소형 위성 발사체 나로호의 전자파 적합성 성능은 탑재 위성과 우주센터에 설치되는 지상 장비, 그리고 다른 무선통신망 사이에서 정상적인 동작을 보장하도록 확보되고 검증되어야 한다. 전자파 적합성 성능을 검증하기 위해서는 서브 시스템과 시스템에 대한 적절한 시험 규격과 방법, 그리고 절차가 발사체의 운용 특성과 전자기 환경을 고려하여 수립되어야 한다. 그리고 프로그램 종료단계까지 결정된 규격에 따라 지속적으로 전자파 적합성 특성을 유지 관리하는 것이 요구된다. 본 논문에서는 나로호의 발사체 개발 전 주기 동안 수행된 순차적인 관리 업무를 기술하고, 나로호와 각 서브 시스템의 각 모델에 대한 단계별 시험계획뿐만 아니라, 시험 방법, 규격, 검증시험 결과 등이 제시된다. 또한, 멀티팩션 분석에 대한 결과를 기술한다.
소형 위성 발사체 나로호의 전자파 적합성 성능은 탑재 위성과 우주센터에 설치되는 지상 장비, 그리고 다른 무선통신망 사이에서 정상적인 동작을 보장하도록 확보되고 검증되어야 한다. 전자파 적합성 성능을 검증하기 위해서는 서브 시스템과 시스템에 대한 적절한 시험 규격과 방법, 그리고 절차가 발사체의 운용 특성과 전자기 환경을 고려하여 수립되어야 한다. 그리고 프로그램 종료단계까지 결정된 규격에 따라 지속적으로 전자파 적합성 특성을 유지 관리하는 것이 요구된다. 본 논문에서는 나로호의 발사체 개발 전 주기 동안 수행된 순차적인 관리 업무를 기술하고, 나로호와 각 서브 시스템의 각 모델에 대한 단계별 시험계획뿐만 아니라, 시험 방법, 규격, 검증시험 결과 등이 제시된다. 또한, 멀티팩션 분석에 대한 결과를 기술한다.
Electromagnetic compatibility(EMC) performance of the first Korea space launch vehicle(KSLV-I) should be ensured and verified in order to guarantee the normal operation among the spacecraft, ground facilities which are installed in the space center, and other wireless communication networks. For the...
Electromagnetic compatibility(EMC) performance of the first Korea space launch vehicle(KSLV-I) should be ensured and verified in order to guarantee the normal operation among the spacecraft, ground facilities which are installed in the space center, and other wireless communication networks. For the purpose of the EMC performance verification, pertinent EMC test specifications, methods, and procedures for both the subsystems and the system should be established in consideration of operational properties and electromagnetic environmental effects. And it is required to maintain and control the EMC properties consistently in accordance with the determined specifications up to the program closing phase. In this paper, sequential management work conducted during the overall development process of the KSLV-I is explained, and not only the phased EMC test plan for each model of the KSLV-I and its subsystem but also test method, specification, and results of the verification tests are presented. And also, multipaction analysis results are presented.
Electromagnetic compatibility(EMC) performance of the first Korea space launch vehicle(KSLV-I) should be ensured and verified in order to guarantee the normal operation among the spacecraft, ground facilities which are installed in the space center, and other wireless communication networks. For the purpose of the EMC performance verification, pertinent EMC test specifications, methods, and procedures for both the subsystems and the system should be established in consideration of operational properties and electromagnetic environmental effects. And it is required to maintain and control the EMC properties consistently in accordance with the determined specifications up to the program closing phase. In this paper, sequential management work conducted during the overall development process of the KSLV-I is explained, and not only the phased EMC test plan for each model of the KSLV-I and its subsystem but also test method, specification, and results of the verification tests are presented. And also, multipaction analysis results are presented.
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문제 정의
본 논문에서는 우주발사체 나로호(KSLV-I)의 발사체 개발 전 주기 동안 수행된 순차적인 관리 업무를 기술하고, 나로호와 각 서브 시스템의 각 모델에 대한 단계별 시험계획, 시험 방법, 시험규격, 검증시험 결과 등이 제시된다. 또한, 멀티팩션 분석에 대한 결과를 기술한다.
