NASA의 X-57 맥스웰

전기차의 대세는 이제 자동차를 넘어 비행기로 향하고 있습니다!  항공기가 전기로 구동될 수 있음을 증명하기 위해 NASA는 최초의 순수 전기 X-plane인 X-57 맥스웰을 개발했습니다. 현재 Mod II 구성에 있는 X-57 비행기는 이탈리아 Tecnam P2006T의 수정된 버전입니다. 일반적인 가솔린 구동 모터 대신 X-57에는 견인 배터리로 구동되는 2개의 완전 전기 모터가 있습니다. X-57 Maxwell 프로젝트에는 낮은 에너지 소비(X-57의 모터는 가솔린 엔진 항공기 에너지의 5분의 1을 사용함), 배출량 감소, 비행 중 소음 감소 등 몇 가지 핵심적인 목표가 있습니다.

현실화를 위한 도전

NASA 엔지니어는 새로운 전기 동력 항공기를 설계부터 에너지를 효율적으로 사용할 뿐만 아니라 항공기가 안전하게 비행할 수 있도록 해야 했습니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 항공기 구조의 분석 모델을 구축하고 비행 중에 항공기가 겪을 스트레스를 시뮬레이션하는 것입니다. 이렇게 하면 값비싼 프로토타입을 만들기 전에 설계의 약점을 발견하고 수정할 수 있습니다.

그러나 물리적 지상 테스트를 대체할 수는 없습니다. 어느 시점에서 엔지니어는 기체를 셰이커에 고정하고 측정을 수행해야 합니다. 이러한 물리적 테스트는 시뮬레이션 모델을 검증하고 새로운 항공기 설계의 구조적 특성을 이해하는 데 필수적입니다.

지상 진동 테스트(ground vibration test), 또는 GVT는 첫 번째 테스트 비행이 이루어지기 전에 수행됩니다. GVT 동안 테스트 엔지니어는 기체 주변의 수백 지점에서 응답을 측정하면서 기체에 다양한 진동 프로파일을 적용합니다. 이러한 측정을 분석하면 엔지니어가 비행 준비 구성에서 비행기의 모드 주파수와 모드 모양을 식별하는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 항공기의 유한 요소 모델(FEM)을 검증 및 업데이트한 다음 플러터(flutter) 분석 예측에 사용할 수 있습니다. 결국, 플러터 분석은 구조물이 감항성에 필요한 공기탄성 및 플러터 마진을 갖는지 여부를 알려줍니다.

나탈리 스피베이:

모달 테스트와 내구성을 위한 NASA의 에이스

테스트 팀은 항공기 구조 역학 감항성, 모달 테스트 및 비행 플러터 테스트와 관련하여 NASA의 "에이스"인 나탈리가 이끌었습니다. 현재  캘리포니아 남부에 위치한 나사 암스트롱 비행 연구 센터에서 근무하고 있으며 아이오와 주립 대학에서 항공우주 공학 학사(2000)를, 로스앤젤레스 캘리포니아 대학에서 기계 공학 석사(2006)를 받았습니다.

나탈리는 실제 모달 테스트, 감항성 허가 및 비행 테스트 제어실 경험에 대한 광범위한 경험이 있기 때문에 동료들에게 인정받았습니다. 나탈리는 X-53 Active Aeroelastic Wing, 다양한 F-15 및 G-III 비행 실험, Passive Aeroelastic Tailored Wing, 57 맥스웰 등을 포함한 프로그램의 구조 역학 엔지니어 또는 리더로서 수많은 비행 연구 프로그램에 참여했습니다. 

나탈리는 경력 초기에 테스트에 관심을 갖게 되었고 대학 3학년과 4학년 사이 한학기 동안 NASA Dryden(현재 NASA Armstrong)에서 GVT관한 협동 과제를 수행했습니다. 나탈리는 테스트의 분석 작업과 실습 작업에 탁월한 성과를 보였습니다.

