컴퓨터 기반 비행 시뮬레이션을 위한 표면 데이터 생성
Lockheed Martin, 1950년대 전투기의 3D 스캐닝 및 포인트 클라우드 처리 작업에서 촉박한 기한을 준수
2005년, Lockheed Martin Missiles & Fire Control 부서는 50년 된 스웨덴산 전투기 Saab A-35 Draken의 공력 특성에 주목하게 되었습니다. LM M&FC의 공기역학 전문가들은 실제 공력 성능을 분석하기 위해, 엔지니어링 해석 도구에 가져올 수 있는 매우 정확한 데이터 맵이 필요했습니다.
Lockheed Martin은 항공기 전체의 완전하고 정밀한 표면 데이터뿐만 아니라, 무장실과 기관포실의 고해상도 스캔 데이터도 필요했습니다. 이에 Lockheed Martin은 컴퓨터 기반 비행 시뮬레이션에 활용할 표면 데이터를 생성하기 위해 Exact Metrology에 스캐닝 서비스를 의뢰했습니다.
이 데이터는 21세기 전투 환경에서도 무기 투하 시스템이 정상적으로 작동할 수 있도록 보장하기 위해 필요했습니다. Lockheed Martin과 같은 항공우주 업체들은 지속적으로 높은 시험 비용을 절감할 방법을 모색하고 있으며, 그 중 하나가 군사 시험 시설 대신 상업적 서비스를 활용하고, 물리적 시험 대신 디지털 데이터를 활용하는 것입니다.
과제
- 길이 50피트, 날개 폭 31피트의 실물 크기 비행기의 3D 형상 캡처
- NURBS 서페이스를 시뮬레이션 소프트웨어에 신속하게 제공
- 고해상도 및 저해상도 스캐너에서 얻은 데이터 처리
스캐닝 및 디지털화에 관해 세 가지 큰 문제가 발생했습니다.
- 속도: Lockheed Martin은 90일간의 비행 시뮬레이션 데이터 처리 작업을 앞두고 있었기 때문에 매우 촉박한 일정에 놓여 있었습니다. 초기 표면 데이터가 1주일 이내에 필요했으며, Exact Metrology는 이를 기한 내에 제공했습니다.
- 모델 크기: Draken 전투기는 디지털화하기에 매우 거대한 모델이었습니다. 이 항공기는 길이 50피트 이상, 날개폭 31피트, 수직미익 높이 약 14피트에 달했습니다. 파일 크기를 최소화하기 위해 두 종류의 스캐너가 사용되었습니다. 디테일이 필요한 영역에는 고해상도 스캐너(Konica-Minolta VIVID 910)를, 평탄한 영역에는 저해상도이면서 빠른 스캐너(Leica Cyra2500)를 사용해 스캔 작업이 진행되었습니다.
- 유연성: Exact Metrology는 고해상도 스캐너와 저해상도 스캐너 두 장비에서 획득한 데이터를 모두 처리할 수 있는 소프트웨어 솔루션이 필요했습니다.
이러한 과제들을 해결하기 위해, Exact Metrology는 InnovMetric Software의 최고 수준 포인트 클라우드 처리 소프트웨어인 PolyWorks®를 선택했습니다.
솔루션
현장에 적합한 팀을 선택
Exact Metrology가 이 작업을 수주할 수 있었던 이유는 장거리 및 단거리 스캐닝에 대한 독보적인 경험을 보유하고 있었기 때문입니다. 또한, 즉각적인 대응 능력도 중요한 역할을 했습니다.
Exact Metrology는 2005년 추수감사절을 일주일 앞두고 Lockheed Martin으로부터 연락을 받았습니다. 이후 3일 만에 매니저인 Matt Cappel과 스캐너 오퍼레이터가 로스앤젤레스로 향하는 비행기에 올랐고, 스캐닝 작업은 캘리포니아 모하비 사막의 이니오컨(Inyokern)에서 이틀 만에 완료되어 추수감사절 전에 귀가할 수 있었습니다. 스캐닝이 진행된 장소에는 현재 남아 있는 Draken 전투기 중 6대가 리퍼브되어 운항되고 있습니다.
