[논문]저 회전강성 진동 절연기에 의한 X-밴드 안테나의 고각방향 미소진동 절연 효과 검증

전수현; 이재경; 정새한솔; 이명재; 오현웅

doi:10.5050/ksnve.2015.25.4.238

문제 정의

2축 짐발 시스템을 갖는 X-밴드 안테나는 일정한 기어비를 갖는 기어모듈과 조합되는 스텝핑 모터에 의해 구동되지만 스텝핑 모터의 구동에 따른 외란과 부정확한 기어의 맞물림 그리고 안테나의 동적 불균형은 미소진동을 유발한다. 미소진동은 진동의 크기가 극히 미소함에도 불구하고 고해상도 영상품질을 저하시키는 주요인이며, 이 연구에서는 안테나의 고각방향 구동 시 발생되는 미소진동을 저감하기 위해 저 회전강성을 부여한 진동 절연기를 제안하였다. 또한, 진동 절연기의 구조건전성을 확인하기 위해 토크 버짓에 기반하여 구조해석을 수행하였으며, 이를 기반으로 제작된 진동 절연기의 기본특성시험을 통해 회전강성을 산출하였다.
이 연구에서는 안테나의 방위각 방향 구동 외에 고각 방향 구동 시 발생하는 미소진동 절연을 목적으로 회전강성이 낮은 특징을 갖는 새로운 형태의 진동 절연기를 설계하였으며, 안테나 고각 축 구동에 요구되는 토크 버짓을 기반으로 구조해석을 수행하여 이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동 절연기에 대한 구조건전성을 확인하였다. 이를 기반으로 제작된 진동 절연기를 기 설계된 X-밴드 안테나의 고각 구동모터의 출력축에 적용하여 소성변형 없이 동력전달이 가능함을 확인하였다.

제안 방법

Fig. 9의 미소진동 측정시스템을 이용하여 저 회전강성 진동 절연기 유무에 따른 안테나의 미소진동 측정시험을 수행하였으며, 진동 절연기의 성능비교를 위해 선행연구에서 제안한 블레이드 기어 적용시험도 고려되었다. 미소진동 시험은 X-밴드안테나의 실제 궤도 운용을 모사한 TPF 구동프로파일 적용을 통해 안테나의 방위각과 고각방향이 동시에 운용되며 안테나의 구동속도가 가변되는 구동조건에서의 미소진동시험을 수행하였으며, Fig.
안테나의 고각방향 구동 시 발생되는 미소진동 절연을 위해 고각 구동모터 출력축에 장착되는 베벨기어에 선행연구에서 제안한 기어의 회전방향으로 강성이 낮은 블레이드 형태의 기어설계를 통해 목적하는 임무를 구현할 수 있으나, 기 설계된 베벨기어의 경우 가용면적이 좁아 기어자체에 블레이드 형태를 모사하기에 어려움이 존재한다. 따라서 이 연구에서는 상기의 문제점을 해결하기 위해 X-밴드 안테나의 고각방향 구동 시 발생되는 미소진동 절연을 목적으로 회전강성이 낮은 진동 절연기를 제안하였으며, Figs. 2, 3에 저 회전강성 진동 절연기의 형상과 상기의 진동 절연기가 X-밴드 안테나에 장착된 형상을 나타내었다.
이를 기반으로 제작된 진동 절연기를 기 설계된 X-밴드 안테나의 고각 구동모터의 출력축에 적용하여 소성변형 없이 동력전달이 가능함을 확인하였다. 또한, 상기의 저회전강성 구조물에 대한 설계의 타당성을 확인하기 위해 3축에 대한 구속 자유 조건에서의 미소진동 측정이 가능한 계측시스템을 제안하였으며, 이를 이용하여 안테나의 방위각과 고각 방향이 동시에 구동이 가능한 TPF(tracking parameter file) 구동 프로 파일에 대한 저 회전강성 구조물 적용에 따른 미소 진동 시험을 수행하였다. 이로부터 설계가 의도한대로 회전강성이 낮은 진동 절연기 적용 시 안테나 구동에 따른 미소진동에 절연성능 효과가 있음을 확인하였다.
