[논문]열선절단방식 구속분리장치를 적용한 큐브위성의 구조설계

오현웅; 권성철

doi:10.5139/jksas.2013.41.9.720

열선절단방식 구속분리장치를 적용한 큐브위성의 구조설계
Structural Design of Cube Satellite by Using Heating Wire Cutting Type Separation Mechanism 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.41 no.9, 2013년, pp.720 - 725

오현웅 (Space Technology Synthesis Lab., Department of Aerospace Engineering, Chosun University) , 권성철 (Space Technology Synthesis Lab., Department of Aerospace Engineering, Chosun University)

초록
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큐브위성에서는 일반적으로 열선 작동 시 나일론선의 절단과 함께 구속을 해제하는 메커니즘을 적용하고 있다. 이를 적용할 경우 메커니즘은 단순하여 적용이 용이하나 다수의 구조물의 구속 및 분리를 위해 다수의 열선을 적용해야 하는 등 시스템의 복잡화가 불가피하며, 나일론선의 체결력이 상대적으로 취약하여 작용하중이 큰 구조물의 구속을 통한 구조건전성 확보에 취약한 단점을 갖는다. 본 연구에서는 상기의 단점을 극복하기 위한 큐브위성용 구속분리장치와 이를 적용하여 복수구조물의 동시 구속 및 분리가 가능한 큐브위성의 구조설계를 제안하였다. 분리장치 실험실 모델의 동작시험을 통해 분리장치의 기능성을 검증하였으며, 주요 분리 대상체인 상부 및 하부 주구조체가 분리장치에 의해 동시 구속된 상태의 큐브위성의 구조해석을 통해 구조설계의 유효성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nylon wire cutting method by nichrome wire is generally applicable for cube satellite applications due to its advantages of simplicity. However, the system complexity is not avoidable to apply it on the cube satellite with multi-deployable structures. A lower constraint force of the mechanism is also one of the disadvantages of the mechanism. In this study, we proposed a preliminary structure design of cube satellite with the separation mechanism which is applicable for holding and release of the multi-deployable structures. The effectiveness of the mechanism design was verified through function test of EM mechanism. The structure analysis results showed that the structure design proposed in this study is feasible.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 제안한 비폭발식 분리장치의 분리방식으로는 기존의 큐브위성에 일반적으로 적용된 열선에 의한 나일론선 절단 방식을 적용하고 있으므로 신뢰도가 보장가능하다. 또한 볼트에 의한 구속방식을 적용하고 있어 체결력이 높음에도 불구하고 파이로식 분리장치와 달리 과도 충격응답 최소화가 가능하여 탑재공간이 극히 제한되어 있는 큐브위성의 주요 임무장비 손상 방지 및 적용 방식에 따라서는 복수 구조물의 동시 구속 및 분리가 가능함을 특징으로 한다.
본 연구에서는 시스템 설계로부터 도출된 큐브위성의 임무구현을 위해 열선 절단형 비폭발식 분리장치를 적용하여 단수 분리장치로 다수 구조물의 동시 구속 및 분리가 가능한 구조 개념설계을 제안하였다. 본 분리장치는 상기의 기존 열선 절단 방식의 단점인 다수 구조물 구속에 수반되는 시스템 복잡화와 낮은 체결력 그리고 파이로식 구속분리장치의 고충격의 단점을 극복할 수 있는 분리장치로, EM (Engineering Model)으로 제작된 분리장치의 기능시험과 주요 분리 대상체인 상부 및 하부 주구조체가 분리장치에 의해 동시 구속된 상태의 큐브위성의 구조해석을 통해 구조설계의 유효성을 입증하였다.