Draken 프로젝트에서 Exact Metrology는 해상도가 크게 다른 수 기가바이트 규모의 포인트 클라우드 데이터를 단일 CAD 모델로 빠르게 처리해야 했습니다. 해상도 차이는 최대 10,000배(5자릿수 규모)에 달했습니다. 고해상도 작업에서는 Minolta VIVID 910 스캐너를 사용해 약 2평방피트 크기의 영역을 가까운 거리에서 스캔했으며, 평균 25만 개의 포인트로 구성된 266개의 포인트 클라우드를 수집했습니다.
저해상도 스캔은 Leica Geosystems의 Cyra2500 스캐너로 수행되었습니다. 이 작업에서 기술자들은 약 2천만 개의 포인트를 수집했습니다. Cappel은 “이 정도 해상도면 가장 작은 공력 형상까지 충분히 정밀하게 캡처할 수 있었지만, 리벳 헤드나 힌지 포인트 같은 불필요한 데이터까지 포착될 정도로 고해상도는 아니었습니다. 저해상도 스캔 작업은 우리에게는 거의 측량 작업에 가까웠습니다.”라고 말했습니다.
모든 스캐닝 및 디지털화 작업이 완료된 후, 총 약 250건의 고해상도 및 저해상도 스캔에서 4.6GB의 데이터가 수집되었습니다. Exact Metrology가 Lockheed Martin에 최종적으로 전달한 결과물은 압축되지 않은 상태로 200MB 정도의 비교적 작은 파일이었습니다.
스캔 정렬
260개의 스캔을 단일 모델로 정렬하는 데 PolyWorks|IMAlign™ 모듈이 사용되었습니다. PolyWorks 정렬 기능의 경우 부품에 타겟이나 마커를 사용할 필요가 없습니다. 대신 스캔 자체의 기하학적 형상을 이용해 정렬을 수행합니다. Cappel은 “비행기에 타겟을 부착할 필요가 없었던 점이 스캐닝 프로세스를 획기적으로 개선시켰습니다.”라고 말했습니다.
폴리곤 모델
스캔 데이터가 정렬된 후, PolyWorks|IMMerge™ 모듈에서 결과 포인트 클라우드 모델을 STL(Stereolithography Tessellation Language) 형식의 폴리곤 모델로 변환했습니다. PolyWorks는 표면 곡률에 맞춰 최적화된 폴리곤 메쉬(삼각형)를 생성하여, 엣지와 필렛 같은 영역에서는 고해상도를 유지하고, 평탄한 영역에서는 더 큰 삼각형으로 효율적으로 구성합니다. 일부 시뮬레이션 소프트웨어는 STL 파일을 직접 처리할 수 있지만, Lockheed Martin M&FC에서 사용한 시스템은 STL을 지원하지 않았기 때문에 CAD에서 활용 가능한 파일이 필요했습니다.
커브 네트워크 구축
CAD에서 사용할 수 있는 모델을 생성하기 위해, PolyWorks는 폴리곤 모델 위에 NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)라 불리는 수학적 곡면 표현을 계산합니다. NURBS 곡면을 생성하기 전에, PolyWorks는 폴리곤 모델 위에 커브 네트워크를 구축하여 곡면이 적용될 위치를 결정합니다. PolyWorks는 자동 및 수동 커브 네트워크 생성 도구를 모두 제공하며, 형상 커브(feature curves)는 한 번의 클릭으로 추출할 수 있습니다. 또한 사용자는 몇 번의 클릭만으로 커브 네트워크를 수동으로 세밀하게 조정할 수도 있습니다.
NURBS 서페이스
이후 NURBS 서페이스가 커브 네트워크에 자동으로 피팅되었으며, 생성된 곡면은 IGES 또는 STEP 파일 형식으로 Lockheed Martin의 해석 시스템에 전달되었습니다. 최종 결과물은 정확도, 파일 크기, 패치 수 측면에서 Lockheed Martin의 요구사항을 충족했습니다.
PolyWorks는 CAD에서 실제로 활용 가능한 NURBS 서페이스를 생성합니다.
