서울대학교

항공우주구조 연구실(Aerospace structures Laboratory)

항공우주구조 연구실은 항공우주 시스템의 구조 해석 및 설계를 목적으로, 초대형 고정밀 수치해석 기법을 비롯한 수치연산에 관한 연구와 비행 시스템(사이클로콥터) 및 비파괴 검사법(TSA) 개발을 위한 실험적 연구를 수행하는 곳이다. 1986년부터 현재까지 약 90명의 항공우주 연구인력이 배출되었다. “항공우주 산업은 선진국으로 가기 위해서 반드시 정복해야 할 산업분야”라는 김승조 교수의 말처럼 항공우주구조 연구실에서는 570여편의 논문(학회 및 저널)과 사이클로이드 블레이드를 이용한 수직 이착륙 비행체에 대한 특허 등 학술 및 산업 분야에서 활발한 연구를 수행하고 있다. 또 김승조 교수는 한국항공우주연구원 원장으로 취임하여 나로호 3차 발사를 준비 중이다.

- 전산구조 및 항공우주 시스템 연구

서울대학교 항공우주구조 연구실에서는 수치해석 기법, 구조해석 소프트웨어 개발, 신개념 수직 이착륙 비행체 개발 등 항공우주 분야에 관한 전반적인 연구를 수행하고 있으며 상세한 연구 내용은 다음과 같다.

1) 병렬컴퓨팅 슈퍼컴퓨터 연구
하나의 고성능, 대용량의 슈퍼컴퓨터를 이용하기보다는 분산병렬처리기법을 활용하여 여러 대의 컴퓨터들을 동시에 활용하여 문제를 해결하려는 시도는 이미 활발하게 진행되어 왔으며, 끊임없는 HPC 파워에 대한 욕구를 만족시켜 줄 수 있는 대안으로 세계 슈퍼컴퓨터의 순위를 보여주는 top500에서도 분산 병렬처리 기법을 사용한 컴퓨터가 높은 순위를 차지하고 있다. 분산 병렬컴퓨터 하나하나의 컴퓨터는 PC로 구성할 수도 있으며, 이는 저렴한 가격으로 고성능은 컴퓨터를 구축할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구실에는 과거 'SSC' 컴퓨터를 시작으로 국내 최초 1 Tflops의 성능을 가졌던 'PEGASUS' 역시 이 분산 병렬처리 기법으로 구축되었다. 이러한 연구를 바탕으로 마이크로소프트, 인텔, 삼성전자의 지원을 받으며 개발을 수행한 결과 2002년 11월 당시 세계 56위의 계산 시스템을 완성하였다. ‘PEGASUS’ 슈퍼컴퓨터는 항공우주비행체, 자동차, 선박 등의 설계뿐만 아니라 전자제품 시뮬레이션, 나노 시뮬레이션 등 다양한 분야에 활용이 가능하다.

PEGASUS 슈퍼컴퓨터

2) IPSAP 구조해석 소프트웨어 개발
IPSAP (Internet Parallel Structural Analysis Program) 은 고성능, 고가용성 구조해석능력을 갖춘 수십만 이내의 범용적인 문제뿐만 아니라 거대 문제도 해석 가능한 서울대학교 항공우주구조 연구실에서 개발한 구조해석 소프트웨어이다. IPSAP은 크게 IPSAP/Standard 와 IPSAP/Explicit 라는 두 가지 해석 모듈로 분류된다. IPSAP/Standard 는 선형 정적 구조해석, 동적 고유치 해석, 정적/시간 열 해석의 세 가지 해석 기능을 갖추고 있으며 IPSAP/Explicit 는 충돌해석, 금속성형, 관통자 등의 시간 의존적인 문제들을 외연적 방법으로 해석하는 능력을 갖추고 있다.

IPSAP 구조해석 소프트웨어

3) 신개념 수직 이착륙 비행 시스템 연구
항공우주구조 연구실에서는 2006년, 이론으로만 가능했던 ‘사이클로이드 블레이드 시스템’을 세계 최초로 시험비행까지 성공하였다. 사이클로콥터(Cyclocopter)는 새로운 개념의 수직이착륙(VTOL, Vertical Take-Off and Landing) 비행체로서, 사이클로이드 블레이드 시스템을 이용하여 추력을 얻는다. 다수의 블레이드로 이루어진 로터는 수평축을 중심으로 회전하며, 각각의 블레이드는 위상각에 따라 일정한 궤적을 갖는 피치운동을 하게 되고, 원하는 방향으로 추력을 얻을 수 있다. 또한 블레이드 피치각의 변화를 크게 하거나 작게 하여 추력의 크기를 제어할 수 있고, 피치각의 궤적을 달리하여 추력의 방향을 제어할 수 있다. 이에 따라, 신속하게 원하는 방향으로 추력의 크기와 방향을 바꿔줄 수 있다는 장점이 있다.
항공우주구조 연구팀에서는 2000년도 이후, 사이클로콥터에 대한 연구를 지속하고 있으며, 여러 가지 개념의 테스트 기체를 이용하여 해석, 설계 및 실험을 수행하고 있다. 사이클로콥터는 기존 장치에 비해 효율이 우수하고 소음이 적은 특징이 있다. 또한 추력 시스템으로서 사이클로콥터에 대한 연구 이외에도, 발전 시스템으로서 풍력 발전기 및 수력 발전기에 적용하는 연구를 수행하고 있으며, 효율적인 발전 장치로서의 가능성을 확인하였다.

사이클로콥터 수직 이착륙 비행체

- 항공산업의 발전

김승조 교수는 로켓이나 인공위성 등 우주 분야 투자 만으로는 항공우주산업이 지속적으로 발전하기가 어렵기 때문에 그 기반이 되는 항공산업의 견실한 발전이 필요하다고 강조한다. 현재 항공우주구조 연구실은 신개념 항공우주 비행시스템 개발 등의 항공우주분야 관련 연구뿐만 아니라 다양한 분야에서도 응용이 가능한 구조 해석 알고리즘, 프로그램 등의 연구를 동시에 수행하며 항공 및 산업분야 전반의 발전에 주력하고 있다.