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문제 정의
- 본 연구개발의 핵심적 기술 사항은 프레임이 없는 모노코크구조의 복합재위성 구조체의 개발이다. 이러한 구조를 위하여 I-자형 인서트를 새롭게 개발하여 적용하였다.
- 본 절에서는 과기3호 복합재 구조체를 제작하는 방법과 절차를 소개한다. 복합재의 제작은 기본적으로 여러 단계를 통해 제작되며 일반적으로 재단과 경화의 과정을 거치게 된다.
- 샌드위치패널의 스킨은 USN150을 [0/90]S 의 적층각도로 적층한 것과 USN150-URN300 -USN150의 순서로 [0/90/0]의 각도로 적층된 두 가지 종류가 혼합되어 사용되었다. 이것은 구조적 강성 및 열전달로 인한 전체 구조의 열평형 측면에서 최적의 상태를 구현하기 위하여 선택되었다. 즉 URN300은 열전달이 매우 잘되는 복합재이며 USN150은 열전달특성이 상대적으로 낮다.
제안 방법
- 5MPa에서 강도가 거의 한계점에 달하지만 어느 정도의 산포를 나타내었다. 0.6MPa일 때는 이러한 산포가 인증수준이하로 줄어들었기 때문에, 실제제작에서는 0.6MPa 정도의 하중을 가하여 제작하였다. Fig.
- FEA 해석을 위한 모델링에서는 퇴화 셀요소, 빔요소, 솔리드요소, 강체요소, 집중질량요소를 사용하여 모델링 하였다. 전체요소 수는 73728개이며 샌드위치패널의 모델링에는 적층 셀요소가 적용되었고, 인서트와 볼트의 체결체는 빔요소, 내부의 전장박스는 집중질량요소로 대체 되었다.
- 우주용 복합재 샌드위치 패널의 제작, 프레임이 없는 모노코크 구조, I-자형사이드 인서트 적용 등이 새롭게 시도된 기술이며 성공적으로 개발을 완료하였다. 개발하는 동안 CAE해석과 시험을 병행하면서 설계의 안전성과 신뢰성을 검토 하였다. 과기3호 구조체는 개발초기의 설계요구조건을 만족하도록 개발되었으며 개발하면서 획득된 설계기술은 차후 위성개발의 중요한 자료로 활용 될 수 있다.
- 결합 방법 및 기술에 따라서 전체 구조체의 강성이 결정되며 이것은 더 나아가 위성 설계의 승패를 결정한다. 과기3호 구조체는 샌드위치 패널간 결합을 위하여 원형 타입의 홀 인서트와 I-자형 사이드 인서트를 적용하였다. Fig.
- 허니컴 샌드위치패널의 강성을 시험하는 방법은 여러 가지가 있다[7,8]. 기본적인 굽힘, 좌굴, 필링 항목뿐만 아니라 적용된 각종 인서트의 강성 시험도 수행하였다. 패널로 형성된 격자형 구조에서 가장 취약한 부분이 Fig.
- 따라서 사이드 인서트는 위성전체의 하중흐름의 경로가 될 뿐만 아니라 외력에 대한 변위의 정도를 결정하는 중요한 요소이므로 정확한 위치에 충분한 강성을 가질 수 있도록 단단하게 부착한다. 독립적으로 분리된 사이드 인서트의 정확한 위치 결정을 위하여 부가적인 지그를 사용하여 제작하였다. 각 패널들은 M4 볼트로 서로 채결되었으며 Fig.
- 랜덤진동해석은 스팩트럼해석의 일종이며 주파수 응답해석으로서 시간의존적 해석과는 다르며 지진과 같은 불규칙한 진동 및 해석시간이 많이 걸리는 짧은 시간간격에서의 해석을 요구하는데 특히 유효하다. 랜덤 스팩트럼해석은 기본적으로 모드를 중첩하여 해를 구하며, 감쇠를 고려하여 응답을 구하였다. 랜덤진동을 해석에 사용한 감쇠값은 재료의 주파수별 감쇠값을 일일이 구하지 않고 진동시험을 통해서 전체구조의 감쇠 값을 구해서 사용하였다.
- 랜덤 스팩트럼해석은 기본적으로 모드를 중첩하여 해를 구하며, 감쇠를 고려하여 응답을 구하였다. 랜덤진동을 해석에 사용한 감쇠값은 재료의 주파수별 감쇠값을 일일이 구하지 않고 진동시험을 통해서 전체구조의 감쇠 값을 구해서 사용하였다.
