[논문]KSLV-I 2단부 비행용 TVC 동특성 분석 및 선형모델 추정

선병찬; 박용규; 오충석; 노웅래

문제 정의

비행모델 TVC 동특성 데이터를 기준으로 선형모델을 추정하였다. TVC 노즐의 최대 작동대역폭이 10~15 Hz 로 예상되는 바, 최소 20 Hz 대역까지의 동특성에 대해 가능한 한 정확히 근사시키는 선형모델을 찾는 것을 목표로 진행하였다. 0~20 Hz 주파수대역 동특성을 정확히 근사하면서도 가급적 80~100 Hz 까지의 고주파수 대역까지 포함되도록 해서 추후 안정성 분석 시에 벤딩 등의 다른 운동 모드와의 영향성을 함께 살펴볼 수 있도록 하였다.
모델의 적용 편의성 측면을 고려해서 2차식부터 8차식까지 순차적으로 차수를 증가시키면서 정확한 근사가 가능한 모델을 찾고자 하였다. 각 차수별 TVC 선형모델의 형태를 정리하면 다음과 같다.
본 논문에서는 KSLV-I 2단부 TVC 시스템에 대한 개발단계별 동특성 시험데이터 비교 분석을 통해 TVC 최소 작동 대역폭 예측 결과와 TVC 동특성 선형모델 추정 결과를 제시하였다.
본 논문에서는, KSLV-I 2단부 TVC 시스템에 대한 개발단계별 동특성 시험 데이터를 비교 분석함으로써 비행용 TVC 시스템의 최소 대역폭을 예측하고, TVC 시스템의 동특성을 선형모델 형태로 추정한 결과를 제시하고자 하였다. 비행용 TVC 동특성 선형모델은 발사체의 발사전 최종 비행안정성을 검증하고 시뮬레이션 분석을 수행하는데 있어서 반드시 필요한 부분이다.
연소시험 상황에서 구한 TVC 동특성 데이터를 시험 호기별로 비교해서 TVC 동특성의 변동 특성을 살펴보았다. 비활성 킥모터 노즐로부터 구한 시험 결과와의 상대적인 비교를 위해 FM TVC 에 동일한 신호를 적용한 결과를 함께 나타내었고, 시험환경에 따른 영향성 검토를 목적으로 GT 9호기 TVC에 대해서 FM TVC 와 동일한 시험환경에서 수행한 시험 결과 또한 함께 정리하였다. TVC 동특성 분석용 신호는 GT 5호기 부터 9호기까지 적용한 바 있다.
비활성 킥모터 노즐에 TVC 구동기를 장착해서 수행한 동특성시험은 엔지니어링 모델(EM), 인증모델(QM), 연소시험모델(GT), 비행모델(FM) TVC 시스템 등에 대해 수행되었다. 이 중에 동일한 규격으로 제작된 QM, GT, FM 에 대한 시험결과를 비교함으로써 비행 중의 실제적인 TVC 동특성을 살펴보고자 하였는데, 그 결과는 다음 절에서 설명되어질 것이다.

