[논문]인공위성 태양전지판의 전개에 관한 연구

서종휘; 한상원; 박태원; 채장수; 서현석

doi:10.5139/jksas.2003.31.4.053

인공위성 태양전지판의 전개에 관한 연구
A Study on the Solar Panel Deployment of a Satellite 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.31 no.4, 2003년, pp.53 - 59

서종휘 (아주대학교) , 한상원 (아주대학교) , 박태원 (아주대학교) , 채장수 (한국항공우주산업(주)) , 서현석 (한국항공우주산업(주))

초록
AI-Helper

다목적실용위성(KOMPASA) 태양전지판을 전개하기 위해 사용되는 Strain Energy Hinge(SEH)는 신뢰성 있는 전개를 보장하지만, 태양전지판이 완전 전개되는 순간, 큰 좌굴충격력을 유발하여 위성의 구조적 안정성이나 자세제어에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 전개장치의 설계단계에서부터 동역학적인 평가가 필요하다. 더욱이 위성의 임무가 다양해짐에 따라 태양전지판의 면적이 커지면서 보다 실제적이고 정확한 해석을 위해서는 태양전지판의 탄성변형 효과도 고려되어야 한다. 본 연구에서는 SE H를 이용하여 탄성효과가 큰 태양전지판을 전개할 때 발생하는 동적 특성들을 예측할 수 있도록 동력학 해석절차를 제시하였으며 다목적실용위성 2호의 태양전지판 전개시험을 통하여 해석결과의 신뢰성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Strain Energy Hinge(SEH) has been used in Korea Multi-purpose Satellite(KOMPSAT) series to deploy the solar panel due to the good record of reliability. However, when it reached a desired deployment position, a large buckling force is applied to the main body. This may cause structural damage and also affect control of the satellite. Therefore, reliable dynamic analysis for the deployment system is required at a design stage. Moreover, various mission of a satellite has made the size of solar panels got bigger, so elastic effect has to be considered seriously to get more precise analysis results. In this paper, a dynamic analysis method to predict the deployment is verified by KOMPSAT-2 deployment test.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이에 본 연구에서는, 비선형 좌굴특성을 갖는 SEH를 이용하여 탄성 효과가 큰 태양전지판을 전개하는 다목적실용위성 시리즈의 전개거동 특성을 신뢰성 있게 예측할 수 있도록 유연체 동역학 모델로 해석하였다. 이는, 향후에 보다 정밀한 해석을 요구하는 우주선 및 우주구조물의 해석에도 응용이 될 수 있을 것으로 사료된다.
태양전지판의 신뢰성 있는 전개거동 해석을 위해서는 태양전지판의 유연성이 고려되어야 하므로 본 연구에서는 태양전지판의 변형모드를 구하기 위한 유한요소해석에서의 경계조건과 하중 조건의 설정방법을 제시하였다. 이는 실제 시스템을 구현할 때 발생하는 과잉구속 문제를 해결할 수 있게 하며 비교적 정확한 조인트 반력을 구할 수 있다.

