적이지는 않습니다. … 테스트를 완전히 대체하지는 않습니다.”

'마술지팡이가 아니다'

Mitchell Institute for Aerospace Studies의 선임 연구원인 Heather Penney는 디지털 엔지니어링이 1970년대부터 다양한 형태로 존재해 왔다고 말했다. 컴퓨터 지원 설계는 B-2 Spirit 스텔스 폭격기, F-22 Raptor 제트기, F-35 Joint Strike Fighter 등 오늘날 사용되는 많은 항공기를 구성하는 데 도움이 되었다.

그녀는 처리, 알고리즘, 모델링 및 시뮬레이션이 개선되면서 개념이 발전했다고 설명했다. 이제 Penney는 디지털 엔지니어링에 연료 펌프, 유압 라인, 전기 시스템 번들 등 개별 항공기 부품의 3D 모델부터 항공기의 다양한 시스템이 서로 또는 항공기 전체와 상호 작용하는 방식에 대한 모델에 이르기까지 모든 것이 포함될 수 있다고 말했다.

이러한 유형의 디지털 모델을 갖는 것은 항공기 설계에 대한 정보를 제공할 뿐만 아니라 항공기의 툴링 및 제조도 형성한다고 그녀는 말했다. 이 기술이 제공할 수 있는 중요한 발전의 예로 그녀는 디지털 프로세스를 사용하여 T-7 부품을 심 없이 서로 맞물릴 정도로 정확하게 제작하는 보잉의 "놀라운" 능력을 지적했다. 그리고 그녀는 B-21과 LGM-35A Sentinel 대륙간 탄도 미사일을 디지털 엔지니어링을 엄청나게 활용한 복잡하고 지금까지 성공적인 공군 인수의 예로 강조했다.

그러나 그녀는 “이것은 [설계상의] 모든 충돌을 제거하는 마술 지팡이가 아니며” 탄탄한 엔지니어링 기본을 대신할 수 없다고 지적했다.

일부 비행 조건에서 날개가 앞뒤로 위험하게 흔들리는 '윙 록'으로 알려진 T-7의 공기역학적 불안정성은 2021년에 수정되었지만, 공군과 보잉이 2022년에 일정을 재고하게 된 여러 요인 중 하나였다.

T-7 조종사를 위험에 빠뜨릴 수 있는 탈출 시스템과 사출 좌석을 포함한 추가 문제는 물론 비행 제어 소프트웨어의 결함으로 인해 추가 지연이 발생했다.

페니는 "eT-7의 경우 디지털 엔지니어링은 이 비행기를 빠르게 만들고, 설계를 빠르게 진행하며, 모든 사람을 하나로 묶어주고, 설계 프로세스를 매끄럽게 진행할 수 있게 해줄 것입니다."라고 말했다. "eT-7을 통해 경험한 것은 디지털 엔지니어링은 도구에 불과하다는 것입니다. 여전히 엔지니어링을 제대로 해야 합니다."

페니는 이젝션 시트 시스템과 같은 T-7의 문제를 디지털 엔지니어링의 탓으로만 돌릴 수는 없지만, 특히 디지털 모델링이 T-7의 문제를 사전에 파악하지 못한 것이 가장 큰 문제라고 말했다.

7월 31일부터 8월 1일까지 오하이오주에서 열린 공군 수명 주기 산업의 날 행사에서 기자들과의 라운드테이블에서 관계자들은 디지털 자재 관리라는 개념으로 항공기의 전체 수명 기간에 걸쳐 이점을 확산함으로써 디지털 엔지니어링에 대한 접근 방식을 확장하려고 노력하고 있다고 설명했다.

공군 물자 사령부는 6월 백서에서 디지털 물자 관리의 목표는 초기 아이디어부터 폐기까지 수명 주기 전반에 걸쳐 디지털 방식을 사용하여 항공기 또는 기타 시스템의 설계, 제작, 유지 관리 프로세스를 획기적으로 가속화하고 간소화하는 것이라고 밝혔다.

