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문제 정의
- 본 논문에서는 X-band 안테나 고각과 방위각 구동 시 발생하는 미소진동 절연을 위해, 축 방향에 비해 안테나의 방위각 구동방향과 일치하는 회전방향의 강성이 비교적 낮은 특성을 갖는 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동 절연기를 제안하였다. 또한 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동 절연기의 설계유효성을 검증하기 위해 정하중 시험으로부터 진동 절연기의 기본 특성을 확인하였으며, 정하중 시험 결과와 구조형상을 토대로 본 연구에서 제안한 진동 절연기의 수학적 모델을 도출하였다.
- 본 논문에서는 X-band 안테나의 고각과 방위각 구동 시 발생하는 미소진동 절연을 위해, 축 방향에 비해 안테나의 방위각 구동방향과 일치하는 회전방향의 강성이 비교적 낮은 특성을 갖도록 기존의 의탄성 SMA 메쉬와셔[5]의 지지부를 변경하여 적용한 진동 절연기를 제안하였으며, 이에 대한 기본 특성을 파악하기 위해 SMA 메쉬와셔 자체 및 본 연구에서 제안한 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동 절연기 레벨에서의 정하중 시험을 실시하였다. 또한 상기의 시험결과와 동 절연기 형상을 바탕으로 SMA 메쉬와셔를 적용한 수학적 등가모델을 제안하였다.
제안 방법
- 4에 정하중 시험구성을 나타낸다. SMA 메쉬와셔의 정하중 시험은 인장시험기의 치구사이에 SMA 메쉬와셔를 배치하여 압축변위를 가한 후 하중을 제거하는 방식으로 압축 변위를 증가하면서 하중 부하-제하를 반복 실시하였다. 이에 대한 압축 변위(d)-하중(p) 시험결과를 Fig.
- X-band 안테나 구동 시 발생되는 미소진동의 절연을 위해 Fig. 2와 같이 의탄성 특성을 갖는 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동 절연기를 제안하였다. SMA의 의탄성 거동은 부하-제하 과정에서 상변화 현상에 의해 소성변형 없이 15%에 가까운 큰 변형률이 유발되며, 하중을 제거하게 되면 잔류응력 없이 원래의 형태로 회복하는 특징을 갖는다.
- Figure 3은 X-band 안테나의 고각과 방위각 구동 시 발생하는 미소진동 절연을 목적으로 제안된 진동 절연기의 형상을 나타낸다. 기존에는 SMA 메쉬와셔를 구조물과 탑재장비 사이에 배치하여 주로 축 방향에 대한 진동 및 충격성분을 저감하기 위해 개발되었으나, 본 연구에서는 기존 와셔의 배치방식과 달리하여 전 방향에 대한 진동 절연이 가능하도록 새로운 적용방식의 진동 절연기를 제안하였다. SMA 메쉬 와셔를 적용한 진동 절연기는 SMA 메쉬 와셔를 끼움 결합할 수 있도록 접속홈이 구비되어 있는 상하부 지지대로 구성되어 있으며, SMA 메쉬와셔가 상기의 상하부 접속홈에 삽입되었을 때 움직임을 구속할 수 있도록 별도의 구속 브래킷을 마련하여 SMA 메쉬와셔의 중공부 상하부 표면을 가압하여 상하부 지지대와 체결하였다.
- 13은 SMA 메쉬와셔 진동 절연기의 장착여부에 따른 각 축별 외란력과 토크를 나타내었으며, 시험 결과를 보시다시피 본 연구에서 제안한 진동 절연기를 적용하였을 때 미소진동 크기가 전반적으로 감소되는 것을 확인할 수 있다. 또한 SMA 메쉬와셔 진동 절연기와 결합된 X-band 안테나의 미소진동 절연성능을 더 세부적인 분석을 위해 각 축별 피크(Peak) 감소율과 표준편자(Standard Deviation) 감소율을 분석하였으며, Table 2에 정리하였다. 우선 외란력에 대한 피크 감소율을 보면 최대 피크에 대한 감소율이 가장 큰 방향은 Y방향이며, 평균 감소율의 경우에는 X방향이 70.
