서론

수리온(KUH-1) 사업은 방위사업청과 지식경제부가 공동 주관하고 3개 개발주관기관(한국항공, 항우연, 국과연)이 연구개발하여 군에서 운용중인 노후화된 헬기(UH-1H, 500MD)를 대체하고 핵심기술을 축적하여 헬기 국내개발능력을 구축하기 위한 사업이다. 수리온 초도양산 계약은 2010년에 체결되고, 초도호기는 2012년에 납품되었다. 2020년에 4차 양산사업이 시작되어 2024년 최종호기 전력화를 앞두고 있다.

수리온 항공기 개조·개발 사업으로는 해병대 해상 작전을 위한 상륙기동헬기(MUH-1)와 환자 수송을 위한 의무후송전용헬기(KUH-1M) 사업이 있다. 해당 항공기는 적절한 임무 수행을 위해 추가적인 진동저감장치, 보조연료탱크, 비상부주 등이 장착되었으며, 두 사업은 성공적으로 양산사업이 마무리되었다.

국방기술품질원은 방위사업법에 따라 무기체계의 품질관리 업무를 수행하며 결함이 발생할 경우, 소요군 및 업체와 협조하여 품질 확보를 추진한다. 필요할 경우, 설계적인 검토와 형상 변경을 통하여 품질을 개선한다. 본 기고문은 수리온 계열 항공기 구성품의 주요 품질개선 사례를 소개하고자 한다. 세가지 구성품(보조동력장치, 구내통신장치, 사이클릭 조종간)의 결함 내용, 고장탐구, 개선 전/후 형상, 개선 효과 등을 요약하여 서술한다.

수리온 양산사업은 2024년 종료 될 예정이다. 현재 진행 중인 항공사업으로는, 상륙 해안 소해 작전을 위한 소해헬기 개발사업과 상륙기동헬기에 무장을 장착하는 상륙공격헬기 개발사업이 있다. 본 기고문의 품질개선 사례를 추후 항공 사업에 참고자료로 활용 가능할 것으로 기대한다.

보조동력장치

결함 내용

회전익 항공기에 장착되는 보조동력장치(Auxiliary Power Unit, 이하 'APU')는 소형 가스터빈엔진으로, 지상에서 항공기 엔진 시동에 필요한 압축공기를 제공하는 역할을 한다. APU 작동 시 발생하는 고온/고압의 배기가스를 배출시키기 위하여, 그림1과 같이 배기덕트가 장착된다.

여러 항공기에서 그림 2와 같이 배기덕트와 동체를 연결하는 지지대 체결부 브라켓 균열이 확인되었다. 외부 육안 검사 시 내부 균열 식별에 제한이 있기 때문에, 잠재적 위험요소가 내재되어 있는 상황으로 결함원인 분석 및 품질개선이 필요한 상황이다.

교범에는 손상 발생 시 교체하는 문구가 있으나, 주기적인 점검 절차는 없는 상황이다.

고장탐구

운용 중인 항공기 중 결함 발생 항공기의 종류를 분석한 결과, 행거 내 계류로 인하여 덮개를 장착하지 않는 항공기에는 해당 결함이 발생하지 않음을 파악하였다. 덮개 장/탈착 형상은 그림3과 같으며, 덮개 장/탈착 시 Push-Pull 게이지를 사용하여 하중을 확인하였다. 해당 하중을 기반으로 구조해석을 수행하여, 최대 응력 발생위치가 결함 발생위치와 일치함을 확인하고 이를 바탕으로 구조강도 보강이 필요함을 도출하였다.

개선 형상

개선은 두가지로 이루어지는데, 첫 번째는 덮개의 크기를 줄임으로써 장/탈착이 용이하도록 하는 것이다. 두 번째는 배기덕트 장착부 내부 보강재를 추가하여, 체결부 보강을 통한 균열 및 변형 발생을 줄이는 것이다.

개선 효과

개선 전/후 형상을 기준으로 인장시험과 압축시험, 피로시험을 수행하였다. 인장시험의 파손 하중이 기존형상 대비 약 4배 증가함을 확인하였고, 압축시험의 파손 하중은 기존형상 대비 약 2배 증가함을 확인하였다. 피로시험의 경우 항공기 수명 주기를 참고하여 무한수명을 기준으로 시험을 진행하였다. 15,000 Cycles 동안 파손/변형이 발생하지 않아 개선 효과가 있음을 확인할 수 있었다.