제안 방법

TVC 노즐의 최대 작동대역폭이 10~15 Hz 로 예상되는 바, 최소 20 Hz 대역까지의 동특성에 대해 가능한 한 정확히 근사시키는 선형모델을 찾는 것을 목표로 진행하였다. 0~20 Hz 주파수대역 동특성을 정확히 근사하면서도 가급적 80~100 Hz 까지의 고주파수 대역까지 포함되도록 해서 추후 안정성 분석 시에 벤딩 등의 다른 운동 모드와의 영향성을 함께 살펴볼 수 있도록 하였다.
0~80 Hz 대역의 비행모델 TVC 동특성을 근사시키기 위한 선형모델로서 8차의 이득 근사 모델과 위상 근사 모델을 각각 제시하였다. 본 논문에서 제시한 TVC 선형모델은 궁극적으로 KSLV-I 최종 비행성능 및 자세안정성 분석 시에 활용되어 발사체의 안정적인 비행을 도모하는데 있어서 큰 역할을 담당할 것으로 여겨진다.
근사기법으로는, 가급적 저주파수 대역에서의 동특성을 정확히 근사시킬 목적으로 주파수가중 최소자승기법을 적용하였고 모든 주파수에서의 이득 또는 위상 근사 오차의 합을 영으로 만들기 위한 방향으로 근사모델의 파라미터를 연속적으로 갱신시키는 알고리듬을 사용하였다.
비활성 킥모터 노즐에 TVC 구동기를 장착해서 수행한 동특성시험은 엔지니어링 모델(EM), 인증모델(QM), 연소시험모델(GT), 비행모델(FM) TVC 시스템 등에 대해 수행되었다. 이 중에 동일한 규격으로 제작된 QM, GT, FM 에 대한 시험결과를 비교함으로써 비행 중의 실제적인 TVC 동특성을 살펴보고자 하였는데, 그 결과는 다음 절에서 설명되어질 것이다.
이에, KSLV-I 2단부 TVC 시스템의 동특성을 정확히 파악할 목적으로 개발 초기부터 다양한 시험과 분석을 수행해 왔다. 시제품 및 엔지니어링 모델(EM)을 이용한 공진모드 식별과 안정화 필터 설계, 인증모델(QM)을 이용한 구동 성능 인증시험, 비행모델(FM)을 이용한 동특성 확인시험, 지상연소시험(GT)에서의 연소중 동특성 검증시험 등이 수행되었다. 이 중에, 지상연소 시험에서의 TVC 구동시험은 안전사고 발생의 문제가 있기 때문에 가급적 작은 크기의 구동명령을 적용해서 제한적으로 시험을 수행해야만 했으며 시험장의 환경조건 및 시험신호 인터페이스 조건에 따라 동특성 분석 결과가 조금씩 다르게 나타나기도 하였다.
시험스탠드에 거꾸로 장착된 킥모터 연소관및 TVC 제어기를 비롯해서 TVC 유압을 공급하기 위한 유압팩키지, 전원공급을 위한 파워서플라이, TVC 구동명령을 생성하기 위한 실시간컴퓨터(RTS), 시험 데이터 저장을 위한 기록장치, 명령 및 데이터 인터페이스를 위한 신호중계기(IO-Box), TVC 제어기 상태점검을 위한 지상점검장비(TVC GSE), 동특성시험용 실시간 프로그램 생성과 모니터링을 위한 호스트 워크스테이션(Host WS) 등으로 구성된다. 킥모터 연소관에는 플렉스씰 노즐이 장착된 상태이고 피치 및 요 TVC 구동기와 카운터 포텐셔미터가 조립되어 있다.
연소시험 상황에서 구한 TVC 동특성 데이터를 시험 호기별로 비교해서 TVC 동특성의 변동 특성을 살펴보았다. 비활성 킥모터 노즐로부터 구한 시험 결과와의 상대적인 비교를 위해 FM TVC 에 동일한 신호를 적용한 결과를 함께 나타내었고, 시험환경에 따른 영향성 검토를 목적으로 GT 9호기 TVC에 대해서 FM TVC 와 동일한 시험환경에서 수행한 시험 결과 또한 함께 정리하였다.
연소시험장에서의 계측 데이터 시각동기 문제 및 데이터 저장 주기 제한 조건 (GT 5~7호기 시험에서 100 Hz로 계측, GT 8호기 시험에서는 1 kHz로 계측)에 의해 최대 10 msec의 시간지연이 존재할 수 있음을 알 수 있었고 이에 GT 5~7호기 시험결과에 10 msec의 시간지연을 보상해서 위상선도를 다시 그려보았는데 결과는 다음과 같다. GT 5~9호기의 위상 동특성이 상당히 유사한 형태가 되었음을 확인할 수가 있으며, 이는 GT 호기별 인터페이스 시간지연이 어느 정도 존재했었음을 간접적으로 증명하는 대목이라 하겠다.
한편, 연소시험에 투입된 플렉스씰 노즐이나 TVC 구동기들 간의 특성 차이에 의해 TVC 시스템의 동특성이 달라질 수도 있으므로 수차례의 연소시험에 동일한 구동명령을 연속적으로 적용해서 시험결과를 비교하기도 하였다.