미소진동은 진동의 크기가 극히 미소함에도 불구하고 고해상도 영상품질을 저하시키는 주요인이며, 이 연구에서는 안테나의 고각방향 구동 시 발생되는 미소진동을 저감하기 위해 저 회전강성을 부여한 진동 절연기를 제안하였다. 또한, 진동 절연기의 구조건전성을 확인하기 위해 토크 버짓에 기반하여 구조해석을 수행하였으며, 이를 기반으로 제작된 진동 절연기의 기본특성시험을 통해 회전강성을 산출하였다. 아울러, 저 회전강성 진동절연기의 절연성능 검증을 위해 3자유도 구속 자유 조건에 대해서 미소진동 측정이 가능한 미소진동 측정시스템을 고안하였으며, 이를 통해 미소진동 측정시험을 수행하였다.
9의 미소진동 측정시스템을 이용하여 저 회전강성 진동 절연기 유무에 따른 안테나의 미소진동 측정시험을 수행하였으며, 진동 절연기의 성능비교를 위해 선행연구에서 제안한 블레이드 기어 적용시험도 고려되었다. 미소진동 시험은 X-밴드안테나의 실제 궤도 운용을 모사한 TPF 구동프로파일 적용을 통해 안테나의 방위각과 고각방향이 동시에 운용되며 안테나의 구동속도가 가변되는 구동조건에서의 미소진동시험을 수행하였으며, Fig. 10에 해당하는 구동프로파일의 회전각도, 각속도, 각가속도를 나타내었다.
또한, 진동 절연기의 구조건전성을 확인하기 위해 토크 버짓에 기반하여 구조해석을 수행하였으며, 이를 기반으로 제작된 진동 절연기의 기본특성시험을 통해 회전강성을 산출하였다. 아울러, 저 회전강성 진동절연기의 절연성능 검증을 위해 3자유도 구속 자유 조건에 대해서 미소진동 측정이 가능한 미소진동 측정시스템을 고안하였으며, 이를 통해 미소진동 측정시험을 수행하였다. 이로부터 실험분석을 통해 이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동 절연기에 의해 안테나의 고각 방향 구동에 대한 미소진동 절연 효과가 있음을 검증하였다.
2, 3에 저 회전강성 진동 절연기의 형상과 상기의 진동 절연기가 X-밴드 안테나에 장착된 형상을 나타내었다. 이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동 절연기는 가로, 세로, 높이가 각각 1.2 mm, 2.25 mm, 11 mm인 로드를 원주 방향으로 6개를 배치하여 회전 방향에 대해 낮은 회전 강성을 구현하도록 설계하였으며, 구동 모터의 출력축이 삽입되는 삽입부와 베벨기어가 장착되는 고정축을 마련하여 X-밴드 안테나의 고각 구동모터의 출력축과 베벨기어의 사이에 배치되도록 구성하였다. 그러나 고각 구동모터와 베벨기어 사이에 저 회전강성 진동 절연기가 추가적으로 배치됨과 동시에 기존의 구동모터의 장착인터페이스가 변경되어 Fig.
이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동절연기의 구조건전성 검증을 위해 상기에서 산출된 안테나의 고각방향 구동 시 요구되는 토크 버짓을 기반으로 구조 해석을 수행하였다. 구조해석을 위한 해석 Solver 및 Pre/Post 프로세서로는 Patran/Nastran을 사용하였으며, 진동 절연기는 Fig.

