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문제 정의
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2.3 고정치구
고정치구(fixture)는 STM을 시험 장치에 고정하기 위한 기계적 인터페이스 제공을 위해 개발하였다
. 고정치구의 설계 요구조건으로는 고유진동수 7} HAUSAT-2의 진동시험 범위 밖인 2000Hz 이상이어야 하며 가진기(shaker)의 슬립 테이블(slip table)과 아마추어 (armature), 그리고 열-진공 챔버와의 기계적 인터페이스를 제공해야 한다. - 랜덤 진동시험은 발사체의 연소와 분리, 외부공력 소음 등에 의해 가해지는 불규칙적인 진동하중에 대한 안정성 검증을 위해 수행하였다. 시험 수준은 발사체 선정에 따른 재시험 수행이 없도록 Table 9에 나타낸 것과 같이 최악의 조건에 해당하는 우주왕복선의 발사환경시험 수준을 적용하였다 [9].
- 본 논문에서는 HAUSAT-2 구조-열 모델(STM; Structural-Thermal Model) 의 개발을 위해 수행한 설계 및 해석, 그리고 인공위성연구센터에서 수행한 발사환경시험의 수준과 과정, 결과 및 시험 결과에 대한 분석 내용을 소개하고자 한다.
- 지금까지 HAUSAT-2 STM의 개발 및 해석, 수행한 발사환경시험의 종류와 결과에 대해 살펴보았다. HAUSAT-2 STMe 인증모델과 더미질량모델을 적절하게 사용하여 개발 비용을 최소화하였고, 진동시험을 통해 전체 시스템의 동적 특성을 파악하고 설계 강성 요구조건을 만족함을 확인하였다.
제안 방법
- DMe STM이 FM과 유사한 질량특성을 갖도록 하기 위해 일부 컴포넌트에 대해 동일한 질량특성을 갖도록 개발하였다. 또한 QM에 비해 형상이 단순하여 개발비용이 적게 들어가기 때문에전체 개발비용의 절감을 위해 각 패널에 1개씩사용하는 고정밀 태양센서의 경우 1개는 QM을사용하고 나머지 3개는 DM을 사용하였으며 고가의 모멘텀 훨 역시 DM으로 대체하였다.
- DM의 설계 고려사항으로는 결합 및 체결성, 각 모델의 질량 및 질량중심 등의 질량특성, 형상 요구 조건 등이 있으며 이 중에서 질량과 질량중심을 가장 우선적으로 고려하여 설계를 수행하였다[7]. 이러한 과정을 거쳐 설계한 DM과 QM의 질량특성을 Table 3에 정리하였다.
- FM의 발사 실패 시, 이를 대체하기 위해 FM 과 동일하게 개발되는 PFMe 인증수준과 인수수준(acceptance level)의 중간 수준인 준비행수준 (proto-flight level)으로 발사환경시험을 수행한다. 또한 FM이 성공적으로 발사되고 하나의 위성을더 발사 할 수 있을 경우 PFM을 발사, FM과 위성군 (const 이 lation) 을 이뤄 편대 비행 (formation flying) 임무를 수행할 계획을 하고 있다.
- HAUSAT-2 STM 진동시험은 2005년 4월 인공위성 연구센터에서 수행하였다. 시험수행을 위해 먼저 STM에 가속도 센서를 장착하였으며 장착 완료 후, 고정치구를 이용하여 가진기에 장착하였다.
- HAUSAT-2 STM의 진동시험은 정현파 진동시험과 랜덤 진동시험으로 분류되며, 설계 여유를 확인하기 위해 인증수준으로 수행하였다.
- 알 수 있었다. STM 시험에서 중간 플랫폼과 별센서 지지대의 볼트 체결은 하나의 라인형상을 띄었으나 시험 수행 후, 수정된 별센서지지대는 하나의 면을 이루도록 수정하였다. 설계를 변경한 별센서 지지대에 대해 컴포넌트 레벨로 해석한 결과 Z축의 동일 모드에 대해 78.