제안 방법

기능시험과 함께 분리장치의 축방향 정하중 시험을 실시하였다. 큐브위성의 랜덤진동인증시험 규격인 14.
본 연구에서는 시스템 설계로부터 도출된 큐브위성의 임무구현을 위해 열선 절단형 비폭발식 분리장치를 적용하여 단수 분리장치로 다수 구조물의 동시 구속 및 분리가 가능한 구조 개념설계을 제안하였다. 본 분리장치는 상기의 기존 열선 절단 방식의 단점인 다수 구조물 구속에 수반되는 시스템 복잡화와 낮은 체결력 그리고 파이로식 구속분리장치의 고충격의 단점을 극복할 수 있는 분리장치로, EM (Engineering Model)으로 제작된 분리장치의 기능시험과 주요 분리 대상체인 상부 및 하부 주구조체가 분리장치에 의해 동시 구속된 상태의 큐브위성의 구조해석을 통해 구조설계의 유효성을 입증하였다.
본 연구에서 제안한 큐브위성의 발사환경에서의 구조건전성을 검증하기 위해 모드해석, 준정적해석, PCB 해석을 수행하였다. Figure 8은 구조해석을 위한 큐브위성의 FEM모델로, 하부 주 구조체와 상부판넬 조립체의 각 프레임과 레일은 Beam 요소, 각각의 판넬과 PCB에 Shell 요소를 적용하였다.
2(b)와 같이 상부판넬 조립체를 레일 내부에 배치된 스프링의 복원력으로 최적화된 거리에 위치하도록 1차 전개 임무를 수행하며, 이와 동시에 지상국과의 교신을 위한 상향·하향 안테나 그리고 2개의 태양전지판의 구속이 해제됨과 동시에 전개가 이루어진다. 상기 복수의 구속 해제 대상체는 상부 판넬 조립체의 측면 판넬을 이용해 구조물에 구속력을 부가하며, 상부판넬 조립체의 충분한 구속력 확보를 위해 Fig. 3과 같이 상부판넬 조립체와 주구조체 사이에 구속분리장치를 배치하여 발사환경에서의 상부판넬 조립체의 구조건전성을 확보하였다.
상기와 같이 큐브위성 조립체 단독으로의 랜덤진동 인증시험 규격인 14.1Grms로부터 준정적 설계하중에 상응하는 42.3G를 도출하고, 이를 각 축 방향에 적용하여 준정적 해석을 수행하였다. 설계하중에 대한 구조건전성을 판단을 위해 재료의 허용응력(σ_allow), FEM으로부터 계산된 최대응력(σ_max) 그리고 안전계수 (SF: Safety Factor)로부터 다음과 같이 MoS (Margin of Safety)를 정의하였다.
설계하중에 대한 구조건전성을 판단을 위해 재료의 허용응력(σallow), FEM으로부터 계산된 최대응력(σmax) 그리고 안전계수 (SF: Safety Factor)로부터 다음과 같이 MoS (Margin of Safety)를 정의하였다.
5N을 도출하였으며, 총3회의 정하중 시험을 통해 33N에 대한 축 방향 구조건전성 확보가 가능함을 확인하였다. 정하중 시험 후에는 분리장치의 기능 재현성을 확인하기 위해 작동분리 시험을 재실시 하여 Fig. 7과 같은 분리장치의 정상작동여부를 확인하였다.
큐브위성에 적용되는 종래의 열선에 의한 나일론선 절단방식의 낮은 체결력의 단점을 극복하고 임무구현을 위해 최소의 분리장치 적용으로 복수 구조물의 동시 구속 및 분리가 가능한 비폭발식 구속분리 장치를 제안하였으며 분리장치 EM의 기능 및 정하중 시험을 통해 설계의 유효성을 검증하였다.
큐브위성에 적용된 소자의 구조건전성 판단을 위해 피로파괴이론에 기초해 주요 PCB 소자의 구조안전성 분석을 수행하였다. Figure 12는 큐브위성에 적용된 상용 EPS 보드이며 보드형상, 크기 및 해석에 적용된 소자위치를 나타낸다.
큐브위성의 구조 모드 주파수 요구조건은 100Hz이상으로 요구조건 충족 판단을 위해 모드 해석을 수행하였다. Table 2는 구조해석에 적용된 PCB (Polyimide)와 구조체 재료 (Al6061-T6)의 물성치를 나타낸다.
Figure 8은 구조해석을 위한 큐브위성의 FEM모델로, 하부 주 구조체와 상부판넬 조립체의 각 프레임과 레일은 Beam 요소, 각각의 판넬과 PCB에 Shell 요소를 적용하였다. 하부 주구조체와 상부판넬 조립체를 연결하는 분리장치 및 레일 접속부는 분리장치 인증모델의 정하중 시험결과로부터 측정된 강성치 4170N/mm와 랜덤시험 규격으로부터 도출된 축방향 허용하중인 26.5N으로부터 충분한 구조 건전성이 확보 가능한 점과 해석의 용이성을 고려하여 강체구속을 적용하였다. PCB의 경우, 형상설계상 체결류를 통해 기 조립된 PCB 조립체가 하부 주구조체의 상부와 하부판넬에 조립되는 것을 고려하여 모델링에 반영하였다.

이론/모형

2차 임무인 지구 영상 획득을 위해서는 카메라 시야각으로부터 상부판넬을 제거하여야 하며 이를 위해 큐브위성에 일반적으로 적용되는 열선에 의한 나일론선 절단 방식을 적용하였다.

