위성의 부피 및 무게 절감을 위하여, 전자, 열제어 및 구조를 하나의 시스템으로 일체화 시키는 다기능 구조체가 개발되어 적용되어 왔으며, 다기능 구조체는 전자장비 중 무게가 많이 나가는 섀시/프레임들, 케이블들 및 커넥터들을 제거 할 수 있다. 이런 기존의 다기능 구조체의 주요 사항은 전기·전자의 섀시/프레임들을 개발 비용 및 시간이 많이 요구 되는 MCMs (Multi-Chip Modules)로 대체 하는 것이다. 본 논문은 위성의 부피 및 무게를 효율적으로 절감할 수 있는 새로운 다기능 구조체의 개념을 보여준다. 구조는 열제어 및 우주방사차폐 기능을 포함한 사각형 격자강화 구조체로 설계 및 제작된다. 사각형 격자강화 구조체는 등방격자구조체의 수정형으로 일반적인 인쇄회로기판을 섀시/프레임 없이 내장할 수 있는 충분한 공간을 제공한다.
위성의 부피 및 무게 절감을 위하여, 전자, 열제어 및 구조를 하나의 시스템으로 일체화 시키는 다기능 구조체가 개발되어 적용되어 왔으며, 다기능 구조체는 전자장비 중 무게가 많이 나가는 섀시/프레임들, 케이블들 및 커넥터들을 제거 할 수 있다. 이런 기존의 다기능 구조체의 주요 사항은 전기·전자의 섀시/프레임들을 개발 비용 및 시간이 많이 요구 되는 MCMs (Multi-Chip Modules)로 대체 하는 것이다. 본 논문은 위성의 부피 및 무게를 효율적으로 절감할 수 있는 새로운 다기능 구조체의 개념을 보여준다. 구조는 열제어 및 우주방사차폐 기능을 포함한 사각형 격자강화 구조체로 설계 및 제작된다. 사각형 격자강화 구조체는 등방격자구조체의 수정형으로 일반적인 인쇄회로기판을 섀시/프레임 없이 내장할 수 있는 충분한 공간을 제공한다.
The MFS (Mlti-Functional Structure) concept, which integrates the electronics, thermal control and structure into a single packaging system, has been developed and applied to reduce the volume and weight of the satellite. Therefore, this MFS can eliminate the bulky chassis/frames, cables and connect...
The MFS (Mlti-Functional Structure) concept, which integrates the electronics, thermal control and structure into a single packaging system, has been developed and applied to reduce the volume and weight of the satellite. Therefore, this MFS can eliminate the bulky chassis/frames, cables and connectors of the electronic equipment. The main point of this traditional MFS is the replacement of the electrical chassis/frames with MCMs (Multi-Chip Modules) that require much costs and efforts for developing. This paper shows the new MFS concept that effectively saves the volume and weight. The structure including the thermal control and radiation shielding elements will be designed and manufactured as the rectangular grid-stiffened structure. The rectangular grid-stiffened structure is the modification of the iso-grid structure, and provides the enough spaces for putting the general PCBs without the chassis/frames.
The MFS (Mlti-Functional Structure) concept, which integrates the electronics, thermal control and structure into a single packaging system, has been developed and applied to reduce the volume and weight of the satellite. Therefore, this MFS can eliminate the bulky chassis/frames, cables and connectors of the electronic equipment. The main point of this traditional MFS is the replacement of the electrical chassis/frames with MCMs (Multi-Chip Modules) that require much costs and efforts for developing. This paper shows the new MFS concept that effectively saves the volume and weight. The structure including the thermal control and radiation shielding elements will be designed and manufactured as the rectangular grid-stiffened structure. The rectangular grid-stiffened structure is the modification of the iso-grid structure, and provides the enough spaces for putting the general PCBs without the chassis/frames.
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문제 정의
다기능 구조체의 효율적인 열 성능의 개선을 위하여 Pitch 계열 복합소재를 적용함으로 위성 구조체의 열전도 특성을 개선하고자 하였다. Table 3의 Pitch 계열 CFRP YS95A의 섬유방향 적층판에 대한 열전달계수 k11는 368.
본 논문에서는 다기능 구조체 개발을 통하여 위성의 무게 및 부피를 절감할 수 있는 개념설계를 수행하였다. 또한, 국내 주도 저궤도 관측위성용으로 개발된 메탈 재질의 위성체 구조물 및 전자유닛을 선정하여 상대 비교를 통한 정량화된 무게 절감 효과를 도출하였다.
본 논문에서는 다기능 구조체의 구조로 하니콤 샌드위치 복합재 구조물 대신 격자강화 복합재 구조물을 도입하여 MCM의 개발 없이도 기존의 PCB (Printed-Circuit Board, 인쇄회로기판)를 내장할 수 있는 새로운 다기능 구조체의 개념을 보여준다. Fig.
