[논문]SMA 메쉬 와셔를 적용한 우주용 냉각기 수동형 진동절연기의 궤도 미소진동 절연성능 검증

권성철; 전수현; 오현웅

doi:10.5050/ksnve.2015.25.1.024

문제 정의

수동형 진동 절연기의 발사환경에서의 성능 검증을 위해 인증 시험 수준에서의 정현파, 랜덤 진동 및 충격시험을 수행하여 발사환경에서의 진동저감성능을 입증하였다⁽⁷⁾. 발사환경에서의 진동감쇠효과를 확인한 선행연구에 이어 이 논문에서는 궤도상에서의 미소진동 저감효과를 검증함을 목적으로 수동형 진동절 연기와 결합된 더미 냉각기조립체 수준에서의 정하중 시험을 통해 인가 변위에 따라 주파수가 가변됨을 입증하였다. 또한, 궤도 미소진동 절연성능을 입증하기 위해 별도의 미소진동 측정 장치 및 실제 우주용 냉각기의 미소진동을 모사하기 위한 더미냉각기를 고안하였으며, 이를 통해 수동형 진동절연기는 설계가 의도한대로 궤도 미소진동절연에 뛰어난 효과가 있음을 입증하였다.
이 연구에서 구현하고자하는 궤도상 미소진동절연 원리는 우주용 냉각기의 길이방향(y-axis) 주 구동주파수와의 충분한 주파수 분리를 실현시키는 것으로서, 궤도상에서는 냉각기를 저강성 탄성 지지함으로써 목적하고자 하는 미소진동 절연성능을 구현할 수 있다. 상기의 정하중 시험결과로부터 산출된 ±1 mm 범위내의 더미 냉각기조립체 강성치에 기인하여, 미소진동레벨의 가속도 영역에서는 냉각기의 주 가진축에(y-axis) 대해 더미 냉각기 조립체의 고유진동수가 약 9 Hz 대역에 존재한다.
이 연구에서는 추가적인 발사구속장치의 적용 없이도 발사환경과 궤도환경이라는 서로 상이한 진동환경에 동시 적용 가능하며, 발사하중 및 궤도 미소진동 저감을 목적으로 의탄성 형상기억합금 메쉬 와셔를 적용한 수동형 진동절연기를 제안하였다. 수동형 진동절연기와 결합된 더미 냉각기 조립체의 기본특성을 파악하기 위해 인장/압축 시험을 실시하였으며, 이로부터 인가 변위에 따라 시스템의 고유진동수가 가변되어 진동환경이 서로 상이한 발사 및 궤도 미소진동환경에 동시에 적용 가능함을 입증하였다.
이 연구에서는 추가적인 발사구속장치의 적용 없이도 발사환경과 궤도환경이라는 서로 상이한 진동환경에 동시 적용 가능하며, 발사환경에서의 진동저감 성능향상 및 궤도 미소진동 절연을 목적으로 의탄성 형상기억합금(shape memory alloy) 메쉬 와셔를⁽⁶⁾ 적용한 수동형 진동절연기를 제안하였다. 수동형 진동 절연기의 발사환경에서의 성능 검증을 위해 인증 시험 수준에서의 정현파, 랜덤 진동 및 충격시험을 수행하여 발사환경에서의 진동저감성능을 입증하였다⁽⁷⁾.