대상 데이터

킥모터 연소관에는 플렉스씰 노즐이 장착된 상태이고 피치 및 요 TVC 구동기와 카운터 포텐셔미터가 조립되어 있다. 동특성 시험에 사용되는 센서로는 구동기 내장형 포텐셔미터, 카운터 포텐셔미터, 및 각속도계가 있다. 포텐셔미터 신호는 TVC 제어기로 궤환되어 구동기 자체 제어루프의 입력으로 사용되기도 한다.
비행모델 TVC 동특성 데이터를 기준으로 선형모델을 추정하였다. TVC 노즐의 최대 작동대역폭이 10~15 Hz 로 예상되는 바, 최소 20 Hz 대역까지의 동특성에 대해 가능한 한 정확히 근사시키는 선형모델을 찾는 것을 목표로 진행하였다.

데이터처리

포텐셔미터 데이터로부터 분석한 결과와 각속도계 데이터로부터 분석한 결과가 유사한 형태로 얻어졌으며, 여기서는 대표적인 결과로서 포텐셔미터 데이터 분석 결과를 정리하였다. 주파수역동특성을 살펴보면, 10 Hz 이상의 고주파수 대역에서 시스템의 이득이 급격히 감소함으로써 잡음 등에 의한 악영향이 거의 없고 예기치 않은 진동성분에 의한 공진 현상 또한 발생하지 않는 형태임을 확인할 수가 있다.

