최종조립에 돌입하는 항공기의 주요 부품들의 중량은 대단히 무겁다. 주로 기수와 중앙동체, 그리고 후방동체가 최종 결합하여 온전한 항공기 형상을 이루는데, 이들을 결합하는 것은 사람이 아닌 제로에 가까운 정밀도로 제어하는 FASS가 맡는다. FASS는 최근 공개된 KF-X 시제 1호기 제작현장에서 존재감을 드러낸 바 있다. KAI가 그리는 항공기술의 현재와 미래를 다루는 <KAI 업그레이드> 연재 그 마지막 회는 우리 손으로 개발한 동체자동결합시스템 FASS다.

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위용 드러낸 KF-X

지난 9월 KAI는 KF-X 시제 1호기 최종 조립 현장을 언론에 공개했다. 노란색 프라이머가 입혀진 KF-X의 기수와 주익이 결합된 중앙동체, 그리고 후방동체가 결합되는 모습이었다. 그간 철저히 베일에 가려졌던 KF-X의 실물이 일반에 공개되면서 그간의 우려를 말끔히 씻어 냈다. KF-X는 체계개발에만 약 8조 원이 투입된 건군 이래 최대 무기체계 개발사업으로 평가된다. 그러나 코로나19 팬데믹이 확산되고 능동주사배열(AESA) 레이더 기술 이전 이슈가 생기면서 KF-X가 일정에 맞춰 개발될 수 있을까에 대한 우려도 있었다. 하지만 최종 조립 중인 KF-X 시제 1호기의 공개를 통해 그러한 우려들이 기우에 불과했다는 것을 보여주었다. KF-X의 개발에 장애물로 알려졌던 이슈들은 국내 기술 확보와 자체 개발역량 강화를 통해 극복해 나가고 있다. 지난 2015년 12월 말 본격적인 체계개발에 들어간 지 4년 8개월만에 실체를 드러낸 KF-X 시제기는 총 6대가 2022년까지 제작될 예정이며, 다양한 시험과정을 거쳐 2026년 개발 완료를 목표로 하고 있다.

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T-50과 수리온에 이은 3세대 FASS

KF-X 시제 1호기 최종 조립 현장에서 눈에 띈 것은 자동화장비에 실려 결합되던 KF-X의 주요 구성품들이었다. KF-X의 제작 및 생산을 위해 KAI는 800여 명의 신규 인력과 각종 구조 및 계통, 복합재를 시험할 수 있는 테스트 인프라, 그리고 KT-1, T-50 등을 생산하면서 축적한 노하우가 반영된 첨단 생산 시설 확충에 힘써 왔다. KF-X의 주요 구성품을 싣고 있던 자동화조립장비 FASS(Fuselage Automated Splice System)도 그 중 하나다. FASS는 이름 그대로 기수와 중앙동체, 후방동체 등 크게 세 부분으로 나뉘어진 주요 기체 구조물을 휘어짐이 없이 설계도대로 맞춰 주는 자동 정렬 시스템이다. KF-X 생산 인프라의 하나로 개발된 FASS는 2019년부터 설계 및 제작에 들어가 이번에 공개된 KF-X 시제 1호기 조립에 투입되기 전까지 시운전 및 사용자 교육을 실시해 왔다. FASS는 KAI가 T-50에 처음 도입한 것을 시작으로 수리온 생산에도 적용된 바 있다. 이번 KF-X 조립에 투입된 FASS는 지금까지의 노하우를 바탕으로 더욱 발전시킨 모델이다.

정밀오차 1/1000 인치(0.025mm)의 결합 공정

FASS의 가장 큰 특징은 역시나 정밀도다. 항공기의 조립 공정 자체는 예나 지금이나 달라진 것이 거의 없다. 기수와 중앙동체, 그리고 후방동체를 이동장비에 실어 결합하는 형태다. 과거에는 이들 구조물을 유압장치에 실어 조립했다. 그러나 항공기에서 가장 무거운 동체 구조물을 유압장치 위에 올려 서로를 조립하는 과정은 결코 쉽지 않았다. 설사 결합에 성공한다 하더라도 한 치의 오차없이 정렬된 상태로 조립되었는지 여부를 판단하기 어려웠다.

FASS는 이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 조립자동화시스템이다. 세 덩어리의 구조물을 휘어짐 없이 맞추기 위해 먼저 리플렉트 좌표, 즉 가상의 3차원 공간에 좌표를 설정한다. 그 뒤 레이저 트랙커라는 장비를 이용해 전방, 중앙, 후방의 포인트에 동체가 정확히 결합되었는지를 컴퓨터가 확인한다. 컴퓨터가 수행하는 작업인 만큼 오차율은 1/1000 인치(0.025mm) 이하다. 사실상 오차 없는 조립을 가능케 하는 것이 바로 FASS다.

오차율을 줄이는 것이 중요한 이유는 항공기의 비행 특성 때문이다. 항공기는 수십톤이 나가는 무거운 물체다. 그토록 무거운 중량과 대단히 큰 추력으로 비행하는 항공기지만 비행환경과 다양한 공기역학적 요인에 큰 영향을 받는다. 여객기를 타고 여행을 하다가 난기류를 만나면 기체가 크게 흔들리는 경험을 한 번 쯤 해 보았을 것이다. 그만큼 항공기의 무게와 추력과 관계없이 사소한 요인으로도 그토록 커다란 항공기의 비행 특성에 영향을 미치게 된다. 게다가 항공기는 비행 시 각종 커다란 응력과 스트레스, 압력 등에 노출된다. 따라서 오차율을 줄임으로써 항공기의 조립정밀도가 비행 특성에 관여하는 변수를 최대한 줄이고, 항공기에 가해지는 다양한 힘으로부터 항공기를 지킬 수 있다.