대상 데이터

9는 저 회전강성 진동 절연기의 적용에 따른 X-밴드 안테나의 미소진동 절연성능 측정시험을 위한 형상을 나타낸다. X-밴드 안테나의 조립체가 장착된 지지판을 러버(rubber)계열의 탄성 와이어로 지지하여 3축에 대한 구속 자유 조건에서의 미소진동 측정이 가능한 시스템으로 구성되어 있으며, 상기를 통해 구현된 X-밴드 안테나의 미소진동은 지지판에 부착된 가속도계를 통해 획득된다. 또한, 안테나 구동을 위해 ATmega128 마이크로 컨트롤러 및 모터드라이버(NT-BST2403)를 이용하여 안테나를 구동하였으며, 3.
59 Nm를 적용하였다. 경계조건의 경우, 평 키(flat key)를 통해 진동 절연기의 고 정 축과 베벨 기어가 고정되는 것을 고려하여 고정축의 윗면에 3자유도에 대한 변위구속조건을 부여하였으며, 유한요소 모델에 사용된 총 절점 수와 요소 수는 각각 27760개, 17035개이다. 또한, 저 회전강성 진동 절연기의 재질은 티타늄으로 Table 2에 해석에 사용한 재료의 물성치를 정리하였다.

이론/모형

구조해석을 위한 해석 Solver 및 Pre/Post 프로세서로는 Patran/Nastran을 사용하였으며, 진동 절연기는 Fig. 4와 같이 CTETRA를 이용하여 유한요소 모델링을 수행하였다. 또한, 고각방향 구동을 위해 사용되는 구동모터의 출력토크가 인가되는 부분은 강체요소(RBE3)로 모델링이 되었으며, 강체요소의 중심 절점에 안테나의 고각 방향 구동을 위해 요구되는 토크 1.
ECSS 설계기준(11)에 근거하여 2축 짐발형 X-밴드 안테나의 고각 방향 회전구동을 위해 요구되는 토크 버짓(torque budget)을 다음과 같이 산출하였다.
이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동절연기의 구조건전성 검증을 위해 상기에서 산출된 안테나의 고각방향 구동 시 요구되는 토크 버짓을 기반으로 구조 해석을 수행하였다. 구조해석을 위한 해석 Solver 및 Pre/Post 프로세서로는 Patran/Nastran을 사용하였으며, 진동 절연기는 Fig. 4와 같이 CTETRA를 이용하여 유한요소 모델링을 수행하였다.

성능/효과

2축 짐발 시스템을 갖는 X-밴드 안테나는 일정한 기어비를 갖는 기어모듈과 조합되는 스텝핑 모터에 의해 구동되지만 스텝핑 모터의 구동에 따른 외란과 부정확한 기어의 맞물림 그리고 안테나의 동적 불균형은 미소진동을 유발한다. 미소진동은 진동의 크기가 극히 미소함에도 불구하고 고해상도 영상품질을 저하시키는 주요인이며, 이 연구에서는 안테나의 고각방향 구동 시 발생되는 미소진동을 저감하기 위해 저 회전강성을 부여한 진동 절연기를 제안하였다.
53 %로 큰 감소율을 보인다. x축 외에 다른 방향의 외란력도 마찬가지로 최소 26.02 % 이상의 감소율을 보이고 있으며, 이로부터 이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동 절연기 적용 시 안테나의 고각방향 구동에 대한 미소진동 절연에 효과가 있음을 검증하였다.
그러나 블레이드 기어의 경우 안테나의 방위각 방향 구동에 대해 미소진동 절연성능이 존재하지만 고각 방향 구동 시 발생되는 미소진동 절연에는 효과가 나타나지 않는다. 따라서 이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동 절연기 적용으로부터 상기의 문제점 해결이 가능하였으며, 상기 진동 절연기의 추가 적용 시 블레이드 기어만 적용될 경우에 비해 x축 외란력에 대한 피크 감소율이 최대 58.44 %, 평균 40.16 %이며, 표준편차는 46.53 %로 큰 감소율을 보인다. x축 외에 다른 방향의 외란력도 마찬가지로 최소 26.
상기의 유한요소 모델로부터 해석한 결과, 이 연구에서 제안한 진동 절연기의 회전강성은 134.75 Nm/rad이며, 로드의 끝단에 최대응력(σmax) 384 Mpa이 작용하는 것을 확인하였다. 또한, 구조의 안전 여유(margin of safety)를 다음과 같이 산출하였다.
1 Nm씩 증가하면서 진동절연기의 고정 축에 토크를 부여하였으며, 이로부터 회전된 회전각도를 엔코더를 통해 측정하는 방식으로 수행되었다. 시험 결과, 이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동절연기의 회전강성은 141.81 Nm/rad으로 구조해석으로부터 산출된 회전강성 값과 근사함을 알 수 있었으며, 안테나의 고각방향 구동을 위해 요구되는 토크에 대해 소성변형 없이 진동 절연기의 형태가 유지됨을 확인하였다.
아울러, 저 회전강성 진동절연기의 절연성능 검증을 위해 3자유도 구속 자유 조건에 대해서 미소진동 측정이 가능한 미소진동 측정시스템을 고안하였으며, 이를 통해 미소진동 측정시험을 수행하였다. 이로부터 실험분석을 통해 이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동 절연기에 의해 안테나의 고각 방향 구동에 대한 미소진동 절연 효과가 있음을 검증하였다.
이 연구에서는 안테나의 방위각 방향 구동 외에 고각 방향 구동 시 발생하는 미소진동 절연을 목적으로 회전강성이 낮은 특징을 갖는 새로운 형태의 진동 절연기를 설계하였으며, 안테나 고각 축 구동에 요구되는 토크 버짓을 기반으로 구조해석을 수행하여 이 연구에서 제안한 저 회전강성 진동 절연기에 대한 구조건전성을 확인하였다. 이를 기반으로 제작된 진동 절연기를 기 설계된 X-밴드 안테나의 고각 구동모터의 출력축에 적용하여 소성변형 없이 동력전달이 가능함을 확인하였다. 또한, 상기의 저회전강성 구조물에 대한 설계의 타당성을 확인하기 위해 3축에 대한 구속 자유 조건에서의 미소진동 측정이 가능한 계측시스템을 제안하였으며, 이를 이용하여 안테나의 방위각과 고각 방향이 동시에 구동이 가능한 TPF(tracking parameter file) 구동 프로 파일에 대한 저 회전강성 구조물 적용에 따른 미소 진동 시험을 수행하였다.

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