[논문]반작용휠의 미소진동 측정법에 관한 실험적 연구

김대관; 오시환; 이선호; 용기력

doi:10.5050/ksnve.2011.21.9.828

반작용휠의 미소진동 측정법에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Micro-vibration Measurement Methods of a Reaction Wheel 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.21 no.9, 2011년, pp.828 - 833

김대관 (한국항공우주연구원 위성제어팀) , 오시환 (한국항공우주연구원 위성제어팀) , 이선호 (한국항공우주연구원 위성제어팀) , 용기력 (한국항공우주연구원 위성제어팀)

Abstract ▼ AI-Helper

A reaction wheel assembly(RWA) is the largest disturbance source that can induce high frequency micro-vibration on an optical payload of satellites. To ensure a tight pointing-stability budget of satellites, the RWA disturbance effect on spacecraft should be accurately analyzed and evaluated for whole design phases. For this purpose, the micro-vibration disturbance of RWA should be precisely measured. In the present study, two measurement methods on RWA micro-vibration disturbances are compared and investigated. One is a free run-down speed test and the other is a constant speed test. The micro-vibration data measured by the two methods are analyzed in terms of spectrum characteristics, static and dynamic imbalance values, and root sum square(RSS) values. The analysis results show that both methods can measure very similar results in time and frequency domains and that the free run-down speed method is more adequate in respects to wheel friction modeling, noise rejection of imbalance and RSS peak evaluation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 연구에서는 반작용 휠의 미소진동 측정법에 대한 실험적 분석을 수행하였다. 동일한 반작용 휠에 대해서 자유감속법과 일정속도법을 적용하여 미소진동 신호를 측정하였으며, 정규화된 교란력 신호의 주파수 영역 분석, 불균형 질량 분석 및 RSS 레벨비교를 수행하였다.

제안 방법

RSS 계산에서는 MATLAB의 PSD(power spectrum density) 계산함수인 “pwelch”함수를 적용하였으며, 각 회전 속도에 대해서 0.5~200 Hz 영역의 교란력 주파수 성분에 대한 RSS 결과를 비교하였다.
이 연구에서는 반작용 휠의 미소진동 측정법에 대한 실험적 분석을 수행하였다. 동일한 반작용 휠에 대해서 자유감속법과 일정속도법을 적용하여 미소진동 신호를 측정하였으며, 정규화된 교란력 신호의 주파수 영역 분석, 불균형 질량 분석 및 RSS 레벨비교를 수행하였다. 두 시험법에서 모두 유사한 주파수 특성을 보였으며, 정정/동적 불균형 질량 및 RSS 레벨 또한 매우 유사한 결과를 보였다.
이 연구에서는 반작용휠의 미소진동 측정법인 자유감속법과 일정속도법에 대한 비교분석을 수행하였다. 동일한 반작용휠에 대해서 자유감속법과 일정 속도법을 적용하여 미소진동을 측정하였으며, 측정된 미소진동 데이터에 대해서 스펙트럼(spectrum) 분석과, 불균형 질량(imbalance mass) 및 RSS(root sum square) 결과를 비교분석하였으며 측정법에 따른 미소진동 특성 차이를 고찰하였다.
측정된 미소진동에 대한 주파수 분석 시 일정속도 법에 대해서 10번의 평균을 취하였으며 자유감속법에 대해서는 3번의 평균을 취하였다. 또한 두 시험법 모두 0.5 Hz의 동일한 주파수 분해능을 적용하여 주파수 분석을 수행하였다. 이 연구에서 사용된 반작용 휠의 정보 보완을 위하여, 휠 속도 신호를 제외한 측정된 6자유도의 진동 신호는 전체 힘 신호와 전체 토크 신호의 최대값이 각각 1이 되도록 정규화(normalization) 과정을 거친 후 주파수 분석, 정적/동적 불균형 값 비교 및 RSS 결과 비교에 사용되었다.
및 교란력의 크기를 비교하였다. 또한 휠의 주요한 성능 기준 중 하나인 정적 및 동적 불균형 값(static imbalance, dynamic imbalance)을 계산하기 위하여 교란력의 1차 조화(harmonic) 가진력 성분을 분석하여 계산하였으며, 휠 속도에 따른 교란력 주파수 성분의 RSS 값을 비교하였다. RSS 계산에서는 MATLAB의 PSD(power spectrum density) 계산함수인 “pwelch”함수를 적용하였으며, 각 회전 속도에 대해서 0.
시험에 사용된 반작용휠은 자세제어용 반작용 휠로서, 6개의 동적 진동원을 동시에 측정할 수 있는 동적 힘/모멘트 센서(KISTLER-9255B) 위에 고정치구를 이용하여 장착하였다. 미소진동 측정은 Fig. 2에 나타나있는 것과같이 KISTLER로부터 동시에 측정된 3개의 교란력 힘(Fx, Fy, Fz)와 3개의 교란력 토크(Cx, Cy, Cz)를 DSP board(dSPACE DS-1103)를 이용하여 저장하였으며, 이때 anti-aliasing filter(Krohn-Hite Model 3384)를 이용한 low pass filter 신호처리를 병행하였다.
스펙트럼 분석을 위해 계산된 waterfall 결과로부터 1차 조화가진(first harmonic, H1)으로 발생하는 정적/동적 불균형 질량을 계산하였다. Fig.
5 Hz의 동일한 주파수 분해능을 적용하여 주파수 분석을 수행하였다. 이 연구에서 사용된 반작용 휠의 정보 보완을 위하여, 휠 속도 신호를 제외한 측정된 6자유도의 진동 신호는 전체 힘 신호와 전체 토크 신호의 최대값이 각각 1이 되도록 정규화(normalization) 과정을 거친 후 주파수 분석, 정적/동적 불균형 값 비교 및 RSS 결과 비교에 사용되었다.
이 연구에서는 두 시험법의 비교/분석을 위하여 우선적으로 측정된 교란력 신호의 waterfall을 계산하여 반작용 휠의 구조 공진 특성^(11,12) 및 교란력의 크기를 비교하였다. 또한 휠의 주요한 성능 기준 중 하나인 정적 및 동적 불균형 값(static imbalance, dynamic imbalance)을 계산하기 위하여 교란력의 1차 조화(harmonic) 가진력 성분을 분석하여 계산하였으며, 휠 속도에 따른 교란력 주파수 성분의 RSS 값을 비교하였다.
이 연구에서는 반작용휠의 미소진동 측정법인 자유감속법과 일정속도법에 대한 비교분석을 수행하였다. 동일한 반작용휠에 대해서 자유감속법과 일정 속도법을 적용하여 미소진동을 측정하였으며, 측정된 미소진동 데이터에 대해서 스펙트럼(spectrum) 분석과, 불균형 질량(imbalance mass) 및 RSS(root sum square) 결과를 비교분석하였으며 측정법에 따른 미소진동 특성 차이를 고찰하였다.
주파수 영역에 대해서 분석된 정규화된 교란력의 PSD를 계산하여 각 회전속도에 대한 RSS 결과를 비교하였다. Fig.