제안 방법

각 패널의 정규모드와 정적모드를 함께 조합하여 Fig. 2의 다목적실용위성의 유연체동역학 모델에 적용하고 범용 동역학 해석프로그램인 DADS[15]를 이용하여 해석을 수행하였다.
강체모델은 패널 1과 패널 2를 연결할 때 여유 구속을 없애기 위해 가운데 부분에 하나의 회전조인트만 모델링 하였으며 전개토크의 크기는 유 연체 모델의 두 배로 하였다.
전개장치를 설계할 수 있다[2]. 그러나 현재는 전개토크의 산출을 전적으로 실험에 의존하고있으며, 본 연구에서도 각 회전조인트의 전개토크의 크기를 실험적인 방법으로 구하였다. 그리고 좌굴영역에서는 급격한 토크변화와 함께 댐핑의 영향도 중요하므로 본 동역학 모델에서는 제어기법을 이용하여 이를 고려하였다μ2].
동역학 해석모델의 신뢰성 및 SEH를 이용한 전개 장치의 안정성 검증을 위하여, 실제 전개시험 장치를 구성하고, 시험을 통하여 동역학 해석 결과의 타당성을 검증하였다. 이는 보다 정밀한 해석과 신뢰성을 요구하는 다른 우주 구조물의 해석에도 효율적으로 응용이 될 수 있을 것이다.
특히 정적모드에 대한 하중조건은 연결되는 모든조인트의 구속방향과 외부 힘이 작용하는 방향에대해 단위 변위 또는 단위 하중을 부과해 변형모드를 구해야 한다. 본 연구에서는 태양전지판을연결하는 회전조인트의 특성을 고려하여 유한요소해석에 필요한 경계조건 및 하중조건을 설정하였으며 이에 대한 내용은 3.3절에서 설명한다.
실제 태양전지판 전개를 위해 제작된 SEH의전개성능 검증 및 동역학 해석모델의 신뢰성을검토하기 위해 Fig. 9와 같은 시험장치와 동역학해석모델을 구축하였다. 이 시험장치는 우주의무중력 상황을 고려하기 위해 태양전지판을 12m 길이의 케이블(Cable)로 매달게 된다.
이러한 방법을 다목적실용위성의 태양전지판전개거동 해석에 적용하고, 실제 우주공간에서의태양전지판 전개거동을 예측하였다.
태양전지판의 국부적인 변형을 고려하기 위하여 연결조인트의 구속조건과 동역학 모델에서의 힘 요소를 이용해 정적모드 해석을 수행하였다. 예를 들어, 회전조인트로 연결된 경우는 각각의 구속 방향에 대해 단위 힘을 부과하여 5개의 부착 모드를 구할 수 있다.
태양전지판의 전개는 비선형 좌굴특성을 갖는 Strain Energy Hinge(SEH)를 이용하며, 이에 대한 모델링은 회전조인트에 회전 스프링-댐퍼 (Rotational Spring-Damper)요소[11]를 부착하였다. Fig.

대상 데이터

2는다목적실용위성 2호기의 태양전지판 전개거동 해석을 위한 유연체 동역학 모델을 보여주고 있다. 모델에 사용된 각 부품의 물성치는 현재 개발단계에서 결정된 설계 값들을 사용하였다.
모드합성을 위해 사용된 정규모드는 각각의 패널마다 최저차 모드부터 5개를 사용하였으며, 정적모드는 모두 사용하였다.

이론/모형

그러나 현재는 전개토크의 산출을 전적으로 실험에 의존하고있으며, 본 연구에서도 각 회전조인트의 전개토크의 크기를 실험적인 방법으로 구하였다. 그리고 좌굴영역에서는 급격한 토크변화와 함께 댐핑의 영향도 중요하므로 본 동역학 모델에서는 제어기법을 이용하여 이를 고려하였다μ2].
동역학 해석결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 태양전지판의 변형모드해석을 위해 NASTRAN 70.5[13]와 DMAP[14]을 이용하였다.
부품의 탄성변형효과를 고려하기 위한 방법으로는 유한요소모델에 사용되는 절점좌표(Nodal coordinates)를 이용하기도 하지만, 이는 독립좌표의 수가 많아져 수치적으로 비효율적이기 때문에 본 연구에서는 모드좌표(Modal coordinates) 를 이용한 부분모드합성법 (Component Mode Synthesis)을 이용하였다. 이는 몇 개의 적절히선정된 변형모드만으로 물체의 탄성변형을 잘 나타낼 수 있기 때문에 효율적인 것으로 알려져 있다 [6-10].
유연체 동역학 해석에서는 유연체 부품에 대한구조적인 댐핑특성의 고려도 매우 중요한데, 본연구에서는 참고문헌μ6]의 방법을 이용하였다.
6에서 제시하였다. 참고로, 모드의 직교화 및 정규화는 범용 동역학 해석 프로그램인 DADS 의 DFBT(DADS Flexible Body Translator)모듈#]를 이용하였다.

