항공기용 토글스위치의 고장자료 기반 신뢰도분석 및 수명시험 방안 연구

서론

신뢰성 공학(Reliability Engineering)은 시스템이 규정된 환경 및 운용조건 하에서 요구되는 기능과 성능을 일정 기간 동안 수행할 수 있도록 보장하기 위한 체계적인 공학 활동이다 [1]. 이러한 신뢰성의 개념은 오늘날의 무기체계에도 동일하고 중대하게 적용되고 있으며, 군이 요구하는 작전운용성능과 임무 수행 능력을 확보하기 위한 핵심 요소로 인식되고 있다 [1], [4].

무기체계는 임무 수행을 위해 요구되는 기능과 성능을 안정적으로 발휘해야 하며, 이를 만족하기 위해 신뢰성 관련 법령과 규정이 제정⋅적용되고 있다. 특히 무기체계는 용도의 특성상 시스템 및 체계의 수명주기가 매우 길고, 총 수명주기 대비 실제 운용 시간이 대기 시간에 비해 상대적으로 짧다는 특수성을 가진다. 이러한 특성은 시스템 수명주기 비용의 상당 부분이 초기 설계 단계에서 결정된다는 점과 맞물려, 유지보수 비용 절감과 가용도 및 운용성 향상을 위해 일반 산업 제품보다 훨씬 높은 수준의 신뢰성이 요구됨을 의미한다 [2], [4].

더 나아가 기술의 발전에 따라 무기체계는 고도화⋅지능화되고 있으며, 다수의 복잡한 전자부품과 소프트웨어로 구성되는 추세에 있다. 이와 같은 환경에서 신뢰성 확보는 선택적 요구사항이 아닌 필수 조건으로 자리매김하고 있으며, 설계 단계에서부터 신뢰성 분석 및 시험을 통해 잠재적인 고장 요인을 사전에 식별하고 관리하는 신뢰성 공학의 중요성은 더욱 증대되고 있다 [1], [3], [4].

한편, 무기체계는 장기간 운용을 전제로 하는 특수성으로 인해 실제 운용 단계에서의 신뢰도 분석이 체계적으로 수행되지 않거나, 정량적인 신뢰성 평가 지표가 명확하게 정의되지 않은 경우가 빈번하게 발생한다. 또한, 해외에서 도입된 상용 전자부품이나 구성품 등이 무기체계에 적용되는 경우, 실제 야전의 운용환경을 반영한 신뢰도 자료나 수명 기준이 제공되지 않아 운용 간 고장판단 및 유지보수 의사결정에 어려움이 존재한다.

이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 무기체계의 신뢰성 향상을 목적으로, 시험적 관점에서 체계 구성품에 대한 신뢰성을 고찰하였다. 항공기에 적용되는 토글스위치를 대상으로 실제 항공 운용 시간을 기준으로 한 고장자료로 신뢰도 분석을 수행하고, 운용 단계에서의 합리적인 교체주기 설정을 지원하기 위한 정량적 판단 기준(가이드)을 제시하는데 활용하였다. 또한, 규격 시험 조건 하에서 신품 및 개선조치가 적용된 스위치들에 대한 수명시험을 수행해 개선설계가 고장 발생 특성 측면에서 어떠한 효과를 가지는지 시험적으로 확인하였다. 이와 같은 신뢰도 분석과 규격기반의 시험을 통해 본 연구에서는 실무적 관점에서의 신뢰성 평가 접근을 제시하였다.

연구결과

고장자료 기반 신뢰도분석

항공기 조종석 컨트롤 스틱에 장착되는 토글스위치의 신뢰도분석을 수행하기 위해 스위치 교체자료를 활용하였다. 토글스위치 교체자료는 고장 이전에 일괄교체, 저항불량 및 고정결함 고장으로 인한 교체, 28 V DC로 개조한 정보가 해당 기체의 비행시간 기준으로 작성되어 있다. 토글스위치가 해당 항공기에 최초 부착되는 시점을 시작시간, 즉 비행시간 0시간을 기준으로 관측중단 데이터와 실제 수명 데이터를 정리하였다. 고장 이전에 일괄교체된 스위치는 우측관측중단 데이터(Right censored data) C, 저항불량이나 고정결함 고장으로 인해 교체된 스위치는 F로 데이터를 변환하였다.

공군으로부터 협조받은 스위치 고장자료 예시는 그림 1과 같다. 교체한 일자, 교체한 시기, 교체 사유, 비행시간 기준 스위치 사용시간이 기록되어있다. 그림 1의 고장자료는 그림 2와 같이 임의관측중단 데이터(우측관측중단)로 변환하였다.

우측관측중단 데이터로 변환 시 스위치 고장 및 결함의 종류는 구분하지 않고, 고장과 결함으로 교체된 스위치는 같은 고장으로 가정하고 신뢰도분석을 수행하였다.

