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문제 정의
- 제안된 구속분리장치는 종래 분리장치에 비해 높은 구속력 확보가 가능하며, 태양전지판의 전개 및 평면방향의 동시 구속이 가능하여 발사환경 하에서 나일론선의 구조 건전성 확보가 가능한 장점으로 비교적 넓은 면적의 태양전지판의 구속/분리에 용이한 장점을 갖는다. 따라서 본 논문에서 제안한 구속분리장 치의 적용 대상인 6U 큐브위성 태양전지판 조립체에 대해 발사하중을 고려한 구조해석을 수행하여 구속분리장치의 설계 방향성을 파악하였다. 아울러 상기 구속분리장치를 상이한 온도조건에 서의 나일론선 두께 및 체결 횟수에 따른 전개 및 기능시험을 수행하여 구속분리장치의 기능성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 기존의 큐브위성용 태양전지판 구속분리장치의 단점을 보완하고자 타원형 브래킷 및 Ball & Socket 접속부 등을 적용한 6U 큐브위성용 태양전지판 구속분리장치를 제안하였다.
- 본 연구에서는 종래 분리장치의 한계점을 극복하기 위해 새로운 방식의 나일론선 절단방식 구속분리장치를 제안하였다. 제안된 구속분리장치는 종래 분리장치에 비해 높은 구속력 확보가 가능하며, 태양전지판의 전개 및 평면방향의 동시 구속이 가능하여 발사환경 하에서 나일론선의 구조 건전성 확보가 가능한 장점으로 비교적 넓은 면적의 태양전지판의 구속/분리에 용이한 장점을 갖는다.
- 상기 구속분리장치 설계를 위해 6U 큐브위성의 태양전지판 조립체를 대상으로 구조해석을 수행하였다. 이로부터, 강성요구조건 및 발사하중에 대한 구조건전성 확보를 위한 구속분리장치의 설계 방향성을 파악하였다. 또한 제안된 구속분리 장치의 설계 유효성 파악을 위해 기능시험을 수행하여 약 0.
제안 방법
- 태양전지판의 경우 CQUAD4, CTRIA3와 같은 Shell 요소로 구축하였으며, 힌지부와 보강재는 Solid 요소인 CHEXA8, CPENTA6 요소를 이용하였다. 그리고 RBE2 (Rigid Body Element 2) 요소를 적용하여 각 구성품 간의 볼트 체결조건을 모사하였으며, 구속분리장치의 경우 상세 모델링을 수행하지 않고 강체조건으로 모사하기 위해 3개의 RBE2 요소로 단순화하여 구축하였다. 힌지의 회전부는 회전 자유도 부여를 위해 각각 RBE3 (Rigid Body Element 3) 요소와 CBEAM 요소를 사용 하였으며, 상기 CBEAM의 물성치는 알루미늄을 적용하였다.
- 구속분리장치에 체결력을 부여하는 나일론선에 대한 구조 건전성 검토를 위해 모드 해석에서 도출된 1차 고유진동수를 고려한 랜덤등가정적하중을 도출하여 준정적 해석을 수행하였다. 상기 하중을 도출하기 위해 Miles' Equation[11]인 식 (1)을 적용하여 계산하였다.
- 6U 규격의 큐브위성용 태양전지판 조립체는 1차 고유진동수가 100Hz 이상을 만족해야하는 강성요구조건이 존재한다. 따라서, 태양전지판 조립체의 동적응답특성 및 모드형상을 예측하기 위해 Fig. 3의 유한요소모델로부터 모드해석을 수행하였다. 모드해석 케이스는 구속분리장치 및 보강재의 적용 유무에 따른 해석을 수행하였다.
- 힌지의 회전부는 회전 자유도 부여를 위해 각각 RBE3 (Rigid Body Element 3) 요소와 CBEAM 요소를 사용 하였으며, 상기 CBEAM의 물성치는 알루미늄을 적용하였다. 또한, 태양전지판 시스템은 큐브위성 구조체에 장착되기에 힌지에 마련된 체결부 4군데에 6자유도 (Ux=Uy=Uz=Rx=Ry=Rz=0) 구속조 건을 부여하였다. 아울러, Table 1에 각 구성품 구축을 위해 적용된 요소 및 개수, Table 2에 태양전지판 조립체의 물성치를 나타내었다.
- 3의 유한요소모델로부터 모드해석을 수행하였다. 모드해석 케이스는 구속분리장치 및 보강재의 적용 유무에 따른 해석을 수행하였다. Figs.
