시뮬레이션을 통한 에어 레이싱의 미래 전동화

작성자: Ansys Advantage 담당자

이것은 거의 세계에서 가장 흥미진진한 모터 스포츠로, 한 세기 이상 지속되어 왔지만 아마 들어본 적도 없으실 것입니다.

8대의 소형 1인용 전기 프로펠러 비행기가 한 번에 이륙하여 약 900미터 높이까지, 최대 시속 400km/h의 속도로 5km 타원형 코스를 비행하며 날개 끝을 겨루듯이 경쟁하는 에어 레이싱은 뜨거운 아드레날린으로 가득찬 경기입니다. 에어 레이싱은 2013년부터 Air Race Events의 CEO인 Jeff Zaltman이 전 세계에 알려 왔으며, 에어 레이스 1은 2015년부터 세계 에어 레이싱 챔피언십을 선보임으로써 계속해서 강력한 파워를 발휘하고 있습니다.

자동차 부문의 포뮬러 1과 같은 다른 엘리트 모터 스포츠와 마찬가지로, 에어 레이싱은 최첨단 기술을 위한 테스트 베드를 제공합니다. 지속 가능성의 중요성이 커짐에 따라 포뮬러 1이 전기차 버전의 포뮬러 E 시리즈를 만든 것과 마찬가지로, Zaltman은 100% 전기 비행기 경기인 에어 레이스 E를 개최하여 항공 산업의 지속 가능성을 더욱 높이기 위한 노력을 가속화했습니다. Ansys는 Air Race E의 공식 시뮬레이션 소프트웨어 파트너로서 경쟁 팀들에게 시뮬레이션 소프트웨어, 교육 및 컨설팅을 제공합니다.

Ansys는 팀이 직면하게 될 가장 어려운 엔지니어링 과제를 해결할 수 있는 포괄적인 다중물리 시뮬레이션 툴 모음(배터리 및 배터리 관리 시스템, 전력 전자 장치, 전기 모터 및 전기 구동 장치 시스템의 기체 통합 전반 포함)을 제공함으로써 항공기 전기화 기술의 발전을 돕고 있습니다. 일부 팀에서는 전체 항공기를 처음부터 설계하는 작업이 포함되고, 다른 팀에서는 이러한 전기 시스템을 기존 기체에 통합하는 작업이 포함됩니다.

"팀은 빠른 시간 내에 아이디어를 경주할 준비가 된 비행기로 만들어내야 합니다. 시뮬레이션은 2021년 하반기로 예정된 첫 번째 예선 이벤트에서 전기 항공기가 제시간에 비행할 수 있다는 인증을 받을 수 있도록 설계 및 개발 프로세스를 가속화할 수 있는 유일한 방법입니다." Ansys의 레이스 참여 조율 책임을 맡고 있는 Ansys 기술 어카운트 매니저 Roberto Bifulco는 말합니다. “우리의 소프트웨어는 이러한 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있으며, 해결해야 할 문제로부터 배울 수 있기 때문에 win-win이며, Ansys가 Air Race E를 후원하기로 결정한 이유 중 하나이기도 합니다.”

제작 중인 에어 레이스 E 비행기와 함께 포즈를 취하는 Nordic Air Racing 팀 이미지 출처: Nordic Air Racing

전기의 미래를 만들어가는 에어 레이싱

1903년에 라이트 형제가 처음으로 공기보다 무거운 비행기를 통제하여 조종한 지 6년 만인 1909년, 프랑스에서 열린 최초의 항공 경주는 프리 드 라가티네리(Prix de Lagatinerie)였습니다. 에어 레이싱은 그 이후로 다양한 형태로 이어져 왔으며, 한 번에 한 대의 비행기가 시간을 다투며 경주를 벌이는 경우가 많았습니다.