제안 방법

(2)은 극저온 냉각이 요구되는 관측 장비와 냉각기의 콜드팁 사이에 스프링의 횡방향 저강성 특성을 활용한 3자유도의 수동형 진동절연기를 배치함으로써 150 Hz를 기점으로 하는 주파수분리를 통한 진동절연효과를 실험적으로 입증하였다. Richard et al.
진동절연기 적용에 따른 발사환경에서의 진동 저감효과를 선행연구⁽⁷⁾를 통해 입증하였다. 궤도 0 g 환경에서는 발사하중에 의해 큰 변형이 유발된 SMA 메쉬 와셔가 의탄성 거동으로 소성변형 없이 초기형상으로 복원함에 따라 냉각기가 공칭 위치(nominal position)로 이동함으로써 스틸 와이어의 장력이 이완되고, 이와 동시에 냉각기에 구비된 트랜스퍼라인과 히트파이프로부터 냉각기가 저강성 탄성 지지되도록 하여 냉각기 운용 시 발생하는 주 가진 주파수와의 충분한 주파수 분리로 미소진동 절연을 구현하고자 한다.
냉각기조립체의 조립공차, 궤도상 히트파이프의 축 정렬 불량 또는 열 변형에 의한 이유 등으로 더미 냉각기조립체의 공칭위치가 Fig. 12와 같이 공칭 위치를 기준으로 ±3 mm 범위에서 평면(in-plane)방향 상하 좌우에 위치할 때의 위치 민감도를 분석하기 위해 각 위치에서의 기저면 전달력을 측정 및 비교하였다.
적용한 수동형 진동절연기를 제안하였다. 수동형 진동 절연기의 발사환경에서의 성능 검증을 위해 인증 시험 수준에서의 정현파, 랜덤 진동 및 충격시험을 수행하여 발사환경에서의 진동저감성능을 입증하였다⁽⁷⁾. 발사환경에서의 진동감쇠효과를 확인한 선행연구에 이어 이 논문에서는 궤도상에서의 미소진동 저감효과를 검증함을 목적으로 수동형 진동절 연기와 결합된 더미 냉각기조립체 수준에서의 정하중 시험을 통해 인가 변위에 따라 주파수가 가변됨을 입증하였다.
시험 시 변위 제어 방법을 적용하여 더미 냉각기 조립체의 공칭위치를 기준으로 설계가 의도한 허용범위인 ±3 mm 범위에서 압축/인장을 3회 반복 실시하였다.
3과 4는 각각 이 연구에서 제안한 SMA 메쉬 와셔를 적용한 수동형 진동절연기 및 이와 결합된 냉각기 조립체의 형상을 나타내며, 발사구속장치의 적용 없이도 진동환경이 상이한 발사 진동과 궤도 미소진동 저감에 동시적용 가능하다. 이를 구현하기 위해 Fig. 1의 의탄성(pseudoelasticity) 특성을 갖는 SMA 메쉬 와셔를 적용하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 이 연구에서 적용한 의탄성 SMA 메쉬 와셔의 형상을 나타내며, 형상기억합금의 의탄성 효과를 이용하기 위해 Af(austenite finish temperature)가 상온과 비슷한 NDC(nitinol devices & components)사의 SE508와이어 소재가 사용되었다.
1은 이 연구에서 적용한 의탄성 SMA 메쉬 와셔의 형상을 나타내며, 형상기억합금의 의탄성 효과를 이용하기 위해 A_f(austenite finish temperature)가 상온과 비슷한 NDC(nitinol devices & components)사의 SE508와이어 소재가 사용되었다. 이 연구에서 적용한 SMA 메쉬 와셔의 외경, 내경, 높이는 각각 16 mm, 8 mm, 5 mm이며, 선행연구⁽⁶⁾에서 적용된 SMA 메쉬 와셔 보다 밀도비가 50 % 작은 것을 적용하였다.

데이터처리

10, 11은 각각 궤도 미소진동 시험으로부터 획득된 기저면 전달력의 시간이력 및 주파수 영역에서의 전달력을 나타내며, 진동절연기의 절연성능 비교를 위한 강체 구속조건, 궤도 미소진동 절연성능 검증을 위한 0 g조건, 설계가 의도한 공칭위치의 범위를 초과한 최악의 상태에서의 경향성 분석을 위한 1 g조건에서의 시험 결과를 나타낸다. 상기의 각 시험 결과는 관심주파수인 냉각기의 주 구동주파수 36 Hz에서의 경향성 분석을 위해 Fig. 11의 주파수 도메인 결과를 비교하였다. 강체 구속조건에서 발생하는 냉각기의 주 구동주파수인 36 Hz에서의 최대 전달력 2.