- 본 연구에서 제안한 6U급 큐브위성용 태양전 지판 구속분리장치 설계를 위해 2.1절에서 소개한 6U 규격의 태양전지판 조립체 예시를 기반으로 발사진동환경에서 구조 건전성을 확보 가능한 설계 방향성을 파악하기 위해 모드해석 및 준정 적해석을 수행하였다. 상기 모드해석으로부터 1차 고유진동수가 100 Hz 이상을 요구하는 6U 규격의 큐브위성용 태양전지판 조립체의 강성요 구조건 만족여부를 파악하였으며, 준정적 해석으로부터 1차 고유진동수가 고려된 랜덤등가정적하 중이 태양전지판 조립체에 작용 시 구속분리장치의 나일론선에 작용하는 반력을 산출하여 구조건 전성을 평가하였다[10].
- 1절에서 소개한 6U 규격의 태양전지판 조립체 예시를 기반으로 발사진동환경에서 구조 건전성을 확보 가능한 설계 방향성을 파악하기 위해 모드해석 및 준정 적해석을 수행하였다. 상기 모드해석으로부터 1차 고유진동수가 100 Hz 이상을 요구하는 6U 규격의 큐브위성용 태양전지판 조립체의 강성요 구조건 만족여부를 파악하였으며, 준정적 해석으로부터 1차 고유진동수가 고려된 랜덤등가정적하 중이 태양전지판 조립체에 작용 시 구속분리장치의 나일론선에 작용하는 반력을 산출하여 구조건 전성을 평가하였다[10].
- 따라서, 랜덤등 가정적하중은 상기 식 (1)로부터 57 g가 도출되며 이로부터 준정적 해석을 수행하였다. 상기의 해석을 수행할 시 하중 57 g를 태양전지판의 전개 방향인 Z 방향으로 인가하여, 구속분리장치를 모사한 3개의 RBE2 요소에서 발생하는 반력으로부터 안전여유 (Margin of Safety, MoS)를 식 (2)를 이용하여 계산하였다.
- 시험 수행 시 Fig. 6과 동일한 시험구성으로 -35°C ~ 60°C까지의 온도 조건에서 나일론선 3회 체결, 인가전압 8V로 설정하였으 며, 상기 온도는 구속분리장치의 타원형 브래킷과 저항소자 주변의 PCB를 기준으로 측정하였 다.
- Figure 7은 본 연구에서 제안한 태양전지판 구속분리장치의 설계 유효성 검증을 위한 기능시험 구성을 나타낸다. 시험구성은 구속분리장치가 적용된 태양전지판, 저항소자에 전력을 인가하기 위한 전원 공급기, DSSW (Deployment Status Switch)의 상태에 따라 인가 전력을 제어하기 위한 전원 제어기, 전개 신호를 수집하기 위한 DAQ 및 PC로 구성되어 있다. 또한 상기 태양전지판은 Fig.
- 따라서 본 논문에서 제안한 구속분리장 치의 적용 대상인 6U 큐브위성 태양전지판 조립체에 대해 발사하중을 고려한 구조해석을 수행하여 구속분리장치의 설계 방향성을 파악하였다. 아울러 상기 구속분리장치를 상이한 온도조건에 서의 나일론선 두께 및 체결 횟수에 따른 전개 및 기능시험을 수행하여 구속분리장치의 기능성을 검증하였다.
- 또한, 저온 (-35℃)에서부터 고온(60℃)조건에서의 기능시험을 수행하여 상이한 온도조건에서 전개가 성공적으로 이루어짐을 확인하였다. 아울러, 저온 및 상온조건에서 각각 10회, 30회 반복 기능시험을 수행하여 저항의 특성변화가 나타나지 않음으로서 구속분리장치의 기능을 검증하였다. 향후, 본 연구에서의 기능시험 및 구조해석 결과를 토대로 인증시험 규격에 대한 발사진동 및 열진공 시험을 수행하여 발사환경에서 구조건전성과 궤도상에서의 기능 확보여부를 검증할 계획이다.
- Figure 11은 나일론선의 지름 및 체결횟수에 따라 전개시간의 민감도를 파악하기 위한 기능시험을 수행한 결과를 나타낸다. 입력전압이 8V 조건에서 분리장치에 적용된 나일론선의 지름이 0.04 mm, 0.1 mm, 0.12 mm일 때 체결횟수 1회~3 회까지 변경함에 따른 시험을 수행하였다. 이로 부터, 나일론선의 지름 및 체결횟수가 증가하는 조건에 따라 전개 소요시간이 늘어나는 경향을 보이고 있으나, 전술한바와 같이 작업자의 작업 도에 따라 매번 장력에 다소 차이가 있어 나일론 선의 조건에 따른 전개 소요시간이 일정한 변화를 보이지 않는다.
- 전술한 구조해석 결과를 고려하여 본 연구에서는 6U급 큐브위성용 태양전지판 구속분리장치를 Fig. 5와 같이 제안하였다. 상기 분리장치는 태양 전지판과 기저면 구조체에 각각 마련된 브래킷, 전개 상태스위치, PCB (Printed Circuit Board), 저항 소자, 전기적 Interface 커넥터로 구성된다.