Zaltman은 2013년에 에어 레이스 1 월드컵을 개최했습니다. 그는 2014년 첫 경주와 2015년 첫 번째 에어 레이싱 월드컵을 주관했습니다. 팀은 프로펠러 구동 소형 단일 좌석 Cassutt Special 비행기로 경주하며, 이점을 얻기 위해 특정 파라미터 내에서 이를 수정합니다. 

Air Race E에서는 각 팀이 사용해야 하는 플랫폼이 규칙으로 규정되어 있습니다. 기체의 기체, 날개 및 중량에 대한 요구 사항은 Air Race 1과 동일합니다. 내연기관 엔진 대신 전력을 사용하는 경우 배터리 사양에는 150kW(30초 동안 25kW 추가 부스트 용량 사용 가능)를 초과하지 않는 출력과 4랩, 25km(15.5마일) 경주에서 800V의 최대 전압이 포함됩니다. 배터리는 5분 동안 최대 전력으로 작동할 수 있어야 하며 최소 전력으로 10분 동안 예비 전원을 사용할 수 있어야 합니다. 목표는 총 파워트레인 중량이 180kg을 초과하지 않도록 하는 것입니다.

TeamNL은 이 모델을 1:10 배율로 3D 인쇄했습니다.

기술적 과제에 대한 두 가지 접근 방식

"우승하는 비행기를 설계하는 것은 그리 간단하지 않습니다." Air Race E의 기술 프로젝트 매니저인 Dmitri Karelin은 말합니다. "무작정 최대 파워로 진행할 수는 없습니다. 가장 강력한 모터에는 더 큰 배터리가 필요합니다. 이 경우 무게가 늘어나 소형 모터와 더 작고 가벼운 배터리를 사용하는 다른 팀보다 비행기가 느려질 수 있습니다.”

이러한 장단점을 감안할 때 규칙 내에서 설계 변형을 적용할 수 있는 여지가 많으며, 각 팀은 서로 다른 방식으로 문제에 접근할 것입니다.

2018년 Air Race E를 출범시켰을 때 Zaltman은 이미 화석 연료 동력 비행기로 경주하는 Air Race 1 대회에서 몇몇 팀을 끌어들였으나, 이전에 에어 레이싱에 참여하지 않았던 사람들에게도 관심을 불러일으켰습니다. 이로 인해 두 가지 유형, 즉 이전 기체를 개조하는 팀과 처음부터 새로 만드는 팀이 생겨났으며, 이들은 서로 다른 과제에 직면했습니다.

시뮬레이션은 새로운 설계에 대한 물리적 테스트를 수행하는 데 익숙한 많은 레이스 참가자에게 새로운 것이므로, Ansys는 2021년 1월 웨비나를 개최하여 모든 팀에게 액세스 가능한 시뮬레이션 기능과 이러한 과제를 극복하는 방법을 소개했습니다. 서로 다른 접근 방식을 가진 두 팀과 대화를 나누며 진행 상황을 살펴보았습니다.

개조

Nordic Air Racing 노르웨이 팀에는 다음 두 조직이 합쳐져 있습니다. 바로 Electric Aircraft Propulsion과 Equator Aircraft입니다. 현재 팀에는 자원봉사자를 포함해 10명의 멤버가 있습니다. Nordic Air Racing 팀의 엔지니어인 Sathvik Rao는 다음과 같이 말합니다. "우리는 전기 항공기를 더 높은 수준에서 탐구하고자 합니다. Air Race E는 그러한 기회를 제공합니다.” “항공 경주에 참가하면 많은 것을 배우고, 각 팀이 직면하고 있는 일반적인 문제에 대한 지식을 공유하고, 이를 해결하려고 노력할 수 있습니다. 이런 마음가짐으로 임합니다. 전기 항공은 아직 초기 단계에 있으며, 현재 풀뿌리 수준에서부터 육성하는 것이 중요합니다.”

