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문제 정의
- 달탐사선 구조체에 대한 선행 연구는 궤도선 및 착륙선 구조체의 경량화 설계모델을 개발하는 것과 달탐사선 지상시험모델의 구조 플랫폼을 개발하는 것을 포함한다. 본 논문에서는 달탐사선 구조체에 대한 선행연구 결과 중 궤도선 및 착륙선 구조모델 설계에 관한 연구결과를 기술한다.
- 이러한 방식은 착륙선의 소형화와 경량화에 유리하며 국외 타 탐사선의 중소형 착륙선에 적용되었다(4). 본 논문에서는 모델 2에 관하여 기술한다.
- 국내에서도 국가주도로 한국형 달탐사선 개발계획을 수립하였으며 2011년 발표된 국가우주개발진흥계획에 따르면 한국형 발사체 KSLV-2를 사용해 2023년 달궤도선, 2025년 달착륙선을 발사할 계획이다(2). 이에 따라 달탐사선 개발을 위한 핵심기술의 선행개발이 요구되며 2010년부터 한국항공우주연구원 주관으로 달탐사선을 위한 추진, 제어 및 구조 플랫폼에 대한 핵심기술 개발을 목적으로 기초 연구가 진행되었다. 달탐사선 구조체에 대한 선행 연구는 궤도선 및 착륙선 구조체의 경량화 설계모델을 개발하는 것과 달탐사선 지상시험모델의 구조 플랫폼을 개발하는 것을 포함한다.
제안 방법
- 구조체 경량화와 운용환경에서 필요한 강성과 강도를 갖도록 탄소복합재 면재와 알루미늄 하니콤 심재로 구성된 샌드위치 패널을 적용하였다. 각 플랫폼과 패널은 중량을 고려하여 최소한의 피팅과 클릿으로 조립체결되도록 설계하였다. 임무장비와 전자박스가 장착되는 탑재체 구조체는 중간 패널을 십자형태로 연결하여 발생하중을 효과적으로 지지하고 전달할 수 있도록 하였다.
- 6에 나타내었다. 구조체 경량화와 운용환경에서 필요한 강성과 강도를 갖도록 탄소복합재 면재와 알루미늄 하니콤 심재로 구성된 샌드위치 패널을 적용하였다. 각 플랫폼과 패널은 중량을 고려하여 최소한의 피팅과 클릿으로 조립체결되도록 설계하였다.
- 궤도선의 구조체는 임무장비와 추진제 탱크를 장착지지하고 발사 및 궤도하중에 견딜 수 있도록 설계되었다. 구조체의 구성 및 조립구조는 Fig.
- 이를 위해 발생하중을 어댑터로 전달하는 주 구조의 변경과 가벼운 재료를 적용하였다. 다목적실용위성은 Fig. 2와 같이 주 하중을 전달하도록 연속적인 론저론-레일로 구성된 프레임 구조를 적용하였으나 탐사선의 경우 Fig. 3과 같이 패널과 플랫폼을 최소 수량의 클릿과 피팅으로 체결함으로써 경량화가 가능하도록 설계하였다. 또한 패널과 플랫폼 샌드위치 구조물을 구성하는 면재의 재료를 다목적실용위성에 적용된 알루미늄 합금 대신 밀도가 작고 강도가 우수한 탄소복합재(CFRP)로 적용하였다.
- 3과 같이 패널과 플랫폼을 최소 수량의 클릿과 피팅으로 체결함으로써 경량화가 가능하도록 설계하였다. 또한 패널과 플랫폼 샌드위치 구조물을 구성하는 면재의 재료를 다목적실용위성에 적용된 알루미늄 합금 대신 밀도가 작고 강도가 우수한 탄소복합재(CFRP)로 적용하였다. 두 재료간의 주요 물성치를 Table 2에 비교하여 나타내었다.
- 하니콤의 용량(압축강도, 단면적, 길이)은 Table 1에 기술된 착륙조건에서 착륙장치 1개가 모든 착륙하중을 지지하는 조건을 고려하여 결정되었다. 또한 하니콤의 크기를 최적화하기위해 압축강도가 상이한 두 종류의 하니콤을 조합하여 충격정도에 따라 역할을 분담하도록 하였다. 설계된 하니콤의 형상과 사양은 Fig.
- 11에 나타낸 것과 같이 고체연료와 액체연료를 모두 사용하며, 고체로켓과 착륙선 본체로 구성된다. 또한, Fig. 1에 나타낸 것과 같이 착륙선이 발사체로부터 분리된 후 달에 직접 주사되며, 비추력이 높은 고체로켓을 이용해 비행속도를 감소하여 달로 진입한다. 이후 소모된 고체로켓을 분리하고 달지면에는 착륙선 본체만 착륙하게 되며, 이때 안정적인 착륙을 위해 본체에 있는 액체연료를 사용한다.