Mod 4 구성의 NASA X-57 Maxwell 그래픽 일러스트레이션(12개의 고양력 모터 및 2개의 Wingtip 크루즈 모터)

안전 제일

GVT를 실행할 때 테스트 항목이 가능한 한 최종 디자인에 가깝게 해야합니다. 이러한 사항은 테스트 팀에게 몇 가지 흥미로운 문제로 이어질 수 있습니다.

예를 들어, GVT 동안 무겁고 고전압 전기 모터 배터리는 실제가 아니었습니다. 정상 작동시 16개의 트랙션 배터리 모듈이 트윈 전기 모터에 전력을 공급하고 항공기 총 중량의 거의 1/3에 해당합니다. 그러나 안전을 위해 충전된 배터리 대신 배터리 질량 시뮬레이터가 사용되었습니다. 테스트팀의 한 가지 과제는 실제 배터리와 크기, 질량 및 무게 중심이 동일한 시뮬레이터를 설계하고 구축하는 것이었습니다. 또한 실제 배터리와 동일한 방식으로 동체에 장착해야 했습니다.

또 다른 문제는 두 개의 배터리 제어 모듈(BCM)이 GVT에 맞춰 준비되지 않았다는 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 NASA 엔지니어는 두 개의 BCM 모형 장치를 설계하고 제작했습니다. BCM 모형 단위는 실제 단위보다 가벼웠으므로 엔지니어는 예상 비행 중량까지 중량을 올리기 위해 샷백을 추가했습니다. 무게는 모달 특성에 중요한 요소이므로 테스트팀은 필요할 때 누락된 무게와 밸러스트 영역을 추적해야 했습니다.

GVT의 비행기 구성에는 다른 비행 계측 케이블 및 센서(비행 가속도계, 스트레인게이지); 외에도 날개에 전원 케이블이 포함되어 있습니다. 모든 구성 요소는 비행기가 NASA 암스트롱에 도착하기 전에 설치되었습니다. GVT 외부 가속도계를 설치하기 전에 비행기 무게(모든 GVT 잠금 장치, 하드웨어 및 안정기 포함)는 2,782파운드로 측정되었습니다.

두 가지 테스트 설정

이 GVT의 목적은 두 가지 주요 경계 조건을 테스트하는 것이었기 때문에 두 가지 다른 테스트 설정이 있었습니다. "소프트 지원" 시스템이라고 하는 첫 번째 설정은 자유 비행 환경을 시뮬레이션하도록 설계되었습니다. 번지 코드를 사용하여 비행기 밑면의 단단한 지점에 비행기를 매달았습니다. 제조업체는 일반적으로 이러한 종류의 테스트에 사용하기 위해 번지 코드의 특성을 측정하지 않기 때문에 이는 정말 어려운 문제였습니다.

GVT 이전에 NASA는 선택한 번지 코드가 하중을 처리할 수 있고 첫 번째 비행기 모드 주파수에서 분리되도록 충분히 낮은 주파수 응답을 가질 수 있는지 확인하기 위해 먼저 수많은 번지 특성화 테스트를 수행했습니다.

두 번째 GVT 설정은 "온 타이어 설정"이라고 했습니다. 이 테스트 루틴을 위해 비행기에는 착륙 바퀴가 설치되어 있었고 테스트 중에 항공기는 지면에 쉬었습니다. 타이어는 정상 서비스 압력으로 부풀렸고 비행기 승무원은 테스트 전에 스트럿이 평형 상태에 놓일 수 있도록 비행기 기수, 꼬리 및 날개 끝을 흔드는 작업을 수행했습니다.