이러한 전자회로-표면부착방식은 제작성이 용이하나 개발 비용 및 시간이 많이 요구되는 MCMs 사용이 필수적이다. 본 연구에서는 다기능 구조체 기층을 격자강화 복합재 패널로 구성함으로써, 격자강화가 생성하는 격자 공간에 전자회로를 삽입하고 내장하는 용도로 활용하고자 한다. 격자강화 구조는 가볍고, 비강성이 우수한 구조물을 만드는데 널리 활용되며, 알루미늄 혹은 복합재 재질의 발사체, 위성체 및 태양전지판 구조물 등에 삼각형 형상의 등방성 격자강화 구조 (Iso-grid Stiffened Structure)로 적용되고 있다(Fig.
이를 이용한 MCM을 MCCM (Multi Chip Carrier Module) 이라고 한다. 본 연구에서는 이와 같은 개념을 이용하여 간략한 모듈을 구성하며, 우주환경시험에 대한 안정성을 검증하는 방안을 수립하였다.
가설 설정
무게 절감 효과를 비교하기 위하여 저궤도 지구 관측 위성인 KOMPSAT의 PCU(Power Control Unit, 총 무게: 43kg, 섀시/프레임들: 21kg, 전자회로: 22kg, Fig. 7)가 장착된 알루미늄 하니콤 샌드위치 패널로 설계된 측면패널을 본 연구의 사각형 격자강화 복합재 패널로 대체하며, 동일한 PCU 기능이 MFS 개념으로 구현된다고 가정하면, PCU 전자회로가 사각형 격자강화 복합재 패널에 내장되게 된다. 전자회로가 패널에 내장되는 경우, PCU의 섀시 및 프레임들은 제거된다.
제안 방법
우주 방사능에 대한 검증을 위한 시험을 수행하기 위하여 동일 형태의 더미회로를 2개 제작한다. 1개는 방사차폐용 재질을 적용하고 나머지 1개는 방사차폐용 재질을 적용하지 않은 상태에서 방사능 시험을 수행함으로써 상호간의 차이를 비교 검토하는 방법을 채택하였다.
기존 다목적실용위성 (KOMPSAT: KOrea Multi-Purpose SATellite)의 알루미늄 (Al: Aluminum) 하니콤 샌드위치 패널로 설계된 측면패널을 본 연구의 사각형 격자강화 복합재 패널로 대체하여 무게 절감을 비교하였다.
다기능 구조체가 실제 위성에 장착될 시 요구되는 설계 요구조건에 대한 적합성을 검증하기 위하여 개념설계 단계에서의 구조해석을 수행하였다. 주어진 강성 설계 조건을 이용하여 검토하였으며, 기존 국내 개발 위성의 설계 요구조건에 충분히 부합함을 확인하였다.
다기능 구조체에 효과적인 방사차폐 구조를 설계 및 제작하기 위하여 다양한 재료에 대한 양성자빔(Proton Beam)의 차폐 효과를 분석하였다. 저궤도 위성의 전자부품 섀시 설계에 많이 적용되는 알루미늄 2mm 두께가 차폐할 수 있는 양성자의 에너지는 대략 20MeV 정도이다.
본 논문에서는 다기능 구조체 개발을 통하여 위성의 무게 및 부피를 절감할 수 있는 개념설계를 수행하였다. 또한, 국내 주도 저궤도 관측위성용으로 개발된 메탈 재질의 위성체 구조물 및 전자유닛을 선정하여 상대 비교를 통한 정량화된 무게 절감 효과를 도출하였다. 구조체의 경우 기존 알루미늄 재질의 패널을 다기능 구조체로 적용함으로써 개별 구조체에 대한 무게 절감 효과를 도출하였고, 전자유닛의 경우 기계 가공부를 제거함으로써 개별 유닛에 대한 무게 절감효과를 도출하였다.
또한, 다기능 구조체의 개념설계는 섀시/프레임들이 없는 전자부 구성과 구조체 내 전자부 삽입, 열전달 경로 설계 및 방사차폐 기능을 통합하여 전기·전자, 열제어 및 방사차폐 기능을 겸비한 하중 지지물로서의 다기능 구조체 개발을 시도한다.
또한, 다양한 기능 및 환경조건 검증을 위한 전자부 설계 개념을 확립하였다. 현재 고안된 전자부는 우주 열환경을 효율적으로 검증하기 위한 모듈, 방사차폐 성능 검증 모듈 및 고집적화 구현을 위한 Chip Carrier 탑재 모듈로 구성되며, 적절한 기능 구현 및 운영 개념이 도입된 전자부 간의 연결을 유연 케이블을 이용하여 연결하는 설계를 수행하였다.