- 본 논문에서는 X-band 안테나 고각과 방위각 구동 시 발생하는 미소진동 절연을 위해, 축 방향에 비해 안테나의 방위각 구동방향과 일치하는 회전방향의 강성이 비교적 낮은 특성을 갖는 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동 절연기를 제안하였다. 또한 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동 절연기의 설계유효성을 검증하기 위해 정하중 시험으로부터 진동 절연기의 기본 특성을 확인하였으며, 정하중 시험 결과와 구조형상을 토대로 본 연구에서 제안한 진동 절연기의 수학적 모델을 도출하였다. 또한 수학적 모델로부터 산출한 수치 해와 실험 측정치를 곡선접합 해봄으로써 수학적 모델에 대한 타당성을 입증하였다.
- 본 논문에서는 X-band 안테나의 고각과 방위각 구동 시 발생하는 미소진동 절연을 위해, 축 방향에 비해 안테나의 방위각 구동방향과 일치하는 회전방향의 강성이 비교적 낮은 특성을 갖도록 기존의 의탄성 SMA 메쉬와셔[5]의 지지부를 변경하여 적용한 진동 절연기를 제안하였으며, 이에 대한 기본 특성을 파악하기 위해 SMA 메쉬와셔 자체 및 본 연구에서 제안한 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동 절연기 레벨에서의 정하중 시험을 실시하였다. 또한 상기의 시험결과와 동 절연기 형상을 바탕으로 SMA 메쉬와셔를 적용한 수학적 등가모델을 제안하였다. 또한 진동 절연기와 결합된 X-band 안테나의 미소진동 시험을 통해 설계가 의도한대로 X-band 안테나로부터의 미소진동이 효과적으로 저감됨을 확인하였다.
- 또한 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동 절연기의 설계유효성을 검증하기 위해 정하중 시험으로부터 진동 절연기의 기본 특성을 확인하였으며, 정하중 시험 결과와 구조형상을 토대로 본 연구에서 제안한 진동 절연기의 수학적 모델을 도출하였다. 또한 수학적 모델로부터 산출한 수치 해와 실험 측정치를 곡선접합 해봄으로써 수학적 모델에 대한 타당성을 입증하였다. 또한 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동절연기의 장착여부에 따른 X-band 안테나의 미소진동 절연시험을 통해 설계가 의도된대로 진동 절연기 적용 시 미소진동 크기가 효과적으로 저감됨을 확인하였다.
- 본 연구에서 제안한 SMA 메쉬와셔 진동 절연기를 X-band 안테나에 결합하였을 때, X-band 안테나 구동 시 발생하는 미소진동 특성을 확인하기 위해 미소진동 절연시험을 수행하였다. Fig.
- 아울러 SMA 메쉬와셔 진동 절연기는 축 방향과 함께 회전 방향에 대한 미소진동 저감을 목적으로 설계되었기 때문에 추가적인 시험을 통해 진동 절연기의 회전강성을 산출하였으며 Table 1에 정리하였다. 이로부터 본 논문에서 제안한 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동절연기는 설계가 의도한 대로 Z축 방향의 강성(kz)에 비해 안테나의 방위각 구동방향과 일치하는 회전방향의 강성(kθ)이 비교적 낮은 특성 구현이 가능함을 알 수 있다.
- 여기서, 수학적 등가모델에 사용된 k1, k2 그리고 c의 값을 추정하기에 앞서 본 진동 절연기의 경우 변위인가가 증가함에 따라 Fig. 7의 이력곡선이 비선형적 경향을 나타내고 있어 해석의 용이성을 위해 가장 선형적인 특성을 갖는 1mm 변위에서의 정하중 시험결과를 바탕으로 하였다. 따라서 절연기의 강성치 k2는 k1과 1mm 변위에서의 변위(d)-하중(p) 기울기 k1k2/(k1+k2)로부터 산출이 가능하지만 본 진동 절연기의 모델에서 k1과 c의 값을 알 수 없으므로 Fig.
