[논문]큐브위성 탑재를 위한 MEMS 고체 추력기의 구조설계 및 검증

장수은; 한성현; 김태규; 이종광; 장태성; 오현웅

doi:10.5139/jksas.2015.43.5.432

큐브위성 탑재를 위한 MEMS 고체 추력기의 구조설계 및 검증
Structural Design and Verification of MEMS Solid Thruster for CubeSat Application 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.5, 2015년, pp.432 - 439

장수은 (Chosun University) , 한성현 (Chosun University) , 김태규 (Chosun University) , 이종광 (Hanbat National University) , 장태성 (KAIST Satellite Technology Research Center) , 오현웅 (Chosun University)

초록
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MEMS 고체 추력기 모듈은 MEMS 고체 추력기와 MEMS 추력기 제어보드로 구성된다. MEMS 고체 추력기는 학문적 연구개발 목적으로 개발되었기 때문에 발사환경을 고려한 설계 및 시험이 이루어지지 않아 이를 큐브위성에 탑재 및 궤도검증을 위해서는 설계 시 추력기 모듈로의 발사 하중이 최소화 되도록 하는 위성체 시스템 레벨에서의 설계노력이 요구된다. 본 논문에서는 MEMS 고체 추력기의 조립 및 시험과정에서의 탈장착 용이성 및 발사환경에서의 구조건전성 확보를 위해 브래킷을 이용한 구조설계를 제안하였으며, 준정적해석과 랜덤해석 및 진동시험을 통해 설계의 유효성을 검증하였다. 또한, 본 논문에서 제안한 스프링 핀을 이용한 MEMS 추력기와의 전기적 체결방식은 발사 진동에서의 구조건전성 확보에 유효함을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

MEMS solid thruster module is composed of solid thruster and its control board. It was developed for the purpose of an academic research. Therefore, thermo-mechanical design and verification for space usage were not considered in the design phase. To mount it on a cube satellite without any design modification, technical efforts at the system level structure design is required. In this study, we proposed a structural design concept to mount the MEMS thruster module by using brackets for guaranteeing structure safety under launch loads and easier mating and de-mating of MEMS thruster module during test phase. The effectiveness of the design has been verified through structural analysis and vibration test. In addition, electrical connection method using spring pins between MEMS thruster and control board is effective for guaranteeing the structural safety under launch vibration loads.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 학문적 연구개발을 목적으로 개발된 MEMS 고체 추력기를 추가적 설계변경을 최소화 하여 큐브위성에 탑재 및 궤도검증을 위해 브래킷을 이용한 장착방법을 제안하였으며, 이는 조립 및 시험과정에서의 MEMS 추력기의 탈 장착이 용이함과 동시에 발사환경에서 추력기로의 발사하중 전달력 저감이 가능한 장점을 갖는다. 또한, 스프링 핀을 적용하여 MEMS 추력기와 제어보드간의 전기적 체결방식을 제안하였으며, 구조해석과 진동시험을 통해 본 논문에서 제안된 설계의 유효성을 검증하였다.

