육군 항공 CBM+ 적용방안 연구

국문 초록 (Abstract)

1. 논문 작성 배경

항공 정비관리 체계는 유지비용은 줄이면서 안전성과 신뢰성, 경제성을 높이기 위해 예방정비에서 상태 기반 정비(CBM: Condition Based Maintenance)로 변화하고 있는 추세이다. 예방정비는 일정 주기(시간, 기간, 사이클)마다 항공기 검사, 부품 교환, 분해검사를 수행하여 결함을 예방할 수 있으나 잦은 정비로 인해 항공기 가동률과 부품을 교환하기 위한 인력, 시간, 수리부속 교환 비용이 초래된다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 CBM은 내장된 각종 센서를 이용하여 장비 상태를 실시간으로 모니터하고 장비 작동 이력과 정비 운용 자료를 수집 분석하여 최적의 정비 소요를 도출하고 필요한 정비만 수행한다.
한국 육군항공의 정비관리 체계는 예방정비를 수행하고 있으며 시간교환품목 제작사가 정해진 교환시간 기준으로 구성품이 교환한다. 하지만 미 육군 항공의 정비관리 체계는 CBM+를 수행하여 예방정비처럼 주기적으로 정비수행이 아닌 항공기 상태를 확인하고 필요에 의한 정비를 수행하기 때문에 인시가 절감이 된다. 이러한 인시절감은 항공기 가동률도 향상되었다. 또한 미 육군 항공은 HUMS를 운용하여 항공기 상태를 모니터링 하고, 데이터를 수집 및 저장을 통해 구성품의 추세를 분석하여 향후 구성품의 수명이 예측가능하기 때문에 시간교환품목의 교환시간이 재 조정되어 더 연장되기 때문에 수리부속 교체비용이 절감이 된다. 이러한 CBM+ 정비관리 체계의 장기 운용 항공기를 계획된 수명보다 연장하여 운영하기 위해서는 신뢰성과 안전성을 보장하기 위한 HUMS와 CBM+ 정비관리 체계를 도입할 필요성이 있다.
이 논문에서는 CBM+의 이론적인 연구와 CBM+를 활용한 항공기 사례 분석을 통하여 육군 항공의 경제성, 신뢰성, 안전성의 발전을 위한 CBM+ 정비관리 체계의 도입이 필요하다고 생각되었고, 이러한 CBM+의 육군항공 적용을 위해서 CBM+ 제도마련과 단계별 추진방안, CBM+의 분석과 데이터 관리구축, HUMS Data 적용방안에 대해 연구하였다.

2. 논문에 포함된 주요 내용 : 제2, 3장의 주요 내용

1) 정비관리 체계의 변화
정비관리 체계는 신뢰성 개념이 도입되기 전과 후로 나뉘는데 신뢰성 개념이 없던 산업초기에는 결함이 발생하면 정비하는 사후정비로 시스템의 결함 발생 후 수리를 통해 복구하는 방법이다. 이 방법은 장비 결함으로 인한 인명손실위험과 정비비용, 그리고 시간이 많이 소요되어 가동률 저하가 발생할 수 있다.
1990년대 이후 신뢰성 분석에 기반을 둔 신뢰성 설계 개념을 바탕으로 예방정비(Preventive Maintenance) 개념으로 발전하였다. 예방정비는 사전에 결함을 발견 조치하여 안정성 향상에 도움이 되지만 주기적인 정비와 시한성 교환품목을 결함 유무와 상관없이 정비 및 교환하여 높은 정비 비용과 주기적인 정비로 인한 가동률 저하라는 문제점이 발생한다.
이러한 사후정비 및 예방정비의 단점을 보완하기 위해 2000년대 이후 중요 구성품에 센서를 부착하고 감지된 신호를 분석하여 장비 상태를 판단하여 정비 업무를 수행하는 예측정비(Predictive Maintenance)를 도입하고 있다. 예측정비의 CBM+는 축적된 감지신호를 바탕으로 장비의 운용 추세를 판단하고 장비의 결함 징후를 예측하여 필요에 의해 정비를 하기 때문에 결함시간 및 정비비용 감소, 신뢰도가 향상된다. 또한 사고발생시 구동장치와 비행장치의 데이터가 기록되어 정확한 사고분석이 가능하다.

