[논문]제어 모멘트 자이로의 기술과 산업동향

이선호

doi:10.5139/jksas.2012.40.1.86

제어 모멘트 자이로의 기술과 산업동향
Technology of Control Moment Gyroscope and its Industrial Trend 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.1, 2012년, pp.86 - 92

초록
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인공위성 자세제어에 널리 사용되는 구동기는 추력기, 반작용휠, 제어 모멘트 자이로(CMG), 그리고 자장토커 등이 있다. 그 중에서 CMG는 물리학의 자이로스코프 원리에 의한 토크를 발생시키는 구동기로서 적은 소모 전력으로 큰 토크를 출력하는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 CMG 하드웨어 기술의 개요와 위성분야 적용 사례 및 관련된 하드웨어의 특성을 소개하며 더불어 선박, 로봇, MEMS 등 타 분야의 활용사례와 연구동향을 제공한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The well-used actuators for the attitude control of spacecrafts are thruster, reaction wheel, control moment gyroscope, and magnetic torquer. Among them, the control moment gyroscope(CMG) which generates the torque based on the gyroscopic principle in physics, has an advantage of the high torque output compared to the low power consumption. This paper introduces an outline of CMG hardware technology, its application history in spacecrafts, and their associated hardware characteristics. Moreover, its spin-off cases to the other industrial fields such as ship, robotics, and MEMS including their research trend are provided.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 CMG 하드웨어에 대한 기술개요 소개와 그 동안 인공위성에 적용해온 과정과 관련 상용 CMG의 주요특성을 소개한다. 또한, 인공위성 분야 외의 선박, 로봇, MEMS 등과 같은 타 분야의 응용연구 및 사례를 제시한다.

제안 방법

Astrium사의 경우, (a) 미국 L-3Com사 CMG[7] (b) 미국 Honeywell사 CMG-M50[8] (c) 프랑스 Astrium사 CMG 15-45S[9]그림 5. 위성용 CMG ESA로부터 지원받은 PACS(Precision Agile Control System)과제를 통해 CMG 기반 고기동 자세제어 시스템에 대한 연구를 수행하였고 2001년에 자사가 개발한 김벌모터 시스템과 독일 Teldix사에서 제작한 반작용휠을 통합하여 CMG 기술모델(Engineering Model)을 개발하였다. 그 이후 2005년에 검증모델(Qualification Model) 개발을 완료하였으며 2006년에 Pleiades 위성을 위한 CMG 비행모델(Flight Model)을 처음 납품하였다(표 4 참조).
3년 후에 베어링 문제로 인해 1기에 고장이 발생하여 2005년에 교체되었고, 6년 후에 또 다른 1기에 언밸런스 (Unbalance) 과다 증가로 인해 고장이 발생하여 2007년에 교체되었다[4]. 특히, 고장이 발생한 2 기는 지상으로 수거되어 원인 분석한 결과, 과다한 김벌속도가 원인으로 판명되어 김벌 최대 각 속도를 초기운영값(3.1 deg/s)의 25%로 하향 조정하였다.
2007년과 2009년에 각각 발사된 Worldview-1/2는 CMG를 장착한 최초의 상업위성으로서 기존의 반작용휠 장착 위성보다 10배 이상의 가속도 증가로 인해 영상획득을 위한 기동성능을 향상시켰다[5]. 특히, 영상 획득중 CMG에서 발생하는 미세진동(Micro-vibration) 영향을 최소화하기 위해 진동저감장치(Vibration Isolator)를 장착하였다. Pleiades는 프랑스 Astrium에서 제작한 위성으로서 소형화와 경량화 기술을 적용한 CMG가 탑재되어 2012년 초반에 발사될 예정이다[6]

