UAM(Urban Air Mobility) 시장이 얼마나 빠르게 성장하고 있는지 눈치채셨나요?
EHang은 1인승 무인 멀티콥터를 개발했고, Joby는 5인승 틸트 프로펠러 조종식 eVTOL을 가지고 있습니다. Volocopter는 18로터 화물 드론을 개발 중이고, Lilium은 고성능 편향 추력 eVTOL을 개발 중입니다. 이 외에도 많습니다.

형태, 추진력, 용도에 관계없이 모든 UAM 항공기에서 가장 중요하게 생각하는 것 중 하나가 바로 구조 설계 무결성입니다. 중량, 탑재량 요구 사항 및 비행 시간 내구성과 관련된 문제가 있습니다. 이 에피소드에서는 복합재 및 적층 제조에 대해 논의하면서 eVTOL 항공 구조 설계에 대해 자세히 알아보겠습니다.

지금 팟캐스트를 들어보세요.

다음은 5부작 시리즈의 네 번째 에피소드입니다.

팟캐스트 대본 :

스콧 잘츠베델(Scott Salzwedel): 안녕하세요, 오늘의 청취자들에게 내일의 기술에 대한 약속을 전해주는 항공우주/국방 산업 전담 팟캐스트인 오늘날 항공우주 이야기입니다. 저는 진행자인 스콧 잘츠베델입니다. 5부작 시리즈 “디지털 혁신을 통한 업계 혁신 주도”의 네 번째 에피소드에 오신 것을 환영합니다. 우리는 업계 전반에 확산되고 있는 거대한 혁신 물결의 초기 단계에 있으며, 여기서 적합한 기술을 찾는 것이 성공과 상당한 수익을 확보하는 열쇠입니다.
오늘 네 번째 에피소드에서는 eVTOL의 항공 구조 설계에 대해 논의할 것입니다. 복합재를 사용하면 보다 강하고 가벼운 재료를 이용하여 최적의 항공기 성능을 달성할 수 있다는 점에서 매우 중요한 주제입니다. 시작에 앞서 지난 에피소드를 정리해보자면, eVTOL 전력 밀도 및 열 관리라는 매우 흥미로운 주제에 대해 알아봤습니다. 놓쳤다면 꼭 들어보시길 권합니다. 오늘 팟캐스트는 구조 설계와 이것이 eVTOL 항공기에 미치는 영향에 관해 다룹니다. 구조 설계라고 하면 복합재 및 적층 제조를 의미하기도 합니다. 혁신이 더 많은 혁신을 불러오는 일이 이 분야에서도 일어나고 있습니다. 신기하고 놀라운 현상이 아닐 수 없습니다. Siemens Digital Industries Software의 항공우주/국방 부문 부사장인 데일 투트를 특별 게스트로 소개하게 되어 기쁘게 생각합니다. 데일, 환영합니다. 참석해주셔서 감사합니다.

데일 투트(Dale Tutt): 안녕하세요, 스콧. 그리고 감사합니다. 오늘 이 자리에 함께 하게 되어 너무 좋습니다. 오늘 토론이 기대되는군요.

스콧(Scott): 좋습니다. 우리는 혁신, 항공우주 및 국방에 대해 시리즈로 다루고 있었습니다. 지금까지 우리 팟캐스트 시리즈에서 혁신을 어떻게 다루었는지 청취자들에게 설명해주시겠습니까?

데일(Dale): 물론이죠. 지금까지 우리는 오늘날 eVTOL 또는 UAM 항공기 설계와 관련된 많은 과제 중 몇 가지에 대해 살펴봤습니다. 두 번째 에피소드에서는 공기역학적 설계, 로터에 관한 몇 가지 문제, 공기역학적 설계에 대해 이야기했습니다. 세 번째 에피소드에서는 전력 밀도와 열 관리에 대해 설명하면서 전기 시스템에서 생성되는 모든 열이 어떻게 관리되는지에 대해 살펴봤습니다. 오늘 에피소드에서는 복합재 및 적층 제조를 사용한 구조 설계와 기타 솔루션에 대해 이야기해볼 것입니다. 그리고 마지막인 다음 팟캐스트로 넘어가서는 전기 시스템 설계인 eVTOL의 “e”에 대해 다루겠습니다.