본 연구의 다기능 구조체 개발 가능성을 증명하기 위하여 내장, 열제어 및 방사차폐 설계 관련 전자부는 특정 전자장비의 전자회로 대신 더미회로 구현하여 설계, 제작, 시험 및 분석/평가된다.
사각형 격자강화 구조체 내부의 열제어 및 PCBs 내장 기술을 증명하기 위하여 두가지 형태의 PCBs를 설계한다. 열을 적게 및 많이 방출하는 모듈을 모사할 수 있는 더미 전자회로를 설계/제작하여 구조체에 내장한다.
2는 유럽에서 개발된 다기능 구조체의 예를 보여 준다. 상기의 사례들은 열제어 기능이 포함된 하니콤 코아 샌드위치 복합재 구조물과 샌드위치 구조물의 안쪽 스킨/면재(Skin/Facesheet) 표면에 MCMs를 장착하여 다기능 구조체를 설계 및 제작 하였다.
이를 검증하기 위하여 더미회로를 각각 열원이 적거나 많은 더미회로로 설계하였고 (Fig. 13), 실제 시제품의 열 환경시험을 통하여 검증을 수행하는 방안을 수립하였다.
종래에 시도되지 않은 복합재 격자강화 구조체의 다기능 구조체로의 활용을 통해 강성 및 열전도성이 크게 향상된 시스템의 구현을 추진하며, 궁극적으로 부피 절감을 극대화하여 질량 감소를 획득하는 방식으로 접근한다. 또한, 다기능 구조체의 개념설계는 섀시/프레임들이 없는 전자부 구성과 구조체 내 전자부 삽입, 열전달 경로 설계 및 방사차폐 기능을 통합하여 전기·전자, 열제어 및 방사차폐 기능을 겸비한 하중 지지물로서의 다기능 구조체 개발을 시도한다.
또한, 다양한 기능 및 환경조건 검증을 위한 전자부 설계 개념을 확립하였다. 현재 고안된 전자부는 우주 열환경을 효율적으로 검증하기 위한 모듈, 방사차폐 성능 검증 모듈 및 고집적화 구현을 위한 Chip Carrier 탑재 모듈로 구성되며, 적절한 기능 구현 및 운영 개념이 도입된 전자부 간의 연결을 유연 케이블을 이용하여 연결하는 설계를 수행하였다.
대상 데이터
본 연구의 MFS 패널 해석 시, 위성체와의 접속을 위한 20mm의 더블러 (Doubler)는 제외되었으며, 더블러를 포함한 MFS 패널의 크기는 900(가로) × 930(세로) × 31.44(높이)mm 이다.
사각형 격자강화 구조체 내부의 열제어 및 PCBs 내장 기술을 증명하기 위하여 두가지 형태의 PCBs를 설계한다. 열을 적게 및 많이 방출하는 모듈을 모사할 수 있는 더미 전자회로를 설계/제작하여 구조체에 내장한다.
우주 방사능에 대한 검증을 위한 시험을 수행하기 위하여 동일 형태의 더미회로를 2개 제작한다. 1개는 방사차폐용 재질을 적용하고 나머지 1개는 방사차폐용 재질을 적용하지 않은 상태에서 방사능 시험을 수행함으로써 상호간의 차이를 비교 검토하는 방법을 채택하였다.
성능/효과
또한, 국내 주도 저궤도 관측위성용으로 개발된 메탈 재질의 위성체 구조물 및 전자유닛을 선정하여 상대 비교를 통한 정량화된 무게 절감 효과를 도출하였다. 구조체의 경우 기존 알루미늄 재질의 패널을 다기능 구조체로 적용함으로써 개별 구조체에 대한 무게 절감 효과를 도출하였고, 전자유닛의 경우 기계 가공부를 제거함으로써 개별 유닛에 대한 무게 절감효과를 도출하였다.
상기의 개념설계 결과에 의한, 저궤도 지구 관측 위성인 KOMPSAT의 PCU가 장착된 알루미늄 하니콤 코아 샌드위치 패널로 설계된 측면패널을 본 연구의 사각형 격자강화 복합재 패널로 대체할 시, 격자강화 복합재 패널의 무게는 알루미늄 하니콤 샌드위치 패널에 비하여 약 33%(4.48-2.98=1.5kg)의 무게 절감 효과가 있으며, PCU의 섀시/프레임들 없이 전자회로 전체가 격자강화 복합재 패널에 내장된다고 가정하면, 약 47% ((4.48+43)-(2.98+22)=22.5kg)의 무게 절감 효과를 얻을 수 있다.
다기능 구조체가 실제 위성에 장착될 시 요구되는 설계 요구조건에 대한 적합성을 검증하기 위하여 개념설계 단계에서의 구조해석을 수행하였다. 주어진 강성 설계 조건을 이용하여 검토하였으며, 기존 국내 개발 위성의 설계 요구조건에 충분히 부합함을 확인하였다.