2) CBM+
CBM+란 장비의 상태를 감지하여 향후 특정 기간 동안 장비의 결함발생 여부를 평가하고 결함을 피하기 위해 적절한 조치를 취하는 정비관리 제도이다. CBM+는 센서를 사용하여 장비상태 측정에서 얻은 데이터의 실시간 평가에 사용한다. CBM+의 목적은 안전성, 신뢰성, 가용성 및 수명 주기 비용 절감을 보장하면서 필요성에 대한 증거에 따라 유지 보수를 수행하는 것이다.
CBM+의 이점을 얻으려면 통합된 CBM+ 인프라를 구축해야 한다. 8가지 인프라 영역은 센서, 상태감시, 통신, 데이터관리, 분석, 건전성평가, 의사결정 지원, 운영 인터페이스이다. 우선 항공기에 탑재하는 인프라는 센서와 상태감시이다. 센서는 항공기에서 발생하는 물리량(진동, 온도, 압력, 속도 등)을 감지하는 하드웨어와 소프트웨어이다. 상태감시는 센서에서 수집된 정보를 바탕으로 장비 상태를 표시한다. 다음은 항공기에 탑재되지 않는 외부시스템으로 통신은 상태데이터, 로그북, 기술도서 등의 정보를 전송하는 통신체계이다. 데이터 관리는 데이터 획득, 변환, 저장, 활용하는 과정이다. 분석은 장비의 현재와 이전의 상태 정보를 비교 및 판단하여 잔여수명 예측에 적절한 유지 보수 조치를 결정하는데 지원한다. 건전성 평가는 상태 감시에서 얻은 정보를 이용하여 장비운용 상태에 대한 평가를 운영자에게 제공한다. 의사결정지원은 결함탐구, 정비지침, 통합지원 및 적절한 대처를 지원한다. 운영자 인터페이스는 운영자에게 장비의 유지 보수 또는 운용에 관한 실행 정보를 제공하여 관리 또는 기술 결정을 제안하거나 지원하며 운영자가 의사결정 지원 아키텍처 내의 모든 데이터에 접근할 수 있는 도구이다.
CBM+에서 물자 상태에 대한 통찰력을 창출하고 무기 체계 유지 목표를 달성하기 위한 적절한 조치를 취하기 위해서는 CBM+의 6가지 기능적 활동이 필요하다. 이 기능은 데이터 수집  데이터 전송  데이터 저장  데이터 분석  변화 구현  추적 및 개선으로 6가지 기능이 순환된다. 데이터 수집은 과거에 입력된 것과 수동으로 입력된 것 또는 자체 프로그램에서 전송된 것을 수집한다. 그런 다음 데이터를 스토리지로 전송하여 검색 및 분석하고 유지 보수의 필요성과 유지 보수 계획 조정, 예측 알고리즘 수정, 신뢰성 및 유지 보수성 개선, 기타 가능한 개선 조치를 결정한다. 그런 다음 분석 결과에 따라 프로그램을 변경하고 기능을 추적 및 개선한다. 이러한 기능은 연속적인 주기로 수행되며, 효과적으로 구현되면 장비 가용성과 신뢰성이 지속적으로 개선된다.