스콧(Scott): 좋습니다! 고마워요, 데일. 에피소드 후반에 Siemens Digital Industries Software의 제품 마케팅 전략 이사인 존 오코너가 합류할 예정임을 알려드립니다. 오늘 이 자리에 존을 모시게 되어 기쁘게 생각합니다. 먼저 데일, eVTOL 구조의 고유한 특징으로는 어떤 것이 있죠?

데일(Dale): 단순히 eVTOL 구조만이 아니라 구조 설계에 대해 설명을 드리고 싶군요. 저는 오래 전에 로켓용 복합 부품을 설계하는 구조 설계자로 경력을 시작했습니다. 구조물의 역사를 생각해보면 초창기에는 나무와 패브릭을 많이 사용했고, 그 다음에는 강관과 패브릭을 사용했습니다. 그리고 30년대와 40년대, 50년대로 넘어가면서 구조물에 알루미늄과 금속을 더 많이 사용하기 시작했습니다. 70년대에 이르러서는 복합재에 주목하기 시작했는데, 처음에는 유리 섬유 복합재가, 그 다음에는 탄소 섬유 복합재가 각광 받았습니다. 1980년대 후반이 되어서야 복합재 사용이 극적으로 증가하기 시작했습니다. 당시에는 Gripen 및 B-2 같은 항공기에서 구조적 중량의 약 40%만큼 복합재를 사용하는 것이 일반적인 관행이었습니다. 이 때부터 큰 변화가 보이기 시작했습니다.

오늘날에는 클린 시트 설계가 등장하면서 설계 공간에서 새로운 탐험이 가능하게 되었지만, 이를 위해서는 중량을 줄일 수 있어야 합니다. 많은 신규 사업자들이 이 시장에 진출했습니다. 탑재량 및 비행 시간 내구성에 대한 모든 요구 사항을 충족할 수 있어야합니다. 그러려면 중량과 구조적 효율성을 고려해야 합니다. 이 회사들은 대부분 eVTOL 분야에서 새로운 추진기 옵션을 선보이겠다는 스타트업 정신을 갖고 있으며, 그 덕에 항공기의 역할에 대한 새로운 패러다임이 등장하고 있습니다. 구조적 관점에서 항공기에 대한 인식을 바꾸고 있는 것입니다.

스콧(Scott): 대단하군요. 알아볼 것이 많겠습니다. 정말 흥미로운 주제입니다. 그럼 이 시점에서 존을 모셔보겠습니다. 안녕하세요, 존. 잘 지내시죠?

존 오코너(John O’Connor): 안녕하세요, 스콧.

스콧(Scott): 이 주제에 대해 좀 더 자세히 살펴보고 싶은데요. eVTOL 설계에 있어서 항공 구조가 직면한 과제에 대해 이야기를 하고 있습니다.

존(John): 네. eVTOL 설계는 강도 대 중량 비율 또는 강성 대 중량 비율이 높은 경량이어야 한다는 점에서 기존의 항공 구조와 똑같은 과제를 안고 있습니다. 진동과 소음 문제 역시 똑같이 가지고 있습니다. 리프트 표면의 플러터는 기존 항공기나 다른 유형의 항공기도 안고 있는 문제입니다. 따라서 피로 수명 측면과 내구성을 평가할 수 있어야 합니다. 그러나 조금 다른 점 중 하나는 이 eVTOL 설계의 생산율이 훨씬 높을 것이라는 기대가 있다는 것입니다. 또 하나 중요하게 떠오르고 있는 것은 복합재 같은 고급 재료 기술을 활용하는 항공기에서는 자동화 및 생산, 그리고 생산율을 높이는 방법에 대해 더 많이 고민해야 한다는 것입니다.

스콧(Scott): 생각해야 할 것이 많군요. 기업들은 이 문제를 어떻게 해결하고 있지요?

