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문제 정의
- 관련 요구조건을 만족시키기 위해 장비 개발, 개선 및 검증 작업을 수행하였다. 본 논문에서는 발사환경 시험의 일부분인 진동시험을 위한 가진 시스템의 구축 및 검증과정을 소개하고자 한다.
- 본 논문에서는 정지궤도 위성의 진동환경시험을 위한 가진 시스템의 구성 및 검증 과정을 제시하였다. 수직 방향의 진동환경을 부가하기 위해 새롭게 개발된 시스템을 적용하였으며 구조모델의 환경시험을 통하여 시스템의 제어성능 및 안정성을 검증하였다.
- 제어 시스템에 대해서는 가진기와 연동하여 제어기법들의 적용성과 안정성에 대한 다양한 시험을 수행하였다. 이러한 과정들을 통해 정지궤도위성과 같은 대형위성의 진동환경 시험수행을 위한 관련 요구사항을 만족함을 검증하였다.
가설 설정
- 운동방향 모멘트(pich moment)의 경우, 그림 10과 같이 하중이 분포한다고 가정하고 계산할 수 있다. 베어링 시스템만을 고려하였을 경우, 최대 146.
제안 방법
- 1단계의 열특성 검증을 위하여 16개의 T-type 열전대를 슬립테이블 상면에, 4개를 주위에 외기 온도 측정을 위하여 설치하였다. 시험실에 외기는 섭씨 23도로 제어를 하였다.
- 가진 시스템의 제어를 위해 4개의 가속도 센서를 헤드익스펜더에 설치하여 검증시험을 수행하였다. 그림 12는 proto-flight level에서 제어센서의 주파수 응답함수를 나타낸다.
- 시험실에 외기는 섭씨 23도로 제어를 하였다. 가진기와 연결부를 분리하고 외기가 제어되는 상태에서 유압베어링용 펌프를 가동시키며 열전대의 신호를 계측하였다. 열평형 조건은 위성의 열평형 조건과 동일한 시간당 온도 변화 0.
- 횡방향의 움직임을 최대한 제어하고 안정된 수직방향의 진동을 부가하기 위해 새롭게 도입된 시스템으로 세계적으로도 최초로 시도하는 시스템이었다. 개발 시스템은 횡방향 움직임 제어 및 3m급 인터페이스를 제공하기 위해 3대의 독립 가진 시스템이 이용되었으며, 3대의 가진기를 단일 가진 시스템으로 활용하기 헤드익스펜더의 개발이 수행되었다. 이외에도 가진 시스템은 3대의 독립 가진 시스템을 동일한 위상으로 가진력을 발생하기위해 위상제어 시스템, 진동 시험시 발생하는 횡 하중을 상쇄하기위해 패드베어링을 이용한 가이던스 시스템, 가이던스 시스템의 지지 및 하중 전달 역할을 수행하는 지지 구조물 및 제진 블럭으로 구성되어 있다[4].
- 이를 위해 약 2톤의 통신해양기상위성의 구조모델을 대상으로 검증시험을 수행하였다. 검증시험은 위성의 동적특성 파악을 위한 low level survey (5~150 Hz, 2 oct/min, 0.12g), 로켓에 탑재시 작용하는 진동수준인 proto-flight level test (5~100Hz, 3 oct/min, 1.25g)로 구성되었다. 위성 주요 부분에서의 응답을 파악하기 위해 약 90 채널의 가속도 응답을 모니터링하였다.
- 우주환경시험팀에서는 정지궤도위성의 안전한 발사 환경시험을 위해서 공동 개발업체인 프랑스의 아스트리움사로부터 환경시험을 위한 설비의 요구조건을 받았다. 관련 요구조건을 만족시키기 위해 장비 개발, 개선 및 검증 작업을 수행하였다. 본 논문에서는 발사환경 시험의 일부분인 진동시험을 위한 가진 시스템의 구축 및 검증과정을 소개하고자 한다.
- 수평가진 시스템의 경우, 위성 인터페이스 치구의 특성으로 인하여 열특성 검증 및 알루미늄 인터페이스를 적용하는 안을 제시하였고, 이를 통하여 효과적으로 열 특성 검증을 수행하였다. 그리고 모멘트 성능을 이론적으로 계산하고 또한 대상물의 환경 조건 중 최대 가진 조건을 준정적(quasi-static test)를 통해서 구현하여 수평가진 시스템의 성능을 검증하였다. 제어 시스템에 대해서는 가진기와 연동하여 제어기법들의 적용성과 안정성에 대한 다양한 시험을 수행하였다.