공군의 전투기 및 첨단 항공기 프로그램 책임자인 데일 화이트 준장은 "우리는 장기적인 관점에서 접근하고 있습니다."라고 말했다. "이는 매우 중요합니다. 설계와 개발, 테스트의 관점에서만 디지털을 바라본다면 한계에 부딪히게 될 것입니다. 우리 모두는 대부분의 자금이 유지 보수에 사용된다는 것을 알고 있습니다."

"따라서 프로세스 초기에 충분한 정보가 없었기 때문에 이전에는 내릴 수 없었던 의사 결정을 내릴 수 있게 된 것은 정말 획기적인 변화입니다."라고 NGAD 프로그램을 총괄하는 화이트는 설명헸다.

관계자들은 전체 수명 주기 동안 항공기를 추적하는 단일 디지털 흔적을 확보하면 부품이 비행기에 얼마나 오래 사용되었는지 정확히 추적하여 고장 나기 전에 교체하는 예측 유지 보수와 같은 기술을 더 쉽게 수행할 수 있다고 주장했다.

물론 이 개념은 효과가 있을 수 있지만, 미국 회계감사원은 2022년 12월 보고서에서 군이 이를 충분히 활용하지 못하고 있다고 밝혔다. 구형 정보 시스템의 문제와 디지털화된 유지보수 매뉴얼의 부족 등 기술적 한계가 예측 유지보수의 광범위한 도입을 방해하고 있다.

GAO는 보고서에서 "예측 유지보수를 통해 조종사는 헬리콥터 항공기 사고를 피하고 정비사가 발견하지 못한 고장을 식별하고 유지보수 비용을 절감하며 정비 인력을 다른 업무로 재배치하여 비용 효율성을 높일 수 있다"고 보고했다. 하지만 "이 사례는 제한된 경험에서 나온 것입니다. [예측 유지보수를 보다 광범위하게 구현하려면 인력, 부품 및 기술에서 발생하는 리소스 문제를 해결하기 위해 주류 비즈니스 프로세스를 변경해야 합니다."

"군 관계자에 따르면 비용과 운영에 악영향을 미치는 계획되지 않은 유지보수는 예측 유지보수를 더 많이 활용함으로써 줄일 수 있습니다."라고 이 보고서는 말했다. "병무청 관계자들은 예측 유지보수 시행으로 개선된 사례가 있지만, 이는 제한된 경험에서 비롯된 것이며 일반적으로 병무청에는 예측 유지보수의 결과를 평가할 수 있는 지표가 부족하다는 점을 인정하고 있습니다."

 

차세대 추진력

지난 5월, 공군은 이 비밀 프로그램에 대한 엔지니어링 및 제조 개발 계약에 대한 기밀 요청서를 업계에 보냈다고 발표하면서 NGAD에 대해 지금까지 가장 중요한 공개 조치를 취했다. 공군은 또한 2024년에 계약을 체결할 계획이라고 밝혔으며, 록히드 마틴과 보잉이 나머지 두 입찰자가 될 것으로 예상된다. 공군은 이 10년이 끝날 때까지 NGAD를 생산할 수 있기를 희망하고 있다.

켄달은 각 전투기의 가격표를 수억 달러로 추정하고 있기 때문에 이 공군이 틀릴 수는 없다.

지금까지 디지털 엔지니어링이 NGAD에 어떻게 기여하고 있는지에 대해서는 거의 언급되지 않았다. 공군의 입찰 공고 며칠 후인 5월 라운드테이블에서 켄달은 오하이오주 라이트-패터슨 공군 기지의 서비스 엔지니어와 기타 NGAD 프로그램 관계자들이 "입찰업체와 같은 설계 공간에서 생활"하고 있는 상황을 설명했다. 켄달은 프로그램 관계자들이 프로그램 입찰에 참여한 두 회사가 NGAD 설계를 다듬는 데 사용하는 데이터베이스에 직접 액세스할 수 있으며, 이러한 액세스 권한을 사용하여 자체 제안을 제공한다고 말했다.

오하이오주 데이턴에서 NGAD의 창설을 총괄하는 화이트와 다른 관계자들은 공군과 계약업체가 항공기 및 추진 시스템 설계 작업을 늘리면서 디지털 엔지니어링을 어떻게 활용하고 있는지에 대해 더 많은 통찰력을 제공했다.