존(John): 글쎄요, 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 기술을 완전히 활용하는 방법을 찾는 것이 가장 큰 관건이겠지요. 수십 년 동안 사용되어 온 전통적인 복합재와 적층 기술의 도입이 모두 중요하다고 생각합니다. 두 기술은 어떤 면에서 다른 종류의 것이지만, 또 다른 면에서는 매우 비슷합니다. 근본적으로 항공 구조용 제품 개발 프로세스에 적용되고 있는 재료 기술이기 때문입니다. 가장 큰 과제는 복합재, 적층 기술 또는 적층 제조 방식에 대한 투자로부터 잠재력을 온전히 실현할 수 있는 방법을 찾는 것입니다. 특히 우리가 살펴보고 있는 혁신적 유형의 설계에서는 이 두 가지를 함께 고려해 복합재 측면에서 통합이 활발하게 이루어지고 있다고 생각합니다. 기체 그 자체 뿐만이 아니라, 항공기의 추진 요소 등 다른 부품에도 복합재를 통합하는 추세입니다. 또 한편으로는 적층 기술과 복합 기술을 하나로 결합한 덕분에, 복합 구조와 별개의 설계 유형으로 간주되어온 부품이 이제는 전체 기체에 정확하게 통합되고 있습니다. 이러한 통합의 잠재력을 온전히 이끌어내기 위해서는 다른 종류의 사고와 다른 유형의 접근 방식, 다른 유형의 제품 개발 전략이 필요합니다. 이러한 기술을 한 차원 발전시키기 위한 노력에 있어 복합재 및 적층 기술을 인식할 수 있는 PLM 시스템은 매우 중요합니다.

스콧(Scott): 좋습니다. 복합재와 적층 기술에 대해 이야기를 나눠보죠. 이 주제에 관심이 높으시다는 것을 알겠네요. 통합 설계에 대해서도 이야기를 나눠보겠습니다. 이 시점에 덧붙이고 싶은 말씀이 있으신가요?

데일(Dale): 저는 알루미늄에서 복합재 설계로 전환하기 시작하면서 항공기 설계 방식에 대한 접근 방식을 바꿨고, 구조를 통합하는 방법에 대해 생각하기 시작했습니다. 덕분에 중량을 줄일 수 있었고, 구조의 내구성을 높일 수 있었습니다. 그리고 또 하나 중요한 이점은 조립 시간을 줄일 수 있었다는 것입니다. 이렇게 새로운 도구가 지원되고 기업들이 새로운 접근 방식을 채택하면서 시장의 판도가 바뀌고 있습니다.

스콧(Scott): 복합재 엔지니어링에 대해 더 말씀해주세요. 정말 매력적인 주제입니다. 조금 더 설명해주실 수 있을까요?

존(John): 물론입니다. 복합재의 경우, 설계 공간이 기존의 금속 구조보다 훨씬 큽니다. 따라서 복합재 부품을 설계할 때는 재료를 효과적으로 엔지니어링할 수 있기 때문에 고려할 수 있는 옵션이 더 많습니다. 적층 구조 측면뿐만 아니라 전체 제품 개발 주기를 고려해 볼 때, 미세 역학 수준에서 시뮬레이션을 수행하면 설계하고자 하는 속성과 복합재를 개발하는 데 도움이 될 수 있으며, 적층 구조를 적용해 최종 부품을 생산할 수 있습니다. 그리고 전체적인 관점에서는 제조 제약 조건을 인식하는 설계 최적화를 달성하는 것이 목표입니다. 설계 최적화는 늘 중요하지만, 생산율 증가를 생각해 보면 특히나 더 중요합니다. 왜냐하면 제품에서 더 높은 수준의 성능을 실현하기 위해 복합재를 더 많이 사용하려는 기업에게는 이러한 제조 제약 조건이 실제로 성패를 가르는 요소가 될 것이기 때문입니다. 설계 능력도 중요하지만, 충분히 높은 수준의 품질과 생산율을 유지하며 효율적으로 생산을 해낼 수 있는 능력이 성공적인 eVTOL 항공기 공급업체가 되기 위한 핵심 요소입니다.