성능/효과

위성분야 CMG 적용 사례기는 베어링 어셈블리의 온도가 과다하게 상승하는 이상 현상을 보였고 특히 1기는 발사후 약 6개월 만에 베어링 윤활유의 이상으로 인해 고장이 발생하였다. 원인 분석결과, 지상의 중력장 환경에서의 균일하게 분포된 볼 베어링의 윤활유가 무중력장에서 편향되어 고장이 발생한 것으로 밝혀졌다. Keyhole로 알려진 KH-11/12는 1976년 발사되었으며 디지털 광학 이미지를 사용하는 미국 최초의 군사정찰위성으로서 SGCMG 4기가 적용되었다.
SkyLab에 장착된 전체 3기의 DGCMG 중 2 그림 3. 위성분야 CMG 적용 사례기는 베어링 어셈블리의 온도가 과다하게 상승하는 이상 현상을 보였고 특히 1기는 발사후 약 6개월 만에 베어링 윤활유의 이상으로 인해 고장이 발생하였다. 원인 분석결과, 지상의 중력장 환경에서의 균일하게 분포된 볼 베어링의 윤활유가 무중력장에서 편향되어 고장이 발생한 것으로 밝혀졌다.

후속연구

본 논문은 CMG 하드웨어에 대한 기술개요 소개와 그 동안 인공위성에 적용해온 과정과 관련 상용 CMG의 주요특성을 소개한다. 또한, 인공위성 분야 외의 선박, 로봇, MEMS 등과 같은 타 분야의 응용연구 및 사례를 제시한다.
최근에는 위성분야 뿐만 아니라 산업용으로 활용 (Spin-off)되어 선박용 횡동요 감쇠 장치로 적용되었으며 로보틱스와 MEMS 분야에 이르기까지 다양한 연구가 진행되고 있다. 이에 저전력 및 고토크 특성을 가지는 CMG는 우주, 항공, 해양, 지상 등 다양한 산업분야의 토크발생 구동장치로 활용이 증대될 것으로 예측된다.
또한 국내 학계에서는 한국과학기술원과 한국항공대학교에서 CMG 구동 제어로직 연구와 더불어 CMG 클러스터 기반 자세제어 검증시스템 개발 경험을 보유하고 있다. 이에 해당 요소기술을 보유한 기관과 국내 모터전문 개발업체가 산학연협력을 통해 고부가가치의 실용급 CMG를 국내 독자 개발할 경우 국내산업 활성화에 중요한 기여를 할 뿐만 아니라 중간진입전략(Midentry Strategy)으로 세계시장에 진출하여 수입대체 및 수출증대 효과를 달성할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 위성 자세제어용 구동기로 널리 사용되고 있는 것은?	특히 기동성능의 향상은 위성운영 활용도를 극대화하는데 중요한 요소이며 이러한 고기동 위성을 개발하기 위해서는 1~10 deg/sec의 자세기동을 가능하게 하는 고토크 구동기 하드웨어 기술과 구동알고리즘을 포함한 자세제어 소프트웨어 기술이 필수적이다. 기존 위성 자세제어용 구동기로 널리 사용되어온 모멘텀휠(Momentum Wheel)과 반작용휠(Reaction Wheel)은 토크출력을 증가시키기 위해서 하드웨어 설계를 변경할 경우, 질량과 소모 전력의 급격한 증가로 인해 경제성이 저하되어 고기동 구동기로 향상시키는데 한계가 있다. 이에 대한 대안으로 과거 대형위성에 적용되어 온 대용량 제어 모멘트 자이로(Control Moment Gyroscope, CMG)를 경량화하여 소형위성의 기동성을 향상시키는 연구 개발이 활발히 진행중이다.
	대용량 제어 모멘트 자이로의 장단점은?	2000년대 후반에 들어, 과거 대용량 위주의 CMG 뿐만 아니라 상용급 위성에 적합한 소형화 및 고정밀 구동기로 개발되기 시작했다. 이러한 CMG는 구조적인 복잡성, 고가, 그리고 특이점(Singularity) 발생이라는 단점에도 불구하고 토크증폭(Torque Amplification)과 고효율성 등의 장점으로 인해 소형위성 뿐만 아니라 우주 및 수중 로보틱스, 선박, 항공 분야에 이르기까지 차세대 자세제어 구동기로서 관심이 증가되고 있다.
	오늘날 위성개발은 지구관측과 우주감시의 임무를 수행하기 위해 무엇을 요구하고 있는가?	오늘날 위성개발은 지구관측과 우주감시의 임무를 수행하기 위해 소형화, 고정밀도, 고기동성을 동시에 요구하는 추세이다. 특히 기동성능의 향상은 위성운영 활용도를 극대화하는데 중요한 요소이며 이러한 고기동 위성을 개발하기 위해서는 1~10 deg/sec의 자세기동을 가능하게 하는 고토크 구동기 하드웨어 기술과 구동알고리즘을 포함한 자세제어 소프트웨어 기술이 필수적이다.