요약

항공기 엔진 시동에 필요한 압축공기를 제공하는 보조동력장치에서 결함이 발생하였다. 결함 내용은 보조동력장치 지지대 체결부 브라켓 균열 현상으로, 품질개선이 요구되었다. 고장탐구를 위하여, 결함 발생 항공기를 파악하고 결함 발생 위치와 덮개 장/탈착의 상관관계를 도출하였다. 해당 부위의 구조 보강을 통한 개선 형상을 적용하여, 다양한 시험을 수행하였다. 인장시험의 경우 개선 형상은 기존 대비 4배 이상 파손하중이 증가함을 확인하였고, 압축시험의 경우 기존 대비 2배 이상 파손하중이 증가함을 확인하였다. 피로시험을 통하여 항공기 수명 주기간 파손 및 변형이 발생하지 않음을 확인하였다. 보조동력장치 구조 보강을 통해 운용 중 배기덕트 체결부 브라켓의 결함을 방지 할 수 있을 것으로 판단하며, 향후 유사 결함 발생 시 원인분석 과정부터 품질개선, 검증 절차 수립에 본 기고문을 참고하여 항공기의 신뢰성/운용성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

구내통신장비

결함 내용

회전익 항공기에 장착되는 구내통신장비(Audio Interface Unit, 이하 'AIU')는 조종사, 부조종사, 탑승객 간 내부통신을 제어하는 기능, 외부 장비(무전기, 항법장비 등)간의 외부 통신 연결 기능, 임무컴퓨터와 연결되어 통신 및 경고음 발생 기능을 가진다.

항공기 생산과정과 운용부대에서 내부 통신 잡음이 다수 발생하여, 현상의 원인 분석과 개선방안 도출이 필요한 상황이다. 내부통신 잡음 시 항공기 승무원 간 의사소통 제한되어 작전 운용성이 저하되며, 구성품 교체 비용 및 납품 일정 지연 등이 발생할 수 있다.

고장탐구

생산 및 운용 중인 항공기 해당 결함은 11월 ~ 12월에 발생하였으며, 동절기(0 ~ -10°C)에 결함이 발생하는 이유를 파악할 필요성이 있었다. 상세 고장탐구를 위하여 결함재현시험을 수행하였으며, 0 ~ -40°C에서 5°C 구간마다 잡음 재현을 확인하였다. AIU 내부 회로카드조립체의 출력데이터를 확인하는 모니터링 시험을 통해 수신기용 보드(RCV 보드)에서 왜곡된 출력데이터 확인하였다. 보드 소자 시험을 통해 회로카드 내 아날로그/디지털 오디오 신호 변환소자(CODEC IC)의 출력이 왜곡됨을 확인할 수 있었다.

변환소자가 사용되는 타 회로카드를 분석한 결과 소자 출력단에 댐핑저항이 장착되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 댐핑저항 부재 시 표1과 같이 마진 저하 및 반사계수 증가로 인해 생산공차에 따른 신호 왜곡 발생 가능성을 확인할 수 있다. 저온 출력값 불량 시 댐핑저항 추가를 통한 해외 개선사례를 확인하였다.

개선 형상

개선 형상은 AIU 내부 회로카드에 그림5와 같이 댐핑저항을 추가하여 임피던스 정합 개선을 통한 잡음을 제거한다.

개선 효과

선 형상은 기존 대비 전자파 영향성이 개선된다. 왜곡된 파형의 고주파에서 발생하는 전자파를 댐핑저항을 통해 감소시킨다. 또한, 반사계수가 향상되어 회로카드조립체와 소자의 마진 부족이 보완된다. 개선 입증을 위하여 검증시험 절차를 수립하고, 저온 환경기준(0 ~ - 40°C)에 대한 구간별 통신시험을 수행하고 합격 기준을 만족하였다.

요 약

구내통신장비(AIU)의 내부회로카드에 댐핑 저항을 추가하여, 잡을 개선을 통해 내재된 결함요소 제거로 품질개선을 수행하였다. 품질개선을 통한 결함품 교체 일정 및 비용의 감소로 운용성을 향상하고, 유사 결함 발생 시 본 기고문을 참고하여 항공 분야 고장탐구 시 참고자료로 활용될 것으로 기대된다.

사이클릭 조종간

결함 내용

회전익 항공기에 장착되는 사이클릭 조종간(그림 6)은 항공기의 종축 및 횡축 운동을 제어하는 조종을 위한 구성품이다. 조종간에는 다양한 입력을 위해, 여러 스위치가 장착되어 있으며, 그 중 좌측 하단에 있는 트림 스위치에서 결함이 발견되었다. 트림 스위치가 기능을 상실할 경우, 임무에 영향을 주어 가동률을 저하시킨다.

결함 내용은 그림 7과 같이 스위치 케이스가 손상되어 기능 불량을 유발하거나, 스위치 누름 시 고착이 발생되어 스위치 기능을 상실하는 현상이다. 해당 결함이 다수의 항공기에서 식별되어, 스위치 신품 교체만으로는 근본적인 결함 해소가 어려운 상황으로 품질개선이 요구되었다.

