[논문]발사환경에 대한 차세대 중형위성 전자광학 카메라 제어용 전장품의 구조건전성 평가

이명재; 김현수; 이덕규; 오현웅

doi:10.20910/jase.2018.12.4.98

[국내논문] 발사환경에 대한 차세대 중형위성 전자광학 카메라 제어용 전장품의 구조건전성 평가
Structural Safety Evaluation of Electro-Optical Camera Controller Box of CAS500 Satellite under Launch Environments 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.12 no.4, 2018년, pp.98 - 105

이명재 (조선대학교 항공우주공학과 우주기술융합연구실) , 김현수 (한화 시스템) , 이덕규 (한국항공우주연구원) , 오현웅 (조선대학교 항공우주공학과 우주기술융합연구실)

초록
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위성에 탑재되는 전장품의 경우 발사 진동환경에 대한 신뢰성 확보가 필수적이기 때문에 인증모델 제작 전 박스 레벨에서 설계요구조건에 대한 해석적 검증이 요구된다. 또한, 위성 전장품에는 다양한 실장 형태의 고집적 소자가 적용되기 때문에 솔더 접합부(Solder Joint)의 구조건전성 분석을 통한 신뢰성 확보가 필수적이다. 본 논문에서는 차세대 중형위성 광학 탑재체 제어기의 일부인 CCB(Camera Controller Box)에 대한 구조 설계 요구조건을 만족하기 위하여, 박스 레벨에서 모드 해석 및 준정적 해석을 수행하였다. 아울러, CCB 주요 소자의 안전성 분석을 위해 피로파괴 예측 이론에 기반한 구조 해석을 수행하였으며, 주요 소자 유한 요소 상세 모델 구축을 통한 랜덤 등가 정적 해석을 실시하여 전장품의 구조 건전성을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The satellite is exposed to various launch environments such as random vibrations and shock. Accordingly, structural design of electronic equipment mounted on satellite must meet reliability requirements at the box level. In addition, it is essential to secure the reliability of the solder joint applied to electronic equipment. In this paper, we performed a modal and quasi-static analysis for the purpose of satisfaction of the design requirements of the CCB (Camera Controller Box) present on the 500 kg-class compact advanced satellite (CAS500). In addition, structural safety of electronic components was verified by the Steinberg's method and random equivalent static analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 차세대 중형위성[10-11]에 탑재되는 카메라 제어 전장품인 CCB(Camera Controller Box)에 대한 구조해석을 수행하여 인증시험 수준에서의 구조건전성을 평가하였다. 평가 내용으로는 발사 하중에 대한 CCB의 영향을 분석하기 위해 모드 해석과 준정적 해석을 수행하여 발사환경에서의 구조건전성을 검토하였다.
위성에 탑재되는 전자부품 또는 전장품의 경우 발사 진동환경에 대한 신뢰성 확보가 필수적이다. 이를 위해 본 논문에서는 차세대중형위성 광학 탑재체 제어기의 일부인 CCB 구조 설계 요구조건을 만족하기 위하여, 박스 레벨에서 모드 해석 및 준정적 해석을 수행하였다. 해석 결과, CCB 강성 요구조건인 최소 고유진동수 130Hz 이상임을 확인하였으며, 준정적 해석에서도 안전여유가 모두 0 이상임을 확인하였다.

