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문제 정의
- 이는 바람의 세기가 매우 강했던 것이 아니라, 산들바람 정도의 바람에 무너졌기 때문에 많은 화제가 되었었다. SLR용 추적마운트도 외부에 설치됨으로 바람에 의해 발생하는 하중에 일정한 주파수로 작용할 경우를 해석해 보고자 한다. 바람 하중은 풍력단계 중 11단계(폭풍)인 28.
가설 설정
- - 재료는 선형적이고 등방성을 갖는다.
- - 해석결과에 영향이 적은 부분은 제거한다.(커버, 볼트 등)
제안 방법
- Table 1의 추적마운트 지향정밀도의 만족 여부에 대한 반복적인 성능평가를 수행하였다.
- 1m급 광학계를 탑재하는 ARGO-F(고정형 SLR)의 고속·고정밀 추적마운트 개발을 위해 2014년부터 예비설계를 수행하였고, 2015년도부터 본격적인 제작을 진행함에 앞서, 최종 설계에 따른 구조해석을 통해 최종 설계사양을 확정하고 단독 성능시험을 통해 기계적인 성능을 확인하였다.
- Fig. 17의 1, 2차 모 드 형상을 비교하여 해당 방향으로 기준 주파수가 될 10 Hz와 각 고유진동수를 비교 입력하여 해석하였다.
- Fig. 3에서 보는 것과 같이 ARGO-F는 일반적인 SLR 기능뿐만 아니라, 인공위성의 영상을 취득할 수 있는 적응광학(Adaptive Optics, AO) 기능이 추가되어, 주·야간 인공위성 레이저 추적시 목표 위성의 영상을 얻을 수 있도록 설계되었다.
- 방위축은 OTA의 방위각 회전을 위해 4개의 코일이 90도로 배치되어 아크모터의 움직임을 최적화 하고 있다. OTA와 포크부의 방위축 관성모멘트는 5,500 kgm2이지만, 추후 포크 외벽에 적응광학을 위한 인공별생성기와 웨이트밸런스 구조를 고려하여 관성모멘트 7,000 kgm2로 감안하여 설계하였다. Fig.
- 고도축 구동은 2개의 모터 코일을 180° 간격으로 고정시키고 자석판이 회전하도록 설계하였다.
- 고도축과 동일한 방법으로 X축 방향의 변형량으로 방위축의 회전 중심과의 정렬 오차를 검토하였다. 양쪽 포크는 경통조립이 감안되어 거리가 고정되어 있으므로 X축 방향으로 동일하게 22 µm 기울어지게 되며 이는 포크가 방위축 중심에서 ±3 arcsec의 각도로 기울어져 회전하게 된다.
- 고도축의 정렬오차를 분석하기 위해 포크 내벽의 베어링 위치가 Y축 방향으로 얼마나 변형되는지를 확인하였다. 확인 결과 인공별생성기가 부착되는 부분은 28 µm, 부착되지 않은 부분은 7 µm의 하중 방향으로 처짐 현상을 보였다.
- 그리고 Azimuth(방위축)와 Altitude(고도축) 모터부는 국내 기업에서 제작한 직접 구동식 아크모터를 적용하여 보다 높은 토크로 고분해능의 정밀 제어가 가능하도록 설계하였으며, 포크를 방위각으로 ±335° 고도각으로 -5° ~ 185° 회전이 가능하도록 설계하였다.
- 또한 실제 추적마운트의 양 포크 사이에 호주 EOS사에서 제작하고 있는 망원경 경통(OTA)을 결합해야 하며, 포크의 한쪽 면에는 적응광학용 인공별생성기를 부착하여야 한다는 기구적 요구조건이 있다. 따라서, 경통(2,000 kg) 및 인공별생성기(500 kg) 무게를 고려한 기구 설계를 수행하였다. 방위축은 OTA의 방위각 회전을 위해 4개의 코일이 90도로 배치되어 아크모터의 움직임을 최적화 하고 있다.