성능/효과

6개의 태양전지판 패널은 모두 동일한 크기 및하니컴 코어의 샌드위치 구조를 가지며, 이에 대한 신뢰성 있는 변형모드해석이 이루어져야 보다 정확한 동역학 해석결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 태양전지판의 변형모드해석을 위해 NASTRAN 70.
6은 각 패널의 연결 조인트를 고려해 구한 모든 부착모드를 사용하고 정규모드의 수만달리했을 때의 결과를 보여준다. 이 결과로 볼때 정규모드를 5개만 사용해도 충분히 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
11에서는 태양전지판의 전개거동 동안 패널 1과 패널 2가 이루는 전개각의 변화를 보여주고 있다. 해석결과로부터 두 패널이 SEH의 좌굴에 의해 180°로 잠김(Lock)이 되었다가 태양전지판의 회전관성에 의해 다시 잠김이 풀리는 전개각의 오버슈트를 예측하였는데 실제 시험에서도 같은 현상이 발생함을 확인하였다.

후속연구

타당성을 검증하였다. 이는 보다 정밀한 해석과 신뢰성을 요구하는 다른 우주 구조물의 해석에도 효율적으로 응용이 될 수 있을 것이다.
모델로 해석하였다. 이는, 향후에 보다 정밀한 해석을 요구하는 우주선 및 우주구조물의 해석에도 응용이 될 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (16)

김진철, 김학정 외, "아리랑 1호 위성의 개발기술", 한국항공우주학회지, Vol. 28, No.4, 2000, pp.143-162.

상세보기
박태원, 정원선, "Strain Energy Hinge 좌굴해석", 대한기계학회 춘계학술대회논문집, 2002, pp.468-474.
곽문규, 라완규, "점탄성 변형에너지 힌지를 이용한 인공위성 태양판 전개장치 개발", 소음진동공학회 추계학술대회논문집, 1998, pp.285-289.
라완규, 곽문규, "변형에너지 힌지를 갖는 인공위성 태양판 전개 모델 연구", 소음진동공학회 추계학술대회논문집, 1998, pp.280-284.
채장수, 황도순, "태양전지판 전개장치의 실험적 연구", 한국자동제어학술회의논문집, 1993, pp.778-782.
Yoo W.S. and Haug E.J., "Dynamics of Flexible Mechanical Systems using Vibration and Static Correction Modes", Journal of Mech. Trans. Auto. Des 108, 1986, pp.315-322.

상세보기
Spanos J.T. and Tsuha W.S., "Selection of Component Modes for Flexible Multibody Simulation", Journal of Guidance Vol.14, No.2, 1991, pp.278-286.

상세보기
Shin S.S., Yoo W.S. and Tang J., "Effect of Mode Selection, Scailing, and Orthogonalization on the Dynamic Analysis of Flexible Multibody Systems", Mechanics of Structures and machines Vol.21, No.4, 1993, pp.507-527.

상세보기
Kim S.S. and Haug E.J., "Selection of Deformation Modes for Flexible Multibody Dynamics", Mechanics of Structures and Machines Vol.18, No.4, 1990, pp.565-586.

상세보기
Wu S.C., Haug E.J. and Kim S.S., "A Variational Approach to Dynamics of Flexible Multibody Systems", Technical Report 86-15, CCAD, Univ. of IOWA, 1986.
Haug E.J., Computer-Aided Kinematics and Dynamics of Mechanical Systems, Volume 1: Basic Methods, Allyn and Bacon, MA, 1989.
박태원, 서종휘, "태양전지판의 전개거동해석", DADS User's Conference, 2002.
Michael R and Mark M., MSC/NASTRAN Quick Reference Guide Version 70.5, The MacNeal-Schwendler Corporation.
MSC/NSATRAN DMAP Manual, The MacNeal-Schwendler Corporation.
DADS/Flex Reference Manual, LMS CADSI, 1999.
A. MUNJIA, "An $M(M^{-1}K)^m$ proportional damping in explicit integration of dynamics structural systems", International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 41, No.7, 1998, pp.1277-1296.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증