임윤지
(School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)
,
오영은
(School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)
,
노진호
(School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)
,
이수용
(School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)
,
정화영
(LIG Nex1)
,
이재은
(LIG Nex1)
,
강덕수
(LIG Nex1)
,
윤지현
(LIG Nex1)
전개형 반사판 안테나의 전개거동 특성을 해석적 그리고 실험적 방법으로 분석하고자 한다. Kane 방정식을 이용하여 전개형 안테나의 다물체 운동방정식을 공식화하였다. 복합재료 반사판의 구조변형 특성을 살펴보기 위해 FSDT(First-order Shear Deformation Theory)를 이용하여 빔 모델로 유한요소 정식화 하였다. 역진자 모델을 이용하여 안테나 전개시간에 따른 스프링 상수 그리고 댐핑 계수들을 결정하였다. 다물체 동력학 해석을 통하여 설계변수에 따른 안테나 반사판의 동적구조 특성을 확인하였고, 무중력 모사 전개실험을 통하여 해석결과 검증 및 거동특성을 실험적으로 관찰하였다.
전개형 반사판 안테나의 전개거동 특성을 해석적 그리고 실험적 방법으로 분석하고자 한다. Kane 방정식을 이용하여 전개형 안테나의 다물체 운동방정식을 공식화하였다. 복합재료 반사판의 구조변형 특성을 살펴보기 위해 FSDT(First-order Shear Deformation Theory)를 이용하여 빔 모델로 유한요소 정식화 하였다. 역진자 모델을 이용하여 안테나 전개시간에 따른 스프링 상수 그리고 댐핑 계수들을 결정하였다. 다물체 동력학 해석을 통하여 설계변수에 따른 안테나 반사판의 동적구조 특성을 확인하였고, 무중력 모사 전개실험을 통하여 해석결과 검증 및 거동특성을 실험적으로 관찰하였다.
Dynamic behaviors of the deployable composite reflector antenna are numerically and experimentally investigated. Equations of the motion are formalized using Kane's equation by considering multibody systems with two degrees of freedom such as folding and twisting angles. To interpret structural defo...
Dynamic behaviors of the deployable composite reflector antenna are numerically and experimentally investigated. Equations of the motion are formalized using Kane's equation by considering multibody systems with two degrees of freedom such as folding and twisting angles. To interpret structural deformations of the reflector antenna, the composite reflector is modeled using a beam model with the FSDT(First-order Shear Deformation Theory). To determine design parameters such as a torsional spring stiffness and a damping coefficient depending on deployment duration, an inverted pendulum model is simply applied. Based on the determined parameters, dynamic characteristics of the deployable reflector are investigated. In addition, its results are verified and compared through deployment tests using a gravity compensation device.
Dynamic behaviors of the deployable composite reflector antenna are numerically and experimentally investigated. Equations of the motion are formalized using Kane's equation by considering multibody systems with two degrees of freedom such as folding and twisting angles. To interpret structural deformations of the reflector antenna, the composite reflector is modeled using a beam model with the FSDT(First-order Shear Deformation Theory). To determine design parameters such as a torsional spring stiffness and a damping coefficient depending on deployment duration, an inverted pendulum model is simply applied. Based on the determined parameters, dynamic characteristics of the deployable reflector are investigated. In addition, its results are verified and compared through deployment tests using a gravity compensation device.
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문제 정의
본 연구에서는 전개형 복합재 반사판 안테나의 동특성을 검증하기 위해 Kane 방정식을 통해 다물체 시스템의 운동방정식을 공식화고 반사판 패널의 전개 거동을 수치적으로 분석하고자 한다. 또한, 하중 보상 장치를 개발하여, 무중력 환경 전개 시험을 통하여, 해석 및 실험 결과를 검증하고자 한다.
본 연구에서는 전개형 복합재 반사판 안테나의 동특성을 검증하기 위해 Kane 방정식을 통해 다물체 시스템의 운동방정식을 공식화고 반사판 패널의 전개 거동을 수치적으로 분석하고자 한다. 또한, 하중 보상 장치를 개발하여, 무중력 환경 전개 시험을 통하여, 해석 및 실험 결과를 검증하고자 한다.
가설 설정
전개 메커니즘의 운동방정식과 수치적 해석을 통해 안테나의 구조 동특성을 분석할 수 있다. 운동량의 원리와 D’Alembert 원리를 이용한 방정식은 특정 구속력을 고려해야 한다. Lagrange 방정식은 종속변수에 대해 불필요한 복잡한 방정식으로 유도되는 단점이 있다.
제안 방법
전개거동을 확인하기 위해 복합재 패널로 이루어진 반사판 안테나를 다물체 시스템으로 모델링하여, 운동방정식을 공식화하였고 수치적 결과를 얻기 위해 유한요소법을 이용하여 설계변수에 따른 전개 해석 결과를 확인하였다. 다물체 동력학 해석모델을 통해 검증된 설계변수를 바탕으로, 무중력 모사 전개시험 장치에 적용하였고, 전개시간 및 반사판 안테나의 거동 특성을 검증 그리고 관찰하였다.
복합재료 빔 모델을 이용하여 복합재료 전개형 안테나 패널의 유연 다물체 동역학 해석을 수행하고자 한다. FSDT(First-order Shear Deformation Theory) 를 이용하여 빔의 변위를 표현할 수 있다(Eq.