- 고도축 구동은 2개의 모터 코일을 180° 간격으로 고정시키고 자석판이 회전하도록 설계하였다. 또한 고도축 모터 선정은 외곽의 레이아웃과 무게를 대략적으로 3D 모델링하여 관성모멘트 1,600 kgm2로 추정하였다. 고도축은 안전상의 이유로 브레이크 시스템이 필수적으로 필요하다.
- 또한 포크 안에는 호주 EOS사에서 제공하는 사경 3개가 조립될 수 있는 사경 공간을 마련하였으며, 사경의 원활한 유지보수를 위해 Fig. 11과 같이 포크 외벽에 3개의 사경 접근용 커버를 추가로 구성하였다.
- 12에서와 같이 호주 EOS에서 제작하는 망원경 경통(OTA)이 합체 조립되는 것을 고려하여 포크 내측의 베어링에 2,000 kg의 가상의 하중을 적용하였고 베어링 사이의 간격을 고정하여 경통 조립을 고려하였다. 또한 향후 적용되는 적응광학용 인공별생성기 구조물이 포크 측면에 설치되는 것을 감안하여 500 kg의 하중을 포크의 측면에 반영하였다. 실제 망원경 경통의 무게는 주, 부경과 지지구조물을 포함해 약 1,300 kg, 인공별생성기는 약 250 kg의 무게를 갖는다.
- 또한, ARGO-F 고속·고정밀 추적마운트의 기구적 사양과 특징을 설명하고, 요구사항을 만족할 수 있는 구조해석(응력, 모드, 바람) 결과를 설명하였다.
- SLR용 추적마운트도 외부에 설치됨으로 바람에 의해 발생하는 하중에 일정한 주파수로 작용할 경우를 해석해 보고자 한다. 바람 하중은 풍력단계 중 11단계(폭풍)인 28.5~32.6 m/s를 가하도록 했으며, 바람 속도에 따른 압력 테이블에 의해 600 Pa을 하중 조건으로 입력하였으며 풍하중의 방향은 정면 방향과 측면 방향으로 나누어 각각 해석하였다. Fig.
- 방위축의 경우 방위축 방향으로 0°부터 360° 범위를 30°씩 1회 왕복 이동하면서, 고도축의 경우 –5°부터 +185° 범위를 15°씩 1회 왕복 이동하여 추적마운트의 반복 지향정밀도를 측정하였다.
- 베이스부는 호주 EOS사에서 제작하는 경통(Optical Tube Assembly, OTA)을 포함하고 추적마운트 전체를 안정적으로 지지하며 내부 중앙에 레이저가 지나갈 수 있는 ø300의 광경로가 확보되도록 설계되었다.
- 본 연구에서는 1m급 고정형 SLR(ARGO-F)의 고속·고정밀 추적마운트의 최종 설계사양을 반영한 하드웨어 제작과 함께 자체 성능시험 수행 결과를 분석하였다.
- 실제로 중요한 고유진동수는 저차에 존재하지만 각 방향(병진/회전)별 질량 참여율의 합을 높여 이후에 진행할 환경 영향 FEM 해석의 정확도를 높이기 위해 40차 모드(고유진동수: 409 Hz)까지 확인하였다.
- 이와 별도로 45° 간격으로 멈치를 적용하여 유지보수 작업 시 활용이 가능하도록 구성하였다.
- 경통의 무게중심은 고도축의 회전 중심에 있고, 포크부의 무게중심은 방위축 회전 중심에 있으므로 자중에 의한 변형은 항상 일정하게 변형된 상태일 것으로 판단된다. 하지만 인공별생성기에 의해서 포크 한쪽이 치우치게 되므로 직각도에 주요한 영향을 미칠 것으로 예상되어 고도축과 방위축의 회전 중심축에서 얼마나 오차가 있는지를 검토하였다. Fig.
