본 논문에서는 정지궤도복합위성 추진계 배관망의 독자적인 구조해석을 실시하였고, AIRBUS의 구조해석결과와 비교분석을 통해 추진계 배관망의 구조적 건전성 및 해석방법의 신뢰성을 평가하였다. 추진계 배관망의 구조적 신뢰성 확보는 정지궤도복합위성 추진계의 매우 중요한 핵심요소이다. 따라서 CAE 프로그램을 통해 직접 추진계 배관망 모델링을 수행하였고, 발사환경에서 구조해석을 실시하여 응력을 도출하였다. 내압응력해석, 조립정렬해석, 정현파진동해석, 랜덤진동해석의 하중조건에 따라 Hoop stress, Axial stress, Bending stress, Torsion stress를 구하였고, 이를 모두 고려한 von Mises 응력 계산 후 안전여유 결과 값을 도출함으로써 추진계 배관망의 구조적 건전성을 판단하였다.
본 논문에서는 정지궤도복합위성 추진계 배관망의 독자적인 구조해석을 실시하였고, AIRBUS의 구조해석결과와 비교분석을 통해 추진계 배관망의 구조적 건전성 및 해석방법의 신뢰성을 평가하였다. 추진계 배관망의 구조적 신뢰성 확보는 정지궤도복합위성 추진계의 매우 중요한 핵심요소이다. 따라서 CAE 프로그램을 통해 직접 추진계 배관망 모델링을 수행하였고, 발사환경에서 구조해석을 실시하여 응력을 도출하였다. 내압응력해석, 조립정렬해석, 정현파진동해석, 랜덤진동해석의 하중조건에 따라 Hoop stress, Axial stress, Bending stress, Torsion stress를 구하였고, 이를 모두 고려한 von Mises 응력 계산 후 안전여유 결과 값을 도출함으로써 추진계 배관망의 구조적 건전성을 판단하였다.
In this paper, the structural analysis of the Geostationary Korea Multi-Purpose Satellite-2 (GEO-KOMPSAT-2) tubing system is discussed, and the structural integrity of the tubing system is assessed by comparative analysis with the results of overseas partner AIRBUS. Securing structural reliability o...
In this paper, the structural analysis of the Geostationary Korea Multi-Purpose Satellite-2 (GEO-KOMPSAT-2) tubing system is discussed, and the structural integrity of the tubing system is assessed by comparative analysis with the results of overseas partner AIRBUS. Securing structural reliability of the tubing system is a very important key element of the propulsion system of the GEO-KOMPSAT-2 satellite. Therefore, FE modeling of the propulsion tubing was carried out directly using the CAE program, and structural analysis was performed to evaluate the stress state under launch conditions. Hoop stress, axial stress, bending stress, and torsion stress were calculated according to diverse load conditions by using pressure stress analysis, thruster alignment analysis, sine qualification load analysis, and random qualification load analysis. From the results, the Margin of Safety (MoS) of the tubing system is evaluated, and we can verify the structural integrity of the tubing system when subjected to various launch loads.
In this paper, the structural analysis of the Geostationary Korea Multi-Purpose Satellite-2 (GEO-KOMPSAT-2) tubing system is discussed, and the structural integrity of the tubing system is assessed by comparative analysis with the results of overseas partner AIRBUS. Securing structural reliability of the tubing system is a very important key element of the propulsion system of the GEO-KOMPSAT-2 satellite. Therefore, FE modeling of the propulsion tubing was carried out directly using the CAE program, and structural analysis was performed to evaluate the stress state under launch conditions. Hoop stress, axial stress, bending stress, and torsion stress were calculated according to diverse load conditions by using pressure stress analysis, thruster alignment analysis, sine qualification load analysis, and random qualification load analysis. From the results, the Margin of Safety (MoS) of the tubing system is evaluated, and we can verify the structural integrity of the tubing system when subjected to various launch loads.
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문제 정의
본 연구에서는 위성발사환경 하에서 정지궤도복합위성 추진계배관망의 구조적 건전성을 확인하고 독자적인 인공위성 추진계배관망 구조해석기술을 확보하기 위해서 ECSS 규격과 각종문헌에 근거하여 유한요소모델을 생성하고 다양한 하중조건에 대해 구조해석을 실시하였다.
본 연구에서는 정지궤도복합위성의 추진계 배관망 설계요건 적합성을 확인하기 위해 독자적인 배관망 구조해석 방법론을 수립하고, 도출된 응력을 이용해서 유럽항공우주국 규격 ECSS(European Cooperation for Space Standardization)에 맞춰 구조물의 안정성을 평가하였다[4-7]. 수행결과를 AIRBUS 구조해석결과와 비교 검증해석을 실시하여 독자적인 추진계 배관망 구조해석 기술을 검증한다.