- 0g를 조합한 16가지 경우가 고려되었다. 본체 경계조건은 발사환경 시어댑터 하단부위 고정 조건, 착륙환경 시 착륙장치 장착부위 고정 조건이 적용되었다. 착륙장치 단품에 대한 강도해석의 경우, Table 1의 착륙 장치 단품 하중 조건이 적용되었다.
- 13과 같이 본체 구조체와 어댑터로 구성된다. 본체 구조체와 어댑터는 가볍고 발사 및 운용하중에 견디도록 고강도의 탄소복합재 면재와 알루미늄 코아 심재로 구성된 샌드위치 패널과 플랫폼을 적용하였다. 패널과 플랫폼의 연결은 최소한의 클릿과 피팅으로 조립체결되도록 설계하였다.
- 착륙선의 크기와 중량이 추진제 탱크와 연료량에 좌우되는 문제로 인해 구조체의 소형화와 경량화에 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 임무방식을 갖는 모델 2를 설계하였다. 모델 2는 Fig.
- 한국형 달탐사선 설계의 주안점은 KSLV-2에 탑재 가능한 탐사선의 크기와 550kg이내의 발사중량을 만족하도록 가벼우면서도 발사 및 운용 하중에 견딜 수 있도록 설계하는 것이다. 이를 위해 발생하중을 어댑터로 전달하는 주 구조의 변경과 가벼운 재료를 적용하였다. 다목적실용위성은 Fig.
- 본체 구조체의 패널과 플랫폼은 임무장비와 전자박스들을 장착지지하고 중앙에 있는 실린더에서 연료탱크를 지지한다. 장비들과 탱크로부터 발생된 하중은 실린더를 중심으로 실린더와 패널을 연결한 8개의 중간지지패널(Intercross Panel)을 통해 어댑터로 효과적으로 전달되도록 설계되었다. 어댑터는 상하부 실린더로 연결되어 본체로부터 전달되는 하중을 발사체로 전달한다.
- 궤도선의 총중량과 크기는 약 200kg의 추진제 연료량과 탱크의 크기에 좌우된다. 전자박스와 임무장비의 장착위치를 고려하여 배치설계를 수행하였다. 발사중량 550kg 이내를 고려하고 해외 타 탐사선의 사례를 분석하여 Table 3과 같이 주요 구성품의 중량을 할당하였다.
- 따라서 여러 경우의 Trade-off Study를 통해 상기의 요구조건을 충족할 수 있는 궤도선, 착륙선 구조체의 예비 설계모델을 도출할 수 있었다. 주 하중이 패널을 통해 전달되는 설계개념을 적용하였으며, 구조체에 탄소복합재 샌드위치 패널을 사용하고 각 패널은 최소한의 연결 피팅을 통해 장착되도록 하여 구조체를 전반적으로 단순화하였다.
- 12는 착륙선의 KSLV-2 발사체에 장착된 형상과 주요 크기를 나타낸다. 착륙선 본체의 폭과 높이는 착륙 안정성을 고려하여 결정되었으며 무게중심을 고려해 장비들을 배치하였다.
- 주 스트럿에 장착되는 충격흡수체는 우주용으로 적합하며 충격흡수율이 높은 알루미늄 하니콤을 적용하였다(5). 착륙으로 인한 충격하중 발생시 압축하중을 하니콤에 효과적으로 전달할 수 있도록 주 스트럿은 내외부 실린더로 구성하고 피스톤 운동시 마찰을 최소화하도록 베어링을 적용하였다. 하니콤이 소성변형하면서 압축될 때 필요한 기구운동이 가능하도록 연결 조인트로 설계되었다.
- 임무장비와 전자박스가 장착되는 탑재체 구조체는 중간 패널을 십자형태로 연결하여 발생하중을 효과적으로 지지하고 전달할 수 있도록 하였다. 탑재 구조체로 전달된 하중을 알루미늄 2024 합금 튜브를 적용한 스트럿을 통해 어댑터로 전달되도록 하였으며 연료탱크에서 발생된 주 하중은 추진 구조체에 적용된 탱크링과 스트럿 구조를 통해 지지하고 어댑터로 전달되도록 설계하였다. 위성 전체의 하중을 지지하고 발사체로 전달하는 어댑터는 알루미늄 합금 단조 자재를 사용하였으며 강성/강도를 만족하면서 가볍게 설계되었다.