제안 방법

CCB 강성 요구조건인 최소 고유진동수 130Hz 이상임을 확인하기 위하여, 모드 해석을 수행하였다. 모드 해석 결과, Fig.
FEM은 Solid Element로 구성되며 각 구조체의 볼트 체결부는 Rigid Element (RBE2)를 이용하여 모사하였다. CCB 보드의 소자는 Fig. 5와 같이 소자에 해당하는 무게를 Single Point Mass (CONM2)를 이용하여 각 소자 무게중심점에 배치하였으며, 각 소자의 해당 면적만큼 Rigid Element (RBE2)로 연결하였다. 아울러 CCB 마운팅 체결부는 6자유도에 대한 구속 조건을 부여된다.
CCB 소자의 안전성 분석을 위해 각 모듈 PCB의 대표적인 소자를 선정하여 해석을 수행하였다. Fig.
CCB의 설계 하중에 대한 구조건전성을 검증하기 위하여, 준정적 해석을 수행하였다. CCB 각 축에 설계하중 30g를 인가하였으며, 구조 건전성 확인을 위해 ECSS Rule[12]의 식 (1)으로부터 안전여유(MoS : Margin of Safety)를 산출하였다.
Figure 4는 CCB FEM의 전체 구축 형상을 나타낸다. FEM은 Solid Element로 구성되며 각 구조체의 볼트 체결부는 Rigid Element (RBE2)를 이용하여 모사하였다. CCB 보드의 소자는 Fig.
PCB 기판 및 소자의 경우, 발사 시 수반되는 랜덤 진동에 기인한 반복적인 굽힘 거동으로 인해 종국에는 납땜(Soldering) 부위의 피로 파괴로 이어지게 되며, Steinberg의 PCB 변위에 기반한 피로파괴 예측 이론[5]을 바탕으로 상기 진동 및 충격 환경에 따른 전자 소자의 피로파괴에 대한 안전성을 평가한다. 식 (2)의 허용 처짐(δ_allow) 이하로 설계될 경우, 전자 소자에 대해 약 2천만번의 랜덤 진동 및 약 1천만번의 정현파 진동 주기 동안의 피로수명 보장이 가능하다.
평가 내용으로는 발사 하중에 대한 CCB의 영향을 분석하기 위해 모드 해석과 준정적 해석을 수행하여 발사환경에서의 구조건전성을 검토하였다. 아울러, 크기와 무게로 인해 발사환경에서 영향이 클 것으로 판단되는 CCB 주요 관심 소자의 안전성을 분석하기 위하여 Steinberg의 PCB 변위에 기반한 피로수명 예측 이론을 바탕으로 랜덤 진동 및 충격 환경에 따른 전자 소자 피로파괴에 대한 안전성을 검토하였으며, CCB 주요 관심 소자의 유한요소 상세 모델을 구축하여 랜덤 등가 정적 해석을 이용한 구조 건전성을 분석함으로서 CCB의 구조건전성을 검토하였다.
따라서, 박스 내부에 있는 구성품 및 모듈에 적용하기엔 한계가 존재하기 때문에, 박스 내부 구성품 및 모듈 레벨에서 랜덤 등가 정적 해석(Random Equivalent Static Analysis)을 이용한 구조건전성 예측이 요구된다. 이를 위해, Fig. 7과 같이 상기 선정한 CM PCB 및 RM PCB 관심소자들의 상세모델을 구축하여 랜덤 등가 정적 하중으로부터 솔더 접합부(Solder Joint)의 구조 건전성 예측을 수행하였다. 랜덤 등가 정적 하중의 경우, 응력이나 변위와 같은 응답변수를 예측 가능한 Miles’ Equation[13]으로부터 도출 가능하며, 랜덤 진동에 의한 하중을 계산할 경우 식 (6)과 같이 해당 주파수 대역의 RMS 가속도에 통계학적 신뢰도 99.
본 논문에서는 차세대 중형위성[10-11]에 탑재되는 카메라 제어 전장품인 CCB(Camera Controller Box)에 대한 구조해석을 수행하여 인증시험 수준에서의 구조건전성을 평가하였다. 평가 내용으로는 발사 하중에 대한 CCB의 영향을 분석하기 위해 모드 해석과 준정적 해석을 수행하여 발사환경에서의 구조건전성을 검토하였다. 아울러, 크기와 무게로 인해 발사환경에서 영향이 클 것으로 판단되는 CCB 주요 관심 소자의 안전성을 분석하기 위하여 Steinberg의 PCB 변위에 기반한 피로수명 예측 이론을 바탕으로 랜덤 진동 및 충격 환경에 따른 전자 소자 피로파괴에 대한 안전성을 검토하였으며, CCB 주요 관심 소자의 유한요소 상세 모델을 구축하여 랜덤 등가 정적 해석을 이용한 구조 건전성을 분석함으로서 CCB의 구조건전성을 검토하였다.

대상 데이터

아울러 CCB 마운팅 체결부는 6자유도에 대한 구속 조건을 부여된다. 메쉬는 총 301,131개의 노드로 구성되며, Table 3, 4에 Elements 구성 내용 및 적용물성치를 정리하였다.
1 (b)에 도시한 바와 같이 주요 하우징 상/하부에 각각 RM PCB와 CM PCB(Redundancy)가 결합되며, 상부 하우징에는 CM PCB(Primary)가 결합된다. 상기 전장품의 하우징 및 커버는 Al-6061 재질이며, CM 및 RM PCB는 위성에서 많이 적용되는 Polyimide 재질을 적용하였고, 바닥면 커버 하부에는 전기적 통전 및 열전도율이 높은 Sigraflex가 적용된다.