- 해석 조건은 Fig. 12에서와 같이 호주 EOS에서 제작하는 망원경 경통(OTA)이 합체 조립되는 것을 고려하여 포크 내측의 베어링에 2,000 kg의 가상의 하중을 적용하였고 베어링 사이의 간격을 고정하여 경통 조립을 고려하였다. 또한 향후 적용되는 적응광학용 인공별생성기 구조물이 포크 측면에 설치되는 것을 감안하여 500 kg의 하중을 포크의 측면에 반영하였다.
대상 데이터
- 고도축 엔코더는 Absolute analogue 타입으로 -40℃ ~ +80℃에서 사용 가능하도록 선정되었으며, 광경로 확보를 위해 스케일은 Ring 형상으로 내경이 ø350인 모델로 선정하였다.
- 7과 같이 별도의 로터리 멀티턴 엔코더를 추가하여 설치하였다. 모듈 2.5, 잇수 200개의 링기어를 포크와 함께 회전시키고 멀티턴 엔코더의 축에 모듈 2.5, 잇수 20개의 스퍼기어를 부착하여 포크가 방위각으로 1회전하게 되면 멀티턴 엔코더가 10회전 하도록 기어비를 선정하였다.
데이터처리
- 포크와 베이스 설계 시 이 하중의 흐름을 고려하여 내부에 리브 구조를 적절히 배치하였다. 베이스와 포크는 용접 구조로 되어 있으며 강성 검토를 위해 ANSYS R14.5 소프트웨어를 사용하여 FEM 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 붉은선은 추적마운트의 속도, 초록색은 가속도를 표시한다. 그 결과 현재 제작 중인 1m급 SLR의 추적마운트는 실제 저궤도 위성을 추적하기 위한 최대 속도 및 가속도를 충분히 만족시킴을 알 수 있었다. 향후 실제 저궤도 인공위성을 활용한 추적마운트의 추적 성능 검증은 호주 EOS사에서 개발 중인 시스템들과 통합한 후 수행될 예정이다.
- 또한 기계적인 반복 지향정밀도는 방위축과 고도축 모두 1 arcsec 이내로서 추적마운트의 기계적 가공, 조립 및 정렬의 요구사항을 만족하도록 설계 및 제작되었음을 확인하였다.
- 모드 해석의 결과분석에서 가장 중요한 것은 공진 발생 가능성 여부이다. 먼저 1차 모드의 고유진동수는 설계 목표치인 20 Hz 이상을 만족하는 36.11 Hz의 해석 결과를 얻었다. 이는 공진에 대해 구조물이 안전하다고 판단할 수 있다.
- 비교적 빠른 이동속도를 갖는 저궤도 위성에 대한 정밀 레이저추적을 위한 추적마운트의 최대 구동속도와 가속도에 대한 요구사항도 모두 만족하였다. 이는 본 연구에서 보여주는 저궤도 위성 추적과 같은 빠른 추적마운트의 구동속도에서의 추적성능은 국내뿐 아니라 세계 최고 수준의 추적마운트 설계 및 제어기술의 결과임을 보여준다.
- 비교적 빠른 이동속도를 갖는 저궤도 위성에 대한 정밀 레이저추적을 위한 추적마운트의 최대 구동속도와 가속도에 대한 요구사항도 모두 만족하였다. 이는 본 연구에서 보여주는 저궤도 위성 추적과 같은 빠른 추적마운트의 구동속도에서의 추적성능은 국내뿐 아니라 세계 최고 수준의 추적마운트 설계 및 제어기술의 결과임을 보여준다. 또한 실제 인공위성을 활용한 추적 성능시험은 ARGO-F를 구성하는 모든 서브시스템의 통합이 완료된 후에 수행될 예정이다.
- 확인 결과 인공별생성기가 부착되는 부분은 28 µm, 부착되지 않은 부분은 7 µm의 하중 방향으로 처짐 현상을 보였다.
후속연구
- 또한, 본 연구에서의 방위축과 고도축의 지향 정밀도 성능 평가범위 설정에 따르면, 본 추적마운트가 최고 구동속도/가속도에 이르기 전에 목표 지점에 대한 지향을 마치는 경우이다. 따라서, 추적마운트가 최고 구동속도/가속도를 낼 수 있는 넓은 범위의 지향 정밀도 테스트가 추가로 진행되어야 한다.