분포적합도 분석

분포적합도 분석은 통계분석 SW Minitab을 활용하여 수행하였다. 변환한 우측관측중단 데이터를 입력하여 토글스위치 고장자료를 어떠한 수명분포롤 보는 것이 가장 적합한지 적합도 측도값을 사용하여 분포적합도를 평가하였다. 사용된 적합도 측도값은 Anderson-Darling 값으로, 데이터가 특정 분포를 얼마나 잘 따르는지 측정하는 값이다. 분포가 데이터에 더 적합할수록 Anderson-Darling 값은 작아지는 특성을 보인다. 총 11개의 수명분포에 대해 스위치 고장자료의 분포적합도를 평가하였으며, 스위치 고장자료에 대한 Anderson-Darling 값은 다음 그림 3과 같이 산출되었다.

산출된 적합도 측도를 비교하면 4개의 수명분포(로그 정규 분포, 로그 로지스틱 분포, 3-모수 로그 정규 분포, 3-모수 로지스틱 분포)가 스위치 고장자료에 적합한 수명분포인 것으로 나타난다. 4개의 분포에 대한 고장자료 그래프는 다음 그림 4와 같다.

수명분포별 분포분석

분포적합도 분석으로 스위치 고장자료에 적합하다고 판단되는 수명분포 4가지를 선별하였고, 이들 분포에 대한 분포분석을 수행하였다. 각 분포별 백분위수 수명(Bp 수명)을 정리하여 백분위수 표를 구성하였고 이때 분석한 백분위수는 각 1, 5, 10, 50 % 이다. 백분위수 표는 특정 백분위수, Bp 수명(p : 1, 5, 10, ⋯ %) 등에 대해 신뢰구간을 제공하는 표이다. 각 분포의 하한부터 상한까지가 수명분포별 백분위수의 신뢰구간이되고, 이는 특정 신뢰수준에서 해당 신뢰구간이 참값(모수)를 포함할 것으로 해석할 수 있다. 그림 5는 95 % 정규 신뢰구간에서의 수명분포별 Bp 수명을 나타내었다.

이처럼 특정 신뢰구간 기준으로 작성된 백분위수 표는 스위치의 교체주기를 선정하는데 기반자료로 활용될 수 있다. 3-모수 로지스틱 분포의 B1 수명을 기준으로 봤을 때, 95 % 신뢰구간은 하한 약 17.8609 시간, 상한 약 44.4349 시간으로 산출되었다. 이는 전체 스위치 중 실제 누적 1 %가 고장나는 시점이 신뢰구간의 하한값과 상한값 시간 사이에 95 % 확률로 존재한다는 의미이다. 그림 6에 신뢰도분석 해설 예시를 도식화 하였으며, 이러한 해석은 스위치 고장을 예방하는 교체주기 설정에 기준예시로 활용할 수 있을 것이다.

수명시험 방안 설계

원 제작사에서 제공하는 항공기용 토글스위치의 목표수명 충족 여부를 확인하기 위한 수명시험 방안을 설계하였다. 시험 설계를 위해 해당 스위치에 요구되는 시험조건과 해당 요구조건을 충족할 수 있는 시험 시스템이 필요하였다.

수명시험 시험조건 설정

수명시험을 위한 시험조건은 미 군사규격을 통해 설정하였다. 미 군사규격에서는 스위치의 종류 및 사용환경, 형식 등에 따라 성능 및 수명에 대한 요구사양 및 시험 관련 항목들이 정리되어 있다. 참고한 규격은 다음 그림 7, 8에 나타내었다.

그림 6, 7의 규격을 통해 해당 스위치의 요구 작동 cycle, 작동 하중, 작동압력 전달각도, 유도부하 조건, 스위치 1회 작동 총 시간을 설정하였고, 다음 표 1과 같다.

수명시험 시스템 구성

미 군사규격에 따른 시험조건을 만족하기 위한 시험 시스템을 제작하여 구성하였다. 시험 시스템 구성을 위해 주요하게 고려한 사항은 크게 4가지이다. 주요 고려사항 4가지는 다음 표 2와 같다.

상기 주요 사항을 고려하여 설계한 시험 시스템의 컨셈 및 모식도는 다음 그림 9, 10과 같이 수행하였다.

시험 시스템의 주요 구성품목으로는 시험 시스템 본체부분, 모니터링 장비, 데이터 획득 장치 등으로 구성되어 있다. 최대 5개까지 스위치를 장착할 수 있는 치구를 모듈형식으로 제작하였고, 장기간 신뢰성시험 수행 시 발생할 수 있는 시스템 부품의 교체를 용이하도록 설계하였다. 유도부하는 스위치 장착부와 별개로 더미형태로 제작하여 발열이 누적되지 않도록 크기를 키웠고, 유도부하더미의 전방 및 후방에 급기팬, 배기팬을 별도로 설치하여 시험 간 더미 내부에 지속적인 공기유동이 발생하도록 설계하였다. 완성된 시험 시스템 형상은 다음 그림 11과 같다.

