[논문]복합재료 반사판 안테나의 전개 메커니즘 설계 및 시험

채승호; 오영은; 이수용; 노진호

doi:10.20910/jase.2018.12.6.58

복합재료 반사판 안테나의 전개 메커니즘 설계 및 시험
Design and Test of a Deployment Mechanism for the Composite Reflector Antenna 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.12 no.6, 2018년, pp.58 - 65

채승호 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 오영은 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 이수용 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 노진호 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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여러 패널들로 파라볼라 반사판 형상을 가지는, 전개형 복합재료 안테나의 동적 특성을 수치적 그리고 실험적으로 살펴보고자 한다. 전개 장치들은 여러 패널들이 작은 공간에 효과적으로 수납될 수 있도록 설계하였다. 반사판 패널의 개수, 패널들의 폴딩(folding)/트위스팅(twisting) 각도, 그리고 전개 작동기 등의 특성을 고려하여 전개시 필요한 설계변수를 결정하였고, 반사판 패널은 CFRP(carbon fiber reinforced plastics)으로 제작하였다. 무중력 전개장치를 제작하여 반사판 안테나의 전개시험을 수행하였고, 동적 전개특성을 관찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The dynamic characteristics of the deployable composite parabolic reflector with several panels were numerically and experimentally investigated. The deployment mechanism is designed to efficiently fit in a small volume. The parameters guiding the deployment are determined by considering; the number of panels, folding/twisting angles, and the driving forces of actuating devices. The panels are fabricated using carbon fiber reinforced plastics (CFRPs). The zero-gravity simulator is manufactured for the unfolding test. The deployment behaviors of the reflector are finally observed.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1 TRW sunflower antenna
그림 Fig. 2 DAISY antenna
그림 Fig. 3 Zero-gravity deployment device with trolleys and rails
그림 Fig. 4 Zero-gravity setting with helium balloons.
그림 Fig. 5 Zero-gravity tracking system
그림 Fig. 6 Parabola reflector model
그림 Fig. 7 Rotated reflector panel
그림 Fig. 8 Folded reflector antenna panels
그림 Fig. 9 Deploying trajectory of panels
그림 Fig. 10 Manufactured CFRP panel
그림 Fig. 11 Twisting/folding deployment device
그림 Fig. 12 Deploying sequences of reflector antenna
표 Table 1 Designed configuration of the reflector antenna
그림 Fig. 13 Joint device between composite panels and aluminium parts
그림 Fig. 14 Folded composite reflector panels
그림 Fig. 15 Deployed composite reflector panels
그림 Fig. 16 Zero-gravity deployment device
그림 Fig. 17 Air bushing system
그림 Fig. 18 Zero-gravity deployment test system
그림 Fig. 19 Inverted pendulum model
그림 Fig. 20 Deployment angle with respect to time
그림 Fig. 21 Deployment sequences with respect to time
그림 Fig. 22 Measured force applied to the panel during the deployment

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

에어베어링을 이용하여 2개의 전개 자유도를 가지는 무중력 전개장치를 개발/제작하였다. 무중력 환경 에서 안테나의 전개특성을 관찰하고, 전개 하중을 보상할 수 있는 적절한 방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 수납이 가능하고 우주환경에서 전개가 가능한 전개형 복합재료 안테나의 동적 특성을 수치적 그리고 실험적으로 살펴보고자 한다. 여러 패널 들이 작은 공간에 효과적으로 수납될 수 있도록, 패널의 수, 패널의 회전자유도, 그리고 전개 시 필요한 스프링 특성을 설계변수로 전개 메커니즘을 설계하였다.
본 연구에서는 우주환경에 적용 가능한 전개형 솔리드 안테나를 개발하기 위하여 안테나의 전개 전/후의 형상을 관찰하고, 설계변수에 따라 안테나 모델을 설계하였다. 경량화를 위해 복합재료를 이용하여 안테나 패널을 제작하고 간섭없이 전개됨을 확인하였다.