가설 설정
① 규격서에 제시된 필수 시험항목은 모두 적용한다.
제안 방법
2단형 소형 위성 발사체 나로호의 EMC 시험은 단위 장비/서브시스템 수준, 시스템 수준 그리고 운용환경 수준으로 구분하여 단계적으로 수행되었다.
단위 장비 또는 서브 시스템 수준에 적용된 시험항목은 CE102, CE106 또는 RE103, CS101, CS114, CS115, CS116, RE102, RS103이며, 시스템 수준에서의 시험항목은 복사성 방사, 복사성 감응, 자체적합성, 정전기, 안테나 간섭시험이다. 각 시험 항목에 대한 시험규격은 고출력의 추적 시스템, 원격 측정 시스템, 비행 종단 시스템 등의 발사체와 직접적으로 관계된 신호원과 방송, 통신, 기상에 관련된 간접적인 잡음원들의 특성을 고려하여 수립하였다. 각 시험의 시험절차 또한 발사체의 특성 및 운용정책에 맞게 개발되었으며, 서브시스템 간의 상호 영향성과 안테나 방사 패턴, 멀티팩션에 대한 분석을 수행하여 설계에 반영하였다.
각 시험 항목에 대한 시험규격은 고출력의 추적 시스템, 원격 측정 시스템, 비행 종단 시스템 등의 발사체와 직접적으로 관계된 신호원과 방송, 통신, 기상에 관련된 간접적인 잡음원들의 특성을 고려하여 수립하였다. 각 시험의 시험절차 또한 발사체의 특성 및 운용정책에 맞게 개발되었으며, 서브시스템 간의 상호 영향성과 안테나 방사 패턴, 멀티팩션에 대한 분석을 수행하여 설계에 반영하였다.
나로호 2단부의 복사성 방사 측정은 기체를 수직으로 위치시키고, 기체의 51°와 231° 방향에서, 그리고 기체를 수평방향으로 회전시키고, 전자 탑재 베이 정면에서 각각 수직과 수평편파 방향에 대해 수행하였다. 나로호 2단부에 탑재된 모든 장비를 비행모드 상태로 준비하고, 유도 항법 장치에서 비행 시퀀스에 대한 명령을 반복적으로 출력하도록 시험을 구성하였다.
나로호 2단부의 복사성 방사 측정은 기체를 수직으로 위치시키고, 기체의 51°와 231° 방향에서, 그리고 기체를 수평방향으로 회전시키고, 전자 탑재 베이 정면에서 각각 수직과 수평편파 방향에 대해 수행하였다.
나로호에 장착된 안테나의 구조에서 멀티팩션이 발생할 가능성이 가장 높은 부분을 찾고, 인가된 전압에 대해서 발생하는 최대 전압을 유한 차분 시간 영역법으로 해석하였다. 그림 5는 해석을 위해 사용된 2.
나로호의 시스템 레벨 복사성 방사 시험은 10 kHz～18 GHz 주파수 대역에 대해 수행되었다. EMI 수신기의 동작대역 제한에 의해 복사성 방사 시험에서는 나로호의 각 안테나 단자를 EMC 챔버 외부에 있는 지상 점검 장비로 동축 케이블을 이용하여 직접 연결하여야 한다.
발사체의 전자파 적합성 확보는 구조체의 전기적 접속, 접지, 하니스 등을 설계 규격에 맞게 제작하고, 시스템 특성과 외부 전자파 환경을 고려하여 시험규격을 정하여 시험과 분석을 통해 성능을 검증함으로써 획득된다. 나로호의 전자파 적합성 관리는 서브 시스템 수준과 시스템 수준으로 구분하여 관리되었으며, 개발 모델별로 관리정책에 따라 시험항목을 결정하였다. 단위 장비 또는 서브 시스템 수준에 적용된 시험항목은 CE102, CE106 또는 RE103, CS101, CS114, CS115, CS116, RE102, RS103이며, 시스템 수준에서의 시험항목은 복사성 방사, 복사성 감응, 자체적합성, 정전기, 안테나 간섭시험이다.