스콧(Scott): 덧붙이고 싶은 말씀이 있으신가요, 데일? 아니면 계속 진행을 할까요?

데일(Dale): 존이 잘 말씀해주셨습니다. 구조를 조정하는 능력이 중요하지요. 존이 말씀하신 것처럼 복합재는 알루미늄과 다릅니다. 플라이 방향과 파이버 방향을 변경하면 어떻게 되는지, 구조를 조정해서 다른 진동 모드와 다른 플러터 모드를 얻으려면 어떻게 해야 하는지에 대해 생각해야 합니다. 이것은 eVTOL 분야의 업체들이 설계를 진행할 때 고려해야 할 중요한 측면입니다. 유연성이 뛰어나다는 것은 놀라운 장점입니다.

스콧(Scott): 동감입니다. 자, 이제 적층 제조로 넘어가보겠습니다. 정말이지 흥미로운 주제입니다. 적층 제조에 대해 설명해주시겠어요, 존?

존(John): 물론이죠. 여러분도 아시다시피, 적층 제조에서는 복합재에서와 똑같이 설계 포락선을 확장할 수 있습니다. 하지만 이제는 지오메트리를 비롯해 매우 효율적인 부품 토폴로지를 사용해 고도로 최적화된 설계를 생성하는 능력에 훨씬 초점을 맞추고 있습니다. 따라서 특정 구조에 대한 요구 사항을 보다 효과적으로 충족할 수 있습니다. 실제로 이 두 경로는 거의 동시에 진행되고 있는 것으로 보입니다. 적층 제조를 위한 설계 방법을 개발해서 강성 또는 강도를 극대화하는 데 초점을 맞추던 방식에서 탈피해 설계 요구 사항을 가져오고 지멘스가 개발한 시스템을 사용하는 등 수준 높은 제너레이티브 디자인으로 전환한 성공적인 사례들이 있습니다. 따라서 성능뿐만 아니라 생산에도 최적화된 구조를 개발할 수 있습니다. 이러한 구조는 적층 제조의 고유한 특성과 부품 생산 시 실제 직면하는 모든 문제들을 고려함으로써 요구 사항을 충족하고, 충분한 수준의 품질을 제공하며, 높은 생산율을 달성합니다.

스콧(Scott): 데일은 적층 제조 경험이 있는 것으로 알고 있습니다. 이 시점에 덧붙이고 싶은 말씀이 있으신가요?

데일(Dale): 적층 제조가 패러다임의 전환을 가져온 것은 확실합니다. 적층 설계 프로세스에서 나온 일부 부품들을 최적화하면 가공된 부품이나 판금 부품에서 봤던 것과 매우 다른 형태의 부품이 나옵니다. 매우 놀라운 변화가 일어날 것입니다. 이미 몇몇 회사들에서 확인되고 있는 바이지만, 앞으로는 회사의 모든 설계 패러다임이 실제로 바뀔 것입니다. 단순히 단일 부품을 설계하는 것에서 탈피해 3D 인쇄를 통해 큰 구조를 만들 수 있게 될 것입니다. 이것은 전혀 다른 프로세스로, 회사의 부품 제조 방식을 변화시킬 것입니다.

존(John): 데일도 말씀하셨지만, 적층 제조에 사용되는 재료 시스템이 계속해서 빠른 속도로 발전하고 있다는 것은 매우 혁신적인 일입니다. 적층 기술의 발전에 따라 함께 성장할 수 있는 제품 개발 시스템이 필요하게 되었습니다. 따라서 적층 제조나 복합재를 인식하는 시스템을 구축하는 것은 설계 엔지니어가 이러한 유형의 부품을 생성할 수 있는 효과적인 도구 세트를 갖추는 데 있어 실제로 중요합니다.

데일(Dale): 물론입니다. 이러한 새로운 재료 시스템을 통해 얻을 수 있는 재료 속성은 중량을 줄이는 데 뛰어나지만, 경우에 따라 열 부하를 관리하는 데 더 효과적일 때도 있습니다. 따라서 설계 팀에게는 많은 변화와 새로운 가능성이 열려 있습니다.