성능/효과

Richard et al.⁽³⁾은 중적외선 (mid-wavelength infrared) 탑재체의 지향성능 향상을 목적으로 6각 형태의(hexapod) 저강성 지지구조를 형성하는 수동형 진동절연기를 제안하였으며, 냉각기의 복수 하모닉 성분(55, 110, 165 Hz)을 대상으로 20 dB이상의 진동절연 효과가 있음을 입증하였다. Kamesh et al.
Kamesh et al.⁽⁴⁾은 플렉셔 형태의 수동형 진동절연기를 제시하였으며, 플랙셔의 두께 및 굽힘 횟수에 따른 고유진동수를 제시하여 우주용 냉각기를 포함한 궤도 미소진동발생원의 주 가진주파수와의 주파수 분리를 위한 진동절연기로서 적용 가능함을 수치해석을 통해 입증하였다.
11의 주파수 도메인 결과를 비교하였다. 강체 구속조건에서 발생하는 냉각기의 주 구동주파수인 36 Hz에서의 최대 전달력 2.5 N에 대해 궤도환경을 모사한 0 g 조건에서는 설계가 의도한대로 스틸와이어의 장력이 이완되어 트랜스퍼라인과 히트파이프의 강성치를 모사한 스프링으로 더미 냉각기조립체의 저강성 탄성지지구 조를 형성함으로써 강체 구속조건의 최대 전달력 대비 8.3배 이상의 뛰어난 미소진동 절연이 가능함을 입증하였으며, 2.3절의 진동 전달률 선도로부터 예측된 진동 저감률 8.6배와 거의 일치하였다. 냉각기 자중에 의해 37.
6배와 거의 일치하였다. 냉각기 자중에 의해 37.24 N이 중력방향으로 작용하는 1 g 조건에서는 스틸 와이어에 장력이 인가됨에 따라 냉각기가 발생하는 외란력이 진동절연기 지지구조체를 통해 기저면으로 전달되나, 궤도상에서는 예측할 수 없는 최악의 조건으로서 강체구속조건과 유사한 수준으로 기저면에 전달됨을 알 수 있다. 이는 0 g 환경인 궤도환경에서는 재현성이 낮은 결과이며, 상기의 정하중 시험 결과에 기인하여 미소진동 영역에서의 더미 냉각기조립체 고유진동수가 약 9 Hz 대역에 존재하기 때문에 궤도상에서는 스틸와이어의 장력이 이완되어 트랜스퍼라인과 히트파이프에 의해 냉각기 조립체의 저강성 탄성지지가 가능함으로써 냉각기의 주 가진주파수와의 주파수 분리를 통한 미소진동절연이 유효할 것으로 판단한다.
발사환경에서의 진동감쇠효과를 확인한 선행연구에 이어 이 논문에서는 궤도상에서의 미소진동 저감효과를 검증함을 목적으로 수동형 진동절 연기와 결합된 더미 냉각기조립체 수준에서의 정하중 시험을 통해 인가 변위에 따라 주파수가 가변됨을 입증하였다. 또한, 궤도 미소진동 절연성능을 입증하기 위해 별도의 미소진동 측정 장치 및 실제 우주용 냉각기의 미소진동을 모사하기 위한 더미냉각기를 고안하였으며, 이를 통해 수동형 진동절연기는 설계가 의도한대로 궤도 미소진동절연에 뛰어난 효과가 있음을 입증하였다.
초기 압축을 받을 때에는 국부 와이어의 변형에 의해 와이어 사이의 공간이 채워지면서 작은 하중으로도 변형이 발생하지만 공간이 어느 정도 채워진 후에는 대부분의 와이어에 응력이 작용하여 추가적인 변형을 위해 더 큰 하중이 요구된다. 또한, 변위가 커짐에 따라 작용하는 압축하중은 비선형적으로 증가하고 있는 현상이 명확히 나타나고 있으며 2.5 mm의 큰 압축변위에서도 소성변형 없이 원래의 형상으로 완전히 복원하는 특징을 나타내었다. 아울러, SMA 와이어 소재 자체의 상변화 현상이 유발되는 의탄성 효과에 의해 하중 부하/제하 시에 이력 하중 곡선의 특징이 나타나고 있으며 이력 하중 곡선의 내부 면적이 클수록 에너지 소산능력이 뛰어남을 의미하고, 이는 절연계로서 뛰어난 절연능력을 보유함을 의미한다.
또 하나의 중요한 특징으로, 압축/ 인장 시에 이력 하중 곡선의 특징인데 이는 SMA 와이어 소재 자체의 상변화 현상이 유발되는 의탄성 효과에 의한 에너지 소산이 주도적으로 발생하기 때문이며, ±3 mm의 큰 압축변위에서도 소성변형 없이 원래의 형상으로 완전히 복원하는 특징을 나타내었다. 상기의 결과로부터, 이 연구에서 제안한 수동형 진동절연기는 인가변위에 따른 가변 강성 및 SMA 메쉬 와셔의 의탄성 효과에 의한 에너지 소산효과로 상대적으로 진동하중이 큰 발사하중 조건에서는 고댐핑 특성으로 발사환경에서의 큰 진동레벨을 효과적으로 감쇠 가능함을 유추할 수 있다. 진동이 감쇠되어 냉각기의 궤도 운용 시 발생하는 미소진동레벨에 해당하는 가속도 영역에서는 진동절연기의 강성이 감소하여 더미 냉각기조립체의 고유진동수가 저주파 영역으로 가변함으로써 우주용 냉각기의 궤도 운용 시 발생하는 주 가진주파수 36 Hz와의 충분한 주파수 분리가 가능하여 미소진동 절연에 유효할 것으로 추정한다.