대상 데이터

1은 이 시험에서 사용된 미소진동 측정장치 시스템 형상을 보이고 있다. 시험에 사용된 반작용휠은 자세제어용 반작용 휠로서, 6개의 동적 진동원을 동시에 측정할 수 있는 동적 힘/모멘트 센서(KISTLER-9255B) 위에 고정치구를 이용하여 장착하였다. 미소진동 측정은 Fig.

이론/모형

이 시험에서는 미소진동 시험방법에 대한 비교분석을 위하여 동일한 반작용휠에 대해서 자유감속법(free run-down method)과 일정속도법(constant speed method)을 적용하여 미소진동 측정을 수행하였다. 일정속도법의 경우 25 rpm에서 825 rpm까지 25 rpm 간격으로 수행되었으며, 다목적 실용위성에서 사용되고 있는 휠 속도 제어기(wheel speed controller)를 이용하여 제어하였다.
측정법에 따른 반작용휠의 진동특성을 분석하기 위해서 한국항공우주연구원 위성제어팀에서 보유하고 있는 미소진동 측정장치 시스템을 이용하였다. Fig.

성능/효과

따라서 이 논문에서는 3가지 자유도(Fy, Cy, Cz)에 대한 waterfall을 표시하지 않는다. Fig. 4에 나타난 waterfall 결과를 통하여 두 가지 측정방법으로부터 매우 유사한 스펙트럼 특성을 측정할 수 있음을 확인하였다. 두 시험법 모두 반작용 휠의 lateral mode(Fig.
7은 두 시험법으로 측정된 교란력 신호의 RSS 결과를 보이고 있다. 결과에서 알 수 있듯이 두 측방향 힘성분(Fx, Fy)과 두 측방향 토크성분(Cx, Cy)이 각각 매우 유사함을 확인할 수 있다. 또한 두 측정법에 의해서 유사한 RSS 레벨이 측정됨을 알 수 있으며, waterfall 결과에서와 같이 자유감속법으로 측정된 교란력 신호가 일정속도법 측성 신호 보다 세밀하고 큰 피크의 RSS를 계산할 수 있음을 확인할 수 있다.
두 시험법에서 모두 유사한 주파수 특성을 보였으며, 정정/동적 불균형 질량 및 RSS 레벨 또한 매우 유사한 결과를 보였다. 그러나 일정속도법에 비해서 자유감속법이 휠의 마찰감쇠 모델링에 적합하며, 불균형 질량 계산과정에서 저속 영역의 측정 노이즈 영향을 줄일 수 있으며, 또한 보다 세밀하고 큰 피크의 RSS를 계산할 수 있는 장점이 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 미소진동 측정법의 특성을 활용하여 반작용휠의 정확한 미소진동 측정을 통한 보다 엄격한 지터해석이 가능할 것으로 판단된다.
동일한 반작용 휠에 대해서 자유감속법과 일정속도법을 적용하여 미소진동 신호를 측정하였으며, 정규화된 교란력 신호의 주파수 영역 분석, 불균형 질량 분석 및 RSS 레벨비교를 수행하였다. 두 시험법에서 모두 유사한 주파수 특성을 보였으며, 정정/동적 불균형 질량 및 RSS 레벨 또한 매우 유사한 결과를 보였다. 그러나 일정속도법에 비해서 자유감속법이 휠의 마찰감쇠 모델링에 적합하며, 불균형 질량 계산과정에서 저속 영역의 측정 노이즈 영향을 줄일 수 있으며, 또한 보다 세밀하고 큰 피크의 RSS를 계산할 수 있는 장점이 있음을 확인할 수 있었다.
결과에서 알 수 있듯이 두 측방향 힘성분(Fx, Fy)과 두 측방향 토크성분(Cx, Cy)이 각각 매우 유사함을 확인할 수 있다. 또한 두 측정법에 의해서 유사한 RSS 레벨이 측정됨을 알 수 있으며, waterfall 결과에서와 같이 자유감속법으로 측정된 교란력 신호가 일정속도법 측성 신호 보다 세밀하고 큰 피크의 RSS를 계산할 수 있음을 확인할 수 있다.