- 전장품 등 주요 구성품의 진동절연을 목적으로 적용된 SMA 메쉬와셔[5] 자체의 두께방향에 대한 기본특성 파악을 위해 정하중시험을 실시하였으며, Fig. 4에 정하중 시험구성을 나타낸다. SMA 메쉬와셔의 정하중 시험은 인장시험기의 치구사이에 SMA 메쉬와셔를 배치하여 압축변위를 가한 후 하중을 제거하는 방식으로 압축 변위를 증가하면서 하중 부하-제하를 반복 실시하였다.
- 11은 SMA 메쉬와셔 진동 절연기와 결합된 X-band 안테나의 미소진동 시험을 위한 시험 셋업 형상을 나타내며, KISTLER Platform 위에 X-band 안테나를 장착하였다. 진동 절연기(4EA)는 I/F Bracket과 X-band 안테나 사이에 배치되었으며, 이에 대한 절연성능을 확인하기 위해 진동 절연기의 장착 유무에 따른 X-band 안테나의 미소진동 시험을 수행하였다.
- 6에 나타내었다. 진동 절연기를 배치하여 구속시킨 후 일정한 변위조건에서의 인장-압축을 3회 반복하여 시험을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 또한 변형과정에서 SMA 소재자체의 댐핑 특성 및 메쉬 와셔간의 마찰로 인한 에너지 소산으로 절연특성이 뛰어난 특성을 갖는다. Fig. 2의 본 연구에서 적용한 SMA 메쉬와셔는 외경, 내경, 높이는 각각 16mm, 8mm, 5mm이다. SMA 메쉬와셔 제작에 사용된 와이어의 직경은 0.
- SMA 메쉬와셔 제작에 사용된 와이어의 직경은 0.2mm이며 SMA의 의탄성 효과를 이용하기 위해 Af(Austenite Finish Temperature)가 상온과 비슷한 NDC(Nitinol Devices & Components) 사의 SE508 와이어 소재가 적용되었다[5].
성능/효과
- 13과 같다. Fig. 13은 SMA 메쉬와셔 진동 절연기의 장착여부에 따른 각 축별 외란력과 토크를 나타내었으며, 시험 결과를 보시다시피 본 연구에서 제안한 진동 절연기를 적용하였을 때 미소진동 크기가 전반적으로 감소되는 것을 확인할 수 있다. 또한 SMA 메쉬와셔 진동 절연기와 결합된 X-band 안테나의 미소진동 절연성능을 더 세부적인 분석을 위해 각 축별 피크(Peak) 감소율과 표준편자(Standard Deviation) 감소율을 분석하였으며, Table 2에 정리하였다.
- 또한 수학적 모델로부터 산출한 수치 해와 실험 측정치를 곡선접합 해봄으로써 수학적 모델에 대한 타당성을 입증하였다. 또한 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동절연기의 장착여부에 따른 X-band 안테나의 미소진동 절연시험을 통해 설계가 의도된대로 진동 절연기 적용 시 미소진동 크기가 효과적으로 저감됨을 확인하였다.
- 또한 상기의 시험결과와 동 절연기 형상을 바탕으로 SMA 메쉬와셔를 적용한 수학적 등가모델을 제안하였다. 또한 진동 절연기와 결합된 X-band 안테나의 미소진동 시험을 통해 설계가 의도한대로 X-band 안테나로부터의 미소진동이 효과적으로 저감됨을 확인하였다.
- 75%로 좋은 감소율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 표준편차 감소율의 경우 외란력, 토크 모두 X, Y방향이 Z방향에 비해 약 2배 이상의 감소율을 보임을 확인할 수 있다. 이로부터 본 연구에서 제안한 진동 절연기가 축 방향에 비해 회전 방향에 대한 강성이 낮아 X-band 안테나의 고각보다 방위각에 대한 미소진동 성분을 좀 더 효과적으로 절연할 수 있음을 알 수 있으나, 전 방향에 대한 미소진동성분이 절연되는 것을 확인할 수 있다.