고장탐구

첫 번째로 체결 영향성을 분석하였다. 스위치 케이스 결함 위치는 상위 조립체인 조종간의 볼트 삽입 위치와 일치하여, 체결 토크가 주원인이 됨을 알 수 있었다. 두 번째로 해외 스위치의 성능을 확인하였다. 수리온 항공기의 스위치는 국내 업체 제작품으로 해외 스위치 대비 성능은 동등 이상임을 확인하였다. 세 번째로 월 평균 운용 시간과 스위치 사용 빈도를 분석하여, 내구성 한계에 도달하는 기간을 확인하였다. 조종사 개인의 조종 방식과 임무 등에 따라 차이가 날 수 있으나, 2년 이내 스위치 내구성 한계에 도달할 가능성이 있음을 확인하였다.

스위치 원리는 그림 8과 같이 버튼과 샤프트의 하강을 통해 터미널의 접점으로 회로가 도통된다. 고장탐구 내용에 따라, 스위치 케이스 재질 개선과 내구성 향상을 목표로 개선 형상을 도출하였다. 기존 형상 대비 10% 이상의 토크 체결값 향상과 내구성 증가를 목표로 하였다.

개선 형상

개선형상은 스위치 내부 스프링 개수를 추가하여, 안정적인 접촉 상태를 유지하도록 하였다. 또한, 케이스 재질을 알루미늄60 계열에서 알루미늄70 계열로 개선하여, 정비성을 개선하였다.

개선 효과

개선 전/후 형상을 기준으로 토크 체결 시험과 내구성 시험을 수행하였다. 토크 체결 시험은 기존형상 대비 토크값이 약 30% 향상됨을 확인하였다. 스위치 동작 시험을 수행하여 정상 동작 여부를 확인하였다. 내구성 시험은 시제품을 제작하여 70,000회를 수행하였으며, 기존형상 대비 15% 내구성이 향상됨을 확인하였다. 항공기의 수명을 통상 30년으로 가정할 경우, 전순기 기준 교체비용 절감 효과와 정비 소요를 줄여 가동률을 높일 수 있을 것이다.

요 약

회전익 항공기 조종을 위해서는 세가지 주요 구성품이 필요하다. 첫째는 사이클릭(CYCLIC) 조종간, 둘째는 컬렉티브(COLLECTIVE) 조종간, 셋째는 페달(PEDAL) 조립체이다. 사이클릭 조종간 스위치 중 하나의 스위치에서 동일 결함이 지속적으로 발견되어 고장탐구를 수행하였다. 결함 현상은 스위치 손상과 고착으로, 케이스 개선과 내부 스프링 개선을 통한 개선방안을 도출하였다. 케이스 재질을 개선하여 조종간 조립 시 과토크 체결 영향성을 줄이고 정비성을 개선하였다. 스위치 내구성을 개선하기 위해, 기존 스프링 1개 형상에서 스프링 2개 형상을 채택하여 스위치 접촉상태를 개선하였다. 개선 형상은 기존 대비 정비를 위한 토크 체결력이 30% 개선되고, 내구성은 15% 향상되었다. 따라서, 항공기 운영 간 정비소요를 줄이고 가동률을 높일 것으로 판단된다. 수리온 계열 항공기 수명과 운용 대수를 고려하여 순기비용 절감 효과를 볼 때, 경제적인 효과가 클 것으로 기대된다.

맺음말

본 기고에서는 수리온 계열 항공기 구성품의 주요 품질개선 사례를 소개하고 있다. 한국형헬기개발사업(KHP, Korean Helicopter Program)은 2001년 소요결정이 난 이후, 2006년 체계개발 착수가 시작되었으며, 2024년 최종호기 전력화를 앞두고 있다. 그 사이에 파생헬기로 해병대에서 운용하는 마린온(MUH-1)과 육군의 의무후송전용헬기(KUH-1M)가 추가로 전력화되었다.

수리온은 한반도 전역에서 항공작전이 가능한 중형급 헬기이며, 최초의 국산화 헬기라는 점도 시사하는 바가 크다. 현재 개발이 진행중인 파생 헬기로는 마린온을 기반으로하는 소해헬기와 상륙공격헬기가 있다. 최근들어 K-방산이 각광 받는 가운데 회전익 항공기 품질을 안정화한다면, 추가적인 수출 계약이 머나먼 미래의 이야기는 아닐 것이다.

항공 무기체계는 다른 체계들에 비해 큰 편에 속하여, 완성품의 가치는 몇백억 단위이다. 해당 항공기들이 작은 구성품들의 문제로 임무 수행을 할 수 없는 상태로 가동률을 저하시킨다면, 정부와 소요군의 입장에서 큰 손실이 아닐 수 없다.

해당 기고에서는 수리온 계열 항공기 구성품 3종의 품질개선 사례를 정리하여 소개하였다. 해당 고장탐구 및 설계 개선 내용은 가깝게는 수리온 파생헬기 개발 및 양산사업에 도움이 될 것이며, 다른 항공사업과 타 무기체계 사업에서 참고자료로 활용될 수 있기를 기대한다.