- 태양전 지판은 6U 규격에 기반하여 약 20.9 cm × 32.65cm의 크기를 가지며, 발사환경에서 상기 태양전지판의 충분한 강성 확보를 목적으로 구조설계를 통해 태양전지가 부착되는 면의 반대면의 중앙부 및 양측에 각각 보강재를 Fig. 2와 같이 설계하였다.
대상 데이터
- 그리고 RBE2 (Rigid Body Element 2) 요소를 적용하여 각 구성품 간의 볼트 체결조건을 모사하였으며, 구속분리장치의 경우 상세 모델링을 수행하지 않고 강체조건으로 모사하기 위해 3개의 RBE2 요소로 단순화하여 구축하였다. 힌지의 회전부는 회전 자유도 부여를 위해 각각 RBE3 (Rigid Body Element 3) 요소와 CBEAM 요소를 사용 하였으며, 상기 CBEAM의 물성치는 알루미늄을 적용하였다. 또한, 태양전지판 시스템은 큐브위성 구조체에 장착되기에 힌지에 마련된 체결부 4군데에 6자유도 (Ux=Uy=Uz=Rx=Ry=Rz=0) 구속조 건을 부여하였다.
- Figure 8은 본 연구에서 제안한 구속분리장치가 적용된 6U 큐브위성 태양전지판이 상온조건 에서 나일론선 3회 체결 및 입력전압 8V일 때의 전개 과정을 나타낸 사진이다. 상기 사진으로부터 분리장치에 마련된 저항소자의 발열로 인해 나일론선이 절단된 후 약 2.
- 본 연구에서는 기존의 큐브위성용 태양전지판 구속분리장치의 단점을 보완하고자 타원형 브래킷 및 Ball & Socket 접속부 등을 적용한 6U 큐브위성용 태양전지판 구속분리장치를 제안하였다. 상기 구속분리장치 설계를 위해 6U 큐브위성의 태양전지판 조립체를 대상으로 구조해석을 수행하였다. 이로부터, 강성요구조건 및 발사하중에 대한 구조건전성 확보를 위한 구속분리장치의 설계 방향성을 파악하였다.
- 전개형 태양전지판 구속을 위해 직경 0.1 mm, 최대 허용 하중 56.22N의 나일론 선을 적용하였으며, 4.7Ω의 저항 값을 가진 SMD (Surface Mount Device) 타입 저항소자를 사용하였다.
- 3과 같이 구축하였다. 태양전지판의 경우 CQUAD4, CTRIA3와 같은 Shell 요소로 구축하였으며, 힌지부와 보강재는 Solid 요소인 CHEXA8, CPENTA6 요소를 이용하였다. 그리고 RBE2 (Rigid Body Element 2) 요소를 적용하여 각 구성품 간의 볼트 체결조건을 모사하였으며, 구속분리장치의 경우 상세 모델링을 수행하지 않고 강체조건으로 모사하기 위해 3개의 RBE2 요소로 단순화하여 구축하였다.
성능/효과
- 6과 동일한 시험구성으로 -35°C ~ 60°C까지의 온도 조건에서 나일론선 3회 체결, 인가전압 8V로 설정하였으 며, 상기 온도는 구속분리장치의 타원형 브래킷과 저항소자 주변의 PCB를 기준으로 측정하였 다. 따라서, Fig. 12로 부터 측정된 전개 시간은 저온 및 고온 조건하에서 각각 약 3.5초 및 0.5초 미만으로서 저온 조건하에서도 구속분리장치의 전개 기능이 성공적으로 작동함을 확인하였다.
- 또한 브래킷이 결합됨에 따라 양측 브래킷에 마련된 Ball & Socket 접속부에 마찰 력이 발생하여 태양전지판의 X, Y 평면 방향에 대한 구속이 동시에 이루어진다. 따라서, 결과적 으로 태양전지판의 모든 방향에 대한 구속이 이루지게 되며 이는 종래 나일론 방식 분리장치와 차별화되는 본 연구에서 제안된 분리장치의 장점이다. 그리고 체결된 나일론선은 기저면 구조체측 브래킷 중앙부에 장착된 PCB의 저항소자와 접촉이 이루어지도록 하며, 신뢰도 있는 전개를 위해 나일론선에 장력이 발생하도록 브래킷 가이드 레일보다 높은 위치에 저항소자가 배치되어 있다.
- 08N에 대한 안전여유가 확보되어야하며, 구속분리장치에 적용된 나일론선의 최대 허용하중은 약 77N 이상이 요구된다. 따라서, 나일론선 체결횟수가 최소 2회 체결 조건일 때 최대허용하중 112.44N으로 랜덤등가하중에 대하여 구조건 전성이 확보됨을 알 수 있다. 이로부터 6U 규격 이상의 큐브위성용 태양전지판 구속분리장치 설계 시 발사하중에 대한 구조건전성을 확보를 위해 나일론선이 최소 2회 체결이 가능한 설계가 요구된다.