3) 항공기 상태 및 사용 모니터링 시스템(HUMS)
CBM+를 운용하기 위해서는 HUMS의 데이터 수집으로부터 시작된다. HUMS는 항공기의 엔진, 동력, 전기, 유압, 공압, 조종 및 다용도 계통의 상태 진단과 모니터링을 하여 추세를 판단하거나 결함을 진단한다. 그리고 조종사 및 정비사에게 항공기 상태에 대한 데이터를 제공 하여 항공기 상태의 신뢰성과 안정성 향상, 정비효율 증대 및 비용감소, 정확한 사고분석을 수행하는데 활용한다.
HUMS 구성은 공중 시스템과 지상 시스템으로 구성되어 있다. 두 시스템 간에는 효율적인 데이터 및 정보교환을 가능하게 한다.
공중 시스템은 항공기에 탑재되어 센서, 케이블, 기내 획득 시스템 등이 포함되며 데이터를 자동으로 수집, 처리 및 지속적으로 저장한다. 비행 중에는 메인 로터, 엔진, 구동계통, 기어박스의 진동을 모니터링 한다.
지상기반 스테이션(GBS : Ground Base Station)은 항공기에서 수집된 데이터를 저장하고, 저장된 데이터를 수신, 표시하는 유지 보수 및 관리 시스템으로 구성되어 있다. 또한 엔진, 드라이브 샤프트와 같은 헬리콥터의 구성품, 기어박스, 베어링, 발전기 등 헬리콥터의 주요 부품을 진단하고 예측한다.

4) CBM+ 적용사례
미국의 육군, 해군, 공군의 전투물자는 세계 각국에서 운용하고 있으며 총 수명주기 비용에서 운영 및 유지관리 비용이 65∼80%를 차지하여 효율성과 비용측면에서 개선이 필요하게 된다. 이에 따라 더 효과적인 방식으로 무기 체계를 운용하기 위해 국방부는 2002년 유지 보수 민첩성과 대응력을 개선하고 작전 가용성을 높이며 수명주기 총 소유 비용을 절감하기 위한 전략으로 첫 번째 CBM+ 정책 각서를 발행하였다. 이후 2007년 12월 미 국방부는 군부와 국방 기관이 모든 신형 무기 시스템에 대한 유지관리 프로세스 선택에 CBM+를 포함하고 기술적으로 가능하고 유익한 경우 현재 무기 시스템에 CBM+를 구현하도록 요구하는 미 국방부 지침과 가이드북을 발행하였다. 19년간 미 국방부와 군 수준 지침 및 정책 개발을 거친 후, 각 군은 다른 수준의 CBM+를 구현하였다.
미 육군 항공에서는 CBM 운용을 위해 데이터 수집, 수집된 데이터 전송, 데이터 보관, 데이터 분석, 조치 및 결정의 5가지로 구분한다.
첫째는 수집으로서 항공기 HUMS 센서에서 수집된 상태 정보 데이터와 물류 데이터, 항공기 및 수리부속품 이력에 관한 기록의 데이터를 수집한다.
둘째는 전송으로서 수집된 데이터를 저장하는 데이터보관소로 유선, 무선, 위성으로 전송한다. 전송이 CBM에서 중요한 점은 항공기 상태정보 및 이력에 관한 데이터를 지체없이 전송이 되어야 분석을 위한 서버에서 데이터를 수집하여 분석 및 예측이 가능하기 때문이다. 미국도 초기에는 메모리 카드나, CD를 통해 데이터를 전송하였으나 전송에 오류와 시간적 지체가 발생하여 지금은 위성이나, 무선을 활용하여 항공기 상태 데이터를 실시간으로 전송한다.
셋째는 데이터 보관으로서 CBM 데이터를 이용하는 각 주체는 데이터 활용을 위해 전송받은 데이터를 저장한다.
넷째는 데이터 분석으로서 수집, 전송 및 저장된 데이터를 현장의 유지관리자를 위한 실행 가능한 지식으로 전환한다.
다섯째는 조치 및 결정으로서 분석된 지표를 바탕으로 유지 보수에 대한 기법 및 절차를 결정하거나 검사 방법 수정, 부품에 대한 수명주기 재설계, 항공기 감항성 전파, 수리부속 공급 최적화를 결정한다.
미 육군 항공은 2005년 10월 ∼ 2006년 9월 기간동안 CBM 정비제도 효율성을 평가하였다. 평가방법으로는 이라크에서 작전하는 2개 대대를 선정하여 4-101 항공부대는 HUMS를 장착하여 상태기반정비를 수행하였고, 5-101 항공부대는 예방정비를 수행하였다. 결과적으로 상호평가결과 4-101부대는 정비횟수 감소로 5-101부대에 비해 비행시간이 증가, 부대 작전 준비율 증가, 정비로 인한 항공기 불가동 시간 감소, 시간교환품목 교체시간 확대로 인한 부품교환 비용감소의 긍정적인 효과를 확인하였다.
미 공군은 F-35 항공기에 개발 단계에서부터 PHM(Prognostic Health Management)으로 불리는 상태진단 및 건전성 프로그램이 적용되었다. PHM은 다양한 센서가 내장된 스마트 항공기로부터 비행 정보나 항공기 운영 상태 등을 실시간으로 모니터하는 단계, 비행 중 실시간 모니터링을 통해 식별된 위험 요인에 대한 경고 또는 추가 분석이나 수명 평가를 위한 데이터 전송, 그리고 수집된 데이터 분석 및 관리와 이에 근거한 정비 계획 수립과 군수지원 등의 3단계로 구성되어 있다. 비행 중 발생한 결함은 항공기에 내장된 센서를 통해 감지되어 실시간으로 분석되면서 항공기가 기지에 귀환하기 이전에 데이터 링크를 통해 군수지원 시스템에 전송된다. 지상에서는 항공기로부터 전송된 자료에 근거하여 결함을 수정하기 위한 사전 정비 작업과 필요한 소요 자재의 신청과 불출이 자동으로 이루어지는 개념이다.