- 설계 요구조건으로 주어진 진동시험 기준에 따라 진동시험을 수행하였다. Fig.
- 과기 3호의 경우 열코팅을 이용한 수동적 열제어가 주로 사용되며, 열해석을 통하여 사용될 열코팅의 종류가 결정되었다. 열평형 시험모델에 이를 반영하여 시험을 수행하였다.
- 열평형 시험시 내부의 각종 전장박스들은 동일한 무게의 알루미늄 더미로 대체되었으며, 각 전장박스의 발열을 모사하기 위하여 히터를 각 위치에 부착, 예상되는 발열량을 부과한 후 정상 상태에 도달하는 동안의 온도변화를 측정하였다.
- 1은 과기3호의 형상을 나타낸다. 외부 패널로 육면체 박스 형태를 구성하고 내부에 횡방향과 종방향의 칸막이 패널을 첨가하여 격자 형태로 나누고 각각의 공간에 전장박스 및 장치들을 장착하였다. 기존에 개발된 과기1호와 2호의 경우는 전부 알루미늄프레임에 알루미늄 샌드위치 패널을 부착한 구조로 되어있다.
- 위성의 진동특성을 가장 잘 나타낼 수 있도록 하기위하여, 총 41개의 가속도센서가 위성의 중요 위치에 부착되었다. 위성의 동적 설계 요구조건은 발사체의 종류에 따라 상이하며 여기서는 첫 번째 고유치가 횡방향 20Hz, 축방향 35Hz 이상을 설계 기준으로 정했다. Fig.
- 15에 나타난 진동 시험 모델과 무게 및 사이즈가 거의 동일한 모델이다. 이 모델을 사용하여 모달해석과 랜덤 진동해석을 수행 하였다. 해석결과는 앞장에서 설명한 진동시험 결과와 비교되었다.
- 본 연구개발의 핵심적 기술 사항은 프레임이 없는 모노코크구조의 복합재위성 구조체의 개발이다. 이러한 구조를 위하여 I-자형 인서트를 새롭게 개발하여 적용하였다. 기존에 개발된 복합재 위성들은 전체 프레임 혹은 패널의 옆면에 프레임을 가지고 있으며, 순수 패널만으로 복합재 구조체를 제작한 것은 과기3호가 처음이다.
- 지상에서 제작된 위성은 발사전 반드시 환경시험을 거쳐야 한다. 제작된 구조체의 설계의 신뢰성을 검증하기 위하여 Fig. 13의 복합재구조체에 더미 전장 박스 및 탑재체를 부착하여 진동시험과 열평형 시험을 실시하였다.
- 진동시험은 x, y, z, 3축에 대하여 각각 수행되었고 Ling Electronics(1216VH)의 전자식 가진기로 시험 하였다. 위성의 진동특성을 가장 잘 나타낼 수 있도록 하기위하여, 총 41개의 가속도센서가 위성의 중요 위치에 부착되었다.
- 다수의 패널로 박스형태의 공간을 만들고 이 공간에 각종 장치들이 장착된다. 패널의 결합만으로 충분한 강성을 유지하기 위하여 I-자형 사이드 인서트를 새롭게 개발하여 적용하였고, 볼트 체결을 위한 인서트를 고정하기위하여 Stycast (1090: Hitek) 레진과, FM410-1 (Cytec) 폼 접착제를 사용하였다.
- 해석 및 진동시험의 정확성을 검증하기 위해서 두 결과를 서로 비교 하였다. Table 2는 서로 비교한 데이터를 나타낸다.
대상 데이터
- 복합재는 열에 대한 안정성뿐만 아니라 비강도, 비강성이 크기 때문에 경량화를 추구하는 위성체 구조에 많이 적용된다. 버스구조를 형성하는 기본 패널은 USN150, URN300 (SK Chemical: Korea)의 프리프래그(prepreg)를 필름 접착재 FM 300M (Cytec, USA)으로 알루미늄코어 (AL5052: Alcore, USA)의 양면에 부착한 하이브리드 복합재 샌드위치 패널이다. 이 뼈대로 프레임이 없는 전체 구조의 하중을 지지한다.
- 6과 같은 시험을 다수 수행하여 그 평균적인 값을 기준으로 삼았다. 사용된 접착제의 종류와 양에 따라 pull-out 강도는 다르게 되며 시험에 사용된 접착제는 Stycast 1090 (Hitek, UK)와 폼 접착제 FM410-1 (Cytec, USA)이다. Stycast가 FM410-1보다 높은 강성을 나타냈으며 약 4.