제안 방법

1차 고유진동수와 진폭 비교를 위해 진동 시험 전/후에 LLSS (Low Level Sine Sweep)을 통해 상기의 요구조건 충족여부를 판단하고, 시험 후 기능시험과 육안검사를 실시하여 본 논문에서 제안한 설계에 대한 구조 건전성을 검증하였다. 또한 진동시험 후 MEMS 추력기의 정상작동 검증을 위해 RTD 센서 측정시험을 수행하였다.
구조물의 설계하중에 대한 검증을 위해 준정적 하중시험을 수행하였다. QB50의 인증규격을 적용하여 각 축에 대하여 12g 레벨로 시험을 수행하였다.
1차 고유진동수와 진폭 비교를 위해 진동 시험 전/후에 LLSS (Low Level Sine Sweep)을 통해 상기의 요구조건 충족여부를 판단하고, 시험 후 기능시험과 육안검사를 실시하여 본 논문에서 제안한 설계에 대한 구조 건전성을 검증하였다. 또한 진동시험 후 MEMS 추력기의 정상작동 검증을 위해 RTD 센서 측정시험을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 학문적 연구개발을 목적으로 개발된 MEMS 고체 추력기를 추가적 설계변경을 최소화 하여 큐브위성에 탑재 및 궤도검증을 위해 브래킷을 이용한 장착방법을 제안하였으며, 이는 조립 및 시험과정에서의 MEMS 추력기의 탈 장착이 용이함과 동시에 발사환경에서 추력기로의 발사하중 전달력 저감이 가능한 장점을 갖는다. 또한, 스프링 핀을 적용하여 MEMS 추력기와 제어보드간의 전기적 체결방식을 제안하였으며, 구조해석과 진동시험을 통해 본 논문에서 제안된 설계의 유효성을 검증하였다.
본 연구에서는 MEMS 추력기의 궤도상에서의 검증을 위해 큐브위성에 탑재하기 위한 설계를 수행하고 이를 구조해석과 진동시험을 통해 검증하였다. 본 큐브위성에 MEMS 추력기 탑재를 위해서는 MEMS 추력기에 전달되는 발사하중의 저감이 요구되며, 이를 위해 브래킷을 적용한 장착 설계를 제안하였다.
본 연구에서는 MEMS 추력기의 궤도상에서의 검증을 위해 큐브위성에 탑재하기 위한 설계를 수행하고 이를 구조해석과 진동시험을 통해 검증하였다. 본 큐브위성에 MEMS 추력기 탑재를 위해서는 MEMS 추력기에 전달되는 발사하중의 저감이 요구되며, 이를 위해 브래킷을 적용한 장착 설계를 제안하였다. 또한, MEMS 추력기와 제어 보드의 전기적 연결을 위해 스프링 핀을 적용하여 체결하였으며, 조립 및 시험 과정에서의 문제 발생 시 MEMS 추력기 별도의 탈 장착이 용이하도록 구성하였다.
본 큐브위성의 개발 탑재체 중 하나인 MEMS 고체 추력기의 발사환경 검증을 위하여 진동시험을 수행하였으며, 본 논문에서는 MEMS 고체 추력기 모듈의 시험결과를 요약하여 정리하였다. 준정적 하중시험 및 정현파, 랜덤 진동시험을 수행하였고 시험 성공 요구조건으로는 일반적으로 적용되는 기준인 1차 고유진동수의 변화율이 5%미만일 것, 진폭(Amplitude) 변화가 3dB미만일 것, 육안검사 시 손상이 없을 것 그리고 진동 시험 후 기능시험을 실시했을 때 이상 없이 작동할 것이 있다.
본 큐브위성의 개발 탑재체 중 하나인 MEMS 고체 추력기의 발사환경 검증을 위하여 진동시험을 수행하였으며, 본 논문에서는 MEMS 고체 추력기 모듈의 시험결과를 요약하여 정리하였다. 준정적 하중시험 및 정현파, 랜덤 진동시험을 수행하였고 시험 성공 요구조건으로는 일반적으로 적용되는 기준인 1차 고유진동수의 변화율이 5%미만일 것, 진폭(Amplitude) 변화가 3dB미만일 것, 육안검사 시 손상이 없을 것 그리고 진동 시험 후 기능시험을 실시했을 때 이상 없이 작동할 것이 있다.

대상 데이터

MEMS 추력기 모듈은 추진제가 내장되어 있는 MEMS 고체 추력기와 추력기 제어를 위한 MEMS 추력기 제어보드로 구성되어 있다. Fig.

데이터처리

큐브위성의 랜덤환경은 일반적으로 발사체의 분리 단계, 외부 공력소음에 의한 구조적 진동에 의해 발생한다. MEMS 고체 추력기에 전달되는 랜덤진동의 확인을 위해 QB50 인증규격인 8.03G_rms를 적용하여 랜덤해석을 수행하였고, 랜덤진동 레벨을 Table 4, 해석결과를 Table 5에 나타내었다. Table 5의 결과로부터 브래킷을 적용할 경우, 구조적 위험성이 높은 Z축에서 MEMS 고체 추력기 모듈에 전달되는 가속도 레벨이 약 30% 저감되는 것을 확인하였다.
QB50 랜덤시험 인증규격인 8.03G_rms에 3σ를 적용하여 도출된 설계하중 24.09G_rms를 각 축에 적용하여 준정적 해석을 수행하였다. 구조 건전성의 확인을 위해 허용응력(σ_allow), 유한요소 모델로 구해진 최대응력(σ_max), 안전계수(S.
PCB 기판에 진동이 발생할 경우 납땜부위의 파손 및 리드선의 결손이 발생할 수 있다. 따라서 MEMS 추력기 제어 보드에서 취약할 것으로 판단되는 소자에 대한 랜덤진동과 충격하중에서의 PCB 해석을 수행하였다. Fig.
일반적으로 큐브위성이 탑재되는 발사체의 고유진동수는 100Hz 미만의 대역이기 때문에 발사체와 큐브위성이 같은 고유진동수를 가지고 있을 시에 공진이 일어나 큐브위성의 파손이 염려된다. 따라서 큐브위성은 100Hz 이상의 고유 진동수를 가져야 한다는 요구조건을 가지며 이의 만족 여부를 판단하기 위해 모드해석을 수행하였다.
본 연구에서 제안한 MEMS 추력기 모듈을 큐브위성에 탑재하기 위해 적용된 브래킷 설계의 유효성판단을 위해 상용 구조해석 툴인 Patran/MSC.Nastran을 사용하여 모드해석, 준정적해석, 랜덤해석 그리고 PCB해석을 수행하였다. Fig.