- 본체 구조체와 어댑터는 가볍고 발사 및 운용하중에 견디도록 고강도의 탄소복합재 면재와 알루미늄 코아 심재로 구성된 샌드위치 패널과 플랫폼을 적용하였다. 패널과 플랫폼의 연결은 최소한의 클릿과 피팅으로 조립체결되도록 설계하였다. 본체 구조체의 패널과 플랫폼은 임무장비와 전자박스들을 장착지지하고 중앙에 있는 실린더에서 연료탱크를 지지한다.
- 착륙으로 인한 충격하중 발생시 압축하중을 하니콤에 효과적으로 전달할 수 있도록 주 스트럿은 내외부 실린더로 구성하고 피스톤 운동시 마찰을 최소화하도록 베어링을 적용하였다. 하니콤이 소성변형하면서 압축될 때 필요한 기구운동이 가능하도록 연결 조인트로 설계되었다. 하니콤의 용량(압축강도, 단면적, 길이)은 Table 1에 기술된 착륙조건에서 착륙장치 1개가 모든 착륙하중을 지지하는 조건을 고려하여 결정되었다.
대상 데이터
- 궤도선은 추진제 탱크 및 임무 장비의 효율적인 배치에 유리한 패널타입으로 설계되었다. 궤도선은 전자박스와 임무장비를 장착한 탑재체 모듈, 추진제 탱크를 비롯한 추진관련 장비를 배치한 추진모듈, 발사체와의 인터페이스를 제공하고 하중을 전달하는 어댑터와 태양전지판으로 구성된다. 궤도선의 최종 형상과 주요 치수는 Fig.
- 14에 나타낸 것과 같이 착륙하중을 지지하고 충격을 흡수하는 주 스트럿, 지지구조인 보조 스트럿, 지면과의 접지를 위한 풋패드로 구성된다. 또한 가볍고 필요한 강도를 갖도록 7075계열 알루미늄합금 자재를 적용하였다. 주 스트럿에 장착되는 충격흡수체는 우주용으로 적합하며 충격흡수율이 높은 알루미늄 하니콤을 적용하였다(5).
- 10과 같이 두 개의 모델로 설계되었다. 모델 1은 액체 추진제를 단일 연료로 사용하는 것으로 임무에 필요한 연료량은 392kg(발사중량 550kg)이다. 착륙선의 크기와 중량이 추진제 탱크와 연료량에 좌우되는 문제로 인해 구조체의 소형화와 경량화에 한계가 있다.
- 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 임무방식을 갖는 모델 2를 설계하였다. 모델 2는 Fig. 10과 Fig. 11에 나타낸 것과 같이 고체연료와 액체연료를 모두 사용하며, 고체로켓과 착륙선 본체로 구성된다. 또한, Fig.
- 탑재 구조체로 전달된 하중을 알루미늄 2024 합금 튜브를 적용한 스트럿을 통해 어댑터로 전달되도록 하였으며 연료탱크에서 발생된 주 하중은 추진 구조체에 적용된 탱크링과 스트럿 구조를 통해 지지하고 어댑터로 전달되도록 설계하였다. 위성 전체의 하중을 지지하고 발사체로 전달하는 어댑터는 알루미늄 합금 단조 자재를 사용하였으며 강성/강도를 만족하면서 가볍게 설계되었다.
- 착륙선 구조체의 강성, 강도 해석을 위해 모델링과 솔버로 MSC PATRAN/NASTRAN이 사용되었다. 유한요소모델은 Fig. 16과 같이 쉘, 빔요소, RBE2 체결요소를 포함하여 14만개이상의 절 점으로 모델링되었다. 강도해석을 위한 하중조건은 Table 1에 기술된 발사환경의 발사 하중 조건과 착륙환경의 충격과 관련된 착륙 하중 조건이 적용되었다.
- 궤도선 구조체의 강성, 강도 분석을 위해 모델링과 솔버로 MSC PATRAN/NASTRAN을 사용 하였다. 유한요소모델은 Fig. 7과 같이 쉘, 빔요소, RBE2 체결요소를 포함하여 15만개 이상의 절점으로 상세히 모델링되었다. 하중조건은 Table 1에 기술된 발사 하중 조건이 적용되었으며, 어댑터 하단 부위 고정 경계조건 기준으로 Fig.
- 1에 나타낸 것과 같이 착륙선이 발사체로부터 분리된 후 달에 직접 주사되며, 비추력이 높은 고체로켓을 이용해 비행속도를 감소하여 달로 진입한다. 이후 소모된 고체로켓을 분리하고 달지면에는 착륙선 본체만 착륙하게 되며, 이때 안정적인 착륙을 위해 본체에 있는 액체연료를 사용한다. 이러한 방식은 착륙선의 소형화와 경량화에 유리하며 국외 타 탐사선의 중소형 착륙선에 적용되었다(4).