3. 결과 : 제4장의 주요내용

국제적으로는 항공기의 안전성 향상과 비용절감, 효율성을 위해 CBM+를 운용하고 있는 추세이고 우리 국방부도 국방혁신 4.0에 맞춰 AI기반 군수혁신을 목표로 CBM 활용하기 위해 제도를 개선하고 있다. 이에 육군 항공도 미 육군 항공처럼 HUMS와 CBM+을 활용한 정비관리 변화를 위해 제도마련, 단계별 추진방안, CBM+ 분석과 데이터 관리 구축, 데이터 전송방법 개선이 필요하다.

1) CBM+ 제도마련
한국 국방부에서는 CBM+ 제도와 관련하여 국방전력 발전업무 훈령과, 총 수명 주기 관리업무 훈령이 있지만 몇 개 조항만 있을 뿐 CBM+에 관련하여 국방부, 육군, 육군 항공에는 기준이 마련되어 있지 않다. 따라서 CBM+ 적용을 위해서는 조직, 제도, 인력, 연구, 기술 및 도구, 데이터 분야에서 기준이 필요하다.

2) 단계별 추진방안
육군 항공장비의 CBM+ 실행을 위해서는 1단계 CBM+ 계획과 기술선택, 2단계 CBM+ 구현, 3단계 CBM+운용으로 단계적으로 시행해야 한다. 1단계∼3단계는 전체 시스템 수명주기 동안 지속적인 프로세서 개선을 통하여 효율적인 CBM+ 제도를 달성하는 것이 구현계획의 목표이다.


3) CBM+ 분석과 데이터 관리 구축
CBM+ 정비제도 위해 육군 항공에서는 분석과 데이터 관리 구축이 필요하다. 첫째는 데이터 수집단계에서는 운용부대에서 DELIIS로 수집된 항공기 이력, 정비 인시와 정비 수행자료, 항공기 결함, 수리부속 교환 등에 관한 자료와 HUMS의 항공기 상태데이터 자료를 분석하는 기관인 Data Warehouse로 전송한다. 둘째는 분석단계에서는 Data Warehouse에서 수집된 자료를 바탕으로 항공기 이력, 정비, 수리부속, 주요결함사항이 항공기 가동률에 미치는 영향과 감항성을 판단하고 자주 소모되거나 교체되는 주요 수리부속을 분석한다. 또한 시간교환품목 상태정보를 분석하여 교환주기 재조정을 통한 비용절감을 분석한다. 셋째는 행동 및 결정에서는 분석된 데이터를 기반으로 예측정비를 수행하고, 항공기 상태 및 결함분석으로 감항성에 관련한 사항을 전파하며 수리부속 물자공급에 최적화해야 한다.