제안 방법
AIRBUS의 랜덤진동해석 과정에서는 10 Hz부터 2000 Hz 까지 PSD(Power Spectral Density) 하중을 적용하였다. CBNU의 랜덤진동해석 과정에서는 모드중첩을 이용해서 시스템의 전달함수를 구성하는데 관심대상보다 좀 더 넒은 범위의 모드를 고려해야 해석 결과의 오차가 없다.
경계조건으로 인공위성 몸체와의 접속부위의 자유도(Tx, Ty, Tz, Rx, Ry, Rz)를 구속하고, shaker 지점에 정현파진동에 의한 하중을 주었다.
이는 어떠한 클램프로 지지되지 않는 가장 긴 튜브의 중앙 지점을 선정하였다. 그 응답을 분석하여 가장 높은 출력응답을 보이는 주파수 5개(240 Hz, 320 Hz, 700 Hz, 1230Hz, 1900 Hz)를 Fig.7로부터 선정하여 응력을 도출하고 구조해석을 실시하였다.
다음으로 내압응력해석, 조립정렬해석, 랜덤진동해석의 하중조건에 의한 응력 결과를 합산하여 von Mises응력을 구하였다. 그 결과를 AIRBUS의 결과와 응력 양상을 비교하여 Fig.
따라서 내압응력해석, 조립정렬해석, 정현파진동해석 및 랜덤진동해석의 하중조건에 의한 각각의 von Mises 결과 값을 확인하였다.
유한요소해석에는 NASTRAN을 사용하였다. 또한 Fig.1과 같이 인공위성과 부착되는 클램프에 모든 자유도(Tx, Ty, Tz, Rx, Ry, Rz)를 구속하였다.
또한 대륙으로부터 발생되는 기후변화 유발물질과 대기오염물질의 동시 관측을 통하여 기후변화 대응정책의 기초자료를 제공하고 월경성 대기 오염물질의 관측 능력을 확보하여 대기오염 예·경보의 정확도 향상을 주목적으로 한다[2-3].
먼저 내압응력해석, 조립정렬해석, 정현파진동해석의 하중조건에 의한 응력을 합산하고 MoS 결과 값을 계산하였다. 이는 5~150 Hz의 정현파 발사환경에 대한 검증을 위함이다.
본 연구에서는 CAD프로그램을 통해 추진계 배관망을 파이프, 클램프, 추력기(Thruster)로 세분화하여 설계하였다. 클램프의 소재로는 티타늄 Ti3Al2.
본 연구에서는 shim의 두께와 X축이 기울어지는 Y축 방향에 따라 장착홀에 생기는 변형을 고려하여 구조해석을 실시하였으며, 모든 RCT의 추력기가 대칭인 점을 고려하여 Fig.3과 같이 Y축을 0°부터 180°까지 5°씩 간격을 두며 계산하였다.
최종적인 구조적 건전성 평가는 실제 발사환경을 고려하여 위의 하중조건에 따른 해석결과를 선형 중첩하여 종합적으로 검토한다. 앞서 도출한 내압응력해석, 조립정렬해석, 정현파진동해석 및 랜덤진동해석의 하중조건에 의한 응력 결과를 합산하여 von Mises 응력과 MoS 결과 값을 도출하여 배관망의 구조적 건전성을 평가하고, AIRBUS의 결과와 비교한다.
이 절에서는 본 연구에서 고려한 해석조건에 따른 응력도출과정을 소개한 후, 선형중첩을 통해 종합적으로 추진계 배관망의 구조적 건전성을 평가한다. 이렇게 본 연구기관(CBNU, ChonBuk National University)에서 수행한 해석결과와 해외협력업체 AIRBUS의 해석결과와 비교하여 독자적인 해석기술을 검증한다.
이 절에서는 본 연구에서 고려한 해석조건에 따른 응력도출과정을 소개한 후, 선형중첩을 통해 종합적으로 추진계 배관망의 구조적 건전성을 평가한다. 이렇게 본 연구기관(CBNU, ChonBuk National University)에서 수행한 해석결과와 해외협력업체 AIRBUS의 해석결과와 비교하여 독자적인 해석기술을 검증한다.
이를 위해 내압, 조립정렬, 정현파진동, 랜덤진동인경우를 고려하였으며 Axial stress, Bending stress,Torsion stress 결과를 중첩하여 von Mises 응력을 도출하였다. 5~150 Hz의 정현파 진동환경에서는MoS 결과가 AIRBUS의 결과와 마찬가지로 모두 양의 값이 나오는 것을 확인하였다.
전처리기를 통해 튜브 솔리드 모델을 중심선(Midline)으로 변환하여 적절한 수의 유한요소망을 생성하였고, AIRBUS 결과문서와 비교하여 Table 2에 나타내었다. 유한요소해석에는 NASTRAN을 사용하였다.