X-57 Maxwell Mod II 구성의 GVT 설정 개요

테스트 준비

소프트 지원 시스템을 사용한 첫 번째 테스트 설정 - 자유 설정(free-free setup)으로도 불립니다-의 경우, 팀은 127개의 다른 위치에 가속도계를 설치하여 318자유도(DOF)를 측정할 수 있었습니다.  비행기의 전체 좌표계를 사용하여 비행기 동체, 날개 날개, 제어 표면, 모터 및 소프트 지지 프레임(메인 랜딩 기어와 동체 기수에 위치)의 양쪽을 따라 가속도계를 배포했습니다. 온타이어 설정을 위해 소프트 지지 시스템의 14개 위치에서 가속도계를 제거하여 총 113개 가속도계 위치에 276자유도를 측정했습니다.

두 설정 모두에 대해 1축과 3축 가속도계를 모두 사용했지만 대부분의 가속도계 위치는 2개의 자유도를 측정하도록 설정되었습니다. 이 위치에 2개의 단축 가속도계 또는 3축 가속도계를 설치했습니다. 모터 주변의 가속도계는 전기 모터 주변의 제한된 접근과 공간 때문에 설치하기가 매우 어려웠습니다. GVT 외부 가속도계 외에도 비행기의 계측 시스템을 사용하여 비행 가속도계에서 데이터를 수집하고 가장 가까운 GVT 가속도계에서 수집한 데이터와 비교했습니다.

이러한 가속도계에서 데이터를 수집하기 위해 NASA 팀은 HBK의 300개 이상의 채널 LAN-XI 데이터 수집 시스템을 사용했습니다. LAN-XI는 1,000개 이상의 채널에서 소리 및 진동 데이터를 수집할 수 있는 모듈식 데이터 수집 시스템 및 분석기 플랫폼으로, 다양한 측정 애플리케이션에 사용되는 넓은 동적 입력 범위를 제공합니다. NASA AFRC LAN-XI 시스템에는 4개의 메인 프레임, 2개의 LAN-XI 11슬롯 메인프레임(메인 GVT 제어 스테이션이 위치한 비행기 기수 근처) 및 2개의 LAN-XI 5슬롯 메인프레임이 비행기 뒤쪽에 포함되었습니다.메인프레임은 네트워크 스위치를 통해 함께 데이지 체인 방식으로 연결되었습니다.

GVT 데이터 수집 시스템의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.:

• Type 3660 메인 프레인. 이 테스트 시스템은 5슬롯과 11슬롯 메인프레임을 모두 사용했습니다. 3660 메인프레임은 LAN-XI 모듈에 대한 전원 및 연결은 물론 보호 기능을 모두 제공합니다.
• Type 3053 12채널 입력 모듈. 이 모듈은 이 애플리케이션을 위한 컴팩트하고 비용 효율적인 솔루션을 제공했기 때문에 선택되었습니다.
• Type 3160  제너레이터 모듈. 이 모듈은 이 응용 프로그램이 시스템 여기를 필요로 하기 때문에 사용되었습니다. 2개의 입력과 2개의 출력 또는 4개의 입력과 2개의 출력으로 사용할 수 있습니다. 모든 입력 및 출력 채널의 주파수 범위는 DC ~ 51.2kHz입니다.

LAN-XI 메인프레임 #1 및 #2(11슬롯 메인프레임 2개)

LAN-XI 메인프레임 #3 및 #4(2개의 5슬롯 메인프레임)

14개의 테스트 구성, 191개의 테스트 실행

NASA는 14개의 다른 테스트 구성을 사용하여 191개의 테스트 실행을 수행했습니다. 부드러운 지지대 설정을 사용하는 11개의 다른 구성, 타이어 위 설정을 사용하는 두 개, 그리고 노즈 소프트 지지 시스템의 일부인 A-프레임 리프팅 장치에 직접 자극되는 추가 구성이 하나 있었습니다. 마지막 구성은 A-Frame을 특성화하고 관심 있는 비행기 모드와 커플링이 없는지 확인하기 위해 추가되었습니다. 이 A-Frame 테스트를 위해 비행기는 부드러운 지지대에 매달려 있었습니다.