왼쪽: 배터리 모듈을 통한 공기 분배 오른쪽: 단일 배터리 모듈의 온도 분포. 이미지 출처: Nordic Air Racing

이전에 에어 레이싱 경험이 없었던 Nordic Air Racing은 기존 Cassutt Special 비행기를 구입하여 개조했습니다. Rao는 고객이 직면한 5가지 주요 과제를 확인했습니다.

• 비행기의 기수를 더 길고 얇게 만들어 평면의 외부 형상 변경
• 무거운 내연기관 엔진을 훨씬 가벼운 전기 모터로 교체하기 때문에 비행기의 무게 중심을 균형 있게 조정
• 모터와 배터리를 냉각하는 최선의 방법 결정(둘 다 동체의 엔진실에 위치함)
• 비행기를 더 가볍게 만들기 위해 복합재료 기반 모터 컴파트먼트 개발
• 배터리 설계 및 성능 최적화

Nordic Air Racing은 Ansys Mechanical과 Ansys Fluent를 사용하여 항공기 기수를 수정하고 기체 전체에 대한 층류 유량을 얼마나 유지할 수 있는지 확인하며 전체적인 항하 값을 최소화합니다. Mechanical은 또한 중력 중심 문제를 해석하는 데 사용되고 있습니다. 이들은 프로펠러 허브에서 카울 또는 공기 스쿱을 사용하여 전체 열 시스템을 통해 공기를 냉각하기로 선택했으며, 이 허브는 너무 많은 냉각 항력을 발생시키지 않고 공기가 시스템으로 들어오고 나갈 수 있도록 합니다. Fluent는 이 지역의 공기 흐름을 분석하는 데 도움을 주고 있습니다. ACP(Ansys Composite Pre/Post)는 복합재료 모터 컴파트먼트 개발에 사용됩니다.

따라서 배터리 성능 최적화라는 과제가 남습니다. "전기화를 기반으로 하는 모든 산업 분야의 엔지니어와 대화하고 그들의 주요 문제에 대해 물어볼 수 있습니다." Karelin은 말합니다. “모두가 같은 답변을 할걸요? '배터리가 핵심이라고요.' 배터리는 항상 큰 도전, 큰 위험이고, 시스템 내 큰 복잡성을 갖고 있습니다. 비행하는 동안 배터리가 손상되지 않고 과열될 수는 없기 때문입니다. 바로 안전 문제죠. 따라서 팀은 시뮬레이션에 의존할 수밖에 없습니다.”

Rao는 이전에 공기역학 엔지니어링 연구 및 논문에서 Ansys 시뮬레이션 솔루션을 사용해 Fluent 열 유동 해석에 대한 배경 지식을 제공했지만 Ansys의 전자 및 배터리 시뮬레이션 솔루션은 처음 접했습니다. 그에게는 놀라운 경험이었습니다. “Ansys 소프트웨어가 배터리의 전류, 전압, 온도 분배 및 구조적 신뢰성과 같은 모든 분야의 모든 파라미터 요구 사항을 어떻게 통합할 수 있는지 보고 매우 놀랐습니다.” Rao는 말합니다. 그는 Nordic Air Racing이 배터리 문제를 해결함에 따라 가까운 미래에 이러한 시뮬레이션 기능을 활용할 수 있기를 기대하고 있습니다.

전기 비행기에 전력을 공급하는 배터리 팩의 체적 메싱.  이미지 출처: Nordic Air Racing

처음부터 구축하기

비행기가 없는 상태라면 해야 할 작업은 당연히 더 많아집니다. 이와 같은 문제는 현재 4명의 팀원으로 구성된 네덜란드의 TeamNL을 막지 못했습니다. "우리는 비행기를 설계하여 완전히 올바르게 통합하고자 했습니다.” TeamNL의 선임 엔지니어이자 오랜 시간 글라이더 파일럿인 Rick Boerma는 말합니다. “날개에 배터리를 통합한 다음 모터를 기내에 통합하여 기존의 기체, 무게 및 균형을 수정할 필요가 없게 하기로 결정했습니다. 처음부터 시작하는 것이 때로는 장점이 될 수 있습니다.”