제안 방법

Euler 변환을 이용하여 각각의 패널이 수납되어지고 전개되어질 때, 패널들 간에 간섭이 생기지 않도록, 패널 개수 (30 개), 폴딩(θ=60°) 그리고 트위스팅 (Φ=70°) 회전 자유도를 결정하였다.
Table 1에서 제시된 설계 변수 및 2개의 자유를 가지는 전개장치(Fig. 11)을 바탕으로 전개형 반사판 안테나의 3D 모델을 CATIA로 구현하였고, 전개 시 패널간의 간섭이 없음을 확인하였다 (Fig. 12). 최종적으로 제작된 복합재 안테나 반사판의 수납된 형상은 Fig.
경량화를 위하여, 비강도/비강성이 우수한 탄소섬유 강화(CFRP)복합재료를 이용하여 안테나 패널을 제작 하였다. 복합재료는 TenCate사의 M55J/RS3를 사용하였다.
안테나 패널이 전개되기 전, 로드셀의 초기값을 ‘0’으로 세팅하고, 전개 되는 동안 로드셀의 하중 값이 ‘0’ 이 유지될 수 있도록 모터가 회전하도록 PID 제어를 수행한다.
Euler 변환을 이용하여 각각의 패널이 수납되어지고 전개되어질 때, 패널들 간에 간섭이 생기지 않도록, 패널 개수 (30 개), 폴딩(θ=60°) 그리고 트위스팅 (Φ=70°) 회전 자유도를 결정하였다. 안테나의 기계적 -전기적 효율의 극대화를 위하여, 반사판 직경 대 초점거리 비율(f/D) 값이 0.35~0.4 범위를 가지도록 설계하였다 [10]. Table 1은 설계된 안테나의 변수들을 나타내다.
반사판 패널은 우주용 복합재료 M55J/RS3로 제작하였다. 에어베어링을 이용하여 2개의 전개 자유도를 가지는 무중력 전개장치를 개발/제작하였다. 무중력 환경 에서 안테나의 전개특성을 관찰하고, 전개 하중을 보상할 수 있는 적절한 방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 수납이 가능하고 우주환경에서 전개가 가능한 전개형 복합재료 안테나의 동적 특성을 수치적 그리고 실험적으로 살펴보고자 한다. 여러 패널 들이 작은 공간에 효과적으로 수납될 수 있도록, 패널의 수, 패널의 회전자유도, 그리고 전개 시 필요한 스프링 특성을 설계변수로 전개 메커니즘을 설계하였다. 반사판 패널은 우주용 복합재료 M55J/RS3로 제작하였다.
경량화를 위해 복합재료를 이용하여 안테나 패널을 제작하고 간섭없이 전개됨을 확인하였다. 우주 환경과 같은 무중력 상태에서의 안테나의 전개 동특성을 확인하기 위한 무중력 환경 모사 전개시험 장치를 설계하였다. 반복 전개시험을 통해 전개 메커니즘의 신뢰성을 확인하였고, 시뮬레이션 결과 비교를 통해 무중력환경 전개 실험의 정확성을 검증하였다.
전개 궤적을 따라 이동하는 레일에는 에어부싱(air bushing)을 설치하고 공기를 주입하여 이동할 때 발생 하는 레일과 베어링 사이의 마찰을 줄이도록 하였다 (Fig. 17).
위성의 자세유지를 위하여, 안테나의 전개방식은 개별 전개방식 보다 동시 전개방식이 유용하고 [11], 전개 메커니즘의 단순화 및 경량화를 위해서는 스프링 힌지 모델을 사용하였다. 전개 시 필요한 동력은 비틀림 스프링을 이용하였으며, 패널 전체가 동시에 전개되도록 같은 탄성계수를 가진 스프링을 각각의 샤프트에 삽입하였다. 복합재 패널과 알루미늄 금속 장치와의 접합 부분은 볼트 체결을 이용하였다 (Fig.
전개시 중력 효과를 살펴보기 위하여, 안테나 패널을 간단한 역진자 모델을 제시하였다 (Fig. 19). Lagrangian 방정식을 이용하면, 폴딩(θ) 그리고 트위스팅(Φ) 자유도에 대한 운동방정식을 얻을 수 있다 (Eq.
3차원 형상의 모델을 기준으로, 전개와 수납이 용이할 수 있도록, 반사판을 여러 패널 조각으로 나눈다. 전개시 패널간의 간섭을 피하기 위하여, 중앙 허브디스크 에서 각각의 패널들은 비틀림(twisting) 그리고 폴딩(folding) 2개의 회전 자유도를 부여하였다. 각각의 패널 전개 전/후의 상태를 전역좌표계(global coordinate)와 국부좌표계(local coordinate)로 Euler변환(Eq.
효율적인 수납(folding) 및 전개를 위하여, 각각의 안테나 패널은 2개의 회전 자유도가(비틀림 그리고 폴딩) 필요하다. 중앙허브디스크와 패널 사이에 2개의 회전 자유도를 부과할 수 있는 전개 장치를 제작하였다 (Fig. 11). 위성의 자세유지를 위하여, 안테나의 전개방식은 개별 전개방식 보다 동시 전개방식이 유용하고 [11], 전개 메커니즘의 단순화 및 경량화를 위해서는 스프링 힌지 모델을 사용하였다.
축대칭 전개형 안테나 특성 및 전개장치의 단순함을 고려하여, 하나의 패널을 대상으로 무중력환경 전개시험을 수행하고자 한다 (Fig. 16). 안테나 패널은 전개 되는 과정에서 병진 및 회전운동을 한다.
파라볼라(parabola) 형상의 전개형 반사판 안테나를 설계하고자 한다(Fig. 6). 중앙에 허브(hub) 디스크가 추가된 모양이고, 개념 설계에 필요한 변수는 반사판 직경(D), 초점거리(f), 중앙 허브 디스크의 반지름(r)이 있다.
패널 무게에 대한 하중 보상을 제어하여 무중력 모사 상태에서 전개 실험을 진행하였다. 전개 방향을 따라 레일이 마찰 없이 이동하는 것을 확인하였다.