성능/효과

본 논문에서 제안한 구조설계의 유효성 확인을 위하여 모드해석, 준정적해석, 랜덤해석, PCB 해석을 통하여 요구조건에 모두 적합함을 확인하였으며 진동시험으로부터 설계의 타당함을 입증하였다. 또한, 스프링 핀을 적용한 MEMS 추력기와의 전기적 체결 방식은 발사하중에서의 생존성 보장이 가능함을 확인 하였으며, 이는 MEMS 제작에 있어 유효한 공정방법의 기반제공이 될 것으로 판단된다.

후속연구

본 논문에서 제안한 구조설계의 유효성 확인을 위하여 모드해석, 준정적해석, 랜덤해석, PCB 해석을 통하여 요구조건에 모두 적합함을 확인하였으며 진동시험으로부터 설계의 타당함을 입증하였다. 또한, 스프링 핀을 적용한 MEMS 추력기와의 전기적 체결 방식은 발사하중에서의 생존성 보장이 가능함을 확인 하였으며, 이는 MEMS 제작에 있어 유효한 공정방법의 기반제공이 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MEMS 고체 추력기 모듈은 어떻게 구성되는가?	MEMS 고체 추력기 모듈은 MEMS 고체 추력기와 MEMS 추력기 제어보드로 구성된다. MEMS 고체 추력기는 학문적 연구개발 목적으로 개발되었기 때문에 발사환경을 고려한 설계 및 시험이 이루어지지 않아 이를 큐브위성에 탑재 및 궤도검증을 위해서는 설계 시 추력기 모듈로의 발사 하중이 최소화 되도록 하는 위성체 시스템 레벨에서의 설계노력이 요구된다.
	큐브위성은 무엇인가?	큐브위성은 기본크기인 1U(10cm x 10cm x 10 cm)를 기준으로 1.33kg 이하의 중량을 갖는 극 초소형 위성이다. 위성의 무게, 크기 등 제한된 설계조건에도 불구하고 지구관측, 과학실험 또는 첨단 기술이나 개발부품의 사전 궤도인증 등의 임무수행이 가능하여 해외 대학 및 연구소에서 활발하게 연구가 진행 중에 있다[1-4].
	큐브위성의 특징은 무엇인가?	33kg 이하의 중량을 갖는 극 초소형 위성이다. 위성의 무게, 크기 등 제한된 설계조건에도 불구하고 지구관측, 과학실험 또는 첨단 기술이나 개발부품의 사전 궤도인증 등의 임무수행이 가능하여 해외 대학 및 연구소에서 활발하게 연구가 진행 중에 있다[1-4]. 국내에서 도 큐브위성 경연대회를 개최하여 선발된 팀에게 큐브위성의 제작 및 발사의 기회가 주어지는 등 향후 활발한 개발이 예상되어 진다.

참고문헌 (7)

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Seo, H. S., Lee, J. H., Kim, S. H., Kim, K. W., Kim, C. H., Lim, J. H., Kim, S. W., Kim, W. H., Hwang, D. S., Lee, J. W. and Han, E. W. "Analysis On Nano or Pico-Satellite System Design Technologies" J. of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences Fall Conference, May. 2012, pp.2033-1036.
Konoue, K., Matsunaga, S., "A Development Summary of CUTE-I: Titech CubeSat 2001" Proc. the 45th Space Sciences and Technology Conference, Hamamatsu, Japan, October 2001, pp.801-806.
Kim, S. H., Kim, J. Y., Kong, T. Y., Park, J. H., and Jeong, S. I., "Design and Manufacturing Process of Nanosatellite SNUSAT-1 Prototype" J. of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences Fall Conference, May. 2012, pp1093-1096
Kwon, S. C., Jung, H. M., Ha, H. W., Han, S. H., Lee, M. J., Jeon, S. H., Park, T. Y., Kang, S. J., Chae, B. G., Jang, S. E., Oh, H. U., Han, S. H., Choi, G. H., "Preliminary System Design of STEP Cube Lab. for Verification of Fundamental Space Technology" J. of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 42, No. 5, 2014, pp.430-436.

원문보기 상세보기
Lee, J. K., "Internal ballistic design and fabrication procedure of MEMS solid propellant rocket", KAIST, 2009, Doctorate Thesis
Jeong, S. Y., Oh, H. U., Lee, K. J., Kim, B. S., "Mechanical Stability Analysis of PCB and Component for Launch and On-orbit Environment based on Fatigue Failure Theory and FEM" J. of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 10, 2011, pp.951-958.

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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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