[논문]나로호 3차 비행시험 2단 자세제어 결과

선병찬; 박용규; 오충석; 노웅래

나로호 3차 비행시험 2단 자세제어 결과
Second Stage Attitude Control Results of KSLV-I Third Flight Test 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.12 no.1, 2013년, pp.189 - 199

선병찬 (체계설계팀) , 박용규 (체계설계팀) , 오충석 (체계설계팀) , 노웅래 (체계설계팀)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 나로호 3차 비행시험에서의 2단 자세제어 결과를 정리하였다. 나로호 2단 추력기시스템에 의한 무추력 비행구간 3축 자세제어 및 추력벡터제어에 의한 킥모터 연소구간 피치/요 자세제어가 정상적으로 수행되었음을 보였다. 무게중심 오프셋, 킥모터 슬래그 영향, 킥모터 잔류추력 영향으로 인한 외란에도 불구하고 2단 자세제어기가 모든 비행구간에서 성공적으로 작동하였음을 보였다. 이러한 결과들은 국내의 발사체 자세제어 기술을 향상시키는 데 있어서 중요한 토대를 마련할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper summarizes results of second stage attitude control of KSLV-I third flight test. The results show that three axes attitude control at coasting phases of KSLV-I was successfully accomplished by the reaction control system, and pitch and yaw attitude control at thrusting phase where second stage kick motor burns was also normally accomplished by using the thrust vector control system. It is verified that the second stage controller performed successfully for all flight phases regardless of some disturbances due to mass center offset, slag effects, and residual thrust of kick motor. These results may provide an important basis in enhancing domestic technology level of attitude control of launch vehicle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 나로호 3차 비행시험에서의 2단 자세제어 결과를 정리하였다. 비행시험 데이터 분석 결과, 킥모터 연소 전후 무추력구간에서의 RCS 3축 자세제어와 킥모터 연소구간에서의 피치/요 TVC 자세제어 및 롤 RCS 자세제어가정상적으로 수행되었음을 알 수 있었다.
이에, 본 논문에서는 나로호 3차 비행시험에서의 2단부 자세제어 결과를 분석해서 주요 특성들에 대해 정리하고자 한다.

제안 방법

RCS 추력기의 시간지연 특성을 감안해서 충분한 안정성 여유를 가지도록 히스테레시스 H, 데드밴드 D, 각속도 궤환이득 #, 포화함수 Φs 에 대한 설계가 수행되었다.
TVC 제어기는 PID 제어알고리듬을 기반으로, 구동기 및 센서 동역학, 벤딩모드 등을 포함한 상태에서 이득여유 6 dB 이상, 위상여유 30도 이상 보장하도록 설계되었다. TVC 제어기에 의해 생성되는 노즐각 명령은 다음 식과 같다.

대상 데이터

추력기시스템은 질소 냉가스를 분사하는 12개의 추력기로 구성되어 있는데 각 추력기에서 생성되는 Nominal 추력은 22 N 이다. 추력기 노즐이 2단의 스킨에 장착되며 피치 및 요 자세제어에 각각 2개씩의 추력기가 사용되고 롤 자세제어에 총 8개의 추력기가 사용된다. 그림에서 Z축이 피치축이고 Y축이 요 축에 해당한다.

이론/모형

RCS 제어기는 Schmidt Trigger ON/OFF 제어 알고리듬을 기반으로 설계되었다. RCS 추력기의 시간지연 특성을 감안해서 충분한 안정성 여유를 가지도록 히스테레시스 H, 데드밴드 D, 각속도 궤환이득 #, 포화함수 Φ_s 에 대한 설계가 수행되었다.