- 앞에서 수행된 열평형 절차 확립을 바탕으로 실제 대상물에 작용하는 최대 하중 발생 조건의 시험을 통한 수평 가진기 검증 시험을 수행하였다. 대상물의 환경시험 조건 중 최대 가진 조건을 기준으로 1.82g(0-p), 9Hz quasi-static 시험 조건으로 결정하였다. 이 조건을 20회 연속하여 실시하였으며, 결과는 그림 18과 같다.
- 그림 4는 설계된 수직형 가진 시스템의 주요 구성요소 및 설계안을 나타낸다. 도출된 설계안과 해석을 통한 분석 작업을 거쳐 최종 설계가 확정되었으며, 이를 바탕으로 방진대 개선작업, 가진기 설치 작업, 지지 구조물 제작 및 설치, 헤드익스펜더 제작 및 설치, 시스템 얼라인먼트, 가이던스 시스템 설치 및 조정 작업이 수행되었다. 그림 5 ~ 그림 6은 수직형 가진 시스템의 설치 단계 및 설치완료 모습을 보여 준다.
- 첫 번째는 수직형 시스템과 같이 가진 입력의 균일성 및 횡방향 영향의 평가가 수행되었다. 두 번째로는 슬립 테이블의 굽힘 모멘트 지지능력 검증에 대한 시험이 수행되었다.
- 새롭게 구축된 가진 시스템의 운용성 및 대형 위성의 진동환경 시험을 위한 성능검증 작업을 수행하였다. 이를 위해 약 2톤의 통신해양기상위성의 구조모델을 대상으로 검증시험을 수행하였다.
- 본 논문에서는 정지궤도 위성의 진동환경시험을 위한 가진 시스템의 구성 및 검증 과정을 제시하였다. 수직 방향의 진동환경을 부가하기 위해 새롭게 개발된 시스템을 적용하였으며 구조모델의 환경시험을 통하여 시스템의 제어성능 및 안정성을 검증하였다. 수평가진 시스템의 경우, 위성 인터페이스 치구의 특성으로 인하여 열특성 검증 및 알루미늄 인터페이스를 적용하는 안을 제시하였고, 이를 통하여 효과적으로 열 특성 검증을 수행하였다.
- 앞에서 수행된 정지궤도위성의 진동시험을 위한 시스템 요구사항 분석을 바탕으로 그림 3과 같이 가진 시스템의 개선방향을 설정하였다. 수직방향의 진동시험과 관련해서는 발사체와 같이 대형화된 구조물의 안정적인 진동시험을 위해 구축 중인 수직형 가진 시스템의 설계 및 제작을 위성시험이전에 수행하기로 결정하였다. 수평가진 시스템에 대해서는 슬립테이블에 사용된 베어링의 하중특성을 이용하여 최대 모멘트 지지능력을 계산하고 구조모델을 이용하여 이를 검증하기로 하였다.
- 수직방향의 진동시험과 관련해서는 발사체와 같이 대형화된 구조물의 안정적인 진동시험을 위해 구축 중인 수직형 가진 시스템의 설계 및 제작을 위성시험이전에 수행하기로 결정하였다. 수평가진 시스템에 대해서는 슬립테이블에 사용된 베어링의 하중특성을 이용하여 최대 모멘트 지지능력을 계산하고 구조모델을 이용하여 이를 검증하기로 하였다. 제어 및 데이터 습득 장치에 대해서는 현재 세계적인 위성 시험시설에서 사용되는 시스템에 대한 조사 및 프로그램에 대한 예비 테스트를 거쳐 제어시스템의 선택 및 확장을 수행하기로 하였다.
- 수직 방향의 진동환경을 부가하기 위해 새롭게 개발된 시스템을 적용하였으며 구조모델의 환경시험을 통하여 시스템의 제어성능 및 안정성을 검증하였다. 수평가진 시스템의 경우, 위성 인터페이스 치구의 특성으로 인하여 열특성 검증 및 알루미늄 인터페이스를 적용하는 안을 제시하였고, 이를 통하여 효과적으로 열 특성 검증을 수행하였다. 그리고 모멘트 성능을 이론적으로 계산하고 또한 대상물의 환경 조건 중 최대 가진 조건을 준정적(quasi-static test)를 통해서 구현하여 수평가진 시스템의 성능을 검증하였다.
- 슬립테이블의 검증이전에 시스템에 작용하는 하중과 이로 인하여 발생되는 굽힘 모멘트의 계산이 선행되었다.