이 연구에서는 추가적인 발사구속장치의 적용 없이도 발사환경과 궤도환경이라는 서로 상이한 진동환경에 동시 적용 가능하며, 발사하중 및 궤도 미소진동 저감을 목적으로 의탄성 형상기억합금 메쉬 와셔를 적용한 수동형 진동절연기를 제안하였다. 수동형 진동절연기와 결합된 더미 냉각기 조립체의 기본특성을 파악하기 위해 인장/압축 시험을 실시하였으며, 이로부터 인가 변위에 따라 시스템의 고유진동수가 가변되어 진동환경이 서로 상이한 발사 및 궤도 미소진동환경에 동시에 적용 가능함을 입증하였다. 아울러, 별도의 미소진동 측정 시스템을 고안하여 진동절연기의 궤도 미소진동 절연성능 측정시험을 수행하였으며, 우주용 냉각기의 주 가진주파수 36 Hz에서의 최대 전달력 2.
5 mm의 큰 압축변위에서도 소성변형 없이 원래의 형상으로 완전히 복원하는 특징을 나타내었다. 아울러, SMA 와이어 소재 자체의 상변화 현상이 유발되는 의탄성 효과에 의해 하중 부하/제하 시에 이력 하중 곡선의 특징이 나타나고 있으며 이력 하중 곡선의 내부 면적이 클수록 에너지 소산능력이 뛰어남을 의미하고, 이는 절연계로서 뛰어난 절연능력을 보유함을 의미한다.
진동이 감쇠되어 냉각기의 궤도 운용 시 발생하는 미소진동레벨에 해당하는 가속도 영역에서는 진동절연기의 강성이 감소하여 더미 냉각기조립체의 고유진동수가 저주파 영역으로 가변함으로써 우주용 냉각기의 궤도 운용 시 발생하는 주 가진주파수 36 Hz와의 충분한 주파수 분리가 가능하여 미소진동 절연에 유효할 것으로 추정한다. 아울러, 발사하중에 의해 큰 변형이 발생하더라도 형상기억합금의 의탄성 거동에 의해 궤도 0 g 환경에서 소성변형 없이 초기형상으로 복원함으로써 설계가 의도한 냉각기 조립체의 공칭 위치로의 복원이 가능함을 입증하였다.
수동형 진동절연기와 결합된 더미 냉각기 조립체의 기본특성을 파악하기 위해 인장/압축 시험을 실시하였으며, 이로부터 인가 변위에 따라 시스템의 고유진동수가 가변되어 진동환경이 서로 상이한 발사 및 궤도 미소진동환경에 동시에 적용 가능함을 입증하였다. 아울러, 별도의 미소진동 측정 시스템을 고안하여 진동절연기의 궤도 미소진동 절연성능 측정시험을 수행하였으며, 우주용 냉각기의 주 가진주파수 36 Hz에서의 최대 전달력 2.5 N에 대해 최대 8.3배 이상의 미소진동절연 성능 확보가 가능함을 입증하였다. 실제로 고해상도의 영상정보를 획득하기 위해서 미소진동발생원으로부터의 진동절연기술은 반드시 필요한 기술이며, 더욱 엄격해지는 고해상도 임무요구조건 충족을 위해서는 이 연구가 해당기술에 미치는 기여도는 클 것으로 판단한다.
24 N이 중력방향으로 작용하는 1 g 조건에서는 스틸 와이어에 장력이 인가됨에 따라 냉각기가 발생하는 외란력이 진동절연기 지지구조체를 통해 기저면으로 전달되나, 궤도상에서는 예측할 수 없는 최악의 조건으로서 강체구속조건과 유사한 수준으로 기저면에 전달됨을 알 수 있다. 이는 0 g 환경인 궤도환경에서는 재현성이 낮은 결과이며, 상기의 정하중 시험 결과에 기인하여 미소진동 영역에서의 더미 냉각기조립체 고유진동수가 약 9 Hz 대역에 존재하기 때문에 궤도상에서는 스틸와이어의 장력이 이완되어 트랜스퍼라인과 히트파이프에 의해 냉각기 조립체의 저강성 탄성지지가 가능함으로써 냉각기의 주 가진주파수와의 주파수 분리를 통한 미소진동절연이 유효할 것으로 판단한다. 상기의 각 조건별 실험결과를 Table 1에 정리하였다.
공차범위가 증가할수록 기저면으로의 전달력이 증가하는 이유는 120˚ 간격으로 배치된 3개의 스틸와이어에 0 g 장치에 의해 강제로 조정된 더미 냉각기 위치 변화에 따라 장력이 인가되어 냉각기로부터 발생하는 전달력이 증가한 것으로 분석된다. 하지만 상기의 정하중시험 결과에 기인하여, 미소진동 영역에서의 냉각기 주 가진축(y-axis) 고유진동수는 약 9 Hz 대역에 존재함으로 궤도 0 g 환경에서는 스틸와이어의 장력이완과 함께 설계가 목적하는 트랜스퍼라인과 히트파이프에 의한 냉각기의 저강성 탄성지지가 가능하여 상기조건에서 측정된 결과보다는 향상된 미소진동 절연이 가능할 것으로 판단한다.

