성공적으로 달 탐사를 수행하기 위해서는 달착륙선의 안전한 착륙이 보장되어야 한다. 그러므로 안전한 착륙을 저해하는 착륙 시 충격하중을 감소시키기 위해서는 효율적인 달착륙선 충격흡수장치를 설계해야 한다. 또한 더욱 현실적인 달착륙선 설계를 위해서는 달 토양의 특성을 고려하는 것이 중요하다. 이에 본 논문에서는 달 토양의 특성을 반영한 달착륙선 착륙 해석 모델을 구축하고, 효율적인 충격력 감소를 위해 달착륙선의 충격흡수장치에 대한 최적설계를 수행하였다. 최적설계는 메타모델 기반의 순차적 근사 최적설계기법을 이용하여 수행하였으며, 최적설계 결과로 부터 본 연구에서 사용된 최적화 방법을 통해 달착륙선에 가해지는 충격력을 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인하였다.
성공적으로 달 탐사를 수행하기 위해서는 달착륙선의 안전한 착륙이 보장되어야 한다. 그러므로 안전한 착륙을 저해하는 착륙 시 충격하중을 감소시키기 위해서는 효율적인 달착륙선 충격흡수장치를 설계해야 한다. 또한 더욱 현실적인 달착륙선 설계를 위해서는 달 토양의 특성을 고려하는 것이 중요하다. 이에 본 논문에서는 달 토양의 특성을 반영한 달착륙선 착륙 해석 모델을 구축하고, 효율적인 충격력 감소를 위해 달착륙선의 충격흡수장치에 대한 최적설계를 수행하였다. 최적설계는 메타모델 기반의 순차적 근사 최적설계기법을 이용하여 수행하였으며, 최적설계 결과로 부터 본 연구에서 사용된 최적화 방법을 통해 달착륙선에 가해지는 충격력을 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인하였다.
To successfully explore the moon by lunar lander, it is essential to guarantee the safe landing of lunar lander. Therefore, efficient shock absorption system of lunar lander should be designed in order to reduce landing impact force. Also, for more practical design of lunar lander, it is important t...
To successfully explore the moon by lunar lander, it is essential to guarantee the safe landing of lunar lander. Therefore, efficient shock absorption system of lunar lander should be designed in order to reduce landing impact force. Also, for more practical design of lunar lander, it is important to consider the effect of lunar regolith. In the line of thought, finite element model of lunar lander considering the effect of lunar regolith is developed. To reduce landing impact force, optimization of shock absorption system for lunar lander has been carried out. In optimization, sequential approximate optimization method based on meta-model is used. Through the result of optimization, it is verified that landing impact force on lunar lander can be efficiently reduced by the present optimization procedure.
To successfully explore the moon by lunar lander, it is essential to guarantee the safe landing of lunar lander. Therefore, efficient shock absorption system of lunar lander should be designed in order to reduce landing impact force. Also, for more practical design of lunar lander, it is important to consider the effect of lunar regolith. In the line of thought, finite element model of lunar lander considering the effect of lunar regolith is developed. To reduce landing impact force, optimization of shock absorption system for lunar lander has been carried out. In optimization, sequential approximate optimization method based on meta-model is used. Through the result of optimization, it is verified that landing impact force on lunar lander can be efficiently reduced by the present optimization procedure.
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문제 정의
또한 달 표면은 다양한 지형이 존재하며, 착륙하는 위치에 따라 서로 다른 특성을 보이기 때문에[7] 달 착륙선 설계 시 달 토양의 특성을 반영하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존 달 착륙선 충격흡수장치 최적화 연구[6]에서 고려하지 않았던 달 토양 특성을 고려하여 충격흡수장치 최적화 연구를 수행하였다. 최적설계 시 의미 있는 착륙조건을 부가하기 위해 선행연구 [8,9]에서 도출된 달 토양 특성과 최대 충격하중이 발생하는 착륙조건을 활용하였다.
본 연구에서는 달 착륙 시 달착륙선에 가해지는 충격하중(최대가속도)을 저감하기 위해 달 토양의 특성을 고려한 달착륙선 착륙 해석 모델을 구축하고 이를 이용하여 메타모델 기반의 순차적 근사 최적화를 수행하였다.