참고문헌 (20)

Morse, A.R., "MSFC Skylab Apollo Telescope Mount," NASA Technical Memorandum, NASA TM X-64811, 1974.
Lyndon B., "Lessons Learned on the Skylab Program," NASA Technical Memorandum, NASA TM X-72920, 1974.
Roser, X. and Sghedoni, M., "Control Moment Gyroscopes (CMG's) and Their Application in Future Scientific Missions," Proc. 3rd International Conf. on Spacecraft Guidance, Navigation and Control Systems, 1997, pp. 523-528.
Gurrisi, C., Seidel, R., Dickerson, S, and Didziulis, S., "Space Station Control Moment Gyroscope Lessons Learned," Proc of the 40th Aerospace Mechanisms Symposium, 2010, pp.161-175.
DigitalGlobe, Inc., www.digitalglobe.com
Astrium, www.astrium.eads.net
Catalog of L-3Com DGCMG, www2.l-3com.com/spacenav/space_and_nav/space_products/dgcmg.htm
Peck, M.A., Paluszek, M.A., Thomas, S.J. and Mueller, J.B., "Control-Moment Gyroscopes for Joint Actuation: A New Paradigm in Space Robotics," AIAA 1st Space Exploration Conf.: Continuing Voyage Discovery, 2005, pp.2005-2522.
Defendini, A., Faucheux, P., Guay, P., Bangert, K., Heimel, H., Privat, M., Seiler, R, "Control Moment Gyro CMG 15-45S: a Compact CMG Product for Agile Satellites in the One Ton Class," Proc. of the 10th European Space Mechanisms and Tribology Symposium, 2003, pp.27-31
Frederic, A.L., "Development Of the Spacecraft Orientation Buoyancy Experimental KIOSK," Dissertation Master of Science, University of Florida, 2008.
Montfort, E., Kessab, M., Rennie, M., McGuinness, D. P., Palomo, P., Zwartbol, T., & Oving, B. A., "Real-time Test Bench with Control Moment Gyro in the Loop," Proc of the 6th International ESA Conference on Guidance, Navigation and Control Systems, 2006, pp.539-542.
Catalog of Honeywell CMG M50, www51.honeywell.com/aero/common/documents/myaerospacecatalog-documents/M50_Control_Moment_Gyroscope.pdf
Catalog of CMG 15-45S, www.astrium.eads.net/media/document/control-momentum-gyro-cmg-15-45s.pdf
SeaKeeper, Inc., www.seakeeper.com
Ship Dynamics Pty Ltd., www.shipdynamics.com
Mitsubishi Heavy Industries Ltd., www.antirollinggyro.com
Brown, D. and Peck, M, "Energetics of Control Moment Gyroscopes as Joint Actuators," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 33, No. 6, 2009, pp.1871-1883.
Thornton, B., Ura, T. and Nose, Y., "Combined energy storage and three-axis attitude control of a gyroscopically actuated AUV," Proc. of OCEANS MTS/IEEE, 2008, pp.1-9.
Reiter, J., Bohringer, K., Campbell, M., "MEMS Control Moment Gyroscope Design and Wafer-Based Spacecraft Chassis Study," Proc. SPIE, Vol. 3876, 1999, pp.122-128.
Chang H., Jiao W., Fu Q., Xie J., Yuan W., "Design and Simulation of a MEMS Control Moment Gyroscope for the Sub-Kilogram Spacecraft," Sensors, Vol. 10, No. 4, 2010, pp.4130-4144.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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