성능/효과

1도인 경우) 모델별 동특성 차이가 많이 발생함을 볼 수가 있다. EM, QM에 비해 GT 의 TVC 동특성이 다소 느리고 FM TVC 동특성이 상대적으로 가장 느린 것으로 나타났다. 동특성이 느릴수록 발사체의 자세제어 안정성에 미치는 영향이 크므로, FM TVC 동특성 데이터로부터 구한 모델을 안정성 분석에 적용해서 문제가 없다고 판단되면 다른 시험 모델은 별도로 적용하지 않아도 될 것이다.
TVC 시스템의 최소 작동대역폭은 이득이 -3dB인 주파수 및 위상이 -90도인 주파수 분석을 통해 살펴볼 수가 있으며 그 결과를 정리하면 다음 표와 같다. FM TVC 이득 동특성의 경우, QM에 비해 0.1도 명령에서 약 1.55 Hz, 0.5도 명령에서 약 0.5 Hz, 1.0도 명령에서 약 0.2 Hz 정도 대역폭이 낮게 나타났고, 위상 동특성의 경우에는 모든 명령에서 QM 과 유사한 수준인 것으로 나타났다. 동특성이 가장 느린 경우를 기준으로 최소 작동 대역폭을 살펴보면 약 6.
TVC 구동명령의 크기가 커질수록 시스템의 대역폭이 낮아지면서 동특성이 느려지는 비선형 특성 또한 쉽게 확인할 수가 있는데, 비선형 특성은 4~20 Hz 대역에서 두드러지게 나타났다. 연소시험에서의 동특성분석 결과도 함께 그려 보았는데 (그림에서 ‘Constant Rate'로 표시된 부분) 0.
개발단계별 TVC 동특성 시험데이터에 대한 비교 분석 결과 KSLV-I 2단부 TVC 시스템의 최소 작동 대역폭은 6.0 Hz 이상 보장되는 것으로 나타났다. 연소시험 상황에서 분석된 TVC 동특성이 비활성 킥모터 시험에서 예측된 성능 범위 내에 존재해서 실제 비행 중에도 유사한 수준의 TVC 구동 성능을 보일 것으로 판단되었다.
7 Hz 로서 비활성 킥모터 시험에서 예측한 수준의 성능이 나왔음을 알 수가 있다. 결과적으로, 실제 비행 중에도 이와 유사한 수준의 TVC 구동 성능을 보일 것으로 판단된다.
1도까지 감소하는 형태를 가지도록 설정되었다. 신호의 크기가 크지 않기 때문에 신호의 크기에 따른 TVC 비선형성을 살펴보기는 쉽지 않겠지만 비활성 킥모터에 대한 TVC 동특성시험 결과와의 비교를 통해 연소시험 중의 정상 작동 유무를 상대적으로 확인할 수 있을 것으로 판단하였다.
0 Hz 이상 보장되는 것으로 나타났다. 연소시험 상황에서 분석된 TVC 동특성이 비활성 킥모터 시험에서 예측된 성능 범위 내에 존재해서 실제 비행 중에도 유사한 수준의 TVC 구동 성능을 보일 것으로 판단되었다.
그림에 의하면, 똑같은 TVC 시스템임에도 불구하고 연소시험 상황에서 측정된 결과(그림에서 ‘GT #9’)와 별도의 시험설비에서 측정한 결과(그림에서 ‘GT#9(repeat)’)가 달라졌음을 볼 수가 있으며, 연소시험 상황에 따라서도 그 특성이 조금씩 차이나는 것을 확인할 수가 있다. 이득 동특성보다는 상대적으로 위상 동특성에 있어서 그 차이가 크게 발생한 것으로 보이는데, 이는 구동 명령 및 시험데이터 계측을 위한 인터페이스 환경의 차이에서 비롯된 것으로 판단되었다.
적용 결과, 2차식 및 3차식으로는 이득과 위상 특성을 동시에 정확히 근사시키는 모델을 찾기가 쉽지 않은 것으로 나타났고, 4차의 선형모델로는 0~20 Hz 주파수대역 동특성에 대해서 비교적 정확히 근사시킬 수가 있었으며, 6차의 선형모델로는 0~40 Hz 대역의 근사모델을 찾을 수가 있었다. 80 Hz 대역까지 넓힐 경우에는 8차의 선형모델 형태로 근사모델을 구할 수 있었다.
시간지연 보상 후의 동특성 데이터를 기준으로 연소시험 상황에서의 TVC 최소 작동 대역폭을 분석해 보았는데 결과는 다음 표와 같다. 전반적인 결과가 비활성 킥모터 동특성시험에서의 0.1도 명령 기준 결과와 유사함을 확인할 수가 있으며, 그 변동 범위가 이득 대역폭은 11.9~13.7 Hz, 위상 대역폭은 6.9~7.7 Hz 로서 비활성 킥모터 시험에서 예측한 수준의 성능이 나왔음을 알 수가 있다. 결과적으로, 실제 비행 중에도 이와 유사한 수준의 TVC 구동 성능을 보일 것으로 판단된다.
포텐셔미터 데이터로부터 분석한 결과와 각속도계 데이터로부터 분석한 결과가 유사한 형태로 얻어졌으며, 여기서는 대표적인 결과로서 포텐셔미터 데이터 분석 결과를 정리하였다. 주파수역동특성을 살펴보면, 10 Hz 이상의 고주파수 대역에서 시스템의 이득이 급격히 감소함으로써 잡음 등에 의한 악영향이 거의 없고 예기치 않은 진동성분에 의한 공진 현상 또한 발생하지 않는 형태임을 확인할 수가 있다. 이러한 특징은 TVC 제어기에 포함되어 있는 디지털 서보필터의 설계가 제대로 이루어졌고 정상적으로 작동하고 있음을 보여주는 결과이다.
이득 근사 모델과 위상 근사 모델을 별도로 구한 것은, 시스템 이득의 크기에 의한 영향성 분석에는 이득 근사 모델을 적용하고 시간지연 등에 의한 영향성 분석에는 위상 근사 모델을 적용함으로써 보다 정확한 분석이 가능하기 때문이다. 추정 결과에 의하면, 이득이나 위상 어느 쪽을 기준으로 근사하더라도 다른 쪽의 오차가 크게 발생하지 않음을 확인할 수가 있는데, 이로부터 추정모델이 적정한 형태로 구성되었음을 확신할 수 있다.
특히, 고온다습한 기후의 한여름에 수행한 GT 8호기 및 9호기 시험에서의 TVC 동특성이 상대적으로 가장 높은 작동 대역폭을 가지는 것으로 나타났는데, 동일한 설비에서 이루어진 이전까지의 시험 결과와도 다른 특성을 보이는 것으로 봐서 고온 및 습도에 의한 구동유압 과다공급 현상이 발생한 것으로 판단되었다.