- 샌드위치 복합재 패널에는 홀 인서트와 사이드 인서트의 두 가지 종류가 사용되었다. 홀 인서트의 접착에는 FM410-1 폼 접착제와 Stycast 1090 에폭시 레진이 같이 사용되었다.
- 기존에 개발된 과기1호와 2호의 경우는 전부 알루미늄프레임에 알루미늄 샌드위치 패널을 부착한 구조로 되어있다. 샌드위치패널의 스킨은 USN150을 [0/90]S 의 적층각도로 적층한 것과 USN150-URN300 -USN150의 순서로 [0/90/0]의 각도로 적층된 두 가지 종류가 혼합되어 사용되었다. 이것은 구조적 강성 및 열전달로 인한 전체 구조의 열평형 측면에서 최적의 상태를 구현하기 위하여 선택되었다.
- 시편의 크기는 L80mm×W50mm×T21mm이며, Fig. 4(c)는 하중-변위 그래프를 나타낸다.
- 따라서 위성전체의 열설계 측면에서 많은 해석과 시험을 통해서 서로 조합하여 사용하는 설계를 택했다. 알루미늄 코어 및 USN150의 두께는 각각, 20mm, 0.125mm 이다.
- 3에 I-자형 사이드 인서트와 원형타입의 홀 인서트(circular hall insert)를 사용하여 패널을 결합하는 방법을 나타내었다. 인서트의 재질은 알루미늄이며 인서트끼리의 체결에는 볼트를 사용하였다.
- FEA 해석을 위한 모델링에서는 퇴화 셀요소, 빔요소, 솔리드요소, 강체요소, 집중질량요소를 사용하여 모델링 하였다. 전체요소 수는 73728개이며 샌드위치패널의 모델링에는 적층 셀요소가 적용되었고, 인서트와 볼트의 체결체는 빔요소, 내부의 전장박스는 집중질량요소로 대체 되었다. 해석에서는 상용 FEA 해석 소프트웨어인 NX-IDEAS 와 NASTRAN을 사용하였다.
- 샌드위치 복합재 패널에는 홀 인서트와 사이드 인서트의 두 가지 종류가 사용되었다. 홀 인서트의 접착에는 FM410-1 폼 접착제와 Stycast 1090 에폭시 레진이 같이 사용되었다.
이론/모형
- 전체요소 수는 73728개이며 샌드위치패널의 모델링에는 적층 셀요소가 적용되었고, 인서트와 볼트의 체결체는 빔요소, 내부의 전장박스는 집중질량요소로 대체 되었다. 해석에서는 상용 FEA 해석 소프트웨어인 NX-IDEAS 와 NASTRAN을 사용하였다.
성능/효과
- 각 위치에서의 응답값이 매우 정확하게 일치함을 알 수 있다. 랜덤진동해석에 사용된 모드수는 저차부터 50개이며, 고주파수에서는 해석값과 시험값에 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은 구조체 운동에 지배적인 역할을 하는 저차의 50개 모드만 사용을 했기 때문에 고차모드의 기여도가 반영되지 않았기 때문이다.
- 18은 각 전장박스의 위치에 부착된 온도 센서로부터 수집한 온도 변화 그래프이다. 시험 결과로부터 위성의 외곽패널의 온도는 약 최소 -100℃에서 최대 20℃의 분포를 나타냈으며, 내부 더미박스의 온도 분포는 최소 약 -70℃에서 약 30℃정도로 측정되었다. -70℃로 과도하게 내려간 경우는 히터의 오작동으로 인한 것이다.
- -70℃로 과도하게 내려간 경우는 히터의 오작동으로 인한 것이다. 열평형 시험결과는 열해석 모델과 비교검증 되었으며 구조체의 열전달 특성 계수가 수정 보완되었다.
- 약 40Hz에서 x-축방향의 첫 번째 굽힘모드가 있음을 알 수 있다. 진동시험 후 구조체의 파손여부가 발견되지 않았으며 진동시험 결과에서도 구조체 파괴에 대한 어떤 증상도 발견되지 않았다.
후속연구
- 개발하는 동안 CAE해석과 시험을 병행하면서 설계의 안전성과 신뢰성을 검토 하였다. 과기3호 구조체는 개발초기의 설계요구조건을 만족하도록 개발되었으며 개발하면서 획득된 설계기술은 차후 위성개발의 중요한 자료로 활용 될 수 있다.
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