최종적인 구조적 건전성 평가는 실제 발사환경을 고려하여 위의 하중조건에 따른 해석결과를 선형 중첩하여 종합적으로 검토한다. 앞서 도출한 내압응력해석, 조립정렬해석, 정현파진동해석 및 랜덤진동해석의 하중조건에 의한 응력 결과를 합산하여 von Mises 응력과 MoS 결과 값을 도출하여 배관망의 구조적 건전성을 평가하고, AIRBUS의 결과와 비교한다.
추력기 조립정렬해석에서는 추력기 장착홀에 shimming 작업으로 인해 생기는 응력을 도출하였다. 따라서 RCT 당 2개씩의 추력기에 생기는 응력에 대한 MoS 값을 도출하여 Table 7에 나타내었다.
추진계 배관망의 여러 방향에서의 정현파진동에 대한 안정성을 평가하기 위해 shaker 지점에 X, Y, Z 방향으로 각각 20G(20 × 9.81m/s2)의 하중을 5 Hz부터 150 Hz까지 가진하였다.
대상 데이터
추력기가 인공위성이 진행하는 방향에 맞춰 정밀하게 작동하기 위해서는 추력방향의 미세한 오차도 없어야 한다. 이를 위해 추진계 배관망의 반작용추력기(RCT, Reaction Control Thruster) 7개에 각각 2개씩의 추력기가 부착되어 있고, 각 추력기마다 세 부분의 미세정렬(Shimming) 작업이 가능한 장착홀이 존재한다. 이러한 미세정렬을 하는 도중에 배관망에 응력이 발생할 수 있으며 이를 고려한 구조해석을 실시해야한다.
즉, 7개의RCT에 2개씩의 추력기와 Y축 0°부터 180°까지 5°도 씩 36개의 경우를 고려하여 총 504개의 하중조건에 대한 응력을 도출하였다.
본 연구에서는 CAD프로그램을 통해 추진계 배관망을 파이프, 클램프, 추력기(Thruster)로 세분화하여 설계하였다. 클램프의 소재로는 티타늄 Ti3Al2.5V, 알루미늄 T7351을 사용하였으며, 파이프 및 추력기의 소재로는 티타늄 CP3-GRADE 2를 사용하였다. 이에 대한 물성 값(E:탄성계수, ν:포아송비, ρ:밀도, Rm:인장강도, Rp0.
해석결과분석을 위해서 Fig.6과 같이 배관망의 구조적 진동에 의한 동적하중에 가장 취약할 것으로 예상되는 5지점(A,B,C,D,E)을 선정하였다. 이는 어떠한 클램프로 지지되지 않는 가장 긴 튜브의 중앙 지점을 선정하였다.
데이터처리
내압응력해석에서 파이프의 내압으로 인한 하중의 응력(Hoop stress, Axial stress)을 계산하였으며, von Mises 방정식을 통해 MoS 결과 값을 구하였으며, 그 결과를 Table 6에 나타내었다.
본 연구에서는 정지궤도복합위성의 추진계 배관망 설계요건 적합성을 확인하기 위해 독자적인 배관망 구조해석 방법론을 수립하고, 도출된 응력을 이용해서 유럽항공우주국 규격 ECSS(European Cooperation for Space Standardization)에 맞춰 구조물의 안정성을 평가하였다[4-7]. 수행결과를 AIRBUS 구조해석결과와 비교 검증해석을 실시하여 독자적인 추진계 배관망 구조해석 기술을 검증한다. 이를 위해서 2장에서는 유한요소모델링, 구조해석을 위한 경계조건, 3장 구조해석결과에 대해 설명한다.
이론/모형
전처리기를 통해 튜브 솔리드 모델을 중심선(Midline)으로 변환하여 적절한 수의 유한요소망을 생성하였고, AIRBUS 결과문서와 비교하여 Table 2에 나타내었다. 유한요소해석에는 NASTRAN을 사용하였다. 또한 Fig.
성능/효과
5~150 Hz의 정현파 진동환경에서는MoS 결과가 AIRBUS의 결과와 마찬가지로 모두 양의 값이 나오는 것을 확인하였다. 10~2000 Hz의 랜덤진동환경에서는 AIRBUS의 해석결과와 마찬가지로 일부 취약지점에서 음의 MoS가 나오는 것을 확인하였다.
이를 위해 내압, 조립정렬, 정현파진동, 랜덤진동인경우를 고려하였으며 Axial stress, Bending stress,Torsion stress 결과를 중첩하여 von Mises 응력을 도출하였다. 5~150 Hz의 정현파 진동환경에서는MoS 결과가 AIRBUS의 결과와 마찬가지로 모두 양의 값이 나오는 것을 확인하였다. 10~2000 Hz의 랜덤진동환경에서는 AIRBUS의 해석결과와 마찬가지로 일부 취약지점에서 음의 MoS가 나오는 것을 확인하였다.