성능/효과

500~510초 구간에서는 위성분리를 위한 피치 자세각 변경이 -5.5도 만큼 요구되는데 잔류추력에 의한 외란에도 불구하고 피치 RCS 추력기의 작동을 통해 ±1도 오차 이내에서 정확하게 제어가 이루어졌음을 확인할 수가 있다.
Nominal RCS 추력 22 N 에 비해 실제 추력이 1~2 N 정도 다소 낮게 생성되었기 때문에 작동주기가 다소 길어졌지만 최대 ±1도 범위에서 Nominal과 유사하게 롤 자세제어가 이루어졌음을 확인할 수 있다.
그림 17~18은 킥모터 연소구간에서의 피치 및요 TVC 명령을 나타낸다. Nominal 경우와 비교할 때 킥모터 노즐의 비정렬오차 및 연소중 무게 중심 오프셋의 변동 특성 차이로 인해 조금씩 차이나는 부분이 있기는 하지만 최대 0.05도 이내 에서 전반적인 결과가 일치함을 확인할 수가 있다. 킥모터 점화시의 천이구간에서 최대 1.
5도 만큼 요구되는데 잔류추력에 의한 외란에도 불구하고 피치 RCS 추력기의 작동을 통해 ±1도 오차 이내에서 정확하게 제어가 이루어졌음을 확인할 수가 있다. 결과적으로 위성분리가 수행되는 540초에서의 피치/요 각속도및 자세각 오차는 각각 0.065 deg/sec, 0.76 deg 이내이고 롤 각속도 및 자세각 오차는 각각 0.27 deg/sec, 0.13 deg 정도로서 목표한 자세정밀도를 상회하는 결과를 얻었다. 참고로, 피치/요 각 속도 및 자세각 요구정밀도는 각각 0.
잔류추력에 의한 외란의 영향으로 인해 리미트사이클 또한 외란 존재시의 전형적인 형상을 가지게 되는데 오차 수준은 ±1도 이내로써 Nominal과 유사하다. 결과적으로, 외란토크의 변동에도 불구하고 RCS 제어가 잘 수행되었음을 알 수가 있다.
그림 38~41의 피치 RCS 제어 결과를 살펴보면, 위성분리 직후 545~560초 구간에서 피치 자세각이 -90도 만큼 변경되는 것을 볼 수가 있는데 이는 위성과의 충돌 방지를 위해 잔류추력에 의한 2단 발사체의 진행방향을 틀어주기 위한 회피기동으로써 정상적으로 수행되었음을 확인할수 있다. 그리고 시간이 지날수록 잔류추력에 의한 외란토크가 작아지면서 리미트사이클 형상이외란이 없는 Nominal 경우에 점점 가까워지고 있음을 발견할 수도 있다.
본 논문에서는 나로호 3차 비행시험에서의 2단 자세제어 결과를 정리하였다. 비행시험 데이터 분석 결과, 킥모터 연소 전후 무추력구간에서의 RCS 3축 자세제어와 킥모터 연소구간에서의 피치/요 TVC 자세제어 및 롤 RCS 자세제어가정상적으로 수행되었음을 알 수 있었다. 킥모터 연소 구간에서의 무게중심 오프셋 변동 특성, 킥모터 연소 후반부의 슬래그 영향, 킥모터 연소종료 후의 잔류추력 특성 등이 비행 전에 예상한 것과 다소 차이나는 부분이 존재하였음에도 불구하고 TVC 및 RCS 의 정상적인 작동을 통해 위성분리시 요구되는 자세정밀도를 만족시킬 수가 있었고 이를 통해 2단 자세제어기 또한 충분한 안정성 여유를 가지도록 설계되었음을 확인하였다.
약 768초 이후에는 텔레메트리 신호가 약해져서 이후의 자세제어 특성을 살펴볼 수 있는 데이터가 없는 상태이기는 하지만, 지금까지의 결과 분석을 토대로 768초 이후에도 RCS 제어가 정상적으로 수행되었을 것으로 판단된다.
최대 자세오차가 ±1도 수준으로서, 킥모터 점화 전의 무추력구간 제어에서처럼 RCS 추력이 Nominal보다 다소 낮게 생성되어 RCS 작동 주기가 조금 길어진 것 외에는 Nominal 경우와 거의 일치하는 결과이다.
비행시험 데이터 분석 결과, 킥모터 연소 전후 무추력구간에서의 RCS 3축 자세제어와 킥모터 연소구간에서의 피치/요 TVC 자세제어 및 롤 RCS 자세제어가정상적으로 수행되었음을 알 수 있었다. 킥모터 연소 구간에서의 무게중심 오프셋 변동 특성, 킥모터 연소 후반부의 슬래그 영향, 킥모터 연소종료 후의 잔류추력 특성 등이 비행 전에 예상한 것과 다소 차이나는 부분이 존재하였음에도 불구하고 TVC 및 RCS 의 정상적인 작동을 통해 위성분리시 요구되는 자세정밀도를 만족시킬 수가 있었고 이를 통해 2단 자세제어기 또한 충분한 안정성 여유를 가지도록 설계되었음을 확인하였다. 본 결과들은, 추후 국내의 발사체 자세제어 기술을 향상시키는 데 있어서 중요한 자료가 될것으로 판단된다.

