디지털 엔지니어링을 통한 보다 안전한 eVTOL 시스템 설계

자율성이 제조 및 산업용 장비에서 자동차 및 항공에 이르기까지 전체 업계에서 유행하고 있습니다. 이에 따라 첨단 항공 모빌리티(AAM) 기업들은 응급 서비스, 농업, 국방, 산업, 수색 및 구조 등 다양한 사용 사례를 위해 장소 간에 사람과 화물을 보다 효과적으로 운송하도록 다양한 수준의 자율주행 항공기를 개발하고 있습니다. 종종 혼용되어 사용되는 용어이지만, 도시 항공 모빌리티(UAM)와 지역 항공 모빌리티(RAM)는 각각 도시 및 교외 지역에서 낮은 고도의 항공 운송에 초점을 맞춘 AAM의 하위 집합입니다. 이러한 자율주행 항공기를 일반적으로 무인 항공기 시스템(UAS) 또는 무인 항공기 모빌리티(UAM)라고도 합니다.

AAM의 새로운 개발에는 전기 수직 이륙 및 착륙(eVTOL) 항공기가 포함됩니다. eVTOL은 잠재적인 편의성 외에도 배출과 오염을 줄이면서 새로운 신흥 시장에 더 환경 친화적인 운행 옵션을 제공함으로써 지속 가능성을 지원할 수 있습니다. eVTOL에 대한 관심과 기대가 증가함에 따라 전 세계 eVTOL 항공기 시장은 2030년까지 234억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 실제로 세계 eVTOL 항공기 디렉터리를 유지 관리하는 수직 비행 협회는 카탈로그에 전 세계 400개가 넘는 기업과 혁신가들의 900개가 넘는 설계가 포함되어 있다고 발표했습니다.

그러나 안전한 eVTOL을 구축하려면 복잡한 설계, 개발, 제조 및 교육이 필요합니다. 시뮬레이션은 이 분야에서 놀라운 가치를 제공하여 자율주행 AAM 시스템에 대한 신뢰를 구축하고 신뢰성을 보장하며 안전성을 검증하도록 돕습니다. AAM 기업들은 AAM 솔루션을 통합하여 Ansys 다중물리 시뮬레이션, 소프트웨어 설계, Digital Mission Engineering 등의 요소를 사용하여 원활한 포괄적인 워크플로를 채택할 수 있습니다. 미션 계획 및 개념 선택에서 설계 및 운영에 이르기까지 eVTOL의 디지털 엔지니어링 여정을 자세히 살펴보겠습니다.

미션 개념 선택 및 계획 시작

eVTOL 디지털 엔지니어링 여정은 미션 계획, 개념 선택 및 안전에서 시작됩니다. 엔지니어와 설계자는 System-of-Systems 접근 방식으로 eVTOL의 미션을 정의하기 위해 Ansys Systems Tool Kit(STK) Digital Mission Engineering 소프트웨어를 사용할 수 있습니다. STK 플랫폼을 사용하면 고해상도 지형, 이미지 및 무선 주파수(RF) 환경을 비롯하여 사실적이고 시간 역동적인 3D 시뮬레이션 내에서 복잡한 시스템을 모델링할 수 있습니다. 이러한 중요 분석 정보는 예측할 수 없는 변수를 고려하여 더 안전한 미션을 설계하는 데 도움이 됩니다.

동시에 미션 정의에는 미션 능력, 개념 및 설계 기준 미션(DRM)의 평가가 포함됩니다. DRM은 기본적으로 다른 자산, 지형 및 기상 조건을 비롯한 System-of-Systems 맥락에서 자산의 운영 시나리오를 포착하는 상세한 계획 또는 미션 프로파일입니다. STK 플랫폼에 캡처된 DRM은 엔지니어와 설계자가 차량 시스템 요구 사항을 충족하여 계획된 미션의 성공을 보장하도록 돕습니다. 예를 들어 eVTOL 설계는 다른 항공기, 위성 및 기지국과의 연결 등의 새로운 요구 사항을 고려해야 하는 경우가 많습니다.

다음 단계는 가능한 구성에 대한 대안 연구를 수행하여 최상의 시스템 구성을 확보하고 가장 효과적이고 효율적이며 안전하게 수행되는 개념을 결정하는 것입니다. 이 평가에서 중요한 구성 요소는 시스템 아키텍처 모델입니다. 시스템 아키텍처 모델은 프로젝트에 참여하는 모든 사람에게 “ASoT(Authoritative Source of Truth)” 역할을 합니다. Ansys는 실시간 협업을 지원하고 시스템 아키텍처 모델을 엔지니어링 분석 워크플로와 통합할 수 있도록 설계된 클라우드 네이티브 시스템 아키텍처 모델러(SAM)를 제공합니다.

Ansys ModelCenter MBSE 소프트웨어를 사용하여 이전에 STK 플랫폼에서 정의한 작업과 미션을 캡처하고 이 데이터를 운영 데이터로서 SAM에 전송할 수 있습니다. 이를 통해 전체 시스템, 기술 옵션, 구성 가능성 및 초기 시스템 동작을 연결하고 설명하며 기술할 수 있습니다.