- 상기의 정하중 시험결과로부터 SMA 메쉬와셔의 배치방향에 따라 서로 다른 진동절연 특성구현이 가능함을 알 수 있다. SMA 메쉬와셔를 두께방향으로 배치할 경우 진동절연 방향이 제한적이나 초기압축변위 조건에 따라 메쉬와셔 자체의 강성이 크게 가변되는 특성을 이용한 가변 진동 절연계[6]로서의 적용에 용이하다.
- 또한 SMA 메쉬와셔 진동 절연기와 결합된 X-band 안테나의 미소진동 절연성능을 더 세부적인 분석을 위해 각 축별 피크(Peak) 감소율과 표준편자(Standard Deviation) 감소율을 분석하였으며, Table 2에 정리하였다. 우선 외란력에 대한 피크 감소율을 보면 최대 피크에 대한 감소율이 가장 큰 방향은 Y방향이며, 평균 감소율의 경우에는 X방향이 70.64%로 가장 감소율이 좋은 것을 확인할 수 있다. 이와 반대로 토크의 경우 X방향에서 최대 피크 감소율이 69.
- 이로부터 본 논문에서 제안한 SMA 메쉬와셔를 적용한 진동절연기는 설계가 의도한 대로 Z축 방향의 강성(kz)에 비해 안테나의 방위각 구동방향과 일치하는 회전방향의 강성(kθ)이 비교적 낮은 특성 구현이 가능함을 알 수 있다.
- 또한 표준편차 감소율의 경우 외란력, 토크 모두 X, Y방향이 Z방향에 비해 약 2배 이상의 감소율을 보임을 확인할 수 있다. 이로부터 본 연구에서 제안한 진동 절연기가 축 방향에 비해 회전 방향에 대한 강성이 낮아 X-band 안테나의 고각보다 방위각에 대한 미소진동 성분을 좀 더 효과적으로 절연할 수 있음을 알 수 있으나, 전 방향에 대한 미소진동성분이 절연되는 것을 확인할 수 있다.
- 64%로 가장 감소율이 좋은 것을 확인할 수 있다. 이와 반대로 토크의 경우 X방향에서 최대 피크 감소율이 69.70%로 가장 큰 감소율을 보이며, 평균 감소율의 경우 Y방향이 61.75%로 좋은 감소율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 표준편차 감소율의 경우 외란력, 토크 모두 X, Y방향이 Z방향에 비해 약 2배 이상의 감소율을 보임을 확인할 수 있다.
후속연구
- 이렇게 구성된 진동 절연기의 하단부는 구조물에 체결이 되고 진동 절연기의 상단부에는 진동절연대상체인 탑재 장비를 배치하여 체결류를 통해 체결된다. SMA 메쉬와셔를 적용한 진동 절연기는 축 방향에 비해 안테나의 방위각 구동방향과 일치하는 회전방향의 강성이 비교적 낮은 특성을 가지며, 적절한 배치방향에 따라 발사환경 및 궤도미소진동 환경에 동시적용 가능할 것으로 기대된다.
- SMA 메쉬와셔를 두께방향으로 배치할 경우 진동절연 방향이 제한적이나 초기압축변위 조건에 따라 메쉬와셔 자체의 강성이 크게 가변되는 특성을 이용한 가변 진동 절연계[6]로서의 적용에 용이하다. 한편, 본 논문에서 제안한 방법과 같이 SMA 메쉬와셔를 원주 방향으로 배치할 경우, 초기 인가 압축변위의 크기에 따른 강성이 비교적 일정하여 진동절연계의 설계가 용이하며, 회전방향 등 다축에 대한 진동절연이 가능하여 절연기의 최적화 배치에 따라서는 발사환경 및 궤도 미소진동환경 등 다양한 진동절연에 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 향후 SMA 메쉬와셔 진동절연기의 전 방향에 대한 강성을 측정하고, 이로부터 미소진동 외에 발사환경에서도 진동절연 구현이 가능하도록 진동 절연기의 방향, 위치 그리고 개수를 고려한 최적화 배치를 수행할 예정이다.
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