대상 데이터

여러 패널 들이 작은 공간에 효과적으로 수납될 수 있도록, 패널의 수, 패널의 회전자유도, 그리고 전개 시 필요한 스프링 특성을 설계변수로 전개 메커니즘을 설계하였다. 반사판 패널은 우주용 복합재료 M55J/RS3로 제작하였다. 에어베어링을 이용하여 2개의 전개 자유도를 가지는 무중력 전개장치를 개발/제작하였다.
경량화를 위하여, 비강도/비강성이 우수한 탄소섬유 강화(CFRP)복합재료를 이용하여 안테나 패널을 제작 하였다. 복합재료는 TenCate사의 M55J/RS3를 사용하였다. 안테나 패널의 제작 공정은 진공 펌프를 이용하여 프리프레그(prepreg) 형상을 잡아주는 vacuum bag molding 그리고 오토클레이브(autoclave)를 사용하였다.
복합재료는 TenCate사의 M55J/RS3를 사용하였다. 안테나 패널의 제작 공정은 진공 펌프를 이용하여 프리프레그(prepreg) 형상을 잡아주는 vacuum bag molding 그리고 오토클레이브(autoclave)를 사용하였다. Figure 10은 최종 제작된 복합재료 안테나 패널을 보여주고 있다.

데이터처리

우주 환경과 같은 무중력 상태에서의 안테나의 전개 동특성을 확인하기 위한 무중력 환경 모사 전개시험 장치를 설계하였다. 반복 전개시험을 통해 전개 메커니즘의 신뢰성을 확인하였고, 시뮬레이션 결과 비교를 통해 무중력환경 전개 실험의 정확성을 검증하였다.

이론/모형

11). 위성의 자세유지를 위하여, 안테나의 전개방식은 개별 전개방식 보다 동시 전개방식이 유용하고 [11], 전개 메커니즘의 단순화 및 경량화를 위해서는 스프링 힌지 모델을 사용하였다. 전개 시 필요한 동력은 비틀림 스프링을 이용하였으며, 패널 전체가 동시에 전개되도록 같은 탄성계수를 가진 스프링을 각각의 샤프트에 삽입하였다.