- 이로부터, 강성요구조건 및 발사하중에 대한 구조건전성 확보를 위한 구속분리장치의 설계 방향성을 파악하였다. 또한 제안된 구속분리 장치의 설계 유효성 파악을 위해 기능시험을 수행하여 약 0.6초 이내에 태양전지판 전개가 이루어짐을 확인하였으며, 나일론선의 두께 및 체결 횟수와 같이 상이한 조건에서도 최대 1.2초 이내의 전개시간이 소요됨을 확인하였다. 또한, 저온 (-35℃)에서부터 고온(60℃)조건에서의 기능시험을 수행하여 상이한 온도조건에서 전개가 성공적으로 이루어짐을 확인하였다.
- 2초 이내의 전개시간이 소요됨을 확인하였다. 또한, 저온 (-35℃)에서부터 고온(60℃)조건에서의 기능시험을 수행하여 상이한 온도조건에서 전개가 성공적으로 이루어짐을 확인하였다. 아울러, 저온 및 상온조건에서 각각 10회, 30회 반복 기능시험을 수행하여 저항의 특성변화가 나타나지 않음으로서 구속분리장치의 기능을 검증하였다.
- Figure 8은 본 연구에서 제안한 구속분리장치가 적용된 6U 큐브위성 태양전지판이 상온조건 에서 나일론선 3회 체결 및 입력전압 8V일 때의 전개 과정을 나타낸 사진이다. 상기 사진으로부터 분리장치에 마련된 저항소자의 발열로 인해 나일론선이 절단된 후 약 2.5초 이내에 태양전지판의 완전 전개가 성공적으로 이루어짐을 확인하였다.
- Figure 9는 구속분리장치의 구속이 해제되는 순간을 IR (Infrared) 카메라가 촬영한 온도 사진을 나타낸다. 상기 사진으로부터 저항소자의 주위 온도가 25℃에서 나일론선이 절단되는 150℃까지 상승하는데 약 0.6초 소요됨을 확인 가능하다.
- 9 Hz를 나타내었다. 상기 해석결과로부터 6U 규격의 태양전지판은 구속분리장치가 실제보다 과도한 구속조건으로 구현됨에도 불구하고 강성요구조건을 만족에 어려움을 확인하였다. 태양전지판의 강성을 증가시키기 위해 다수의 구속분리장치를 적용 시, 전력 공급을 위한 태양전지 장착 공간의 감소로 큐브위성의 임무를 위한 소요전력 생성에 어려움이 존재 및 시스템 복잡화에 따른 신회도 감소의 문제점이 존재한다.
- 이로 부터, 나일론선의 지름 및 체결횟수가 증가하는 조건에 따라 전개 소요시간이 늘어나는 경향을 보이고 있으나, 전술한바와 같이 작업자의 작업 도에 따라 매번 장력에 다소 차이가 있어 나일론 선의 조건에 따른 전개 소요시간이 일정한 변화를 보이지 않는다. 상기의 시험결과로부터 각각의 조건이 변화함에 따라 나일론선이 절단되기까지 0.4~1.2초의 전개시간이 소요됨을 알 수 있으 며, 본 연구에서 제안한 구속분리장치의 경우 지름 0.12 mm의 나일론선을 3회 체결조건에서도 목적하는 전개 기능이 가능함을 입증하였다.
- 본 연구에서는 종래 분리장치의 한계점을 극복하기 위해 새로운 방식의 나일론선 절단방식 구속분리장치를 제안하였다. 제안된 구속분리장치는 종래 분리장치에 비해 높은 구속력 확보가 가능하며, 태양전지판의 전개 및 평면방향의 동시 구속이 가능하여 발사환경 하에서 나일론선의 구조 건전성 확보가 가능한 장점으로 비교적 넓은 면적의 태양전지판의 구속/분리에 용이한 장점을 갖는다. 따라서 본 논문에서 제안한 구속분리장 치의 적용 대상인 6U 큐브위성 태양전지판 조립체에 대해 발사하중을 고려한 구조해석을 수행하여 구속분리장치의 설계 방향성을 파악하였다.
후속연구
- 아울러, 저온 및 상온조건에서 각각 10회, 30회 반복 기능시험을 수행하여 저항의 특성변화가 나타나지 않음으로서 구속분리장치의 기능을 검증하였다. 향후, 본 연구에서의 기능시험 및 구조해석 결과를 토대로 인증시험 규격에 대한 발사진동 및 열진공 시험을 수행하여 발사환경에서 구조건전성과 궤도상에서의 기능 확보여부를 검증할 계획이다.
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