나로호의 전자파 적합성 관리는 서브 시스템 수준과 시스템 수준으로 구분하여 관리되었으며, 개발 모델별로 관리정책에 따라 시험항목을 결정하였다. 단위 장비 또는 서브 시스템 수준에 적용된 시험항목은 CE102, CE106 또는 RE103, CS101, CS114, CS115, CS116, RE102, RS103이며, 시스템 수준에서의 시험항목은 복사성 방사, 복사성 감응, 자체적합성, 정전기, 안테나 간섭시험이다. 각 시험 항목에 대한 시험규격은 고출력의 추적 시스템, 원격 측정 시스템, 비행 종단 시스템 등의 발사체와 직접적으로 관계된 신호원과 방송, 통신, 기상에 관련된 간접적인 잡음원들의 특성을 고려하여 수립하였다.
발사체가 비행 중일 때 지상 레이다의 고각이 0°가 되는 시간은 발사 후 약 510초이며, 이 때의 사선거리는 2,000 km이다. 따라서 원격 측정 시스템과 추적 시스템의 송신기 출력값과 수신기 입력 감쇠값은 2,000 km를 기준으로 결정하였으며, 비행 종단 시스템은 2단 KM의 점화 시간인 369.2초까지를 임무시간으로 설정하여 계산된 1,100 km 사선거리를 기준으로 결정하였다. 그림 1은 나로호가 비행할 때 우주센터, 제주추적소에서의 고각 변화를 보여준다.
표 1에 모델별 적용 시험항목이 정리되어 있다. 또한, 발사장에는 고출력의 추적 시스템, 원격 측정 시스템, 비행 종단 시스템 등의 발사체와 직접적으로 관계된 신호원과 방송, 통신, 기상에 관련된 간접적인 잡음원들이 있어 각 시스템 상호간의 간섭현상이 시스템 수준에서 분석되었다.
발사체의 전자파 적합성 확보는 구조체의 전기적 접속, 접지, 하니스 등을 설계 규격에 맞게 제작하고, 시스템 특성과 외부 전자파 환경을 고려하여 시험규격을 정하여 시험과 분석을 통해 성능을 검증함으로써 획득된다. 나로호의 전자파 적합성 관리는 서브 시스템 수준과 시스템 수준으로 구분하여 관리되었으며, 개발 모델별로 관리정책에 따라 시험항목을 결정하였다.
자체 적합성 시험을 위해 각 지상 시스템의 송신 출력 및 수신기 입력 감쇠값은 실제 송신 장비의 출력과 발사체의 비행 궤적, 임무수행 거리 및 시간에 따른 RF 링크 특성을 고려해 결정되어야 한다. 비행 종단 시스템의 경우, 임무 특성상 2단 고체 모터(KM)가 점화되는 시점까지를 고려하여 링크를 계산하는 반면, 추적시스템은 링크가 확보되는 최대거리를 고려하여 결정하였다. 발사체가 비행 중일 때 지상 레이다의 고각이 0°가 되는 시간은 발사 후 약 510초이며, 이 때의 사선거리는 2,000 km이다.
ESD 시험을 위한 절차와 구체적인 전압 파형, 시뮬레이터 방전회로, 방전회로의 파라미터 값은 MILSTD-331C에 나타나 있으며, AECTP-500, Category 508 Leaflet 2에 방전회로와 전극에 대한 규격이 나타나 있다. 상기의 규격서들을 종합하여 나로호의 ESD 관리를 위한 시험 규격과 방법, 절차를 개발하였는데, 결정규격은 표 3에 나타나 있는 바와 같다.
시스템 레벨에서의 복사성 방사 규격은 MIL-STD464A 및 다른 발사체들의 규격, 그리고 나로호에서 방사되는 신호와 잡음의 특성을 고려하여 결정되었다. 그림 3은 나로호의 단위 장비와 시스템 레벨의 복사성 방사/감응을 통제하기 위해 결정된 규격을 나타낸다.