Boerma는 Ansys 소프트웨어를 알고 있었지만 이전에 사용한 적은 없었습니다. “Ansys가 에어 레이스 E를 후원하기로 결정했을 때 ‘이 소프트웨어를 사용하고 싶으세요?’ 라고 말했죠.” 그는 말합니다. “그런 제안을 누가 거절할 수 있겠어요?”  

TeamNL은 이러한 과제를 "하나의 큰 패키징 최적화 작업"으로 보고 있습니다. 팀원이 적어(자원봉사자 대환영!) 시간과 비용이 부족하기 때문에, 그들은 가장 효율적인 방법으로 그들이 감당할 수 있는 최고의 부품을 선택하고 조립해야 합니다. Boerma는 비행기의 무게를 최대한 낮게 유지하고 싶지만 빠른 비행에 필요한 전력을 얻으려면 큰 배터리가 필요하다고 말합니다. 소형 배터리 2개를 사용하는 경우 전류 부하가 너무 높습니다. 그래서 상대적으로 무거운 배터리를 사용하면서 적절한 체적과 무게를 얻기 위해 노력합니다.

이들은 Ansys Discovery를 사용하여 비행기의 구조를 개발하고 이러한 중량 하중으로 올바른 무게 중심을 달성합니다. "Discovery가 할 수 있는 일은 정말 놀랍습니다.” Boerma는 말합니다. “당장 손 대고 싶어 근질근질했어요. Ansys SpaceClaim이 통합되어 있어 속도가 빠르고 사용하기가 매우 쉽습니다. 형상이 있는데 여기 있는 이 구멍이 마음에 들지 않으면 그냥 채우기만 하면 됩니다. 5초 안에 새로운 응력 분포를 볼 수 있습니다. 토폴로지를 최적화하여 형태를 올바르게 만들 수도 있습니다.”

단 몇 번의 클릭만으로 Discovery에서 얻은 형상을 Ansys Mechanical로 내보낼 수 있으므로 Mechanical을 사용하여 몇 퍼센트의 정확성을 추가로 부여함으로써 안전한 설계를 보장합니다. "경주 조종사는 항상 허용된 것보다 더 멀리 밀어붙이기를 원합니다.” Boerma는 말합니다. “하지만 물론 항공 분야에서는 안전이 최우선 순위입니다. 물론 우리는 가능한 한 빨리 경주에서 승리하고 싶지만, 가장 중요한 것은 조종사가 다시 지상으로 돌아오는 것입니다.”

에어 레이싱의 가까운 미래

Air Race E의 열띤 초기 시도는 2021년 후반기에 열리게 되며, 그 시점에 전기 비행기로 경주할 준비가 된 팀들이 함께할 것입니다. 16개 팀이 대회에 참가 신청을 했지만, 에어 레이스 E는 2022년에 예정된 세계 전기 에어 레이싱 챔피언십을 넘어 계속 발전할 것이기 때문에 직접 팀을 만들어 참여할 시간도 아직 남아 있습니다. Ansys 전문가가 모든 팀이 시뮬레이션을 사용하여 프로세스 전반에 걸쳐 문제를 해결하는 방법을 배울 수 있도록 도움을 드릴 것입니다.

"팀들은 2022년의 비행기를 준비하기 위해 시간 경쟁을 벌입니다. 비행기와 배터리 설계를 시뮬레이션할 수 있기 때문에 특정 경로를 따라 내려가다가 뒤로 물러서는 데 너무 많은 시간을 소비하지 않아도 됩니다." Karelin은 말합니다. “설계 변경을 즉시 테스트할 수 있다는 것은 비용을 크게 절감해 주는 일이며, 팀은 확실히 현명하게 비용을 지출해야 합니다.”