스콧(Scott): 변화와 가능성 얘기가 나와서 말인데, 고객들이 이러한 문제를 해결하기 위해 눈을 돌리고 있는 솔루션 유형이 있습니까?

존(John): 물론입니다. 특히 복합재 관점에서 볼 때 중요한 과제 중 하나는 복합재를 인식하는 PLM 시스템을 구축하는 것입니다. 이는 제품 개발 프로세스 전반에 걸쳐 박막 적층(lamina)에 대한 암시적 정의를 지속할 수 있어야 한다는 의미입니다. 최고의 솔루션을 찾기 위해 수백 수천 개의 옵션을 고려하며 설계 공간을 탐색하는 시뮬레이션 초기 단계부터, 최종 완성 부품이 실제로 어떻게 보일지 결정하는 세부 설계 단계, 그리고 생산을 효율적으로 계획하고 실행하는 제조 단계에 이르기까지 이러한 암시적 정의를 적용해야 합니다. 여기에서 더 나아가 제조 현장에까지 적층 방식을 적용할 수 있습니다.

지멘스가 제조 현장 자동화 시스템의 선두 주자라는 사실을 잘 알고 계실 것입니다. 이러한 자동화 시스템조차도 복합재를 인식하기 때문에 가치 사슬을 통해 다시 적층 설계의 초기 단계까지 연결할 수 있습니다. 따라서 항공 구조 개발에서 거의 매번 수행되는 변경 등의 작업이 훨씬 더 강력해집니다. 복합재를 인식하는 PLM 시스템을 구축함으로써 개발 프로세스를 배치하면 변경 사항을 훨씬 더 효과적으로 처리할 수 있습니다. 이러한 설계 때문에 특히 eVTOL 시장의 항공 구조에서는 최적화 정도가 비즈니스 가치에 직접적으로 기여하게 됩니다. 구조를 한층 더 최적화하면 비행 시간과 탑재량을 늘릴 수 있습니다.

최적화 프로세스가 보다 견고한 방식으로 수행되어 더 나은 설계로 이어지도록 하면 해당되는 특정 항공기를 개발 중인 회사의 비즈니스도 성공을 거두게 됩니다. 이를 위해서는 설계를 끝까지 지속시키고, 적층 제조든 복합재든 관계 없이 제네릭 디자인으로 취급하지 않아야 합니다. 설계를 속성 상으로 제조를 위한 적층 프로세스나 제조를 위한 복합재 적층 프로세스인 것처럼 취급하시면 됩니다.

스콧(Scott): 잘 알겠습니다. 데일, 존은 디지털 트윈과 디지털 스레드가 이 부분과 전체 디지털 혁신에서 어떤 역할을 하는지에 대한 언급은 피하셨습니다. 이 주제와 관련된 지멘스의 디지털 혁신에 대해 조금 더 설명해주실 수 있나요?

데일(Dale): 물론입니다. 존이 말씀해주셨듯이, 디지털 스레드를 사용하면 엔지니어링에서 제조 환경으로 이러한 정보를 손쉽게 가져올 수 있습니다. 지멘스는 Xcelerator 포트폴리오 솔루션 전반에서 규모에 관계 없이 모든 고객과 협력하여 이러한 부품과 항공기를 위한 제품을 설계하는 동안 툴킷에 다양한 도구와 솔루션을 제공하고 있습니다. 이렇게 포괄적인 디지털 트윈은 제품과 프로세스에 대해 풍부하고 확고한 통찰력을 가지고 있습니다. 존이 여러 차례 언급하셨듯이, 이러한 프로세스는 복합재와 적층 제조를 인식하기 때문에 디지털 트윈에 이 접근 방식을 적용하고 전반적으로 정보를 관리할 수 있습니다. 유연하면서 개방된 에코시스템에서 이러한 작업이 가능하기 때문에 서로 다른 솔루션을 결합해 하나로 연결함으로써 처음부터 끝까지를 포괄하는 솔루션을 제공할 수 있습니다. 이와 함께 대규모의 작업 자동화가 수행되기 때문에 많은 수의 워크플로를 자동화하고 오류 위험을 줄이면서도, 직원들의 업무 부담을 덜어서 생산성과 혁신성을 높일 수 있습니다. 따라서 직원들은 단순한 데이터 관리가 아니라, 복잡한 문제를 해결하는 데 집중할 수 있게 됩니다. 이에 지멘스는 많은 고객들이 디지털 혁신에 있어 Xcelerator 포트폴리오를 사용할 수 있도록 돕고 있습니다.

