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위성의 자세기동에 따른 진동특성에 관한 연구
A Study on the Vibration Characteristics of Attitude Maneuvering of Satellite 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.3, 2019년, pp.23 - 31  

편봉도 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) ,  배재성 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) ,  김종혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) ,  박정선 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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현대의 위성들의 설계요구조건은 운용되는 목적에 따라 다양해진다. 기존 중/대형 위성과는 달리 저궤도에서 운용되는 소형위성의 경우 군사적인 목적을 나타내기도 한다. 그렇기 때문에 고해상도의 사진 및 영상 수요가 증가하며 다표적 관측이 중요하게 된다. 이에 다표적 관측을 하기 위해서 위성의 기동성은 중요한 설계변수이다. 기동성이 증가하기 위해서 소형화가 되면 전체 질량관성모멘트가 감소하기 때문에 위성의 강성을 높여야한다. 본체에 비해서 강성이 낮은 태양전지판의 경우 진동이 발생하기 때문에 영상획득에 큰 영향을 미친다. 이러한 진동특성을 확인하기 위하여 본 연구에서는 위성을 축소모델로 제작하여 자세기동을 모사하기 위한 실험 치구를 도입하였고, 위성의 강성을 모사하기 위한 모사장치를 제시하였다. 또한 실험방식은 스텝모터를 이용하여 와이어의 감는 길이에 따라 위성의 기동각을 모사하였으며, 기동실험 시 발생되는 위성의 본체 및 태양전지판에 대하여 진동특성을 실험적으로 검증하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The design requirements of modern satellites vary depending on the purpose of operation. Like conventional medium and large-scale satellites, small satellites which operate on low orbit may also serve military purposes. As a result, there is increased demand for high-resolution photos and videos and...

주제어

표/그림 (19)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 인공위성의 3축 자세제어 지상검증을 위한 테스트베드 연구가 진행되었다[6]. 그러나 태양전지판에 의한 진동유발 효과보다는 자세제어를 위한 반작용 휠에 대하여 고려하였으며, 오로지 제어로직을 검증하기 위해 사용되었다. 또한 한국항공우주연구원에서 1축으로 회전하는 테이블에 모터를 이용한 반작용 휠을 모사하여 추력기와 반작용 휠에 대한 제어로직을 검증하는 연구가 이루어졌으며[7], 2013년 한국과학기술원에서는 인공위성의 미소 진동 영향성에 관하여 미소 진동원 모사장치를 개발하였다.
  • 본 연구에서는 인공위성의 강성을 나타내는 지표로서 인공위성의 태양전지판 전개장치 강성을 1차 모드 주파수 3Hz이상으로 설정하기 위해 간단한 수식으로 표현할 수 있는 모사장치를 제안하고, 축소된 구조모델에 적용하였다. 구조모델을 실험실 환경에 적절하게 축소하고 우주 공간 상태(자유단)을 최대한 만족하기 위해 실험방식을 번지테스트 형식으로 제시하였다.
  • 또한 미국의 Lockheed Martin Advanced Technology Center에서는 위성의 고속기동 시 발생하는 진동 저감을 위하 여 최적 토크 프로파일 생성에 관한 연구도 수행되었으며[11], 위성체가 우주공간에서 기동할 때 강체와 유연체의 비교 연구를 통하여 위성의 기동성과 구조 강성의 관계에 대한 연구를 수행한 바 있다[12]. 하지만 자세제어를 위한 실험 장치에 관한 연구는 수행이 되었지만, 인공위성의 기동에 의한 진동유발 모사장치에 대한 연구는 진행된 바 없으며, 고기동 위성의 기동에 따른 태양전지판의 진동 발생을 모사하기 위하여, 본 연구에서는 자세제어기로 사용되는 제어모멘트 자이로나 반작용 휠로써 자세기동 및 자세제어를 하는 것이 목적이 아니라, 위성의 자세기동을 모사하여 태양전지판에서 발생하는 진동특성을 분석하고자 한다. 따라서 자세기동만을 모사하기 위한 진동/자세기동 시 험기를 구축하였으며 인공위성 축소모델을 제작하여 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자려진동의 단점은? 이런 고기동을 하는 위성체가 빠른 각속도로 회전을 하게 되는 경우 상대적으로 위성 본체의 강성보다 낮고, 회전 중심으로부터 거리가 먼 위치해 있는 태양전지판의 경우 진동이 발생하며 이를 자려진동 (residual vibration)이라 한다. 이러한 자려진동은 위성의 안정화 시간을 지연시킬 뿐만 아니라 고해상도의 영상을 획득하는데 방해요소로 미치게 된다[5]. 따라서 이러한 위성의 진동특성을 분석하는 기술이 필요하다.
다표적 관측이 중요한 이유는? 현대의 위성들의 설계요구조건은 운용되는 목적에 따라 다양해진다. 기존 중/대형 위성과는 달리 저궤도에서 운용되는 소형위성의 경우 군사적인 목적을 나타내기도 한다. 그렇기 때문에 고해상도의 사진 및 영상 수요가 증가하며 다표적 관측이 중요하게 된다.
자려진동이란? 초기의 위성은 저해상도 영상을 가질 뿐만 아니라 한 궤도당 정해진 방향만의 영상을 촬영하지만 현대의 위성들은 여러 지역 및 다 표적으로 영상촬영이 가능하고 이 때문에 위성의 운용 목적이 다양해지고 있는 추세이다. 이런 고기동을 하는 위성체가 빠른 각속도로 회전을 하게 되는 경우 상대적으로 위성 본체의 강성보다 낮고, 회전 중심으로부터 거리가 먼 위치해 있는 태양전지판의 경우 진동이 발생하며 이를 자려진동 (residual vibration)이라 한다. 이러한 자려진동은 위성의 안정화 시간을 지연시킬 뿐만 아니라 고해상도의 영상을 획득하는데 방해요소로 미치게 된다[5].
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참고문헌 (13)

