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반작용휠 및 휠 교란 모델링에 관한 해석적 연구
Numerical Study on a Reaction Wheel and Wheel-Disturbance Modeling 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.38 no.7, 2010년, pp.702 - 708  

김대관 (한국항공우주연구원 위성제어팀) ,  오시환 (한국항공우주연구원 위성제어팀) ,  용기력 (한국항공우주연구원 위성제어팀) ,  양군호 (한국항공우주연구원 통해기체계팀)

초록
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반작용휠의 경우 위성 탑재체에 영향을 미치는 가장 큰 고주파수 교란 중 하나로 평가되고 있다. 위성의 높은 지향-안정성 보장과 영상품질 향상을 위해서 이러한 진동원들에 대한 진동저감장치의 적용이 요구되고 있다. 따라서 효과적 진동저감장치 개발을 위해서는 반작용휠의 정확한 휠/교란 모델링이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 반작용휠 구조모델과 교란에 대한 모델링 기법에 대해서 기술하였다. 해석적 휠 및 교란모델을 이용하여 플라이휠의 구동에 의해 발생하는 교란력을 계산하였다. 휠의 교란력에 대한 주파수 특성을 이용하여 휠/교란 모델 변수들의 추정기법을 제시하였으며, 모델링 기법의 정확성을 해석적으로 검증하였다. 또한, 다양한 교란력 계수 추정법을 비교하여 본 연구에서 제시한 휠 및 교란 모델링 기법의 필요성을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제시한 휠 및 교란 모델링 기법은 휠 진동저감 장치의 개발에 유용한 모델로 활용될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Reaction wheel assemblies(RWA) are expected to be one of the largest high frequency disturbance sources to the optical payload of satellites. To ensure the tight pointing-stability budget and high image quality of satellites, a vibration isolation device should be applied to the main disturbances. F...

주제어

#반작용 휠   #미소진동   #휠 모델   #교란 모델   #전달력  

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

문제 정의

  • 본 연구에서는 해석적 반작용휠 모델을 이용한 휠 및 교란 모델링 기법에 대한 연구를 수행하였다. 반작용휠의 구조모드를 고려하여 전달력을 해석하였으며, 공진주파수 영역에서의 구조공진에 의한 전달력 증폭과 공진주파수 이후의 전달력 감소를 확인할 수 있었다.

가설 설정

  • 앞서 언급한 바와 같이, 식 (7)로 계산된 전달력을 시험으로부터 측정한 교란력으로 가정하고 휠 및 교란 모델링을 수행하였다.
  • 예제로서 사용된 반작용휠 모델은 병진 및 회전 자유도에 대하서 Lateral mode와 Whirl mode를 가지며, 주요 물성치는 Table 1에 나타난 것과 같이 가정하였다.
  • 휠 구동에 의해 발생하는 조화가진력 모델의 배수(hi)와 계수(Ci)는 Table 2에 나타나 있는 것과 같이 Ithaco E-Wheel[8]의 조화가진력 정보를 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
정밀관측위성에 요구되는 것은 무엇인가? 최근 개발되고 있는 우주기반 관측위성들의 경우 고정밀 광학탑재체를 장착하고 있다. 이러한 정밀관측위성들에서는 수 milli-arcsecond의 높은 수준의 지향정밀도 및 안정성이 요구되고 있으며[1], 또한 탑재체의 영상풀질 예측 및 향상을 위해서 고주파수 영역에 해당하는 진동원들에 대한 진동저감장치의 적용과 다양한 지터(Jitter) 해석[2,3]이 요구되고 있다.
반작용휠의 미세진동을 발생시키는 주요 원인은 무엇인가? 위성의 다양한 진동원들 중에서 위성의 자세 제어를 위해 사용되는 반작용휠은 가장 큰 미세 진동을 발생시키는 진동원 중 하나로 평가되고 있다. 반작용휠의 미세진동을 발생시키는 주요원인으로는 플라이휠(flywheel)의 불균형에 의한 정적 및 동적 가진과 베어링의 불규칙성에 의해 발생하는 조화가진(harmonic excitation)을 들 수 있다[4]. 따라서 이러한 넓은 주파수 영역에 효과 적인 진동저감장치를 개발하기 위해서는 반작용 휠의 정확한 휠/교란 모델링이 선행되어야 한다.
반작용휠의 휠 교란은 무엇으로 표현할 수 있는가? 반작용휠의 구동에 의해 발생하는 교란은 정적 및 동적 불균형에 의한 교란과 고주파 교란의 조합으로 표현할 수 있다. 특히 고주파 교란의 경우 휠의 회전속도에 대한 정수배 또는 비정수배의 조화가진으로 나타난다.
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참고문헌 (12)

  1. Liu, K., Maghami, P., and Blaurock, C., 2008, "Reaction Wheel Disturbance Modeling, Jitter Analysis, and Validation Tests for Solar Dynamics Observatory", AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, pp. 6280-7404. 

  2. Doyle, K. B., Genberg, V. L., and Michels, G. J., Integrated Optomechanical Analysis, The International Society for Optical Engineering (SPIE), 2002. 

  3. Holst, G. C., Electro-Optical Imaging System Performance, JCD Publishing and The International Society for Optical Engineering (SPIE), 2003. 

  4. Masterson, R. A., Miller, D. W., and Grogan, R. L., 1999, "Development of Empirical and Analytical Reaction Wheel Disturbance Models", AIAA 40th Structural Dynamics and Materials Conference, AIAA-99-1024. 

  5. 전동익, 서윤경, 오화석, 2002, "위성 자세 안정성 분석을 위한 반작용휠 외란의 실험적 모델링 ", 한국항공우주학회 추계학술발표회, pp. 711-714. 

  6. 오시환, 이승우, 2002, "인공위성 반작용휠의 미소진동 측정, 해석 및 저감 기술", 한국항공우주학회지, Vol. 30, No. 8, pp. 126-132. 

    원문보기 상세보기 crossref

  7. 오시환, 이선호, 임조령, 최홍택, 용기력, 2008, "반작용휠과 구조모델의 진동간섭 영향 검증 시험", 한국항공우주학회 추계학술발표회, pp. 1431-1434. 

  8. de Weck, O., 1998, "Reaction Wheel Disturbance Analysis", MIT SSL Memo. 

  9. Masterson, R. A., and Miller, 1999, "Development and Validation of Empirical and Analytical Reaction Wheel Disturbance Models", Thesis of Master Degree at MIT. 

  10. Masterson, R. A., Miller, D. W., and Grogan, R. L., 2002, "Development and Validation of Reaction Wheel Disturbance Models: Empirical Model", Journal of Sound and Vibration, Vol. 249, No. 3, pp. 575-598. 

    상세보기 crossref

  11. Ehrich, F. F, "Handbook of Rotordynamics", McGraw-Hill, 1992. 

  12. 김대관, 2009, "시험 데이터를 이용한 반작 용휠 모델링 및 수직편차가 미소진동 해석에 미치는 영향", KARI-SCT-TN-2009-006. 

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