NURBS 서페이스의 품질에 크게 영향을 미치는 세 가지 요소는 다음과 같습니다.
- NURBS 서페이스의 기반이 되는 PolyWorks의 고품질 폴리곤 모델.
- 커브 네트워크를 구축하는 과정에서 주요 형상 커브를 식별하고, NURBS 서페이스 생성 시 이를 기준으로 서페이스 생성을 제약할 수 있는 기능을 제공합니다.
- 커브 네트워크를 생성할 때 T-접점(T-junctions)을 사용할 수 있어, 더 논리적이고 효율적인 패치 레이아웃을 구성할 수 있습니다.
성과
스캐닝부터 최종 결과물 전달까지, Exact Metrology는 Saab A-35의 대용량 스캔 데이터를 Lockheed Martin의 요구사항에 맞춰 캡처, 편집, 포맷하는 데 총 2주 반이 소요되었습니다. Cappel은 “수 기가바이트 규모의 작업에서 이 정도면 매우 빠른 작업 완료 속도입니다.”라고 말했습니다. 이번 프로젝트에서는 데이터 수집 시간은 약 67~80%, 데이터 처리 시간은 약 50% 절감된 것으로 추정되었습니다.
"함께 작업했던 Lockheed 관계자들은 데이터의 품질과 완성도에 대해 매우 만족했다고 전했습니다. 시뮬레이션 일정을 망칠 수 있는 문제나 작업 재시작은 단 한 번도 없었습니다. InnovMetric의 어플리케이션 스페셜리스트들은 우리에게 큰 도움이 되었습니다. 마치 우리 팀에 한 명의 추가 기술 인력이 합류한 것처럼, 어려운 부분들을 함께 해결해 주었습니다." Matt Cappel, Exact Metrology 매니저
정량화 가능한 성과:
- 단 두 사람이 전체 항공기, 모든 외부 서페이스를 이틀 만에 스캔하고 디지털화했습니다. 다른 방법을 사용했다면 2~4배 더 많은 시간이 소요되었을 것이며, 결과적으로 데이터 수집 시간은 67%에서 80%까지 절감되었습니다.
- PolyWorks만이 4GB 규모의 데이터를 정확하게 처리할 수 있었으며, 다른 소프트웨어를 사용했다면 파일을 여러 조각으로 나누고 추가적인 병합 작업과 데이터 재조립이 필요했을 것입니다. 이는 처리 시간을 두 배, 많게는 세 배까지 늘리는 원인이 되었을 것입니다.
- 경쟁 소프트웨어들은 속도 면에서 비교할 수조차 없었고, 이번 프로젝트에서는 시간이 가장 중요한 요소였습니다. PolyWorks 덕분에 덜 효율적인 소프트웨어 대비 약 2주 이상의 시간 절감이 가능했습니다.
- 풍동 테스트와 같은 물리적 시험 대신 컴퓨터 기반 시뮬레이션을 활용함으로써, 비용 절감 효과가 매우 컸습니다.
미래
Lockheed Martin은 Exact Metrology에 이번 Saab A-35 프로젝트의 목적이 상업 기업이 제공하는 잠재적 시험용 항공기의 공기역학적 특성을 보다 깊이 이해하는 것이라고 설명했으며, 그 목표는 성공적으로 달성되었습니다.
Draken의 공기역학은 당시로서는 혁명적이었고 반세기가 지난 오늘날에도 여전히 인상적입니다. Draken은 다음과 같이 설계되었습니다.
- 전투 지역 근처의 소형 비행장에서 짧은 이착륙 가능.
- 고속 및 저속 성능의 최적화된 조합.
- 몇 분 안에 임무 재무장.
- 항공기의 네 개 세그먼트가 교체되거나, 정비를 위해 분리되어 보내지거나, 업그레이드될 수 있도록 볼트로 체결되는 구조.
Exact Metrology와 InnovMetric 덕분에 Lockheed Martin은 비용 효율적이고 빠른 시간 내에 자사의 비행 시뮬레이션 시스템에 필요한 모든 공기역학적 세부 정보를 확보할 수 있게 되었습니다.