각 착륙모드와 착륙각도 및 속도에 따른 영향을 고찰한 결과, 달착륙선의 각도(Φ)가 +10°, 착륙 수평속도(Vx)가 +1m/s이고, 풋 패드 2개가 먼저 지면에 닿고 나머지 2개가 닿게 되는 2-2모드일 때 가장 큰 충격하중을 받는 것으로 나타났다[9]. 이에 본 연구에서는 이 착륙조건을 충격흡수장치의 최적설계를 위한 착륙조건으로 선정하였다. 달착륙선의 질량은 150kg, 중력가속도는 지구의 1/6인 1.
일반적으로 메타모델을 이용한 순차적 근사 최적설계는 설계자의 경험에 의하여 설계영역을 조절하게 되며, 이에 따라 수렴성을 확보하기 어렵고 다양한 문제에 적용되기 힘든 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위해 신뢰영역 알고리듬을 통해 설계영역을 조절할 수 있도록 하였다. 알고리듬은 식(10)과 같이 나타낼 수 있다[13].
하지만, 달 표면의 탄성계수는 문헌마다 그 크기가 상당히 다르게 제시되어 있다. 이에 본 연구에서는 적절한 달 표면 탄성계수 값을 선정하기 위해 탄성계수에 따른 경향성을 고찰한 연구결과[8]를 참고하였다. 연구에 따르면 달 표면 탄성계수가 클수록 충격하중은 커지게 되며 이러한 사실을 고려하여 본 연구에서는 달 착륙선의 안전한 설계를 보장할 수 있도록 문헌에 제시된 범위 중 가장 큰 Ottawa sand[8,16]값을 달 표면 탄성계수로 선정하였다.
따라서 달착륙선의 착륙거동을 더 효과적으로 해석하기 위해 알루미늄 허니컴의 거동을 단순화시킬 필요가 있다[6]. 이에 본 절에서는 이를 일차원 모델로 단순화하는 과정을 자세히 기술하였다. 알루미늄 허니컴의 거동은 일반적으로 Fig.
제안 방법
또한 2단 충격흡수장치의 메커니즘을 구현하기 위하여 ABAQUS에서 제공하는 “Slider”라는 MPC(multi point constraint)와 인장력을 견딜 수 있는 비선형 스프링을 적용하였다[13].
본 연구에서는 알루미늄 허니컴의 준정적 실험에 의한 힘-변형 관계를 공칭응력-공칭변형률 관계로 변환한 후 식 (7)과 (8)을 통해 진응력-로그 소성변형률 관계로 변환하는 과정을 거쳐 알루미늄 허니컴의 소성 변형 거동을 모사하였다.
이에 본 연구에서는 적절한 달 표면 탄성계수 값을 선정하기 위해 탄성계수에 따른 경향성을 고찰한 연구결과[8]를 참고하였다. 연구에 따르면 달 표면 탄성계수가 클수록 충격하중은 커지게 되며 이러한 사실을 고려하여 본 연구에서는 달 착륙선의 안전한 설계를 보장할 수 있도록 문헌에 제시된 범위 중 가장 큰 Ottawa sand[8,16]값을 달 표면 탄성계수로 선정하였다. 본 연구에 사용한 달 표면 물성치를 Table 2에 나타내었다.
비선형스프링은 인장에 대해서는 허니컴의 강성을 갖고 압축에 대해서는 강성이 없도록 구성하였다. 이로써 Fig. 5와 같이 일차원 요소를 이용하여 달착륙선 모델을 구축하였다.
따라서 본 연구에서는 기존 달 착륙선 충격흡수장치 최적화 연구[6]에서 고려하지 않았던 달 토양 특성을 고려하여 충격흡수장치 최적화 연구를 수행하였다. 최적설계 시 의미 있는 착륙조건을 부가하기 위해 선행연구 [8,9]에서 도출된 달 토양 특성과 최대 충격하중이 발생하는 착륙조건을 활용하였다. 충격흡수장치의 설계변수로는 충격흡수 허니컴의 길이와 면적을 선정하였으며, 최적화 기법으로는 메타모델 기반의 순차적 근사 최적설계기법을 이용하였다.
대상 데이터
2와 같은 inverted tripod 형의 달착륙선을 고려하였다. 그리고 충격흡수장치로는 무게 대비 에너지 흡수율이 뛰어나 Surveyor, Apollo 등에 널리 활용되었던 알루미늄 허니컴을 고려하였다.