- 11과 같이 달지면에 착륙하는 착륙선 본체, 착륙선을 달에 진입 후 속도감소를 위한 고체로켓, 본체와 고체로켓을 연결하고 발사체와의 인터페이스를 제공하기 위한 어댑터로 구성된다. 착륙선 본체는 장비를 탑재하는 본체 모듈과 착륙장치 4개로 구성된다. Fig.
이론/모형
- 궤도선 구조체의 강성, 강도 분석을 위해 모델링과 솔버로 MSC PATRAN/NASTRAN을 사용 하였다. 유한요소모델은 Fig.
- 착륙선 구조체의 강성, 강도 해석을 위해 모델링과 솔버로 MSC PATRAN/NASTRAN이 사용되었다. 유한요소모델은 Fig.
성능/효과
- 발사중량 550kg 이내를 고려하고 해외 타 탐사선의 사례를 분석하여 Table 3과 같이 주요 구성품의 중량을 할당하였다. Table 1에 기술된 구조체 요구조건에 맞춰 설계된 중량을 분석한 결과 발사중량은 약 492kg, 구조체는 65.4kg(발사중량의 약 13%)으로 할당된 중량을 만족하였다.
- 기존 위성 설계에 적용된 구조방식으로는 상기의 요구조건을 충족하는 구조모델을 개발하는데 한계가 있었다. 따라서 여러 경우의 Trade-off Study를 통해 상기의 요구조건을 충족할 수 있는 궤도선, 착륙선 구조체의 예비 설계모델을 도출할 수 있었다. 주 하중이 패널을 통해 전달되는 설계개념을 적용하였으며, 구조체에 탄소복합재 샌드위치 패널을 사용하고 각 패널은 최소한의 연결 피팅을 통해 장착되도록 하여 구조체를 전반적으로 단순화하였다.
- 착륙선 구조체 예비 설계를 통해, 가벼우면서 충격을 효율적으로 흡수할 수 있으며 안정된 착륙에 유리한 구조를 갖는 충격흡수체 및 착륙장치 설계 기술을 확보할 수 있었다. 본 연구를 통해 확보된 설계기술은 한국형 달탐사선을 개발하는데 중요한 기반기술이 될 것으로 판단된다.
후속연구
- 착륙선의 경우, 착륙선 본체와 고체로켓을 분리하는 충격저감 분리장치 설계기술이 요구된다. 또한 착륙장치와 관련된 설계기술로는 가볍고 강도가 우수한 탄소복합재 튜브 등을 적용한 설계 기술, 전개 메카니즘과 심우주 환경에서 온도 영향에 따른 충격흡수성에 대한 연구가 필요할 것이다. 이 밖에 달지면의 형상, 토양조건과 여러 경우의 착륙 시나리오를 고려한 착륙해석에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.
- 착륙선 구조체 예비 설계를 통해, 가벼우면서 충격을 효율적으로 흡수할 수 있으며 안정된 착륙에 유리한 구조를 갖는 충격흡수체 및 착륙장치 설계 기술을 확보할 수 있었다. 본 연구를 통해 확보된 설계기술은 한국형 달탐사선을 개발하는데 중요한 기반기술이 될 것으로 판단된다.
- 향후 비행모델을 개발하기 위해서는 추가 연구를 통해 관련기술의 확보가 필요할 것으로 판단된다. 심우주 운용환경에서 탄소복합재 패널의 열/전기 전도성을 고려한 패널간 연결 및 장비 장착설계 기술과 탄소복합재보다 좀 더 가볍고 강도가 우수하며 제작성이 좋은 재료에 대한 연구가 요구된다.
- 또한 착륙장치와 관련된 설계기술로는 가볍고 강도가 우수한 탄소복합재 튜브 등을 적용한 설계 기술, 전개 메카니즘과 심우주 환경에서 온도 영향에 따른 충격흡수성에 대한 연구가 필요할 것이다. 이 밖에 달지면의 형상, 토양조건과 여러 경우의 착륙 시나리오를 고려한 착륙해석에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.
- 향후 비행모델을 개발하기 위해서는 추가 연구를 통해 관련기술의 확보가 필요할 것으로 판단된다. 심우주 운용환경에서 탄소복합재 패널의 열/전기 전도성을 고려한 패널간 연결 및 장비 장착설계 기술과 탄소복합재보다 좀 더 가볍고 강도가 우수하며 제작성이 좋은 재료에 대한 연구가 요구된다.
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