화이트는 과거 전투기를 설계할 때는 종이에 2차원으로 스케치했다고 설명했다. 그는 설계가 반복적으로 진행되면서 종이의 양이 늘어났고, 항공기 진화의 각 단계를 추적하는 종이가 쌓일 정도였다고 말했다.

하지만 NGAD가 구체화되면서 그 산더미 같은 종이가 끊임없이 진화하는 디지털 디자인으로 대체되었다고 화이트는 말했다. 그는 앞으로 몇 년, 심지어 수십 년 동안 NGAD가 직면하게 될 위협에 앞서 나가기 위해 더 쉽게 진화할 수 있을 것이라고 덧붙였다.

"그것은 살아있는 생명체입니다."라고 그는 말했다. "어디로 가고 있는지, 어디로 가야 한다고 생각하는지에 대해 끊임없이 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다. ... 엔지니어링 관점에서만 디지털화하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 위협이 무엇을 하고 있는지 이해할 수 있는 좋은 기반이 있어야 합니다. 이를 통해 더 큰 유연성을 확보할 수 있습니다."

"이를 통해 우리는 더 많은 정보에 입각한 구매자가 될 수 있습니다."라고 그는 덧붙였다. "이 세상에는 이전에는 없었던 디지털 [도구] 덕분에 가시성이 향상되고 지식을 더 잘 파악하고 통제할 수 있기 때문에 물리적으로 할 필요가 없는 일이 많이 있습니다."

공군 추진체계 부서 책임자인 존 스네든에 따르면 NGAD의 추진 시스템은 디지털 방식으로 설계 및 생산되는 최초의 완전히 새로운 군용 추진 시스템이 될 것이라고 한다.

그는 차세대 적응형 추진 시스템(NGAP)을 개발하는 회사들, 주로 GE Aerospace와 프랫 앤 휘트니, 그리고 록히드마틴, 보잉, 노드롭그루만이 이제 막 완전한 디지털 3D 환경에서 설계를 시작할 수 있는 단계에 접어들었다고 말했다. 공군용으로 설계된 마지막 전투기 엔진이 수십 년 전에 F-35와 F-22용으로 제작되었다는 점을 감안하면 이는 새로운 접근 방식이라고 스네든은 말했다.

"이 모든 것이 디지털 환경 이전의 일이었습니다."라고 그는 설명했다. "디지털 엔진 설계자들이 NGAD에 도달하기 전까지는 정말 깊이 파고들 만한 요구사항이 존재하지 않았습니다."

추진 시스템을 처음부터 디지털 방식으로 설계하고 구축하면 진화하는 위협에 맞춰 업데이트하고 추가 개발하기가 더 쉬워진다고 스네덴은 덧붙였다.

그는 NGAP가 아직 초기 설계 단계에 있지만 테스트 단계로 넘어가면 디지털 기반 모델링이 디지털 테스트를 미세 조정하고 다양한 모델을 결합하여 설계 변경의 2차, 3차 효과를 확인하는 데 도움이 될 것이라고 말했다.

"테스트 모델에 들어가면 구조에 따라 다른 모델이 있을 수 있고, 엔진의 열역학적 특성에 따라 다른 모델이 있을 수 있습니다."라고 스네든은 설명했다. "여기서 변경하면 다운스트림에 어떤 영향을 미치는지 더 잘 볼 수 있도록 이 모델들을 한데 모을 수 있을까요?"

그는 엔진의 프로토타이핑이나 제작을 시작할 때가 되면 계약업체는 2D 도면에 의존하지 않고 3D 디지털 청사진을 공급업체에 보내 부품을 제작할 수 있다고 덧붙였다.

 

물리학이 한 표를 얻다

페니는 디지털 엔지니어링을 통해 이점을 얻으려면 프로그램이 처음부터 디지털 도구를 어떻게 사용할지 정확히 이해하기 위해 시간과 노력을 기울여야 한다고 강조했다.

"이러한 기반이 없다면 앞으로 나아갈 때 기술 부채를 떠안게 될 것입니다."라고 페니는 말하며, 이는 의도치 않게 나중에 문제를 일으킬 수 있다고 경고했다. "처음부터 제대로 해야 합니다."