- 3과 같이 각 모델은 위성 개발 단계에 맞춰 각각 다른 역할을 수행하기 위해 개발된다. STMe 구조 설계의 적정성 검토와 구조해석의 검증, 상세설계의 종료에 앞서 고려하지 못한 설계 요구사항이 있는지를 확인하기 위해 개발한 모델로 예비설계를 바탕으로 제작되었으며 설계 여유(design margin)의 확인을 위해 인증 수준(qualification level)으로 발사환경시험을 수행하였다.
- Y축 진동시험은 HAUSAT-2의 정확한 구조 특성을 알아보기 위해 X축 진동시험 수행 후, 고유진동수가 낮게 나온 이상 원인인 볼트 풀림이 발생한 부분과 발생가능부분에 스프링 와셔 (spring washer)를 사용하고 적정 체결토크를 주어 문제를 해소한 후, 수행하였다. Fig.
- 가속도 센서의 설치 완료 후 각 볼트에 따른 체결 토크를 이용하여 구조물의 조립을 진행하였다. 각 볼트의 체결 토크는 사용된 볼트의 데이터 시트를 참조하여 0.
- 7 과 같이 X축과 Y축의 특성을 가장 잘 알 수 있는 패널과 Z축의 특성을 파악할 수 있는 플랫폼에도 각각 1개씩의 가속도 측정센서를 설치하였다. 또한 Fig. 8과 같이 광학장비인 별센서의 응답을 확인하기 위하여 별센서 지지대에 X축과 Y 축의 가속도 측정센서를 설치하였다. 총 21개의 가속도 측정센서를 설치하였으며 이를 Table 12 에 정리하였다.
- 갖도록 개발하였다. 또한 QM에 비해 형상이 단순하여 개발비용이 적게 들어가기 때문에전체 개발비용의 절감을 위해 각 패널에 1개씩사용하는 고정밀 태양센서의 경우 1개는 QM을사용하고 나머지 3개는 DM을 사용하였으며 고가의 모멘텀 훨 역시 DM으로 대체하였다.
- 또한 각 시험 전, 후마다 결과 데이터의 간단한 검토를 통해 이상 유무를 확인하고, 육안검사 과정을 거쳐 시험수행에 문제가 발생하지 않도록 하였다. Table 15는 전체 시험을 마친 HAUSAT-2 STM의 고유진동수 시험 결과를 보여주고 있다.
- 또한 시스템 특성, 즉 고유진동수의 파악과 정현파 및 랜덤 진동시험 과정 중에 구조물의 이상발생 여부를 확인하기 위해 저주파 랜덤 진동시험을 수행하였다. 저주파 랜덤 진동시험의 수준은 해석 결과 나타난 고유진동수 범위(95.
- 설계된 HAUSAT-2 STM이 설계 강성조건을 만족시키는지를 확인하기 위한 정상상태 해석을 위해 CATIA 의 Generative Structural Analysis Tool 을 이용, 3D Mesh 인 OCTREE Tetrahedron Mesh(TE4)로 유한요소 모델링을 수행하였다. TE4 의 경우 Mesh Size와 Sag size에 의해 모델링의 신뢰도가 결정되므로 각 구조물에 대해 알맞은 Mesh Size와 Sag Size를 결정하여 수행하였으며 이를 Table 5에 정 리하였다.
- 시험은 X축—Y축-Z축의 순으로 각 축에 대해 Table 14의 순서대로 수행하였으며 정현파 진동시험의 경우, 3단계 (-6dB, -3dB, OdB)로 나누어 수행하였다.
- 위성은 발사과정 중에 발사체로부터 전달받은진동, 가속, 충격, 소음 등의 동하중에 의해 야기되는 발사체와 위성체의 동적결합(dynamic coupling) 에 의한 공진 방지를 위해 발사체의 고유주파수제한조건을 토대로 설계를 수행한다.
- 한다. 이를 위해 구조물의 가공 정밀도를 높여 시스템의 응답 특성을 떨어뜨리지 않도록하고, 볼트 풀림 현상을 방지하기 위해 전체 체결부위에 볼트 풀림을 방지해주는 스프링와셔를 사용한다. 또한, X축 시험에서 볼 수 있듯이 사람이하는 작업이므로 작업도(workmanship)를 높여야한다.
- 수행하였다. 저주파 랜덤 진동시험의 수준은 해석 결과 나타난 고유진동수 범위(95.5~ 127.6Hz) 와 다른 나노위성의 시험 수준을 비교, 분석하여 정했으며 Table 10과 같다.