후속연구

EM, QM에 비해 GT 의 TVC 동특성이 다소 느리고 FM TVC 동특성이 상대적으로 가장 느린 것으로 나타났다. 동특성이 느릴수록 발사체의 자세제어 안정성에 미치는 영향이 크므로, FM TVC 동특성 데이터로부터 구한 모델을 안정성 분석에 적용해서 문제가 없다고 판단되면 다른 시험 모델은 별도로 적용하지 않아도 될 것이다.
0~80 Hz 대역의 비행모델 TVC 동특성을 근사시키기 위한 선형모델로서 8차의 이득 근사 모델과 위상 근사 모델을 각각 제시하였다. 본 논문에서 제시한 TVC 선형모델은 궁극적으로 KSLV-I 최종 비행성능 및 자세안정성 분석 시에 활용되어 발사체의 안정적인 비행을 도모하는데 있어서 큰 역할을 담당할 것으로 여겨진다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	KSLV-I의 상단부 자세제어시스템으로 사용되는 것은 무엇인가?	국내 최초 소형위성발사체인 KSLV-I의 개발이 완료되어 발사를 앞두고 있다. KSLV-I의 상단부 자세제어시스템으로는 질소가스 추력기 시스템(RCS, Reaction Control System)과 추력벡터제어 시스템(TVC, Thrust Vector Control System)을 채용하고 있다. TVC 시스템은 2단부 킥모터 연소구간에서의 피치 및 요 자세제어를 목적으로 사용된다.
	KSLV-1의 추력벡터제어 시스템은 어떤 목적으로 사용되는가?	KSLV-I의 상단부 자세제어시스템으로는 질소가스 추력기 시스템(RCS, Reaction Control System)과 추력벡터제어 시스템(TVC, Thrust Vector Control System)을 채용하고 있다. TVC 시스템은 2단부 킥모터 연소구간에서의 피치 및 요 자세제어를 목적으로 사용된다. 전기유압식 구동장치를 이용해서 플렉스씰 킥모터 노즐의 방향을 바꾸어줌으로써 추력 벡터제어를 수행하게 된다.
	KSLV-1의 TVC 시스템은 어떻게 추력벡터제어를 수행하는가?	TVC 시스템은 2단부 킥모터 연소구간에서의 피치 및 요 자세제어를 목적으로 사용된다. 전기유압식 구동장치를 이용해서 플렉스씰 킥모터 노즐의 방향을 바꾸어줌으로써 추력 벡터제어를 수행하게 된다. 일반적으로 구동장치의 동특성이 느리면 자세제어루프 상의 시간지연이 커지고 그만큼 안정성 여유가 감소하게 된다.

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

KSLV-I 2단부 비행용 TVC 동특성 분석 및 선형모델 추정
Dynamic Analysis and Linear Model Estimation for Flight Model TVC System of KSLV-I Stage-II 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

KSLV-I 2단부 비행용 TVC 동특성 분석 및 선형모델 추정 Dynamic Analysis and Linear Model Estimation for Flight Model TVC System of KSLV-I Stage-II 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

KSLV-I 2단부 비행용 TVC 동특성 분석 및 선형모델 추정
Dynamic Analysis and Linear Model Estimation for Flight Model TVC System of KSLV-I Stage-II 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper