[논문]마이크로중력 과학 임무 수행용 초소형 위성의 진동 해석

김진혁; 장정익; 박설현

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.12.104

[국내논문] 마이크로중력 과학 임무 수행용 초소형 위성의 진동 해석
Vibration Analysis of a Nanosatellite for Microgravity Science Missions 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.12, 2019년, pp.104 - 110

김진혁 (조선대학교 대학원 기계시스템.미래자동차공학과) , 장정익 (한국 자동차 연구원 환경기술연구센터) , 박설현 (조선대학교 기계시스템.미래자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A nanosatellite designed by the Korea Microgravity Science Laboratory (KMSL) is currently under development. The KMSL nanosatellite is designed to perform two different scientific missions in space. To successfully complete missions, a variety of tests must be conducted to verify the performance of the designed satellite before launch. As part of the qualification test campaign, the KMSL nanosatellite underwent high level vibrational tests (to comply with Falcon 9 qualification level) to demonstrate the integrity of the system. The purpose of this study is to demonstrate that the primary structure and all electronic and mechanical components can withstand the vibrations and the loads experienced during the launch period. To this end, the KMSL nanosatellite was exposed to static and dynamic loads and various types of vibrations that are inevitably produced during the space vehicle launch period. The vibration test results clearly demonstrated that all avionics and mechanical components can withstand the vibrations and the loads applied to the KMSL nanosatellite's body through a Pico-satellite Orbital Deployer (POD).

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 위성을 지정한 지구 궤도로 운반할 발사체의 발사과정에서 발생하는 각종 진동환경에서 설계·제작된 KMSL 초소형위성의 구조적 안정성과 기능성을 확인하고자 하였다. 이를 위해 실제 발사될 위성의 비행 모델 (Flight Model, FM)과 동일한 엔지니어링 모델(Engineering Model, EM)을 제작하고, 현존하는 발사체 진동환경 기준 중 가장 엄격한 Falcon-9 발사체의 Qualification Level의 진동 환경 기준으로 테스트하였다.

제안 방법

본 논문에서는 위성을 지정한 지구 궤도로 운반할 발사체의 발사과정에서 발생하는 각종 진동환경에서 설계·제작된 KMSL 초소형위성의 구조적 안정성과 기능성을 확인하고자 하였다. 이를 위해 실제 발사될 위성의 비행 모델 (Flight Model, FM)과 동일한 엔지니어링 모델(Engineering Model, EM)을 제작하고, 현존하는 발사체 진동환경 기준 중 가장 엄격한 Falcon-9 발사체의 Qualification Level의 진동 환경 기준으로 테스트하였다. 아울러 KMSL 초소형 위성의 엔지니어링 모델에 대한 진동 시험 과정과 그 결과에 대해 고찰하였다.

대상 데이터

KMSL 초소형위성은 질량 약 3.6 kg, 10×10×34 cm의 3U급 위성으로 임무 수명을 약 6개월로 예상하고 있으며, 주요 특성은 Table 1에 기술되어 있다.
진동 시험 모델은 비행 모델과 기능과 성능이 동일한 엔지니어링 모델의 부품을 조립하여 사용하였다. 다만, 예산상의 제약으로 엔지니어링 모델이 확보되지 않은 통신 보드와 안테나는 비행 모델과 질량 및 무게 중심을 동일한 더미 보드를 제작하여 장착하였다.

이론/모형

발사체의 엔진이 연소하면서 발생하는 진동이 있고, 이와 공명을 피하기 위해 위성 구조의 고유주파수는 70Hz 이상이어야 한다. 본 연구에서는 제작된 위성의 발사 환경과 유사한 진동으로 지정된 범위의 모든 주파수에서 공진을 확인하고 상호관계를 파악하기 위해 랜덤 진동(Random Vibration) 시험을 수행하였다. 아울러 위성의 기본 구조가 발사 중 발생하는 최대 예상 부하를 견딜 수 있을 만큼 충분한 강도를 가졌는지 확인하기 준정적 (Quasi-Static, Sine Burst) 시험을 병행하였다.