대상 데이터
- HAUSAT-2 STMe 구조물의 경우 비행모델과 동일한 설계로 제작한 구조물을 사용하고 컴포넌트의 경우 Table 1에 나타낸 것과 같이 인증모델 (QM; Qualification Model)과 더미질량모델(DM; Dummy Mass Model)을 함께 사용하였다.
이론/모형
- 시험 수준은 발사체 선정에 따른 재시험 수행이 없도록 Table 9에 나타낸 것과 같이 최악의 조건에 해당하는 우주왕복선의 발사환경시험 수준을 적용하였다 [9].
- 정현파 진동시험은 위성이 발사과정 중에 겪는 동하중 및 발사체 이륙 시 전달되는 저주파의과도 진동에 대한 안정성 검증을 위해 수행하였으며, 시험 수준은 HAUSAT-2 발사체 후보 중에서 가장 최악의 정현파 진동조건을 가진 KSLV 의 시험 수준을 참고하였으며 Table 8과 같다[8].
성능/효과
- HAUSAT-2 STMe 인증모델과 더미질량모델을 적절하게 사용하여 개발 비용을 최소화하였고, 진동시험을 통해 전체 시스템의 동적 특성을 파악하고 설계 강성 요구조건을 만족함을 확인하였다. 또한 구조해석과 진동시험 결과를 비교 분석한 후, 재해석을 통해 구조물의 개선 사항을 확인할 수 있었다.
- Z축랜덤 진동시험 수행 중, 일부 가속도 제어센서의불안정 현상이 나타났으나 시험에 영향을 미칠정도는 아니었으며 문제없이 시험을 완료하였다. X축 시험과 달리 볼트 풀림 현상을 방지하고수행한 Y축과 Z축의 시험 결과로 볼 때, Y축과 Z축의 고유진동수 결과가 전체 시스템의 고유진동수 특성이라 판단할 수 있다. 또한 Table 16과같이 HAUSAT-2 STM의 경우 X축과 Y축의 질량특성이 유사하여 질량특성에 의존하는 동적특성 역시 유사함을 근거로 모든 볼트 체결이 정상적으로 이뤄진 X축의 실제 고유진동수를 Y축과비슷한 약 70Hz 정도로 예상할 수 있었다.
- 것을 확인할 수 있다. X축 시험이 다 끝난 후 육안검사 결과 위성체 어댑터와 고정치구, -Z축 플랫폼과 위성체 어댑터 사이의 볼트 풀림 흔적을 발견하였다.
- Y축 랜덤 진동시험이 끝난 후 고유진동수 감소 원인을 찾기 위해 육안 검사를 수행하였으며별센서의 배플(baffle)과 헤드(head)를 체결하는볼트가 풀려 고정치구 위로 떨어진 것을 확인할 수 있었다. 이를 토대로 X축 시험처럼 구조물 체결에 사용한 볼트의 풀림에 의한 고유진동수 저하가 발생하였다고 판단, 각 볼트의 체결부에 대한 육안검사를 수행하였으나 풀림이 발생한 곳이 없음을 확인하였다.
- 22는 Z축 랜덤 진동시험의 결과를 보여준다. Z축랜덤 진동시험 수행 중, 일부 가속도 제어센서의불안정 현상이 나타났으나 시험에 영향을 미칠정도는 아니었으며 문제없이 시험을 완료하였다. X축 시험과 달리 볼트 풀림 현상을 방지하고수행한 Y축과 Z축의 시험 결과로 볼 때, Y축과 Z축의 고유진동수 결과가 전체 시스템의 고유진동수 특성이라 판단할 수 있다.
- 18~20은 Z축 저주파 랜덤 진동시험 결과를 플랫폼 별로 나타냈다. Z축의 경우, 3차까지의 저주파 랜덤 진동시험에서 고유진동수의 변화는 거의 없었으며 플랫폼의 형상 및 특징에 따라 주파수 응답 특성은 다르지만, Z축의 고유진동수가 67.5Hz에서 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 24는 중간 플랫폼과 패널의고정을 위해 설계된 가드의 설치 모습을 보여주고있다. 가드에 의해 중간 플랫폼과 패널의 고정이가능해졌으며 이를 시스템 레벨로 재해석한 결과, Z축의 동일 모드에서 78.6Hz에서 125Hz로 고유진동수가 향상되는 것을 확인하였다.