수명시험 모니터링 및 조건설정을 위한 SW는 별도로 제작하였으며, 목표 cycle 및 cycle 간 대기시간 등을 설정할 수 있으며 하중 및 통전상태를 점등을 통해 실시간으로 확인할 수 있도록 구성하였다. SW 화면은 그림 12와 같다.

수명시험 시료선정 및 기록

스위치 수명시험을 위한 시료는 종류별 5종을 선정하였다. 주요 골자는 아무런 개조가 진행되지 않은 신품 스위치와 내부에 구리스를 주입하거나 내부 볼트를 절연체 볼트로 교체한 개조 스위치의 목표 cycle 만족 여부를 확인하는 것이다. 시험에 사용한 시료의 형상은 다음 그림 13에 나타내었고, 세부 시료별 번호는 다음 표 3과 같다.

시험의 점검은 일일점검 및 주기 세부점검으로 수행하였다. 일일점검 시 채널 및 작동상태를 확인하였고, 주기 세부점검 시 실리콘 패드의 상태 및 스위치 작동 시 입력하중과 유도부하의 상태를 확인하였다. 일일점검과 주기 세부점검의 기록은 다음 그림 14의 기록지에 기록하여 관리하였다.

수명시험 결과

각 5종의 스위치 시료에 대해 수명시험을 수행한 결과 아무 개조가 수행되지 않은 신품 스위치는 1-1, 1-2번 모두 목표했던 250,000 cycle을 만족하지 못한 것으로 나타났다. 미사용 신품 스위치 2개 모두 통전이 지속되는 접점불량 의심 고장이 발생하였고, 시점은 신품 1번과 2번 각각 159,299 cycle, 233,399 cycle이다. 미사용 신품 모두 접점불량이 발생한 반면, 스위치의 하단부에 구리스를 주입하거나 절연체볼트를 적용한 스위치들은 모두 고장없이 250,000 cycle 이상을 만족하였다. 수명시험에 사용된 스위치 종류별 수량이 통계적 타당성을 입증하기에는 부족하지만, 개조된 스위치에 대한 가능성 및 효과성을 확인할 수 있다. 본 연구를 토대로 상기 수명시험 방안에 따라 종류별 시료의 수량을 늘려 데이터를 축적한다면 개선된 스위치에 대한 신뢰도분석이 가능해질 것으로 예상한다.

결론

본 연구에서는 고장자료에 기반한 신뢰도분석과 신품 및 개조 스위치에 대한 수명시험을 수행하였다. 신뢰도분석 시 비행시간 기준으로 작성된 고장자료는 임의관측중단데이터 (우측관측중단)로 변환하여 분석을 수행하였고, 이 때 고장과 결함은 구분하지 않았다. 변환된 데이터는 적합도 측도값(Anderson-Darling 값)을 사용하여 어떠한 수명분포가 해당 스위치의 수명분포에 적합한지 분포적합도를 평가하였고, 분석 결과 4가지(로그 정규 분포, 로그 로지스틱 분포, 3-모수 로그 정규 분포, 3-모수 로지스틱 분포) 수명분포가 스위치의 수명분포에 가장 적합한 것으로 나타났다. 적합도가 높은 4가지 분포에 대해 분포분석을 수행하였고, 특정 백분위수, Bp 수명(p : 1, 5, 10, 50 %) 표를 구성하여 스위치의 교체주기를 선정하는데 기반자료로 활용할 수 있도록 제안하였다. 신뢰도분석 이후 별도의 수명시험 시스템을 구성하여 원 제작사에서 제공하는 항공기용 토글스위치의 목표수명 충족 여부를 확인하고자 하였다. 확보할 수 있는 스위치 시료의 개수가 제한되어 있기 때문에 특정 종류의 시료에 대한 수명평가를 위하는 것보다 개조되지 않은 신품 스위치 대비 하단부 구리스 주입 또는 절연체볼트 적용 등 개선(안)이 적용된 스위치의 효과성을 확인하고자 하는 목적으로 시험이 수행되었다. 수명시험 결과 개선(안)이 적용된 스위치가 더욱 많은 cycle을 작동하는 것으로 확인하였다. 스위치 시료 수량이 부족하기 때문에 해당 결과에 대해 통계적 타당성을 입증하기에는 부족하지만 개선(안)의 효과성 및 가능성을 확인할 수 있었다. 제안된 수명시험 방안을 스위치 시료의 수량을 확장시켜 적용한다면, 개선(안)에 대한 신뢰도분석 및 적정 교체주기 선정이 가능해져 해당 스위치가 장착되는 체계의 운용성을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.