4와 같다. 반작용휠의 대칭적 구조와 측정장치의 대칭성으로 인해서 수평상의 두 방향의 힘(Fx, Fy)들과 토크(Cx, Cy)들은 각각 매우 유사하게 나타났으며, 축방향 토크(Cz)는 상대적으로 매우 작은 교란력을 나타내었다. 따라서 이 논문에서는 3가지 자유도(Fy, Cy, Cz)에 대한 waterfall을 표시하지 않는다.

후속연구

그러나 일정속도법에 비해서 자유감속법이 휠의 마찰감쇠 모델링에 적합하며, 불균형 질량 계산과정에서 저속 영역의 측정 노이즈 영향을 줄일 수 있으며, 또한 보다 세밀하고 큰 피크의 RSS를 계산할 수 있는 장점이 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 미소진동 측정법의 특성을 활용하여 반작용휠의 정확한 미소진동 측정을 통한 보다 엄격한 지터해석이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반작용휠의 교란력 측정을 위한 미소진동 측정방법은 어떻게 구분되는가?	반작용휠의 교란력 측정을 위한 미소진동 측정방법은 크게 최대 운영속도에서 마찰감쇠에 의한 감속을 이용하는 자유감속법(free run-down)과 일정한 운영속도에 대해서 수행되는 일정속도법(constant speed)으로 나눌 수 있다. 주로 자유감속법을 이용한 미소진동 측정 및 분석이 수행되어 왔으며(3,9~12), 일정속도법을 이용한 미소진동 측정은 일부 반작용휠 제작업체에서 수행되고 있으나, 아직까지 자유감속법과 일정속도법에 대한 비교분석은 부족한 실정이다.
	지터해석 및 진동 저감 장치 설계를 위해서는 주요 진동원인 반작용휠의 미소진동에 대한 정확한 측정이 선행되어야 하는 이유는?	특히 이러한 교란력들 중에서 반작용휠 또는 제어 모멘텀 자이로에 의해 발생하는 교란력은 위성의 가장 큰 진동원으로서 평가되고 있다. 그러나 이러한 진동원으로부터 발생하는 미소진동 교란력은 고주파의 진동 특성을 포함하고 있어서 위성의 자세제어를 통한 교란력 감소가 어려우며, 설계 단계에서부터 다양한 지터해석 및 시험을 통한 예측(4~6) 과 진동 저감 장치의 추가적인 적용이 요구되고 있다. 따라서 이러한 지터해석 및 진동 저감 장치 설계를 위해서는 주요 진동원인 반작용휠의 미소진동 (micro-vibration)에 대한 정확한 측정이 선행되어야 하며, 측정된 데이터에 대한 시간영역 및 주파수영역에 대한 진동특성 분석을 통한 미소진동 모델이 수립되어야 한다.
	위성의 지향 안정성에 영향을 주는 교란력으로 무엇이 있는가?	위성의 지향 안정성에 영향을 주는 교란력들로는 열적 교란, 태양풍, 복사 에너지 등과 같은 위성 외부로부터 작용하는 외란들과 반작용휠(RWA), 제어 모멘텀 자이로(CMG), 적외선 센서 냉각장치 등과 같은 위성 내부의 구동부에 의해 발생하는 내란들로 나눌 수 있다. 이러한 교란력들은 위성에 진동을 발생시키고, 특히 광행로 길이(optical path length)의 변화를 유발시켜 탑재체 영상에 저주파 특성인 스미어(smear)와 고주파 특성인 블러(blur)와 같은 지터(jitter) 현상(2)을 발생시키는 주요원인으로 작용한다.

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