후속연구

실제로 고해상도의 영상정보를 획득하기 위해서 미소진동발생원으로부터의 진동절연기술은 반드시 필요한 기술이며, 더욱 엄격해지는 고해상도 임무요구조건 충족을 위해서는 이 연구가 해당기술에 미치는 기여도는 클 것으로 판단한다. 향후, 이 연구에서 제안한 진동절연기의 추가적인 검증을 위해 우주용 냉각기의 궤도 열환경에서의 미소진동 저감 성능 고찰 및 궤도환경에서의 파이로 충격 등에 의한 영향성을 분석할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수동형 절연방식이(2~4) 일반적으로 적용되는 대표적인 예로는 어떠한 것들이 있는가?	그 대표적인 예로서, Riabzev et al.(2)은 극저온 냉각이 요구되는 관측 장비와 냉각기의 콜드팁 사이에 스프링의 횡방향 저강성 특성을 활용한 3자유도의 수동형 진동절연기를 배치함으로써 150 Hz를 기점으로 하는 주파수분리를 통한 진동절연효과를 실험적으로 입증하였다. Richard et al.(3)은 중적외선 (mid-wavelength infrared) 탑재체의 지향성능 향상을 목적으로 6각 형태의(hexapod) 저강성 지지구조를 형성하는 수동형 진동절연기를 제안하였으며, 냉각기의 복수 하모닉 성분(55, 110, 165 Hz)을 대상으로 20 dB이상의 진동절연 효과가 있음을 입증하였다. Kamesh et al.(4)은 플렉셔 형태의 수동형 진동절연기를 제시하였으며, 플랙셔의 두께 및 굽힘 횟수에 따른 고유진동수를 제시하여 우주용 냉각기를 포함한 궤도 미소진동발생원의 주 가진주파수와의 주파수 분리를 위한 진동절연기로서 적용 가능함을 수치해석을 통해 입증하였다.
	Pulse tube-type 우주용 냉각기의 용도는 무엇인가?	Pulse tube-type 우주용 냉각기는 극저온 구현이 필요한 주요 임무 탑재장비의 냉각을 위해 사용되며, 저진동, 저비용, 메커니즘의 단순성 그리고 고신뢰도의 장점으로 인해 관측지향 성능이 요구되는 위성에서 널리 적용되고 있다(1). 하지만 목적하는 기능을 구현함과 동시에 궤도 운용 시 유발하는 미소진동은 그 크기가 극히 미소함에도 불구하고 정밀지향성능이 요구되는 고해상도 관측위성의 영상품질을 저하시키는 주요 원인으로 작용한다.
	궤도상 미소진동절연을 구현하기 위한 진동절연기를 적용하는 방식으로 일반적으로 적용되고 있는 방식은 무엇인가?	고해상도 관측위성의 임무요구조건 충족을 위해서는 진동 발생원으로부터의 미소진동이 주요 임무 탑재장비에 전달되지 않도록 진동절연기를 적용하는 방법 또는 저진동 탑재장비를 개발하는 방법 등 추가적인 기술적 노력들이 요구된다. 궤도상 미소진동절연을 구현하기 위한 진동절연기를 적용하는 방식으로는 위성임무에 요구되는 신뢰도 및 시스템의 안정화 요구조건을 만족하기 위해 주로 수동형 절연방식이(2~4) 일반적으로 적용되고 있다.

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