스콧(Scott): 훌륭합니다. 아쉽지만 시간이 거의 다 되어가는군요. 끝내기에 앞서 고객 사례 연구나 성공 사례를 소개해주실 수 있는지 궁금하군요, 존. 설득력 있는 사례가 실제로 있을 것 같은데요.

존(John): 물론입니다. 지멘스는 오래 전부터 항공우주 시장, 특히 복합재 분야에서 제품 개발 도구를 공급해오고 있습니다. 그 중에서도 특히 주목할 만한 사례로 최근 뉴스에도 소개된 Bye Aerospace를 들 수 있습니다. Bye Aerospace는 복합재 설계를 위해 지멘스를 평가했고, 그 결과 복합재 고유의 제품 개발 프로세스를 통합할 수 있는 능력에 있어 비교가 안 된다고 느꼈습니다. 지오메트리의 적층 정의 측면에서 신속하게 많은 양의 변경을 처리할 수 있을 뿐만 아니라, 미래 지향적인 고급 제품을 개발할 수 있기 때문입니다. Bye Aerospace는 복합재를 설계에 적용하여 최종 제품의 비즈니스 가치를 높일 수 있는 능력을 높이 평가했습니다. 특히 지멘스가 제공하는 복합재 솔루션으로는 비즈니스 가치를 높이는 것이 쉽다는 점이 주효했습니다. Bye Aerospace는 이러한 이점이 시장의 판도를 바꿀 것이고, 시장에서 리더십을 공고히 하는 데 도움이 될 것이라 판단했습니다.

스콧(Scott): 정말 흥미롭군요. 시간이 짧은 것이 아쉽습니다. 오늘 방송에 함께 해주셔서 감사합니다, 존.

존(John): 감사합니다.

스콧(Scott): 데일, 이만 끝내야 할 시간이군요. 시간 내주셔서 감사합니다.

데일(Dale): 천만에요, 스콧. 유익한 토론이었습니다. 초대해주셔서 감사합니다.

스콧(Scott): 데일, 마지막으로 우리 청취자들에게 마지막 에피소드에서 다루게 될 내용이 무엇인지 소개해 주시겠습니까?

데일(Dale): 그러죠. 다음 에피소드에서는 전기 시스템 설계 및 개발에 대해 알아볼 것입니다. 구조를 항공기의 골격이라고 본다면 전기 및 전자 시스템은 신경계와 뇌에 해당됩니다. 기계 및 전기 설계 분야가 어떻게 결합되어 있는지에 대해 살펴보겠습니다. 이는 정말 놀라운 발전으로, 이 시리즈를 마지막 에피소드에 아주 적합한 주제입니다.

스콧(Scott): 좋습니다. 데일, 오늘 의견을 나눠주셔서 다시 한 번 감사드립니다. 그리고 물론 청취자 여러분께도 깊은 감사의 말씀을 전하고 싶습니다. 이 팟캐스트를 시청해주셔서 정말 기쁘네요. 청취자 여러분, 감사합니다.

시작할 때 이번 팟캐스트가 5부작 시리즈라고 말씀드렸죠. 이 에피소드가 마음에 드셨고 이전 에피소드를 듣고 싶으시면 Apple iTunes, Spotify 또는 원하는 팟캐스트 수단을 통해 오늘날 항공우주 이야기를 구독하여 에피소드를 놓치지 마시기 바랍니다. 이 팟캐스트의 설명에서 링크를 확인할 수도 있습니다.

저는 스콧 잘츠베델이고, 이 방송은 지멘스 오늘날 항공우주 이야기입니다. 다음 팟캐스트에서 또 뵙기를 바랍니다. 그때까지 안녕히 계세요.

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