성능/효과

1. 진동 시험결과 가속도 센서가 부착된 부품의 1차 고유진동수가 90Hz 이상에서 발생했으며, 요구조건에 만족함을 확인하였다.
2. 1U Solar Panel을 제외하고 모든 부품의 1차 고유진동수의 변화를 시험 전, 후 비교 결과 5%미만임을 확인하였다.
3. 모든 진동 시험 종료 후 시스템 점검 결과 탑재체와 시스템 버스의 동작에는 이상이 없음을 확인하였다.

후속연구

엔지니어링 모델의 진동 시험결과를 바탕으로 비행 모델 제작 시 시스템 버스 하단부 지지대 볼트에 가해지는 하중을 줄이기 위해 과학 탑재체2 상단 부분에 추가 지지부를 추가하여 보완설계를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	KMSL 초소형위성의 임무 수명을 몇 개월로 예상하고 있는가?	KMSL 초소형위성은 질량 약 3.6 kg, 10×10×34 cm의 3U급 위성으로 임무 수명을 약 6개월로 예상 하고 있으며, 주요 특성은 Table 1에 기술되어 있다.
	초소형위성이란 무엇인가?	초소형위성이란 1U (1 Unit) 기준 질량이 1.33kg이하이고, 가로, 세로, 높이가 각각 10cm의 부피를 갖는 위성을 지칭하는 용어이지만, 가로, 세로가 각각 20cm이며 높이가 30cm인 직육면체까지 확장되며 최대 12U까지의 위성을 일컫는다. KMSL (Korea Microgravity Science Laboratory) 초소형위성은 과학기술정보통신부 주관으로 개최된 “2017년 큐브위성 경연대회”를 통해 선발되어 조선대학교 Table 1 System overview of KMSL nanosatellite 지능형 열 시스템 설계 실험실(Intelligent Thermal System Design Laboratory)과 전력 전자 및 에너지 변환실험실(Power Electronics & Energy Conversion Laboratory), 연세대학교 분자 세포 생물학 실험실 (Molecular Cell Biology Laboratory)이 협력하여 개발 진행 중인 위성으로 2020년 2분기 중에 발사될 예정이다.
	KMSL 초소형위성의 개발의 최종 목표는 무엇인가?	KMSL 초소형위성의 개발 목적은 마이크로중력, 절대진공, 우주 방사능과 같은 극한 환경에서 연소실험과 생물육성실험의 2가지 과학 임무를 성공적 으로 수행하고, 해외제품에 주로 의존하고 있는 전자모듈 일부를 국산제품으로 대체하여 실제 우주환경에서 작동 성능을 검증하는 것이다. 더 나아가 초소형위성을 활용하여 우주 환경에서 다양한 과학 실험을 수행할 수 있는 플랫폼을 구축하는 것이 최종 목표이다. 앞서 언급한 바와 같이 KMSL 초소형 위성의 시스템 버스에 사용되는 일부 국산 전자모듈들은 우주 환경에서 사용된 바가 없고, 과학 임무 탑재체 또한 대학에서 자체 개발되고 있기 때문에 발사 환경과 우주환경에서 작동 성능 및 기능성을 충분히 검증해야 할 필요가 있다.

참고문헌 (4)

Hwang, K. L., Min, M. I., Moon, B. Y. and Chang, Y. K., "Mechanical System Design and Development of the HAUSAT-1 Picosatellite," Journal of The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 32, No. 9, pp. 103-113, 2004.

원문보기 상세보기
Kim, G. N., Park, J. P., Chol, K. Y., Lee, J. P and Park, S. Y., "CubeSat Structure Design and Launch Environmental Test for CANYVAL-X Mission," KSAS 2016 Fall Conference, pp. 459-460, 2016.
Kim, H. I., "Mechanical Design and Vibration Analysis/test of Instrument for Space Strom Study(ISSS)," KAIST, Master's Thesis, 2016
Lee, Y. S., “Mechanical Design, Analysis and Environment Test for TRIO-CINEMA,” The Bulletin of The Korean Astronomical Society, Vol. 37, No. 1, pp. 672, 2012.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증