4) HUMS Data 전송방법 개선
HUMS는 CBM+ 인프라 영역에서 센싱 역할을 하는 중요한 구성 요소이다. 국내 KUH-1, AH-64 HUMS 업데이트는 메모리 카드식으로 운용하다 메모리 용량 및 백업에 대한 문제가 있다. 이러한 대안으로 VHF 무선 및 위성통신을 사용하여 실시간으로 HUMS 자료 전송해야 한다.

4. 학술에 미친 영향

미국에서는 CBM+ 정비관리 체계를 도입하여 필요할 때 정비하는 시스템으로 변하고 있으며 이는 예방정비 대비 비행시간 증가, 작전 준비율 증가, 시간교환품목(TBO) 시간설정 확대로 부품 교체비용 절감, 비행 중 HUMS 임계값 상승 시 실시간 경고하여 사고예방에 기여한 긍정적인 효과 사례를 확인하였다. 따라서 CBM+는 항공기의 안전성, 신뢰성, 경제성에 부합하며 향후 우리육군 항공도 CBM+ 정비 제도로 운용해야 하는 시사점을 제공한다.
현재 육군 항공은 미군과 동일한 모델을 운용하면서도 정비관리 체계의 차이점으로 인해 시간 교환 품목의 교체 시간이 상이하다. 예를 들어 UH-60의 오일 쿨러 베어링 교체 시간이 한국모델은 2,000시간인 반면 미군은 3,240시간이다. 따라서 교체주기가 미군 대비 짧기 때문에 잦은 교체로 유지 비용이 더 많이 든다.
이 논문는 육군항공의 정비관리 체계 개선을 위해 CBM+에 대한 이론적 개념과 적용 사례를 통해 CBM+ 정비관리 체계의 적용 방안을 제시하였다. 이 논문이 육군 항공에 적용이 된다면 정비관리 체계의 변화로 인한 경제성, 안전성, 신뢰성 향상을 기대하리라 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The aviation maintenance management system is changing from preventive maintenance to condition-based maintenance [CBM] to reduce maintenance costs while increasing safety, reliability, and economy. Preventive maintenance can prevent defects by performing aircraft inspections, parts replacement, and disassembly inspections at regular intervals (time, period, cycle), but frequent maintenance reduces the aircraft operating rate and incurs more maintenance personnel, maintenance time, and repair part replacement costs compared to the CBM+ maintenance management system. To supplement these problems, CBM monitors the equipment status in real time using various built-in sensors, collects and analyzes equipment operation history and maintenance operation data to derive optimal maintenance requirements, predicts the lifespan of parts, and performs maintenance only when necessary. This CBM+ maintenance management system contributes to improving the aircraft operating rate by reducing the number of maintenance times compared to preventive maintenance, and improves the reliability of the aircraft status in real time through HUMS operation. In addition, it contributes to the economy of cost reduction by expanding the repair part replacement cycle by securing safety through collecting and analyzing HUMS data of time-exchange items that were exchanged periodically.
The U.S. Department of Defense has recognized that operation and maintenance costs account for 65-80% of the total life cycle cost of combat materials, and thus improvements in efficiency and cost are needed. To this end, in 2002, the first CBM+ policy memorandum was issued as a strategy to improve maintenance agility and responsiveness, increase operational availability, and reduce the total life cycle ownership cost. To date, each military branch has operated CBM+, which has improved economy, safety, and reliability. In particular, the U.S. Army Aviation demonstrated the effects of increased flight hours, increased unit operational readiness, and reduced downtime due to maintenance by comparing preventive maintenance and CBM maintenance management systems during the Iraq War.