표 1은 목표 모드, 가진 위치 및 방향, 셰이커의 수, 조종석 또는 제어 표면에서 제약 조건으로 사용된 잠금 장치를 포함한 테스트 구성 매트릭스를 자세히 설명합니다. 테스트 전반에 걸쳐 테스트 엔지니어는 이 구성 매트릭스에 크게 의존하여 1차 및 2차 테스트 목표를 모두 달성했습니다. 이 테스트를 실행할 때 테스트에 적절하게 배치된 하나 또는 두 개의 셰이커를 사용했습니다. Shaker 위치는 일반적으로 FE 모델에 의해 결정됩니다.

수직 꼬리 측면 가진기 위치

날개 끝 후행 가장자리 가진기 위치

테스트 구성 매트릭스테스트 구성 매트릭스

BK CONNECT, 데이터 수집 및 분석

테스트를 실행하고 데이터를 분석하기 위해 NASA는 HBK의 BK Connect 소프트웨어를 사용했습니다. BK Connect는 단일 소프트웨어 패키지로 사용자가 데이터를 수집하고, 테스트 또는 구조를 실시간으로 모니터링하고, 수집된 데이터에 대한 후처리를 수행한 다음, 테스트 보고서를 보고, 분석하고, 생성할 수 있는 통합 소프트웨어 플랫폼입니다. BK Connect를 통해 NASA 팀은 데이터를 다른 소프트웨어 패키지로 내보낼 필요 없이 데이터를 분석할 수 있었습니다.

GVT 결과는 사전 테스트 Mod II FEM 모달 결과에 나타나지 않은 많은 비행기 모드를 보여주었습니다. GVT 동안 식별된 이러한 누락된 FEM 모드는 테스트 후 모델 업데이트 및 상관 관계 프로세스를 지원합니다. 예를 들어, 결합된 비행기 모션, 날개 비틀림 및 제어 표면에 의해 표시되는 테스트 노출 모드 등이 있습니다. 또한 사전 테스트 모델에는 노즈 붐과 같은 일부 구성 요소가 포함되지 않았습니다. GVT 테스트 데이터를 통해 X-57 프로젝트 팀은 이러한 구성 요소를 테스트 후 모델에 정확하게 추가할 수 있습니다.

BK Connect 모달 분석 소프트웨어

HBK 기술이 이끌어낸 NASA의 성공

GVT 결과를 통해 NASA는 X-57 Mod II Maxwell 구성의 모드 특성을 훨씬 더 잘 이해할 수 있었습니다. 테스트는 사전 테스트 비행기 해석 모델이 테스트 중에 관찰된 모든 모드를 포착하지 못하는 것으로 나타났습니다. 이러한 모드를 표시하기 위해 모델을 업데이트하는 것은 X-57 프로젝트 팀에게 어려운 일이 될 것이지만 이제 이를 수행하는 데 필요한 모달 테스트 결과를 얻었습니다.

HBK는 이 프로젝트의 성공을 위한 열쇠 중 하나로 GVT 이전과 도중에 지원을 제공했습니다. NASA 엔지니어는 테스트 전과 테스트 기간 내내 HBK 애플리케이션 엔지니어가 지원을 제공하기 위해 현장에 있을 때 HBK와 상의했습니다.

NASA 프로그램에 대한 HBK의 지원은 X-57 Maxwell 프로젝트 이상으로 확장됩니다. HBK와 NASA 엔지니어는 테스트 문제를 논의하기 위해 매달 컨퍼런스를 진행했습니다. 월간 사용자 그룹 회의에는 Armstrong Flight Research Center, Johnson Space Center, Kennedy Space Center, Glenn Research Center, Marshall Space Flight Center, Langley Research Center 및 기타 NASA 시설을 비롯한 여러 NASA 센터의 엔지니어가 참여했습니다.