- 앞에서 수행된 열평형 절차 확립을 바탕으로 실제 대상물에 작용하는 최대 하중 발생 조건의 시험을 통한 수평 가진기 검증 시험을 수행하였다. 대상물의 환경시험 조건 중 최대 가진 조건을 기준으로 1.
- 자동 노칭은 위성의 주요 탑재체에 설치된 가속도계로부터의 응답을 계속적으로 모니터링하여 설정 하중 이하로 입력이 부가 되도록 자동적으로 가진기의 입력을 추가적으로 제어하는 기법이다. 여러 개의 노칭 채널이 동시에 해당되었을 때 제어로직이 작동하는지에 대한 검증이 수행되었다. 구조모델의 해석을 기반으로 제어를 수행하였으나 구조물의 특성상 최대 2개 채널의 노칭이 동시에 작용하는 것을 확인할 수 있었고 이에 대한 제어를 원활하게 수행하는 것을 검증하였다.
- 25g)로 구성되었다. 위성 주요 부분에서의 응답을 파악하기 위해 약 90 채널의 가속도 응답을 모니터링하였다. 그림 11은 수직형 가진 시스템 검증을 위해 위성의 구조모델을 설치한 모습을 나타낸다.
- 또한 가진기 작동 중에도 온도 변화를 확인하여 시험 중에 열평형 변화 여부의 확인이 필요하다. 이를 위하여 마그네슘 슬립테이블에 진동시험용 스틸 고정 구조물 사용을 위하여 아래와 같은 단계로 그림 17과 같이 열특성 검증을 실시하였다.
- 수평가진 시스템에 대해서는 슬립테이블에 사용된 베어링의 하중특성을 이용하여 최대 모멘트 지지능력을 계산하고 구조모델을 이용하여 이를 검증하기로 하였다. 제어 및 데이터 습득 장치에 대해서는 현재 세계적인 위성 시험시설에서 사용되는 시스템에 대한 조사 및 프로그램에 대한 예비 테스트를 거쳐 제어시스템의 선택 및 확장을 수행하기로 하였다.
- 그리고 모멘트 성능을 이론적으로 계산하고 또한 대상물의 환경 조건 중 최대 가진 조건을 준정적(quasi-static test)를 통해서 구현하여 수평가진 시스템의 성능을 검증하였다. 제어 시스템에 대해서는 가진기와 연동하여 제어기법들의 적용성과 안정성에 대한 다양한 시험을 수행하였다. 이러한 과정들을 통해 정지궤도위성과 같은 대형위성의 진동환경 시험수행을 위한 관련 요구사항을 만족함을 검증하였다.
- 수평가진 시스템에 대해서는 두 가지 측면에서 가진 시스템의 검증이 수행되었다. 첫 번째는 수직형 시스템과 같이 가진 입력의 균일성 및 횡방향 영향의 평가가 수행되었다. 두 번째로는 슬립 테이블의 굽힘 모멘트 지지능력 검증에 대한 시험이 수행되었다.
- 제어시스템에 대한 검증분야는 세 가지 분야에 걸쳐 수행되었다. 첫째 4개의 가진기 제어센서들의 최대값을 이용하여 제어하는 최대값 제어로직(Maximum control strategy)의 적용, 둘째 동시에 3개 채널에 대한 자동 노칭기법의 적용 및 제어 가능성, 셋째 갑작스런 인위적인 제어 중단시 위성에 충격하중을 부가하지는 않는지에 대한 검증작업이 수행되었다.
대상 데이터
- 그림 19는 새롭게 구축된 제어 및 계측 시스템의 구성을 나타낸다. 32채널의 실시간 제어가 가능한 제어 시스템과 300채널의 가속도 응답을 동시에 계측할 수 있는 데이터 저장장치로 구성된다.
- 새롭게 구축된 가진 시스템의 운용성 및 대형 위성의 진동환경 시험을 위한 성능검증 작업을 수행하였다. 이를 위해 약 2톤의 통신해양기상위성의 구조모델을 대상으로 검증시험을 수행하였다. 검증시험은 위성의 동적특성 파악을 위한 low level survey (5~150 Hz, 2 oct/min, 0.
성능/효과
- 가진 시스템의 입력 불균일성에 의한 위성의 위험을 줄이기 위해 사용되는 최대값 제어로직의 검증은 구조모델의 위성이 장착된 상태에서 수행되었으며 그림 20과 같이 4개 센서의 최대값을 이용하여 제어함을 확인할 수 있었다.
