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문제 정의
- 본 논문은 현재 개발중인 제논연료공급장치의 정밀하고 넓은 범위에서의 유량제어방법에 대한 내용을 기술하고, 시스템 통합조립 및 성능 검증 시험내용을 다루고 있다.
제안 방법
- 시스템의 보정 및 성능시험은 고순 도의 질소가스를 사용하였으며, 배압이 대기압인 상태에서 수행되었다. 120 bar로 충전한 상태에서 장시간 압력을 측정함으로써 기밀유지성능을 재차 확인하였다.
- SEM분석을 통해 선정된 오리피스를 XFU의 유량조절부에 장착하여 보정시험을 수행하였다. 대기압과 공급압력은 시스템에 장착된 압력센서들을 통해 측정하였으며, 질량유량계(Mass Flow Meter)을 활용하여 유량을 측정하였다.
- 각 구성품들간의 연결은 오비탈용접(Orbital weld)을 적용하였으며, 시편의 시험을 통해 내압과 균열상태를 검증하였다. 본 용접 기법은 시스템 내부에 일정량의 고순도 아르곤가스를 주입해 주어야 완전한 성능을 낼 수 있으므로 가스의 주입양과 속도를 정확하게 제어하여야 한다.
- 압력의 정밀도에 따라 유량조절 성능이 결정되기 때문에 센서의 출력신호를 정밀하게 분석 하여 보정을 수행하였다. 고압과 저압부에 장착되어있는 압력센서들과 유량측정계의 신호는 NI-DAQ장치를 사용하여 PC에 저장되며, 밸브 및 주요 구간의 온도는 T-type TC를 부착하여 측정하였다. 시스템의 보정 및 성능시험은 고순 도의 질소가스를 사용하였으며, 배압이 대기압인 상태에서 수행되었다.
- SEM분석을 통해 선정된 오리피스를 XFU의 유량조절부에 장착하여 보정시험을 수행하였다. 대기압과 공급압력은 시스템에 장착된 압력센서들을 통해 측정하였으며, 질량유량계(Mass Flow Meter)을 활용하여 유량을 측정하였다. 작동가스는 고순도의 질소가스를 사용하였으며, 온도는 XFU 의 XST에서 측정하였다.
- 압력센서의 신호를 통해서 축압탱크의 압력을 조절하게 되므로 정밀한 측정이 가능한 센서가 필요하다. 본 시스템은 3개의 정밀한 압력센서를 한 채널에 구성되어 평균값을 통해 압력을 측정하게 된다. 센서의 이상이 발생하였을 경우 이상이 있는 센서를 제외한 나머지 센서의 평균값을 취하는 방식으로 중복성(Redundancy)을 두었다.
- 본 시스템은 연료저장탱크로부터 고정면적의 오리피스를 통해 차단밸브를 개방하여 저압부 축압탱크에 연료를 유입시킴으로서 압력조절을 조절하게 된다. 이때 공급되는 유량은 오리피스의 크기와 저장되어있는 연료의 압력에 따라 달라지게되는데 시험을 통해 적절한 오리피스의 크기와 밸브 조절시간을 결정하게 된다.
- 본 시스템은 3개의 정밀한 압력센서를 한 채널에 구성되어 평균값을 통해 압력을 측정하게 된다. 센서의 이상이 발생하였을 경우 이상이 있는 센서를 제외한 나머지 센서의 평균값을 취하는 방식으로 중복성(Redundancy)을 두었다.
- 이를 통해 오리피스가 노즐의 형상을 이루고 있음을 재차 확인할 수 있었으며, 오리피스의 유량계수를 계산할 수 있었다[6]. 시스템에서는 임계점 이상의 압력을 적용하여 사용할 수 있도록 오리피스크기를 선정하였다.
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2.3 시스템 조립 및 시험
시스템의 무게를 줄이기 위해 알루미늄 하니콤(Honeycomb)바닥판을 사용하여 부품을 고정 하였으며, 조립시에 사용되는 용접헤드(Weld head)의 적용범위를 고려하여 부품을 배치하였다. 연료의 충전 및 배출부는 부품의 제약조건을 고려하여 1/4 inch SUS tube로 연결하였고, 그외의 구성품은 유량이 작고 유속이 낮아 1/8 inch SUS tube로 연결하였다.