지상 지원 장비 등의 특성을 고려하여 도출된 나로호의 단위 장비 또는 서브 시스템에 적용되는 EMC 시험항목은 CE102, CE106 또는 RE103, CS101, CS114, CS115, CS116, RE102, RS103이다. 시스템 수준에서의 EMC 시험은 복 사성 방사(RE), 복사성 감응(RS), 자체 적합성(selfcompatibility), 정전기 방전(ESD), 안테나 간섭시험이 수행되었다. 표 1에 모델별 적용 시험항목이 정리되어 있다.
. 전자파 적합성 확보는 발사체 자체에서 생성되는 잡음이 규격 이하이어야 하고, 외부의 전자파 환경과 발사체 자체에서 생성된 잡음의 수준에 일정한 여유값이 더해진 전자파 환경의 감응시험을 통해 검증된다. 시험규격이 엄격할수록 발사체의 EMC 성능은 높아지지만, 이에 따라 개발비용과 개발기간이 더 많이 소요되게 되어 임무의 수행에 가장 적합한 규격과 절차를 개발하는 과정이 필요하다.
이론/모형
단위 장비의 복사성 방사 규격은 MIL-STD-461E를 기반으로 각 서브 시스템의 송수신기 규격을 고려하여 결정되었다. 임의의 서브 시스템에서 출력되는 잡음의 크기는 다른 서브 시스템의 수신감도 이하로 방출되도록 통제되어야 하며, 다른 서브 시스템에서 사용되는 출력 신호에 대한 내성이 검증되어야 한다.
대형 시스템인 우주발사체의 EMC 통제는 적합한 요구 조건과 설계 규격이 선행적으로 수립되고, 그에 따른 검증 절차를 통해 수행된다. 소형 위성우주발사체 나로호의 단위 장비와 시스템 수준 EMC 규격은 국방과 우주분야에서 전기전자 장비의 EMC 특성을 규정하고 시험하기 위해 가장 널리 사용되는 MIl-STD-461E를 기초로 전자기 환경을 고려하여 수립되었다[3].
후속연구
나로호의 EMC 관리는 3차 비행시험의 성공을 통해 적합하게 수행되었음이 검증되었으며, 나로호 개발과정에서 획득된 설계 규격과 검증 절차는 향후 한국형 발사체의 개발에 활용될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MIl-STD-461E가 규정하는 것은 무엇인가?
MIl-STD-461E는 우주시스템의 단위 장비(서브시스템)에 대한 세부 시험항목을 규정하고 있으며, MIL-STD464C는 시스템 수준에 대한 시험요구 조건을 다루고 있다. 그러나 이 문서는 표준화된 규격서로서 우주발사체에 적용하기 위해서는 시스템 특성을 고려하여 수정되어야 하며, 개발 전략에 따라 적용 항목을 선정하여야 한다.
자체 적합성(self compatibility) 시험은 어떠한 시험인가?
자체 적합성(self compatibility) 시험은 지상에서 운용되는 추적 레이더 등 RF 송수신 장비와, 운용과 임무수행 과정에서 발사체가 겪게 되는 발사체 외부의 전자기 환경을 최대한 비슷하게 모사하고, 탑재된 모든 전자 장비를 비행상태로 동작시키며, 발사체의 정상 동작 여부를 확인하기 위한 시험이다. 따라서 정확한 시험을 수행하기 위해서는 시험주파수, 송신기 출력값, 수신 신호 감쇠값, 장비 운용 모드가 다음과 같은 인자를 고려하여 정확하게 결정되어야 한다.
참고문헌 (5)
N. K. Agarwal, "EMI control in high reliability space systems", Proc. Int. conf. on EMI and EMC, pp. 1-6, 1999.
Yiming Li, "Review of EMC practice for launch vehicle systems", IEEE 1988 International Symposium on EMC, pp. 459-464, Aug. 1988.
MIL-STD-461E, Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment, Department of Defense, USA, 1999.
W. Elkman, J. Trinh, P. McCaughey, and W. Chen, "EMI/ EMC, lightning, and ESD design approach for the falcon 9 launch vehicle : Part I", 2011 Int. Symp. on EMC, pp. 290-294, 2011.
Mark S. Fan, Hyun Soo Park, Minimum Conductor Spacing for Electronic Packaging, NASA Goddard Space Flight Center, Mar. 1993.
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