또한 디지털화된 사양표, 분석 방정식, 전달 함수 및 차수 감소 모델(ROM)과 같은 분석 모델에 SAM을 연결할 수 있으므로, 대안 연구가 미션 성공의 요구 사항을 충족하는 초기 시스템 구성을 얻을 수 있습니다.

더욱 연결된 "더욱 스마트한" 모델을 사용하면 시스템의 기능 안전 및 사이버 보안 아키텍처를 검사할 수 있습니다. Ansys medini analyze 안전 시스템 분석 소프트웨어와 같은 툴을 사용하면 SAE International의 항공우주 권장 지침(ARP) 4754 및 ARP4761과 미국 국방부의 군사 표준(MIL-STD) 882E 시스템 안전을 비롯한 항공우주 시스템 규제 표준에 따라 시스템을 검사할 수 있습니다.

설계 통합 및 최적화

미션을 수립한 후에는 모델 기반 접근 방식을 사용해 관심 있는 시스템을 설계하여 회로 모델과 같은 저충실도 모델을 사용함으로써 시스템의 물리적 특성을 포착할 수 있습니다. eVTOL 설계에서 모델링해야 할 주요 영역으로는 추진, 비행 역학, 센서, 안내 내비게이션 및 제어 시스템이 포함됩니다. Ansys 워크플로에서, Critical 임베디드 소프트웨어를 위한 Ansys SCADE Suite 모델 기반 개발 환경도 이 시점에 사용되어 모델링된 하드웨어와 소프트웨어가 동기화되어 있는지 확인합니다. SCADE 환경은 임베디드 소프트웨어용으로 구축되어 요구 사항 관리, 모델 기반 설계, 검증, 인증된 코드 생성, 다른 개발 도구 및 플랫폼과의 상호 운용성에 대한 연결을 제공합니다.

설계를 더 심층적으로 진행하기 위해, Ansys 다중물리 솔루션을 사용하여 고충실도 모델로 다양한 작동 환경에서 3D 형상 구성 요소가 어떻게 작동하는지 분석할 수 있습니다. 예를 들어, eVTOL의 전기 광학 적외선(EOIR) 센서를 정확하게 모델링하려면 EOIR이 작동하는 동안 EOIR에 미치는 전자기적, 광학적, 열적, 구조적, 공기 역학적 영향을 고려하여 모든 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다.

Ansys 다중물리 시뮬레이션 툴은 보다 포괄적이고 상세한 설계를 구현하는 데 매우 유용하지만, 특정 구성 요소의 고충실도 모델을 분석하고 실행하는 데는 많은 시간이 걸릴 수 있습니다. 시뮬레이션 워크플로를 가속화하기 위해 Ansys는 ROM을 활성화하여 모델 복잡성을 줄이는 인공 지능(AI)과 머신 러닝(ML) 기반의 기술을 제공합니다. 이러한 AI/ML 기반 기술과 ROM 기능은 Ansys optiSLang 프로세스 통합 및 설계 최적화 소프트웨어, Ansys Twin Builder 시뮬레이션 기반 디지털 트윈 플랫폼, Ansys SimAI 클라우드 지원 생성형 인공 지능 플랫폼에 내장되어 있습니다. ROM을 보다 빠르고 쉽게 통합하여 Model-in-the-Loop(MIL) 및 Hardware-in-the-Loop(HiL) 분석을 수행할 수 있습니다. 따라서 eVTOL 센서, 차량 동역학 및 추진 시스템의 ROM을 고충실도 모델보다 간단하게 통합하여 안내, 내비게이션 및 제어 시스템을 확인할 수 있습니다.

Ansys optiSLang 소프트웨어의 민감도 분석을 통해 진동 문제를 식별(왼쪽)하고 해결하여 더 순조로운 비행을 구현했습니다(오른쪽).

미션 검증, 운영 및 유지 관리

eVTOL 디지털 엔지니어링 과정의 마지막 단계에서는 초기 DRM에 대해 통합 시스템을 초기 DRM에 맞춰 모델링하여 미션 성공 기준을 충족하는지 검증할 수 있습니다.

마지막으로, eVTOL이 작동하면 자산의 텔레메트릭 데이터를 디지털 트윈에 입력하여 예측 상태 관리 및 유지 관리를 지원할 수 있습니다. 예를 들어 디지털 트윈으로 현재 전압 동작을 모니터링하여 배터리 상태를 예측할 수 있습니다.

STK, SCADE 및 Twin Builder 플랫폼을 사용한 가상 확인 및 검증을 통해 최적화된 비행 테스트 및 성능, 잠재적 고장 예측 및 사전 예방적 유지 보수가 가능합니다.

디지털 엔지니어링 및 AI/ML로 자율주행을 향한 비행

Ansys 솔루션은 고객이 다양한 수준의 자율주행 AAM 시스템에 대한 확신을 가질 수 있도록 지원합니다. Ansys의 Ansys Digital Mission Engineering 및 다중 물리 시뮬레이션을 AI/ML 기반 모델링 방법과 결합함으로써 고객은 현실적인 3D 환경에서 eVTOL을 보다 효율적으로 개발하고 검증할 수 있습니다.

직접 Ansys 다중물리 솔루션을 살펴보려면 무료 제품 평가판을 찾아보십시오. Ansys의 시스템 시뮬레이션을 경험하려면 STK 플랫폼에 대한 무료 평가판 옵션을 확인하십시오.

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