- 고압과 저압부에 장착되어있는 압력센서들과 유량측정계의 신호는 NI-DAQ장치를 사용하여 PC에 저장되며, 밸브 및 주요 구간의 온도는 T-type TC를 부착하여 측정하였다. 시스템의 보정 및 성능시험은 고순 도의 질소가스를 사용하였으며, 배압이 대기압인 상태에서 수행되었다. 120 bar로 충전한 상태에서 장시간 압력을 측정함으로써 기밀유지성능을 재차 확인하였다.
- 시스템의 부피를 감소하고 조립시 어려움을 줄이기 위해 주요 구성품들을 모듈화 하여 배치와 조립을 수행하였다. Fig.
- 4와 같은 구성을 통해 시험을 진행하였다. 압력의 정밀도에 따라 유량조절 성능이 결정되기 때문에 센서의 출력신호를 정밀하게 분석 하여 보정을 수행하였다. 고압과 저압부에 장착되어있는 압력센서들과 유량측정계의 신호는 NI-DAQ장치를 사용하여 PC에 저장되며, 밸브 및 주요 구간의 온도는 T-type TC를 부착하여 측정하였다.
- 시스템의 무게를 줄이기 위해 알루미늄 하니콤(Honeycomb)바닥판을 사용하여 부품을 고정 하였으며, 조립시에 사용되는 용접헤드(Weld head)의 적용범위를 고려하여 부품을 배치하였다. 연료의 충전 및 배출부는 부품의 제약조건을 고려하여 1/4 inch SUS tube로 연결하였고, 그외의 구성품은 유량이 작고 유속이 낮아 1/8 inch SUS tube로 연결하였다.
- 우주 추진용 전기추력기의 서브시스템으로 제논연료공급장치의 제작 및 성능시험이 진행 되었다. 지상시험모델의 개발 경험을 토대로 우주환경에 적용이 가능한 시스템으로의 개발을 목표로하고 있으며, 이에 대하여 첫째로 고진공 환경에 서의 저장성을 높이기 위해 용접을 적용하여 기밀 유지성능을 확인하였다.
- 유량의 정밀도를 높이기 위해 고정면적의 오리피스와 공급압력조절 방식을 적용하여 시스템을 구현한 결과 오차율을 1 %이하로 줄일 수 있었다. 임무에 따라서는 연료의 유량을 넓은 범위에서 조절하여야 하므로 축압탱크의 압력을 변화시킴으로써 유량을 조절할 수 있도록 시스템을 구현하였다. 우주공간에서 부품의 고장은 수정이 불가능한 점을 고려하여 중복성(Redundancy)을 두기도 하는데[7], 본 시스템에서는 두 채널사이에 밸브를 추가함으로써 간단하게 구현할 수 있었다.
- 조립이 완성된 후 시스템 내부의 청정도 검사를 통해 잔류된 오염물을 제거하였으며, 질소가스를 활용하여 120 bar의 내압 충전시험을 통해 내구성 및 기밀유지성능을 검증하였다.
- 우주 추진용 전기추력기의 서브시스템으로 제논연료공급장치의 제작 및 성능시험이 진행 되었다. 지상시험모델의 개발 경험을 토대로 우주환경에 적용이 가능한 시스템으로의 개발을 목표로하고 있으며, 이에 대하여 첫째로 고진공 환경에 서의 저장성을 높이기 위해 용접을 적용하여 기밀 유지성능을 확인하였다. 유량의 정밀도를 높이기 위해 고정면적의 오리피스와 공급압력조절 방식을 적용하여 시스템을 구현한 결과 오차율을 1 %이하로 줄일 수 있었다.
- 추력기(Thruster)는 양극과 음극에 각각 다른 양의 연료를 주입하여야 하므로 독립적으로 제어하기 위해 각각의 채널을 구성하였다. 양극과 음극의 구성품은 같으나 오리피스의 크기와 작동압력은 임무에 따라 달라지게 된다.