후속연구

킥모터 연소 구간에서의 무게중심 오프셋 변동 특성, 킥모터 연소 후반부의 슬래그 영향, 킥모터 연소종료 후의 잔류추력 특성 등이 비행 전에 예상한 것과 다소 차이나는 부분이 존재하였음에도 불구하고 TVC 및 RCS 의 정상적인 작동을 통해 위성분리시 요구되는 자세정밀도를 만족시킬 수가 있었고 이를 통해 2단 자세제어기 또한 충분한 안정성 여유를 가지도록 설계되었음을 확인하였다. 본 결과들은, 추후 국내의 발사체 자세제어 기술을 향상시키는 데 있어서 중요한 자료가 될것으로 판단된다.
3차 비행시험에서는 1,2단 연소, 분리이벤트, 자세제어 등이 정상적으로 이루어졌고 결과적으로 나로과학위성을 목표궤도에 올리는 임무를 완수하였다. 정상적인 비행상황에서의 자세제어 데이터가 3차 비행시험을 통해 처음으로 얻어졌고 이러한 데이터들은 앞으로 국내의 발사체 자세제어 기술을 향상시키는 데 있어서 중요한 자료로써 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나로호(KSLV-I) 3차 비행시험 수행 시기?	2013년 1월 30일 오후 4시에 나로호(KSLV-I) 3차 비행시험이 성공적으로 수행되었다. 지난 2009년 8월의 1차 비행시험에서는 한쪽 페어링의미분리로 인해 위성궤도 투입에 실패하였고 2010년 6월의 2차 비행시험에서는 1단 비행구간에서 폭발이 발생해서 비행이 중단된 바 있다.
	3차 비행시험의 결과?	지난 2009년 8월의 1차 비행시험에서는 한쪽 페어링의미분리로 인해 위성궤도 투입에 실패하였고 2010년 6월의 2차 비행시험에서는 1단 비행구간에서 폭발이 발생해서 비행이 중단된 바 있다. 3차 비행시험에서는 1,2단 연소, 분리이벤트, 자세제어 등이 정상적으로 이루어졌고 결과적으로 나로과학위성을 목표궤도에 올리는 임무를 완수하였다. 정상적인 비행상황에서의 자세제어 데이터가 3차 비행시험을 통해 처음으로 얻어졌고 이러한 데이터들은 앞으로 국내의 발사체 자세제어 기술을 향상시키는 데 있어서 중요한 자료로써 활용될 것이다.
	이륙후 시간에 따른 나로호 2단 비행시퀀스는?	나로호 2단 비행시퀀스는 그림 2와 같다. 이륙후 약 214초에 페어링 분리가 1단 비행구간에서 이루어지고 약 231초에 1단이 분리되고 나면 이후 위성분리까지 2단의 자세제어가 수행된다. 단분리 직후부터 킥모터 연소 전까지 약 164초 동안의 무추력구간에서 질소 냉가스 추력기시스템 (RCS, Reaction Control System)을 이용해서 3축 자세제어를 수행한다. 킥모터 연소구간에서는 추력벡터제어(TVC, Thrust Vector Control) 시스템으로 피치 및 요 자세제어를 수행하는 한편 추력기시스템으로 롤 자세제어를 수행한다. 킥모터 연소종료 이후인 459초부터 위성분리가 이루어지는 540초까지의 무추력구간에서는 추력기시스템을 다시 작동시켜서 3축 자세제어를 수행한다. 위성이 분리되고 나면 킥모터 잔류추력에 의해 2단과 위성이 충돌하는 것을 방지하기 위해 회피 기동을 수행하는데 이때에도 추력기시스템이 사용된다.

참고문헌 (7)

선병찬, 박용규, 오충석, 노웅래, "나로호 질소 가스 추력기시스템 자세제어기 설계 및 종합 성능시험," 항공우주기술 11권 2호, 2012년 11월.
선병찬, 박용규, 오충석, 노웅래, "나로호 킥모 터 TVC 노즐 행정확인시험 및 특성 분석," 항공우주기술 11권 1호, 2012년 7월.
선병찬, 박용규, 오충석, 노웅래, 조광래, "KSLV-I 상단 킥모터 TVC 노즐 행정확인시 험 및 운용 파라미터 분석," 제11회 우주발사 체기술 심포지움, 2010년 12월.
박용규, 오충석, 선병찬, 노웅래, 박정주, 조광 래, "페어링 비정상 분리 비행조건에서의 KSLV-I 상단부 자세제어 성능 분석," 2009 한국항공우주학회 춘계학술발표회, 2009년 11월.
선병찬, 박용규, 노웅래, 조광래, "Attitude Control Design and Test of KSLV-I Upper Stage," 60th International Astronautical Congress, Daejeon Korea, September 2009.
Byung-Chan Sun, Yong-Kyu Park and Woong-Rae Roh, "Hardware In the Loop Tests for Upper Stage Control Systems of Korean Space Launch Vehicle" International Conference on Control, Automation and Systems 2007 in COEX, Seoul, Korea, Oct. 17-20, 2007.
선병찬, 박용규, "추력기를 이용한 우주비행체 자세제어설계," 항공우주기술 4권 1호, 2005년 7월.

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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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