Currently, the Korean Army Aviation operates the same model as the U.S. Army, but the replacement time for time-exchanged items is different due to differences in maintenance management systems. For example, the UH-60 oil cooler bearing replacement time is 2,000 hours for the Korean model that operates preventive maintenance, while the U.S. Army that operates CBM+ has 3,240 hours. Therefore, since the replacement cycle is shorter than that of the US military, the maintenance cost is higher due to frequent replacement. In addition, the US Army aircraft equipped with HUMS performs the function of collecting data for aircraft condition analysis and CBM+ maintenance management system, but the ROK Army Aviation only performs aircraft condition analysis.
This paper presents a plan to apply the CBM+ maintenance management system through theoretical concepts and application cases of CBM+ to improve the maintenance management system of the Army Aviation. If this paper is applied to the Army Aviation, it is expected that the economy, safety, and reliability will be improved due to changes in the maintenance management system.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제1장 서 론 ………………………………………………………................01
• 1.1 연구 배경 및 필요성……………………………………………….........01
• 1.2 연구 목적…………………………………………………………….......03
• 1.3 연구 방법 및 절차…………………………………………………........04
• 제2장 정비관리 체계의 변화와 CBM+ ………………………..............05
• 2.1 정비관리 체계의 변화 ……………………………………………........05
• 2.1.1 사후정비…………………………………………………………….......07
• 2.1.2 예방정비……………………………………………………………......07
• 2.1.3 예측정비……………………………………………………………......09
• 2.1.4 상태 기반 정비(CBM : Condition Based Maintenance) …10
• 2.2 CBM+ ………………….......……………………………………………10
• 2.2.1 배경…………………………......………………………………………10
• 2.2.2 개념………………………………......…………………………………12
• 2.2.3 구성……………………………………......……………………………19
• 2.3 항공기 상태 및 사용 모니터링 시스템(HUMS)…….......…………22
• 2.3.1 HUMS(Health and Usage Monitoring System) 개념 …..22
• 2.3.2 IMD-HUMS………………………………………………….....……27
• 2.3.3 KUH-1 HUMS………………………………………………….....…33
• 2.3.4 상태 정보 분석기법………………………………………………......37
• 제3장 CBM+ 적용사례 …………………………………………...............41
• 3.1 미국 CBM+ 적용 ….........………………………………………………41
• 3.1.1 미국 CBM+ 역사………........…………………………………………41
• 3.1.2 미군 CBM+ 영역…………….......……………………………………43
• 3.1.3 미군 CBM+ 프로세스 6가지 요소........……………………………44
• 3.1.4 미군 CBM+ Data 전송체계 ……………......………………………46
• 3.1.5 미 육군 항공………………………………………............……………47
• 3.1.6 미 공군 ……………………………………………………….........……52
• 3.2 산림청 KT-32T………………………………………………….........…53
• 3.3 한국 육군 KUH-1………………………………………………..........…57
• 3.4 한국 공군…….........………………………………………………………60
• 3.5 CBM+ 규정 및 방침.........………………………………………………62
• 3.5.1 미국 국방부 규정 및 방침..........………………………………………62
• 3.5.2 한국 국방부 규정 및 방침……….........………………………………63
• 제4장 육군 항공 CBM+ 적용 방안………….....................………………65
• 4.1 CBM+ 제도 마련 …………………………………………...........………66
• 4.2 CBM+ 단계별 추진방안 …………………………………………..........68
• 4.3 CBM+ 분석과 데이터 관리 구축 …...........……………………………72
• 4.4 HUMS Data 전송방법 개선………………........………………………73
• 제5장 결론…………………………………………………..................………76
• 5.1 연구요약 및 시사점 ……………............…………………………………76
• 5.2 연구의 한계와 향후 연구방향 …………............………………………78
• ※ 참고 문헌 ………………………………………………............……………79
• ABSTRACT ………………………………………………………..........……82