- 특정 주파수 영역에서 요구조건인 20%를 넘는 것으로 관찰되나, 이 부분의 경우 위성의 모드에 의한 것으로 가진 레벨 또한 매우 작은 것으로 분석되었다. 결과에 의하면 전 주파수 영역에서 cross axis response 요구 조건인 20% 이내에 존재함을 확인할 수 있었다.
- 여러 개의 노칭 채널이 동시에 해당되었을 때 제어로직이 작동하는지에 대한 검증이 수행되었다. 구조모델의 해석을 기반으로 제어를 수행하였으나 구조물의 특성상 최대 2개 채널의 노칭이 동시에 작용하는 것을 확인할 수 있었고 이에 대한 제어를 원활하게 수행하는 것을 검증하였다. 그림21은 두 채널에 대한 노칭을 순차적으로 바꿔가면서 제어하는 것을 나타낸다.
- 수직방향의 진동을 부가하기 위해서는 지름 2m 크기의 헤드익스펜더가 추가적으로 설치되며 이 부분에는 횡방향의 움직임을 제어하는 장치가 설치되어 있다. 그러나 시험 대상체의 높은 무게 중심과 질량으로 인하여 횡 방향 응답 수준(cross axis response)이 약 100% 까지 도달할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 가진기 제어 시스템이 노후화되어 정확한 제어를 위해서는 소프트웨어의 교체 및 채널의 확장이 요구되었다.
- 시험 전 후로 슬립테이블의 온도 및 마찰력이 변화 없음을 확인하였으며, 이를 통하여 수평가진 시스템의 모멘트 성능을 검증하였다.
- 가진기와 연결부를 분리하고 외기가 제어되는 상태에서 유압베어링용 펌프를 가동시키며 열전대의 신호를 계측하였다. 열평형 조건은 위성의 열평형 조건과 동일한 시간당 온도 변화 0.125도 미만이며 16개의 측정점 모두에서 이 조건을 만족할 때 열평형에 도달함을 확인할 수 있었다. 유압 펌프의 가동 시작부터 평형 시까지의 온도 변화는 평형에 도달하는데 약 20시간이 걸렸으며, 슬립테이블의 온도는 섭씨 33 ~ 40도로 분포하였다[5].
- 그림 12는 proto-flight level에서 제어센서의 주파수 응답함수를 나타낸다. 위성의 주요 모드를 제외한 영역에서 입력 응답의 균일성(uniformity)이 +/- 1dB 이내에 존재하는 것을 확인할 수 있다. 그림 14는 대표적인 제어센서의 주파수 응답과 가진 레벨을 나타낸 것으로 가진 방향과 가진 방향 이외의 응답특성을 확인할 수 있다.
- 이를 검증하기 위해 위성 주요부분에 설치된 가속계의 타임 신호를 기록한 상태에서 비상스위치를 통한 인위적인 시스템 중단을 수행하였으며 결과는 그림 22와 같다. 일정한 하중이 부가되는 중 시스템 중단버튼을 누르자 가진 레벨을 줄여가면서 위성에 충격이 부가되지 않도록 제어하는 것을 검증할 수 있었다.
- 진동시험시 구조물의 응답 신호를 계측하고 분석하는 계측시스템(Data acquisition system)의 경우 100 채널로 요구조건인 약 270 채널을 만족시키기에는 부족하였다. 진동시험에서 위성의 안전을 위해 가장 중요한 요소인 가진 시스템 제어성능 관련해서는 진동을 부가해 주는 가진 시스템이 관련 요구조건을 만족시킬 수 없는 것으로 분석되었다. 수직방향의 진동을 부가하기 위해서는 지름 2m 크기의 헤드익스펜더가 추가적으로 설치되며 이 부분에는 횡방향의 움직임을 제어하는 장치가 설치되어 있다.
- 7 kNm의 모멘트를 지지할 수 있다. 추가적으로 유막(oil film)에 의한 효과를 추가적으로 고려하면 최대 약 200 kNm 모멘트 지지능력이 있는 것으로 계산되어 시험 요구조건을 만족하나 설계 마진은 크지 않은 것으로 판단되었다.
- 그림 14는 대표적인 제어센서의 주파수 응답과 가진 레벨을 나타낸 것으로 가진 방향과 가진 방향 이외의 응답특성을 확인할 수 있다. 특정 주파수 영역에서 요구조건인 20%를 넘는 것으로 관찰되나, 이 부분의 경우 위성의 모드에 의한 것으로 가진 레벨 또한 매우 작은 것으로 분석되었다. 결과에 의하면 전 주파수 영역에서 cross axis response 요구 조건인 20% 이내에 존재함을 확인할 수 있었다.
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