이론/모형

CCB의 설계 하중에 대한 구조건전성을 검증하기 위하여, 준정적 해석을 수행하였다. CCB 각 축에 설계하중 30g를 인가하였으며, 구조 건전성 확인을 위해 ECSS Rule[12]의 식 (1)으로부터 안전여유(MoS : Margin of Safety)를 산출하였다.

성능/효과

모드 해석 결과, Fig. 6 (a)와 같이 CCB의 1차 고유진동수는 하우징 커버에서 발생하는 로컬모드 374Hz로서 CCB 고유 진동수 요구조건인 130Hz 이상일 것에 만족함을 확인하였다. 또한, Fig.
상기 식을 적용하여 CM PCB 및 RM PCM의 주파수에 해당하는 랜덤 등가 정적 하중을 도출하였으며, 각각 158g, 209g임을 확인하였다. 상기 도출된 하중으로 CM 및 RM PCB 각각 랜덤 등가 정적 해석을 수행하였으며, 모든 소자가 0 이상의 MoS가 확보됨으로부터 발사 환경에 대한 솔더 접합부의 구조건전성 확보가 가능함을 입증하였다. 이에 대한 결과를 Table 8에 정리하였다.
상기 식으로부터 산출된 안전여유가 모두 0 이상임을 확인하였으며, 해당 결과로부터 CCB 구조체 및 PCB (CM Primary & Redundancy, RM)가 준정적 하중에서 구조건전성이 확보됨을 입증하였다.
)는 증폭 계수, PSD는 입력 PSD를 의미한다. 상기 식을 적용하여 CM PCB 및 RM PCM의 주파수에 해당하는 랜덤 등가 정적 하중을 도출하였으며, 각각 158g, 209g임을 확인하였다. 상기 도출된 하중으로 CM 및 RM PCB 각각 랜덤 등가 정적 해석을 수행하였으며, 모든 소자가 0 이상의 MoS가 확보됨으로부터 발사 환경에 대한 솔더 접합부의 구조건전성 확보가 가능함을 입증하였다.
해석 결과, CCB 강성 요구조건인 최소 고유진동수 130Hz 이상임을 확인하였으며, 준정적 해석에서도 안전여유가 모두 0 이상임을 확인하였다. 아울러, CCB 소자의 안전성 분석을 위해 PCB 변위에 기반한 피로파괴 예측 이론 및 랜덤 등가 정적 해석을 토대로 분석을 수행하였으며, 각 모듈 PCB 관심 소자의 구조 건전성이 확보됨을 입증하였다.
이를 위해 본 논문에서는 차세대중형위성 광학 탑재체 제어기의 일부인 CCB 구조 설계 요구조건을 만족하기 위하여, 박스 레벨에서 모드 해석 및 준정적 해석을 수행하였다. 해석 결과, CCB 강성 요구조건인 최소 고유진동수 130Hz 이상임을 확인하였으며, 준정적 해석에서도 안전여유가 모두 0 이상임을 확인하였다. 아울러, CCB 소자의 안전성 분석을 위해 PCB 변위에 기반한 피로파괴 예측 이론 및 랜덤 등가 정적 해석을 토대로 분석을 수행하였으며, 각 모듈 PCB 관심 소자의 구조 건전성이 확보됨을 입증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주용 전장품의 특징은 무엇인가?	우주용 전장품은 발사과정에서 추진부 분사 및 대기와의 출동에 의해 발생하는 넓은 주파수 영역의 소음 및 진동, 발사체의 다양한 다단 분리 및 페어링-위성체 분리에 의한 충격을 겪게 되며, 엔진 추력에 의한 정적가속과 점화 및 분리과정, 돌풍 등에 의한 동적가속 등이 조합된 준정적 하중 등의 극심한 발사 진동 환경에 노출된다[1]. 발사 환경에서 수반되는 동적 진동 및 충격 환경은 전장품 구조체 및 전자기판(PCB)과 소자 상호간의 전기적/기계적 인터페이스를 제공하는 접합부(Solder Joint)의 구조건전성에 심각한 문제요인으로 작용하며, 동적 진동환경에 의해 누적된 데미지로 인해 종국에는 피로파괴가 발생할 수 있다.
	발사 환경에서 수반되는 동적 진동 및 충격 환경은 무엇의 문제요인으로 작용하는가?	우주용 전장품은 발사과정에서 추진부 분사 및 대기와의 출동에 의해 발생하는 넓은 주파수 영역의 소음 및 진동, 발사체의 다양한 다단 분리 및 페어링-위성체 분리에 의한 충격을 겪게 되며, 엔진 추력에 의한 정적가속과 점화 및 분리과정, 돌풍 등에 의한 동적가속 등이 조합된 준정적 하중 등의 극심한 발사 진동 환경에 노출된다[1]. 발사 환경에서 수반되는 동적 진동 및 충격 환경은 전장품 구조체 및 전자기판(PCB)과 소자 상호간의 전기적/기계적 인터페이스를 제공하는 접합부(Solder Joint)의 구조건전성에 심각한 문제요인으로 작용하며, 동적 진동환경에 의해 누적된 데미지로 인해 종국에는 피로파괴가 발생할 수 있다. 따라서, 우주용 전장품의 원활한 기능 구현을 위해서는 발사 및 궤도환경에서 수반되는 진동, 충격 환경 하에서 구조 건전성이 보장되도록 설계되어야 한다[2-4].
	우주 전장품의 구조 건전성이 보장되도록 설계에서 고려해야 하는 필수적 요소는 무엇인가?	상기와 같이 우주용 전장품의 구조 건전성 설계는 준정적 하중, 정현파 진동, 랜덤 진동, 음향 진동 및 충격하중에 대한 고려가 필수적이다. 단, 위성 전장품의 경우 음향 진동이 구조적 전이를 통해 랜덤 진동의 형태로 나타나며, 일반적으로 100Hz 이상의 최소 고유진동수 요구조건을 만족시키면 정현파 진동의 영향권을 벗어나기 때문에 일반적으로 강성 및 설계 하중, 랜덤 진동, 충격 하중이 구조 설계 요구조건으로 주어지며 이를 만족하는 설계가 이루어진다.