후속연구
경량화를 고려한 방사차폐 소재을 설계하는데 있어서, 단위질량당 방사차폐 효과가 좋은 CFRP를 주재료로 활용하되, 고에너지 방사에 대한 정지효과가 우수한 텅스텐(W)을 다층재료에 적용하는 것을 고려하였다[6-7]. Table 6은 이의 결과를 보여 주며, 본 연구의 예비/상세 설계를 통하여 방사 차폐 구조의 무게를 최소화 하기 위한 CFRP/W/CFRP 두께 혹은 재질에 대한 분석이 계속 진행될 예정이다.
그러나, 상기의 무게 절감 효과는 PCU 전자회로의 전체 내장 가능성 검토/분석, 열제어 및 방사차폐 재료 추가, Chip Carrier를 이용한 PCU 전자회로의 고집적화 가능성 등을 고려했을 시, 본 연구의 예비/상세 설계를 통하여 재분석 될 것이다.
그리고, 좌굴해석 외의 상세 강도해석은 본 연구의 예비/상세 설계를 통하여 수행될 예정이며, KOMPSAT 개발의 경험을 바탕으로 가정할 시 본 논문의 개념설계 결과를 크게 변경 시키지는 못한다.
이를 기반으로 제작 방법을 수립하였으며, 향후, 실제 시제품 개발을 위한 상세 설계/해석, 제작 및 환경시험을 통한 검증을 수행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전자, 열제어 및 구조를 하나의 시스템으로 일체화 시키는 다기능 구조체가 개발 적용되어온 이유는 무엇인가?
위성의 부피 및 무게 절감을 위하여, 전자, 열제어 및 구조를 하나의 시스템으로 일체화 시키는 다기능 구조체가 개발되어 적용되어 왔으며, 다기능 구조체는 전자장비 중 무게가 많이 나가는 섀시/프레임들, 케이블들 및 커넥터들을 제거 할 수 있다. 이런 기존의 다기능 구조체의 주요 사항은 전기·전자의 섀시/프레임들을 개발 비용 및 시간이 많이 요구 되는 MCMs (Multi-Chip Modules)로 대체 하는 것이다.
기존의 다기능 구조체의 주요 사항은 무엇인가?
위성의 부피 및 무게 절감을 위하여, 전자, 열제어 및 구조를 하나의 시스템으로 일체화 시키는 다기능 구조체가 개발되어 적용되어 왔으며, 다기능 구조체는 전자장비 중 무게가 많이 나가는 섀시/프레임들, 케이블들 및 커넥터들을 제거 할 수 있다. 이런 기존의 다기능 구조체의 주요 사항은 전기·전자의 섀시/프레임들을 개발 비용 및 시간이 많이 요구 되는 MCMs (Multi-Chip Modules)로 대체 하는 것이다. 본 논문은 위성의 부피 및 무게를 효율적으로 절감할 수 있는 새로운 다기능 구조체의 개념을 보여준다.
본 논문에서 제시한 위성의 부피 및 무게를 효율적으로 절감할 수 있는 새로운 다기능 구조체의 구조는 무엇인가?
본 논문은 위성의 부피 및 무게를 효율적으로 절감할 수 있는 새로운 다기능 구조체의 개념을 보여준다. 구조는 열제어 및 우주방사차폐 기능을 포함한 사각형 격자강화 구조체로 설계 및 제작된다. 사각형 격자강화 구조체는 등방격자구조체의 수정형으로 일반적인 인쇄회로기판을 섀시/프레임 없이 내장할 수 있는 충분한 공간을 제공한다.
참고문헌 (11)
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김대원, 이호영, 김용협, “위성 다기능 구조물 기술의 개발 현황”, 한국항공우주학회지, 제32권 3호, 2004년 4월, PP 111-123.
Gottero, M., Poidomani, G., Tavera, S. and Sacchi, E., "Development of Light Weight Multifunctional Structures", Proceedings of the 37th International Conference on Environmental Systems, SAE Paper 2007-01-3130.
Jang, T. S., Oh, D. S., Kim, J. K., Kang, K. I., Cha, W. H. and Rhee, S.-W., "Development of Multi-Functional Composite Structures with Embedded Electronics for Space Application", Acta Astronautica, 2010.
장태성, 오대수, 김진규, 차원호, 서정기, 서현석, 이주훈, “하니컴 샌드위치 구조를 이용한 다기능 구조체 개발”, 한국항공우주공학회 추계학술발표회 논문집, 2010.
장태성, 다기능 구조체 시스템 및 복사차폐 설계 연구(SaTReC)/위성 다기능 구조체핵심기술 연구(KARI)의 위탁 보고서, 2011년 1월.
이주훈, 위성 다기능 구조체 핵심기술 연구/우주탐사 효율성 향상을 위한 핵심기술 연구(KARI) 보고서, 2011년 1월.
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