Innovative Solution

수중 유도무기 개발의 핵심 인프라, 수중 HILS실

글. 해양2연구센터. Project 1팀 김문환 선임연구원
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국내 유일 수중 유도무기 개발업체인 LIG넥스원. 1998년 백상어 개발을 필두로 청상어, 홍상어 등에 이르기까지 지난 30년간 독보적인 기술력으로 업계를 선도하고 있다. 이러한 수중 유도무기 개발에 날개를 달아준 것이 바로 수중 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 시스템이다. 이번 호에서는 수중 HILS 시스템의 특징과 성과, 미래에 대해 알아본다.

수중 HILS 시스템의 태동

수중 유도무기는 크기와 제원이 제각각이지만 모두 수중 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 시스템을 통해 검증을 거쳐 개발되고 있다.수중 HILS 시스템은 수중유도무기 체계 개발의 핵심적인 기술이다.

LIG넥스원은 수중 유도무기 분야의 성공적인 개발을 위해 선제적인 투자를 아끼지 않았고 해양연구소 김태영 연구소장의 강력한 의지로 2012년 판교하우스에 수중 HILS실을 구축 완료 하였다.

수중 유도무기는 여타 유도무기체계와 달리 수중에서 운용되는 제한 때문에 발사 준비부터 회수까지 보다 복잡한 개발 요구사항을 지닌다. 특히 수중 발사시험 중 문제가 발생하여 침수되거나 분실할 경우 어떤 원인에 의해 문제가 발생했는지 분석이 불가능할 정도로 까다롭다. 따라서 한번의 발사시험에서 발생할 수 있는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어의 오작동을 점검하고, 정해진 시나리오 및 가능한 모든 비상 시나리오에 대한 체계 검증작업이 필요하다. 이를 위해 개발된 시스템이 바로 수중 HILS 시스템이다.

운용 통제장비를 운용하고 있는 유태석, 박세원 선임연구원

수중 HILS 시스템의 특징

수중 HILS 시스템의 핵심은 수중환경 및 운동상태 모의를 통한 가상 발사 및 운용을 가능하게 한다는 점이다. 수중 환경모의는 부체계 구성품들이 수중에서와 같은 동작을 할 수 있도록 외부에서 적절한 입력을 가하는 방식으로 구현된다. 예를 들어 중어뢰 소나 탐지기의 경우, 어뢰 소나가 수중에서 음파를 받는 것처럼 외부에서 음파를 발생하여 접촉 또는 신호를 통해 전달함으로써 소나 탐지기가 수중에서 가상 목표물에 대한 탐지를 수행할 수 있도록 한다. 운동상태는 수중 유도무기에서 항법장치를 실제 운동과 같이 움직여주는 방식으로 모의한다. FMS의 Rate Table 위에 항법장치를 장착하고, 수중 유도무기의 운동방정식을 실시간 처리장치를 통해 해석한다. 또한 이에 맞게 FMS의 Rate Table 각도를 제어함으로써 운동상태 모의가 진행된다. 수중 HILS 시스템의 전 과정은 모두 실시간으로 처리되며, 수중 유도무기의 제어 주기에 맞춰 동기화되기 때문에 유도무기는 수중과 같은 동작을 수행할 수 있다.

M&S 기반 수중 유도무기 개발 시너지 포인트, HILS

LIG넥스원 수중 유도무기 체계 개발은 M&S를 기반으로 개발된다. M&S를 통한 운용개념과 요구 사항을 분석하고 이를 통해 체계 설계를 수행하며 세부적인 상세설계를 진행하면서 M&S 산출물의 지속적인 설계 검증을 통해 요구 사항을 관리해 나간다. 이러한 M&S 기반 개발에서 가장 중요한 것은 모델의 신뢰성 확보이다. 수중 HILS 시스템은 실해역 시험에서 얻어지는 해상 시험 데이터를 이용하여 M&S 모델을 개선시키는데 중요한 역할을 수행한다. 이러한 개발 순환을 통해 M&S 모델 신뢰성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 이를 기반으로 변경된 요구 사항에 대한 정확한 예측을 수행할 수 있다. 실례로 자항식기만기 개발의 경우 지속적인 모델 개선을 통해 M&S 모델 시뮬레이션 결과, HILS 시험 결과, 실해역 시험결과가 거의 일치하는 결과를 얻어 회수 위치를 추정해 빠르게 선체 회수를 수행할 수 있었다.

자항식기만기 성공의 숨은 공신

2010년 수중 유도무기 분야 최초의 업체 주관 사업인 자항식기만기 개발 사업은 전혀 다른 발사 방식과 운동 특성을 가지는 수상함용 기만기와 잠수함용 기만기를 동시에 개발해야 하는 어려움을 가지고 있었다. 또한 기존 수중 유도무기와 비교할 때 크기, 발사 방식 등이 전혀 새로운 수중운동체 사업이었다. 물론 자항식기만기가 유도무기 범주에 속하지는 않지만 같은 수중운동체이기에 유도무기 개발과 동일한 방식으로 진행되었다.