- 12는 저주파 랜덤 1, 2, 3차 시험 결과를합쳐 나타낸 그래프로 정현파 진동 및 랜덤 진동시험 후 구조물의 이상 유무를 한눈에 알아볼 수 있다. 그래프에서 급격한 고유진동수 저하(53.8Hz —48.8Hz—30.6Hz)를 확인할 수 있었고, 이는 구조 시스템의 이상이 있음을 예측할 수 있게 하였다. Table 15의 결과를 참고할 때, 이미 X축 시험수행 전에 적정 체결토크로 완전 체결되지 않은볼트로 인해 전체 구조물의 강성이 저하되어 초기 고유진동수가 낮게 나온 것을 알 수 있다.
- HAUSAT-2 STMe 인증모델과 더미질량모델을 적절하게 사용하여 개발 비용을 최소화하였고, 진동시험을 통해 전체 시스템의 동적 특성을 파악하고 설계 강성 요구조건을 만족함을 확인하였다. 또한 구조해석과 진동시험 결과를 비교 분석한 후, 재해석을 통해 구조물의 개선 사항을 확인할 수 있었다. HAUSAT-2의 진동시험은 국내에서 최초로 수행된 나노위성의 진동시험으로 앞으로 소형위성 개발 시 중요한 참고 자료로 사용될 수 있을 것이다.
- 마지막으로 광학장비를 탑재할 경우 지지대자체의 충분한 강성뿐만 아니라 고정 방법이 중요함을 알 수 있었다. STM 시험에서 중간 플랫폼과 별센서 지지대의 볼트 체결은 하나의 라인형상을 띄었으나 시험 수행 후, 수정된 별센서지지대는 하나의 면을 이루도록 수정하였다.
- 먼저 가속도 측정센서의 장착 위치가 유사한 +Z축 플랫폼과 중간 플랫폼의 비교 시, +Z축 플랫폼은 단순한 평판인 반면에 중간 플랫폼은 단순 평판이 아니며 두 플랫폼의 구속조건이 다른점에 의해 주파수 응답 특성이 다르게 나타났다.
- 시험을 통해 유한요소해석 결과와 실제 시험 결과 사이에 약 10% 정도의 차이가 있었으며, 설계 강성조건을 만족하고 있지만 예상보다 시스템 고유진동수가 약간 낮게 나온 것을 확인할 수 있었다. 해석결과가 시험결과와 차이를 보이는 원인은 유한요소 모델링의 적합성에 따라 생기는 문제이다.
- 풀려 고정치구 위로 떨어진 것을 확인할 수 있었다. 이를 토대로 X축 시험처럼 구조물 체결에 사용한 볼트의 풀림에 의한 고유진동수 저하가 발생하였다고 판단, 각 볼트의 체결부에 대한 육안검사를 수행하였으나 풀림이 발생한 곳이 없음을 확인하였다.
- 작성된 유한요소모델링의 체결부에 대해 fastener contact 구속 조건을 적용하여 유한요소해석을수행, Table 7과 같은 결과를 얻었으며 이를 통해 STM이 설계 강성조건을 충분히 만족시킴을확인하였다.
- 증가한 것을 볼 수 있다. 하지만, Fig. 16의 Y 축 정현파 진동시험 결과(65.7Hz~67.5Hz) 또는 Fig. 15에서의 정현파 진동시험 수행 후의 2차 저주파 랜덤 시험부터 10% 미만의 고유진동수 감소를 확인할 수 있었다.
- 현재 이번 STM의 개발 및 시험 결과를 통해 예비설계에서 미처 고려하지 못한 부분을 보완하여보다 안정적인 구조 설계를 수행하고 있다.
후속연구
- 또한 구조해석과 진동시험 결과를 비교 분석한 후, 재해석을 통해 구조물의 개선 사항을 확인할 수 있었다. HAUSAT-2의 진동시험은 국내에서 최초로 수행된 나노위성의 진동시험으로 앞으로 소형위성 개발 시 중요한 참고 자료로 사용될 수 있을 것이다.
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