FASS의 특징과 조립 공정

KF-X의 경우 동체 결합 시 381개의 부품과 약 9,500개의 하드웨어를 이용해 체결된다. 매우 다양하고 많은 부품이 관여하는 작업인 만큼 조립에는 대단히 큰 심혈을 기울여야 한다. 혹여나 가공이 잘못되면 구조적으로 문제가 없는지 여부를 검토하고, 정부의 승인을 얻어 수리하여야 하며, 상당 기간 작업이 중단되기 때문이다.

조립정밀도에 있어서만큼은 ‘제로’에 가까운 오차율을 보이는 FASS는 비단 구조물의 결합단계뿐만 아니라 구조물을 FASS에 싣는 단계부터 오차율을 줄이기 위한 매뉴얼에 의해 운용된다. 일반적으로 항공기의 구조물은 크레인으로 옮기게 되는데, FASS에 실리는 항공기 구조물은 AGV(Automated Guided Vehicle, 무인운반차)에 의해 FASS에 얹어진다. 이를 통해 동체 구조물이 완벽히 정렬된 위치로 FASS에 올라가게 되면서 오차율이 거의 없는 결합을 보장하게 된다. 이는 구조물 이동의 안전성 확보 효과뿐만 아니라 자동물류 구현을 통한 공수 절감과 품질 확보라는 두 마리 토끼를 한꺼번에 잡을 수 있게 만들어 준다. 물론 이러한 기대효과는 거저 얻어지는 것이 아니다. 정밀하고 오차없는 조립공정에 관여하는 FASS인 만큼 생산인력은 FASS 운용에 투입되기 전 장기간의 교육훈련과 테스트를 거친다.

일단 FASS를 통해 전후방동체와 중앙동체 결합이 끝나면 이들에 대한 체결 공정이 이어진다. 참고로 수직미익 장착공정은 수직미익 체결 부위와 홀 간의 거리 및 위치를 결정하는 공정으로써, 고도의 집중과 기술이 요구되는 공정이다. 이와 함께 시스템 장착을 위한 브라켓류 및 운영 중 정비를 위한 커버류 등의 작업들도 FASS 공정에서 수행된다.

FASS에서 이러한 동체 체결 공정 등이 끝나고 나면 항공기는 온전히 항공기의 형태를 갖추게 된다. 이렇게 온전히 윤곽을 드러낸 항공기는 AGV에 의해 별도의 스테이션으로 옮겨져 주익의 리딩 엣지 플랩과 배면의 베이 스킨 조립, 전방동체와 중앙동체의 체결 부위에 존재하는 연료탱크에 대한 누설 시험 등 최종 공정을 거치게 된다.

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걸어 왔던 길과 앞으로 걸어갈 길

​FASS 자체는 기존에 없던 혁신적 장비는 아니다. 중요한 것은 T-50과 KUH에 FASS를 적용했던 노하우 덕분에 KF-X를 결합하는 FASS의 정밀오차는 거의 제로에 수렴하게끔 만들 수 있었다는 점이다. 연구개발에 아주 많은 비용이 소요되는 항공산업기술의 특성상 하루아침에 세상에 없던 첨단기술이 등장하는 것은 불가능에 가깝기 때문이다.

이번 호에서 FASS를 소개하며 중심에 섰던 KF-X 역시 마찬가지다. KF-X 계획의 태동이 2000년 11월 3일 KT-1 훈련기 출하식에서 김대중 전 대통령이 “늦어도 2015년까지 최신예 국산 전투기를 개발할 것”이라고 선언한 것으로부터 출발했음을 감안할 때 참으로 오랜 세월 우여곡절을 피하지 못했다. 그러나 그 가운데에서도 KAI 주도로 약 200개의 국내 업체들과 10여 개의 정부출연 연구소와 대학교가 참여하며 남몰래 구슬땀을 흘려 왔다. 그렇게 외풍에도 흔들리지 않고 개발에 매진한 결과 오늘날 시제기 완성을 목전에 두게 됐다.

지난 호에서 소개한 조립자동화장비를 비롯해 FASS와 AGV와 같은 최첨단 생산장비에 의해 수행되는 부품 조립부터 시제기 완성에 이르는 공정을 하나씩 뜯어보다 보면 KF-X가 왜 그토록 오랜 세월이 필요했는지 이해할 수 있다. 또한, 항공기를 단순히 완성해 내는 것 자체가 중요한 것이 아니라, 우리 손으로 직접 개발한 FASS와 같은 첨단 생산장비로 항공기를 완성해 내는 것이 진정한 국산 항공기 개발의 의미있는 발걸음일 것이다.

MINI INTERVIEW

오차 제로의, 전투기 조립 기술에 도전한다

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Q. 현재 하고 계시는 업무에 대해서 소개 부탁 드립니다.

A. 저는 현재 고정익조립기술팀에서 KF-X의 FASS를 담당하고 있습니다. 현재 시제 1호기는 외관 조립이 완성되었고 시제 2호기의 조립에 착수 중입니다.

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출처 : 해외 네티즌 반응 - 가생이닷컴https://www.gasengi.com