  1. Y. H. Kim, K. H. Kang, H. D. Kim, J. S. Park, "A Study on Analysis of Dynamic Characteristics of a High-Agility Satellite including Flexibility of a Solar Panel," Journal of Aerospace System Engineering, Vol. 1, No. 2, pp. 21-26, 2013. 

  2. Herbert J. Kramer, Arthur P. Cracknell, "An Overview of small Satellites in Remote Sensing," International Journal of Remote Sensing, Vol. 29, No. 15, pp. 4285-4337, 2008. 

  3. Thomas P. Sarafin and Wiley J. Larson, "Spacecraft Structures and Mechanisms From Concept to Launch," Space Technology Library, 1995. 

  4. K. W. Kim, H. J. Kim, H. Y. Moon, J. H. Lee, I. M. Jin, H. S. Choi, Y. H. Song and S. Y. Kwon, "Solar Array Trade-off Study for Earth Observation Satellite", The Korea Society for Aeronautical & Space Sciences Proceeding, pp.614-617, 2005. 

  5. H. H. Lee, H.D. Kim and J. S. Park, "Optimal Design of a High-Agility Satellite Solar Array Module with Genetic Algorithm," The Korea Society for Aeronautical & Space Sciences Proceeding, pp. 620-625, 2011. 

  6. Y. W. Park, J. Y. Han, H. C. Bang, B. K. Park, "A Study on Ground Verification TESTBED for Three Axis Attitude Control of Satellites - Part I. Development Study", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Science, Vol.27, No. 5, pp113-121, 1999 

  7. J. Y. Han, Y. W. Park, H. C. Bang, "Attitude Control of Spacecraft using 3 Axis Attitude Control Ground Testbed - Part II. Experimental study", The Korean Society For Aeronautical and space Sciences Proceedings, pp568-572, 1999 

  8. Y. W. Park, J. Y. Han, H. C. Bang, B. K, M. K. Nam, Y. S. Kim, "Spacecraft Attitude Control Ground Experiment Study Using Single Axis Rotational Testbed", The Korean Society For Aeronautical and space Sciences Proceedings, pp403-407, 1997 

  9. G. Y. Park, D. O. Lee, J. S. Yoon, J. H. Han, "Analytical & Experimental Study on Microvibration Effects of Satellite", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol.24 ,No.1, pp5-13 

  10. Meissner, D. M, 2009, "A three degrees of freedom test-bed for nanosatellite and Cubesat attitude dynamics, determination, and control" NAVAL POSTGRADUATE SCHOOL MONTEREY CA. 

  11. Veres, S., Lincoln, N., & Gabriel, S, 2007, "Testbed for satellite formation flying under ground conditions," In Control Conference (ECC), 2007 European (pp. 4009-4015), IEEE. 

  12. Oda, M., Sawada, H., Yoshii, M., Goto, N., Inaba, N., Suzuki, S.,Hagiwara, Y, "Measurement of Satellite Solar Array Panel Vibrations Caused by Thermal Snap and Gas Jet Thruster Firing," INTECH Open Access Publisher, 2011 

  13. B. D. Pyeon, J. S. Bae, J. H. Kim and Jung-Sun, Park, "A Study on the Vibration Characteristics of Solar Panel Using Attitude Maneuver of Satellite," Proceedings of Asian Joint Symposium on Aerospace Engineering, Oct 31-Nov 3 2018. 

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