하지만 추력기 부분인 RCT-1A, RCT-1B,RCT-2A, RCT-4A, RCT-4B, RCT-5A 부분에서 MoS 결과 값이 음수 값이 나왔다. 또한 AIRBUS의 결과에서는 RCT-1A, RCT-4B 부분에서 MoS 결과 값이 음의 값이 나오며, RCT-1B, RCT-2A, RCT-4A,RCT-5A 부분에서도 매우 낮은 MoS 값이 나오는 것을 감안할 때 그 경향성이 서로 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. RCT 부분에 대해 AIRBUS의 결과 문서와 비교한 값을 Table 12에 나타내었다.
비교 결과, 응력이 가장 큰 두 지점에서의 오차는 26~28% 수준 이내로 일치하는 것을 알 수 있다. 위세 가지 하중조건을 고려한 종합해석에서는 MoS 결과값이 모든 부품에서 양수 값이 나온 것을 Table 10과 같이 확인할 수 있다.
해석결과로부터 본 연구에서 도출한 응력과 AIRBUS가 보고한 응력이 30%이하의 차이를 보였다. 이는 AIRBUS 문서에 기술되어 있지 않은 경계조건의 불확실성 및 요소 수의 불일치 등으로 인한 결과로 추정되며, 이러한 불확실성을 감안할 때 본 연구를 통해 개발된 유한요소모델과 해석방법이 적절함을 의미한다.
해석결과로부터 본 연구에서 도출한 응력과 AIRBUS가 보고한 응력이 30%이하의 차이를 보였다. 이는 AIRBUS 문서에 기술되어 있지 않은 경계조건의 불확실성 및 요소 수의 불일치 등으로 인한 결과로 추정되며, 이러한 불확실성을 감안할 때 본 연구를 통해 개발된 유한요소모델과 해석방법이 적절함을 의미한다.
후속연구
따라서 독자적인 배관망 구조해석 연구를 통해 독자적인 유한요소모델을 생성하고 AIRBUS의 해석결과와 유사한 구조해석기술을 확보하는 것이 중요하다. 왜냐하면, 추후 추진계 배관망을 국산화 개발 할 때 핵심자료로 활용할 수 있다.
이로써 추진계 배관망의 구조적 건전성을 평가하였고, AIRBUS의 결과와 비교 검증해석을 통해 높은 신뢰도를 나타내었으며, 추후 추진계배관망 국산화 개발 시 필요한 핵심기술을 확보하였다고 판단한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
추진계 배관망이 받는 하중은 무엇인가?
추진계 배관망은 인공위성의 발사 시 발사체로부터 0~2000 Hz 주파수 범위에 극한동적하중을 전달받게 된다. 그래서 이러한 하중을 모두 고려한 구조적 건전성 평가가 필요하다.
정지궤도복합위성-2A호의 임무는?
2018년 발사예정인 정지궤도복합위성-2A호기는 천리안위성(2010년 발사)의 후속으로 지속적인 국내 정지궤도 위성 수요에 대해 해외기술 종속으로부터 탈피, 자체공급 능력 확보 및 우주개발사업 세부실천 로드맵에 의한 중형급 정지궤도위성 기술 확보를 위해 2011년 7월부터 1차년도 개발이 시작되었다. 정지궤도복합위성-2A호는 천리안위성 기상임무의 연속성 확보를 통한 위성기반의 선진국형 기상관측시스템 구축, 위험기상조기탐지 및 예보를 통한 기상재해 경감과 연속적인 해양관측 능력 확보임무를 갖는다[1]. 또한 대륙으로부터 발생되는 기후변화 유발물질과 대기오염물질의 동시 관측을 통하여 기후변화 대응정책의 기초자료를 제공하고 월경성 대기 오염물질의 관측 능력을 확보하여 대기오염 예·경보의 정확도 향상을 주목적으로 한다[2-3].
AIRBUS가 수행한 추진계 배관망 구조해석에 대한 구조해석을 보완하기 위해 필요한것은?
한정된 해석 조건 이외의 경우가 발생할 때에는 재해석을 실시해야 하지만 현재 배관망 구조해석모델은 보안상의 문제로 미확보되어 있다. 따라서 독자적인 배관망 구조해석 연구를 통해 독자적인 유한요소모델을 생성하고 AIRBUS의 해석결과와 유사한 구조해석기술을 확보하는 것이 중요하다. 왜냐하면, 추후 추진계 배관망을 국산화 개발 할 때 핵심자료로 활용할 수 있다.
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