성능/효과

Table 4는 각 보드의 주요 소자의 변위와 이로부터 산출된 MoS를 나타낸다. EPS보드에서 최대변위가 발생하며, MoS는 약29%로 발사환경에서의 소자의 구조건전성이 보장됨을 알 수 있다.
본 연구에서 제안한 비폭발식 분리장치의 분리방식으로는 기존의 큐브위성에 일반적으로 적용된 열선에 의한 나일론선 절단 방식을 적용하고 있으므로 신뢰도가 보장가능하다. 또한 볼트에 의한 구속방식을 적용하고 있어 체결력이 높음에도 불구하고 파이로식 분리장치와 달리 과도 충격응답 최소화가 가능하여 탑재공간이 극히 제한되어 있는 큐브위성의 주요 임무장비 손상 방지 및 적용 방식에 따라서는 복수 구조물의 동시 구속 및 분리가 가능함을 특징으로 한다.
10과 같이 상부판넬 구조체의 4차 (578Hz)와 13차 (894Hz)에서 발생하고 있음을 알 수 있다. 상기의 모드 해석결과로부터 큐브위성 조립체는 주파수 요구조건인 100Hz이상을 충족하고 있음을 알 수 있다.
기능시험과 함께 분리장치의 축방향 정하중 시험을 실시하였다. 큐브위성의 랜덤진동인증시험 규격인 14.1Grms와 상부판넬 조립체의 무게로부터 축방향 허용하중인 26.5N을 도출하였으며, 총3회의 정하중 시험을 통해 33N에 대한 축 방향 구조건전성 확보가 가능함을 확인하였다. 정하중 시험 후에는 분리장치의 기능 재현성을 확인하기 위해 작동분리 시험을 재실시 하여 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열선 작동 시 나일론선의 절단과 함께 구속을 해제하는 메커니즘의 단점은?	큐브위성에서는 일반적으로 열선 작동 시 나일론선의 절단과 함께 구속을 해제하는 메커니즘을 적용하고 있다. 이를 적용할 경우 메커니즘은 단순하여 적용이 용이하나 다수의 구조물의 구속 및 분리를 위해 다수의 열선을 적용해야 하는 등 시스템의 복잡화가 불가피하며, 나일론선의 체결력이 상대적으로 취약하여 작용하중이 큰 구조물의 구속을 통한 구조건전성 확보에 취약한 단점을 갖는다. 본 연구에서는 상기의 단점을 극복하기 위한 큐브위성용 구속분리장치와 이를 적용하여 복수구조물의 동시 구속 및 분리가 가능한 큐브위성의 구조설계를 제안하였다.
	큐브위성에서 적용되는 메커니즘은?	큐브위성에서는 일반적으로 열선 작동 시 나일론선의 절단과 함께 구속을 해제하는 메커니즘을 적용하고 있다. 이를 적용할 경우 메커니즘은 단순하여 적용이 용이하나 다수의 구조물의 구속 및 분리를 위해 다수의 열선을 적용해야 하는 등 시스템의 복잡화가 불가피하며, 나일론선의 체결력이 상대적으로 취약하여 작용하중이 큰 구조물의 구속을 통한 구조건전성 확보에 취약한 단점을 갖는다.
	파이로식 구속분리장치의 단점은?	발사시 수납되고 궤도상에서 전개되어 운용되는 전개형 구조물의 발사구조 건전성 확보를 위해 중·대형 위성에서는 일반적으로 파이로 폭발 시 발생하는 구동력을 이용해 구속핀을 절단하여 구속을 해제하는 파이로식 구속분리장치가 적용되고 있다. 파이로식 구속분리장치는 그동안 수많은 우주적용사례를 통해 높은 신뢰도를 구축하고 있으나, 구속 핀 파단 시 발생하는 충격이 상대적으로 커 임무장비의 배치 설계 및 충격전달 경로 설계 여하에 따라 주요 임무장비 손상 등의 위험성이 존재한다[6]. 특히 큐브위성의 경우, 대형위성에 비해 크기, 형상 및 탑재공간이 극히 제한되어 있어 파이로식 구속분리장치 작동에 수반되는 충격 발생시 거리에 따른 댐핑 효과를 기대하기 힘들어 임무장비 손상 가능성이 높다고 할 수 있으며, 또한 파이로 구속장치 사용불가는 큐브위성의 주요 설계 요구조건이다.

참고문헌 (9)

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H. S. Seo, J. H. Lee, S. H. Kim, K. W. Kim, C. H. Kim, J. H. Lim, S. W. Kim, S. H. Kim, D. S. Hwang, J. W. Lee and E. S. Han "Analysis On Nano or Pico-Satellite System Design Technologies" J. of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences Fall Conference, May. 2012, pp. 1033-1036.
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J. R. Jung, G. I. Kim, S. J Lee and C. H. Kang "Characteristics of the Shock Response Spectrum for Structures Subjected to Pyroshock" J. of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences Fall Conference, May, 2011, pp. 940-946.
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W. Miyazawa, and I. Morita "Tokyo Tech Pico-Satellite CUTE-II: Missions and Concept Design" Society for Aeronautical and Space Science, Tokyo, Japan, Vol.24, 2004, pp. 1136-1141.
S. Y. Jeong, H. U. Oh, K. J. Lee, B. S. Kim, "Mechanical Stability Analysis of PCB and Component for Launch and On-orbit Environment" J. of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 10, September, 2011, pp. 952-958.

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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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