달착륙선 충격흡수장치의 최적설계를 수행하기 위해 달착륙선에 가장 큰 가속도가 가해지는 착륙조건을 선정하였다. 본 연구에서는 Fig.
목적함수는 착륙 시 달착륙선의 최대가속도로 선정하였으며, 설계변수는 주4 스트럿과 부 스트럿의 충격흡수장치 1단과 2단의 단면적 및 길이로서 총 8개를 선정하였다. 이를 식으로 표현하면 (11)과 같다.
본 연구에서는 달 표면의 특성을 나타내기 위해 Apollo 11이 채취한 샘플의 물성치를 사용하였다. 하지만, 달 표면의 탄성계수는 문헌마다 그 크기가 상당히 다르게 제시되어 있다.
데이터처리
본 연구에서 사용된 알루미늄 허니컴의 물성치는 Table 1과 같다. 일차원 단순모델링 과정에 대한 검증을 위해 길이가 100mm인 1차원 트러스 알루미늄 허니컴 모델에 압축력이 가해지는 준정적 해석을 ABAQUS를 통해 수행하였으며, 그 결과를 본 연구의 일환으로 수행된 알루미늄 허니컴의 준정적 압축 시험 결과와 비교하였다. 그 결과 Fig.
이론/모형
달착륙선의 충격흡수장치를 효과적으로 모사하기 위해 일차원 모델을 구축하였으며, MohrCoulomb 모델을 이용해 달 토양의 특성을 고려한 달 표면 해석 모델을 구성하였다. 이 해석 모델과 샘플 재사용이 가능한 메타모델 기반의 최적화 기법을 이용하여 최적설계를 수행하였으며, 그 결과 충격흡수장치의 단면적과 길이 변화를 통해 착륙 시 달착륙선에 가해지는 충격하중을 효율적으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
달착륙선 충격흡수장치의 최적설계를 수행하기 위해 달착륙선에 가장 큰 가속도가 가해지는 착륙조건을 선정하였다. 본 연구에서는 Fig. 10과 같은 한국형 달 탐사선의 예비설계조건을 기준으로 하였다[2]. 여기에서 지면의 각도(θ)는 15°, 달 착륙선의 각도(Φ)는 ±10°, 착륙 수평속도(Vx)는 ±1m/s, 착륙 수직속도(Vy)는 3m/s이다.
본 연구에서는 추가적인 비용 없이 메타 모델의 정확도를 향상시키기 위하여 이동최소자승법을 이용한 샘플 재사용이 가능한 메타모델 구성 기법을 사용하였다[13].
알루미늄 허니컴의 거동 모사를 위해 소성 이론을 이용하였다. 소성 이론에서는 식(1)과 같이 부피가 일정하게 유지된다는 비압축 가정을 이용하게 된다.
Figure 9에는 샘플 재사용이 가능한 순차적 근사 최적설계 절차의 흐름도를 나타내었다. 여기서 부최적설계(sub-optimization)를 위해서는 유전자 알고리듬(genetic algorithm)을 이용하였다.
특히 동적해석의 경우 지표의 유한한 영역만을 모델링하고 유한한 물체의 경계 조건을 부가하게 되면, 응력파(stress wave)가 유한 경계면에서 반사되어 관심역역의 거동에 영향을 미칠 수 있다. 이에 본 연구에서는 Lysmer and Kuhlemeyer[14]의 연구를 바탕으로 한 1차(first-order)의 3차원 무한요소를 이용하여 이러한 문제점을 해결하였다. Fig.
토질역학(Soil Mechanics)에서는 지표면에 대한 모델링을 위해 Mohr-Coulomb 모델이나 Drucker-Prager 모델을 많이 이용한다 [15]. 이에 본 연구에서는 달 표면을 모델링하기 위해 토양과 암석 등의 모델링에 널리 사용되는 Mohr-Coulomb 모델을 선택하였다. MohrCoulomb 모델은 식(9)과 같이 표현될 수 있다.
메타모델 기반의 순차적 근사 최적설계 수행 시, 임의의 샘플점에서의 정보만을 이용하여 구성된 메타모델은 실제 시스템을 정확히 모사하기 힘들 수 있어 최적설계 결과에 대한 신뢰성 확보가 어려울 수 있다. 이에 본 연구에서는 실험횟수를 최소화하면서 실제 시스템과 유사한 메타모델 구성을 위해 엔트로피 최적화 조건을 이용하여 개선된 lattice-based OLHD (optimal latin hypercube design) 기법을 사용하였다[13].