데이턴의 관계자들은 디지털 모델링의 발전이 중요하지만 실제 테스트를 완전히 대체할 수는 없다는 켄달의 의견에 동의했다. 그들은 향후 프로그램에서 두 가지 기술을 모두 사용하여 단일 접근 방식이 제공할 수 있는 격차를 메울 수 있기를 희망한다고 설명했다.

공군은 이미 GE 에어로스페이스, 프랫 앤 휘트니와 함께 적응형 엔진 전환 프로그램(AETP)에 따라 F-35를 대체할 수 있는 적응형 엔진에 대한 설계 및 개발을 상당 부분 진행했다.

미 국방부는 궁극적으로 F-35에 AETP를 탑재하지 않기로 결정하고 대신 현재 전투기의 엔진을 업그레이드하기로 했다. 그러나 엔진이 주어진 상황에 가장 효율적인 구성으로 전환할 수 있도록 하는 적응형 팬과 같은 AETP 엔진 기술은 NGAD의 엔진 개발 프로세스에 포함될 가능성이 높다.

스네덴은 기존 AETP 기술을 활용하면 테스트와 관련하여 두 가지 장점을 모두 누릴 수 있다고 말했다. 그는 NGAP가 디지털 모델링을 사용할 것이지만, 이러한 디지털 테스트는 AETP를 위해 수행된 이전 테스트의 실제 결과를 바탕으로 형성될 것이라고 설명했다.

"엔진을 테스트할 때는 실제로 일련의 기술을 테스트하여 작동 방식을 파악하고 테스트 기준을 만들 수 있습니다."라고 스네든은 말했다. "우리는 적응형 엔진 기술이 포트폴리오 전반에서 어떻게 작동하는지, 해당 소재가 어떻게 견디는지, 적응형 팬이 어떻게 작동하는지 등 모든 것을 확인할 수 있도록 [XA100 및 XA101 엔진에 대한] 실제 테스트를 수행했습니다."라고 말했다.

"이제 여러분이 할 수 있는 일은 테스트 기준을 가지고 NGAP 이해에 통합하기 시작하여 '실제 세계'와 '디지털 세계'를 하나로 통합하여 멋진 융합이 이루어지도록 하는 것입니다."

화이트는 자신의 라운드테이블에서 디지털 테스트를 사용하여 실제 테스트를 뒷받침하려는 공군의 의도를 강조했다. 그의 사무실은 두 가지 형태의 테스트를 결합하여 격차를 메우고 훨씬 더 풍부한 데이터를 확보할 수 있기를 희망했다.

"우리는 모델의 가상 측면을 사용하여 데이터의 빈칸을 채우고 있는지 확인하고 있습니다."라고 화이트는 말했다. "그렇게 하면 마치 퍼즐을 맞추는 것과 같습니다. 퍼즐이 맞춰지기 시작하면 점점 더 편안해집니다."

공군의 T-7 레드호크 프로그램 사무소장인 커트 카셀 대령은 테스트를 수행할 수 있는 여러 가지 방법이 있으면 신생 항공기를 극한의 비행 조건에 투입할 때 유용하다고 말했다.

"디지털 엔지니어링이 아무리 뛰어나더라도 물리학이 한 표를 얻습니다."라고 카셀은 말했다. "높은 공격 각도에서... 실제 물리학을 예측하기 위한 고급 모델을 얻는 것은 여전히 매우 어렵습니다."라고 말했다.

스네든은 공군이 디지털 도구가 엔진의 수명 내내 작동하는 데 도움이 되는 방법의 한계에 도달하기 시작하지도 않았다고 지적했다.

예를 들어, 디지털 도구는 적층 가공을 통해 엔진의 예비 부품을 더 쉽고 효율적으로 제작하는 방법을 찾는 데 도움이 될 수 있다고 그는 말했다. 또는 고장난 부품을 완전히 새 부품으로 교체하는 길고 비용이 많이 드는 단계를 거치지 않고 수리할 수 있는 새로운 방법을 찾는 데 도움이 될 수 있다고 그는 말했다.

"우리는 이제 막 이 기술을 활용하기 시작했습니다."라고 그는 덧붙였다.