성능/효과

본 연구에서는 우주환경에 적용 가능한 전개형 솔리드 안테나를 개발하기 위하여 안테나의 전개 전/후의 형상을 관찰하고, 설계변수에 따라 안테나 모델을 설계하였다. 경량화를 위해 복합재료를 이용하여 안테나 패널을 제작하고 간섭없이 전개됨을 확인하였다. 우주 환경과 같은 무중력 상태에서의 안테나의 전개 동특성을 확인하기 위한 무중력 환경 모사 전개시험 장치를 설계하였다.
Figure 8은 수납되어진 패널과 전개 후 파라볼라 반사판 형상을 보여주고 있다. 또한, 기구학적 분석을 통하여, 패널 간의 간섭 없이 전개됨을 확인할 수 있었다 (Fig. 9).
13). 또한, 중력/무중력 상태의 전개 시에 발생하는 하중을 계산하여 전개 시 복합재료 손상이 없음을 확인하였다.
중력의 영향이 줄면서 패널의 전개 속도가 느려지며, 전개 시 충격의 영향도 최소화 되어 안정적으로 전개가 됨을 보였다. 또한, 패널에 작용하는 하중을 측정한 결과, 전개 초기에만, 중력효과가 패널에 영향을 주고, 무중력 환경 상태로 패널이 전개됨을 관찰할 수 있다 (Fig. 22).
패널 무게에 대한 하중 보상을 제어하여 무중력 모사 상태에서 전개 실험을 진행하였다. 전개 방향을 따라 레일이 마찰 없이 이동하는 것을 확인하였다. Fig.
21은 전개 시험을 통해 안테나 패널이 전개 되는 과정을 타낸다. 중력의 영향이 줄면서 패널의 전개 속도가 느려지며, 전개 시 충격의 영향도 최소화 되어 안정적으로 전개가 됨을 보였다. 또한, 패널에 작용하는 하중을 측정한 결과, 전개 초기에만, 중력효과가 패널에 영향을 주고, 무중력 환경 상태로 패널이 전개됨을 관찰할 수 있다 (Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전개시험 장치의 다양한 방법은 어떠한 것들이 있는가	지상 전개 시험에서 안테나에 작용하는 중력을 보상하기 위한 전개시험 장치는 다양한 방법으로 연구되어지고 있다. 트롤리(trolley)와 레일(rail), 에어베어링 (air bearing), 헬륨풍선 또는 도르래와 와이어(wire) 등 여러 방법들이 이용되고 있다. 트롤리와 레일은 태양전지판 전개시험에 주로 사용되고 있고[5], 한국항공우주연구원[6]에서는, 전개 방향에 따라 2축 자유도를 갖는 시험 장치를 구축하여, 태양전지판의 무중력 환경 전개시험을 수행하였다(Fig.
	솔리드(solid) 안테나의 장점은 무엇인가	전개형 안테나는 작은 부피로 수납되어 발사된 후, 임무가 수행될 우주에서 원래의 형상으로 전개됨으로 써, 발사체의 공간 활용을 높일 수 있다. 전개형 안테나의 종류 중 솔리드(solid) 안테나는 패널이 중앙 허브 주위에서 구동/전개되는 방식으로 구조적 안정성과 표면정확도가 높은 장점이 있다 [1]. 또한 간단한 전개장치를 이용하여 패널의 전개 속도 및 각도 제어가 가능하다. Figs.
	헬륨 풍선을 이용한 무중력 환경장치의 단점은 무엇인가	헬륨 풍선을 이용한 무중력 환경장치(Fig. 4)는, 풍선의 부피와 공기저항이 크기 때문에, 빠른 전개속도를 갖는 전개 구조물에는 적합하지 않은 단점이 있다 [8]. 도르래와 와이어를 이용하는 방법은 가장 단순한 방법으로 장력을 일정하게 유지한 상태에서 전개시험을 수행하는 방법이고, Yang et al.

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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