- 추력기가 작동하는 조건을 모사하기 위해 연료공급밸브를 열림 상태로 유지한 상태로 두고, 축압탱크의 압력이 일정범위에서 유지되는 성능을 확인하였다. Fig.
- 축압탱크의 압력을 조절하기 위해 사용된 오리피스의 크기는 수 마이크론으로 LASER가공을 통해 제작되었으며, 가공 형태와 면적을 확인하기 위해 SEM 분석을 수행하였다. Fig.
- 축압탱크의 압력조절 성능을 확인하기 위해 고압부와 저압부의 오리피스를 선정하여 조립한 후 운용조건에서 실험을 진행하였다. 오리피스의 크기와 실험 조건은 Table 3과 같다.
대상 데이터
- 공급 유량을 조절하기 위해 오리피스(Orifice)를 사용하였다. 오리피스는 압력조절용과 유량조절용으로 나뉘게 되는데, 압력 조절용은 고압밸브후단에 장착되어 축압탱크에 주입되는 연료의 양을 결정하게 된다.
- 연료로 사용되는 제논가스(Xenon gas)는 16.6 ℃, 5.84 MPa에서 임계점을 갖는다. 위성의 운용 및 발사과정에서 슬로싱(Sloshing)효과에 의해 발생할 수 있는 문제들을 방지하기 위해 기체상태로 저장하는 것이 유리하다.
- 대기압과 공급압력은 시스템에 장착된 압력센서들을 통해 측정하였으며, 질량유량계(Mass Flow Meter)을 활용하여 유량을 측정하였다. 작동가스는 고순도의 질소가스를 사용하였으며, 온도는 XFU 의 XST에서 측정하였다.
성능/효과
- 본 논문에서 다루고 있는 시스템은 작동압력을 조절하여 공급되는 연료의 유량을 제어하는 방식으로 유량정밀도를 향상시킬 수 있으며, 넓은 범위에서 유량을 제어할 수 있어 심우주 임무에도 적합함을 제시하고 있다.
- 3은 시스템의 설계 형상으로써 압력조절부, 유량조절부, 연료충전부로 모듈화 되어 복잡한 구성을 단순화 한 모습을 볼 수 있다. 설계시에는 용접을 적용하기 위한 용접헤드(Weld head)와 부품간의 간섭을 피하고 최소 공간을 차지할 수 있도록 설계하였으며, 조립시에는 각각의 모듈을 별도의 지그(Jig)에서 조립하여 시스템에서는 연결이 쉬운 부분만을 조립하여 조립의 어려움을 줄일 수 있었다.
- 지상시험모델의 개발 경험을 토대로 우주환경에 적용이 가능한 시스템으로의 개발을 목표로하고 있으며, 이에 대하여 첫째로 고진공 환경에 서의 저장성을 높이기 위해 용접을 적용하여 기밀 유지성능을 확인하였다. 유량의 정밀도를 높이기 위해 고정면적의 오리피스와 공급압력조절 방식을 적용하여 시스템을 구현한 결과 오차율을 1 %이하로 줄일 수 있었다. 임무에 따라서는 연료의 유량을 넓은 범위에서 조절하여야 하므로 축압탱크의 압력을 변화시킴으로써 유량을 조절할 수 있도록 시스템을 구현하였다.
- 이를 통해 시스템의 유량 오차율이 ±1 %내에 있음을알 수 있었으며, 압력범위 설정을 통해 정밀도를 더욱 향상 시킬 수 있음을 알았다.
- 5를 통해 가공형태를 살펴보면 원주방향으로 동심원을 이루지 못하고 있는 것을 확인할 수 있으며, 기타 영상분석을 통해 깊이방향으로 노즐형태를 이루고 있음을 확인할 수 있었다. 표면은 물결 형태의 불균일한 형상을 보이고 있으며 전면과 후면의 가공형태가 달라 방향성이 있음을 확인하였다.
후속연구
- 본 시험은 시스템의 특성과 기능적 측면을 분석하기 위한 시험으로써 수행되었으며, 운용조건에 맞는 진공환경에서의 시험은 향후에 수행될 것이다.
- 성능시험을 통해 시스템의 기능적 측면을 검증하였으며, 열환경 및 추력기시스템 통합시험이향후 진행될 예정이다.
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