참고문헌 (13)

J. Wijker "Spacecraft Structures", Springer, 2008.
W. B. Lee and G. W. Kim, "Random Vibration Analysis for Satellite Design" Aerospace Engineering and Technology, Vol. 5, No. 2, pp. 102-107, 2006.
H. S. Seo, H. B. Kim, S. H. Woo, J. S. Chae and T. S. Oh, "A Study on the Vibrational Environment Test of KSLV-1 Demonstration Satellite", The Korean Society for Noise and Vibration Engineering 2005 Fall Conference, Vol. 2005, No. 5, pp. 966-970, 2005.
Y. H. Jeon and H. U. Oh, "Estimating Fatigue Life of APD Electronic Equipment for Activation of a Spaceborne X-band 2-axis Antenna", Journal of Aerospace System Engineering, Vol. 11, No. 1, pp. 1-7, 2017.
D. S. Steinberg, "Vibration Analysis for Electronic Equipment", Jonh Wiley & Sons inc., 2000.
S. Y. Jeong, H. U. Oh, K. J. Lee and B. S. Kim, "Mechanical Stability Analysis of PCB and Component for Launch and On-orbit Environment based on Fatigue Failure Theory and FEM", Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 10, pp. 952-958, 2011.

원문보기 상세보기
R. A. Amy, "Efficient design of spacecraft electronics to satisfy launch vibration requirements", University of Southampton Doctoral dissertation, 2009.
H. B. Kim, H. S. Seo and S. M. Moon, "Design and Verification of Satellite Electronic Equipment with the consideration of Random Vibration while Launching", Journal of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 10, No. 6, pp. 971-976, 2000.
M. Safarabadi and S. Bazargan, "Prediction of Equivalent Static Loads Act on a Micro Satellite via Modal Analysis", Engineering Solid Mechanics, Vol. 3, No. 2, pp. 75-84, 2015.

상세보기
D. G. Lee, at el, "System Design for Optical Payload(AEISS-C) of CAS 500 Satellite", The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences 2016 Fall Conference, Vol. 2016, No. 11, pp. 369-370, 2016.
S. S. Kim, J. S. Kim, C. Y. Han and J. H. Yoo, "Test and Verification of Compact Adavanced Satellite Structure Thermal Model", The Society for Aerospace System Engineering 2017 Fall Conference, pp. 437-439, 2017.
European Cooperation for Space Standardization, "Space Engineering : Structural Factors of Safety for Spaceflight Hardware", ESA Requirements and Standards Division, ECSS-E-ST-32-10C (REV-1), 2009.
J. W. Miles, "On structural fatigue under random loading", Journal of the Aeronautical Sciences, Vol. 21, No. 11, pp.753-762, 1954.

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