신규 수중 유도무기 개발의 가장 힘든 부분은 첫 주행이다. 첫 주행에서는 초기 운동모델의 부정확성 및 각 부체계 성능의 통합적인 상태를 판단하기 힘들기 때문에 문제 예측과 예방이 쉽지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위해 자항식기만기 사업에서도 수중 HILS 시스템이 적용되었다. 당시 구미하우스의 FMS를 이용하여 HILS 시스템이 구축되었고, 이를 통해 발사 간에 발생하는 자세 제어 알고리즘, 항법 알고리즘 등 다양한 문제를 발견하고 조치할 수 있었다. HILS 수행 이후 실 발사시험과 이후 HILS 시험의 결과값을 종합적으로 취합해 자항식기만기에 대한 안정성을 높였고, HILS 시스템을 통해 사업비 절감과 기간 단축을 이뤄냈다. 결국 2013년 12월 체계개발을 성공적으로 마무리하고, 2014년 12월부터 초도 양산에 들어갔다.

수중 HILS 시스템의 진화, 자항기뢰

2011년 말부터 개발에 착수한 자항기뢰 체계개발 사업의 핵심은 항법 위치 정확도이다. 일반적인 수중 HILS 시스템은 FMS를 통해 자세 모의만을 수행하기 때문에 항법 위치를 모의하기 힘든 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 HILS의 운동 모델 모의방식에 항법 상태 모의기능을 추가하여 더 발전된 형태의 HILS 시스템 구축이 진행되었다. 또한 속도 보정에 필요한 다른 부체계의 성능 또한 다양한 환경에 맞게 모의할 수 있도록 개발되었다. 이를 통해 육상에서 다양한 수중 운행 시나리오에 따른 수중 위치 정확도를 산출할 수 있었으며, 항법 알고리즘 및 유도 제어 알고리즘을 최적화 할 수 있었다.

수중 유도무기 개발의 새로운 도전

LIG넥스원은 HILS 시스템의 실시간 처리장치부터 모든 부체계 모의기를 자체 개발하여 운용하고 있다. 이는 수중 유도무기 개발에서 HILS 시스템 활용을 따로 분리할 수 없기 때문이다. 모든 해상 발사시험 준비의 끝은 HILS 시스템을 통한 점검이 필수적이며, 수중 HILS 시스템에 대한 요구 사항은 해상 발사 시스템의 다양한 조건에 따라 수시로 변경된다. 따라서 내부 개발 역량을 확보해야만 적극적인 시험 대응과 개발을 진행할 수 있다. LIG넥스원 수중 HILS 시스템은 다양한 프로젝트 수행을 통해 높은 신뢰성을 획득했으며 향후 어떠한 수중 유도무기 개발도 충분히 수행할수 있는 내부 역량을 축적해왔다.

해양연구소를 필두로 한 LIG넥스원은 수중 HILS실 확보를 통해 수중 유도무기 개발에 있어 비용 절감, 기간 단축, 기술력 축적이란 선순환 구조를 만들고 있다. 향후 모든 수중 유도무기의 성능 향상을 통해 점진적인 개발을 이뤄나갈 것이며, 무인잠수정 사업 등의 신특수 분야와 해외 수출을 위한 기술 자립도 서서히 구축하고 있다. LIG넥스원은 수중 HILS실, 대형 수조시험장 등 핵심 인프라와 수준 높은 연구 인력, 축적된 기술력을 바탕으로 국내를 넘어 글로벌 경쟁력을 갖춘 1등 수중 유도무기 개발업체로 거듭날 것이다.

Mini- Interview

‘꿈의 토대’ 해양연구소 김태영 연구소장

수중 HILS실을 갖추는 게 꿈이었습니다. 수중 유도무기 분야에서 LIG넥스원이 독보적인 기술력을 갖출 수 있었던 토대가 바로 수중 HILS실 구축입니다. 현재 대형 수조시험장, LBTS 등 핵심 인프라는 이미 완성했고, 탁월한 연구인력들이 하루하루 새로운 역사를 써나가는 일만 남았습니다. 무엇보다 업체 주관 사업을 통해 M&S 기반의 기술력을 축적했다는 점이 가장 큰 성과라고 생각합니다. 꿈의 토대에서 더 나은 꿈을 꿀 수 있는 해양연구소가 될 수 있도록 최선을 다하겠습니다.

‘한없는 자부심’ 김문환 선임연구원

2009년 입사 당시 수중 HILS실이 없었던 때라 모든 개발 과정이 무척 힘들었습니다. 2012년 수중 HILS실이 판교하우스에 들어서면서 비로소 한 단계 도약할 수 있는 발판이 되었지요. 사업 초기 국방과학연구소 측의 오픈 마인드와 지원이 큰 힘이 됐습니다. 앞으로도 해양연구소 연구인력들의 탁월한 팀워크를 바탕으로 국내 1위는 물론 세계로 뻗어나가는 LIG넥스원이 될 수 있도록 연구에 매진하겠습니다.

‘자식 같은 마음’ 유태석 선임연구원

2012년에 입사해 수중 HILS실을 100% 활용하며 수중 유도무기 개발에 일조하고 있습니다. 실발사 시험과 HILS 후의 결과값을 토대로 끊임없는 성능 개량을 이뤄내고 있습니다. 저에게는 유도무기 하나하나가 자식 같은 마음입니다. 현재 자항기뢰 체계개발 사업의 핵심인 항법 위치 정확도를 최대로 높이며, 2017년 5월 사업이 마무리될 때까지 최선을 다하겠습니다.

‘모두의 성과’ 박세원 선임연구원

수중 HILS실 구축을 통한 수중 유도무기 개발은 비단 저희 해양연구소만의 몫은 아닙니다. M&S연구센터를 비롯한 각 부체계 담당 부서의 헌신적인 지원이 있었기에 가능했습니다. 수중 HILS 시스템은 하루하루가 업그레이드 되고 있다 이는 LIG넥스원의 밝은 미래라고 할 수 있습니다.