- 이는 본 연구에서 보여주는 저궤도 위성 추적과 같은 빠른 추적마운트의 구동속도에서의 추적성능은 국내뿐 아니라 세계 최고 수준의 추적마운트 설계 및 제어기술의 결과임을 보여준다. 또한 실제 인공위성을 활용한 추적 성능시험은 ARGO-F를 구성하는 모든 서브시스템의 통합이 완료된 후에 수행될 예정이다.
- 만약 현재 개발하고 있는 ARGO-F가 ISS와 같은 저궤도 위성의 추적 성능 평가에 만족스러운 결과를 보인다면, 저궤도 뿐 아니라 중·고궤도 위성에 대해서도 역시 만족할 만한 성능으로 추적 가능할 것이라고 예측할 수 있다.
- 각 범위 구간마다 두 지점의 차이를 계산한 결과를 Table 3에 정리하였다. 방위축, 고도축 모두 1m급 고정형 SLR에서 요구하는 1 arcsec 이하의 지향정밀도를 확인하기 위해 반복적으로 테스트한 결과, 양축 모두 만족하는 것을 확인할 수 있었으며, 향후 관측소 구축이 완료되고 전체 시스템 통합작업 시 실제 저궤도 인공위성에 대한 추적 정밀도 성능시험이 수행될 예정이다.
- 본 연구로 개발된 1m급 고정형 SLR의 추적마운트 설계 및 제어기술은 향후 전자광학시스템 및 레이더 시스템과 연계한 우주위험 감시체계 구축에 활용될 예정이며, 우주관측 기기분야 및 국방 분야의 독자적인 기술 확보를 위한 기반기술로써 우주/국방관련 산업에서의 고속·고정밀 기계시스템 기술 자립화에 기여할 것으로 기대한다.
- 본 연구를 통한 1m급 SLR의 핵심기술 중 하나인 고속·고정밀 추적마운트 시스템의 독자적인 기술 확보는 우주 및 국방관련 산업에서의 기반 기술 자립화에 크게 기여 할 것으로 기대된다.
- 양쪽 포크는 경통조립이 감안되어 거리가 고정되어 있으므로 X축 방향으로 동일하게 22 µm 기울어지게 되며 이는 포크가 방위축 중심에서 ±3 arcsec의 각도로 기울어져 회전하게 된다. 위의 두 결과에서 인공별생성기에 의한 조립오차는 목표사양인 10 arcsec 이내에 있지만 조립되는 기구물의 가공오차와 조립오차를 고려하면 추후에 인공별생성기를 고려한 웨이트밸런스 구조가 추가적으로 검토되어야 한다.
- 또한, ARGO-F 고속·고정밀 추적마운트의 기구적 사양과 특징을 설명하고, 요구사항을 만족할 수 있는 구조해석(응력, 모드, 바람) 결과를 설명하였다. 이를 통해 향후 추진 예정인 전체 시스템 통합시험에서도 만족한 성능 평가 결과를 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
- 실제로 해석을 진행한 풍하중이 폭풍과 같은 수준으로 주변에 사람이 작업을 진행할 만한 환경이 아니므로 보호 시스템으로 풍하중을 막아주어야 할 것이다. 풍하중에 의해 추적마운트의 변위가 다소 발생하더라도 견딜 수 있지만, 경통(OTA)에서도 동일한 풍하중을 견딜 수 있는지는 추가적으로 검토되어야 한다.
- 그 결과 현재 제작 중인 1m급 SLR의 추적마운트는 실제 저궤도 위성을 추적하기 위한 최대 속도 및 가속도를 충분히 만족시킴을 알 수 있었다. 향후 실제 저궤도 인공위성을 활용한 추적마운트의 추적 성능 검증은 호주 EOS사에서 개발 중인 시스템들과 통합한 후 수행될 예정이다.
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