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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.
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