최적설계 시 의미 있는 착륙조건을 부가하기 위해 선행연구 [8,9]에서 도출된 달 토양 특성과 최대 충격하중이 발생하는 착륙조건을 활용하였다. 충격흡수장치의 설계변수로는 충격흡수 허니컴의 길이와 면적을 선정하였으며, 최적화 기법으로는 메타모델 기반의 순차적 근사 최적설계기법을 이용하였다.
성능/효과
각 착륙모드와 착륙각도 및 속도에 따른 영향을 고찰한 결과, 달착륙선의 각도(Φ)가 +10°, 착륙 수평속도(Vx)가 +1m/s이고, 풋 패드 2개가 먼저 지면에 닿고 나머지 2개가 닿게 되는 2-2모드일 때 가장 큰 충격하중을 받는 것으로 나타났다[9].
일차원 단순모델링 과정에 대한 검증을 위해 길이가 100mm인 1차원 트러스 알루미늄 허니컴 모델에 압축력이 가해지는 준정적 해석을 ABAQUS를 통해 수행하였으며, 그 결과를 본 연구의 일환으로 수행된 알루미늄 허니컴의 준정적 압축 시험 결과와 비교하였다. 그 결과 Fig. 4에 도시한 바와 같이 준정적 압축 시험 결과와 유사하게 알루미늄 허니컴의 거동을 모사할 수 있음을 확인하였다.
달착륙선의 충격흡수장치를 효과적으로 모사하기 위해 일차원 모델을 구축하였으며, MohrCoulomb 모델을 이용해 달 토양의 특성을 고려한 달 표면 해석 모델을 구성하였다. 이 해석 모델과 샘플 재사용이 가능한 메타모델 기반의 최적화 기법을 이용하여 최적설계를 수행하였으며, 그 결과 충격흡수장치의 단면적과 길이 변화를 통해 착륙 시 달착륙선에 가해지는 충격하중을 효율적으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
11에 달착륙선 최대가속도의 최적설계 수렴이력곡선을 나타내었다. 초기형상에 비해 최적설계 후 달착륙선의 최대가속도가 238m/s2에서 108m/s2로 절반 이상 감소된 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
달착륙선의 안전한 착륙이 중요한 이유는?
성공적인 달 탐사를 위해서는 달착륙선의 안전한 착륙이 보장되어야 한다. 특히 착륙과정에서 달착륙선은 예상치 못한 다양한 충격하중을 받을 수 있으며, 이러한 충격하중을 충분히 흡수 하지 못하면 과도한 충격력으로 인해 달착륙선 혹은 장비가 파손되거나 달착륙선이 뒤집어 지는 tip-over 현상이 발생할 수 있다. 따라서 달 착륙선이 안전하게 착륙한 후 임무를 수행하고 지구로 귀환하기 위해서는 충격력 흡수를 위한 충격 흡수장치가 중요한 역할을 하게 된다.
달 착륙선 개발의 역사는?
1966년에 구소련의 Lunar-9가 최초로 달 착륙에 성공한 이후, 1969년에 Apollo-11이 유인 달 착륙에 성공하였고, 1976년 Lunar-24에 이르기까지 미국과 러시아 등 선진국에서 달 착륙선 개발이 활발하게 이루어졌다[1]. 21세기 들어서도 미국과 러시아에 이어 일본, 인도, 중국 등 우주강국들의 달궤도선에 의한 달 탐사와 함께 달착륙선에 대한 연구도 꾸준히 이루어지고 있다[2].
달착륙선 개발을 위한 필수적이며 주요한 과제는?
따라서 달 착륙선이 안전하게 착륙한 후 임무를 수행하고 지구로 귀환하기 위해서는 충격력 흡수를 위한 충격 흡수장치가 중요한 역할을 하게 된다. 즉, 충격흡수장치에 대한 기술 개발은 달착륙선 개발을 위한 필수적이며 주요한 과제인 것이다. 이런 필요성으로 인해 그동안 국내외적으로 달착륙선 충격 흡수장치에 대한 연구가 수행되었다[3-6].
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