설계단계에서부터 전개 동특성 분석이 필요하며, 전개시험을 통해 검증할 필요가 있다. 전개거동을 확인하기 위해 복합재 패널로 이루어진 반사판 안테나를 다물체 시스템으로 모델링하여, 운동방정식을 공식화하였고 수치적 결과를 얻기 위해 유한요소법을 이용하여 설계변수에 따른 전개 해석 결과를 확인하였다. 다물체 동력학 해석모델을 통해 검증된 설계변수를 바탕으로, 무중력 모사 전개시험 장치에 적용하였고, 전개시간 및 반사판 안테나의 거동 특성을 검증 그리고 관찰하였다.
안테나 패널을 다물체 시스템 으로 고려하여 운동방정식에 적용한다. 전개시간에 따른 설계변수들을 이용하여, 각속도와 각가속도를 구하고 다물체 시스템 유한요소법이 적용된 운동방 정식에 대입하여 수치적으로 해석한다.
중력이 작용하는 상황에서, 댐퍼를 고려한 경우와 댐퍼를 고려하지 않은 경우의 반사판 패널의 끝단 처짐을 분석하였다. 댐퍼를 설치하지 않은 경우, 약 0.
데이터처리
굽힘강성 그리고 전단강성행렬을 구하여 복합재료의 빔의 유한요소 모델을 개발한다. 유한요소모델의 정확도를 확인하기 위해 Table 3의 복합재료 물성치를 이용하여 모드해석을 수행하고 상용프로그램인 NASTRAN의 결과와 비교하였다 (Table 4).
이론/모형
안테나 패널은 2개의 링크와 2개의 회전 자유도를 갖고 토션스프링(Torsion Spring)과 댐퍼(Damper)를이용하여 전개되는 구조물로(Fig. 9), Kane 방정식을 이용하여 다물체 동역학 운동방정식을 유도할 수 있다[11].
} :바디벡터이다. 유도된 운동방정식은 Newmark 시간 적분 방법을 통해 수치적 해석결과를 얻을 수 있다.
후속연구
으로 전개시간 설계변수를 적용한 실험결과가 해석모델의 목표 전개시간과 유사한 것을 알 수 있다. 따라서, 수치해석 결과를 바탕 으로, 안테나의 전개 메커니즘 최적설계를 수행할 수있고 전개형 안테나의 안정성과 신뢰성을 확보할 수있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Lagrange 방정식 단점은 무엇인가?
운동량의 원리와 D’Alembert 원리를 이용한 방정식은 특정 구속력을 고려해야 한다. Lagrange 방정식은 종속변수에 대해 불필요한 복잡한 방정식으로 유도되는 단점이 있다. Gibbs 방정식은 체계적이고 간단한 운동 방정식을 제공하지만, Kane 방정식과 비교했을 때구현하기 힘든 단점이 있다[3].
전개거동 특성을 확인하기 위해 댐핑 계수를 결정하는 과정에서 사용한 모델은 무엇인가?
복합재료 반사판의 구조변형 특성을 살펴보기 위해 FSDT(First-order Shear Deformation Theory)를 이용하여 빔 모델로 유한요소 정식화 하였다. 역진자 모델을 이용하여 안테나 전개시간에 따른 스프링 상수 그리고 댐핑 계수들을 결정하였다. 다물체 동력학 해석을 통하여 설계변수에 따른 안테나 반사판의 동적구조 특성을 확인하였고, 무중력 모사 전개실험을 통하여 해석결과 검증 및 거동특성을 실험적으로 관찰하였다.
Kane 방정식의 특징은 무엇인가?
Gibbs 방정식은 체계적이고 간단한 운동 방정식을 제공하지만, Kane 방정식과 비교했을 때구현하기 힘든 단점이 있다[3]. Kane 방정식은 전개형 우주 구조물의 동역학 해석에 주로 이용되고[4,5], 복잡한 형태를 갖는 반사판 안테나의 구조 및 부구 조물의 동적 상호작용을 보다 쉽게 분석할 수 있다 [6,7].
참고문헌 (11)
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Gulyaev, V. I., Gaidaichuk, V. V. E., Chernyavskii, A. G., and Scialino, L., "Dynamic Behavior of a Large Deployable Reflector," International applied mechanics, Vol. 39, No. 9, 2003, pp. 1084-1088.
Kane, T. R., and Levinson, D. A., "Formulation of Equations of Motion for Complex Spacecraft," Journal of Guidance and Control, Vol. 3, No. 2, 1980, pp. 99-112.
Stoneking, E., "Implementation of Kane's Method for a Spacecraft Composed of Multiple Rigid Bodies," In AIAA Guidance, Navigation, and Control (GNC) Conference, 2013, p. 4649.
Park, J. H., Yoo, H. H., Hwang, Y. H., and Bae, D. S., "Dynamic Analysis of Constrained Multibody System using Kane's method," Transactions A of The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 21, No. 2, 1997, pp. 2156-2164.
Heffernan, N. F., "A multibody dynamic analysis of the N-ROSS satellite rotating flexible reflector using Kane's method," Doctoral dissertation, 1987.
Zhou, X., "Dynamics Modeling and Analysis of Spacecraft Antenna Based on Kane Method," 2nd International Conference on System, Computing, and applications, 2018, pp. 285-293.
Choi, J. S., Moon, S. M., Yoon, Y. S., Kim, H. W., and Choi, S. B., "Deployable Communication Antenna Alignment for Geostationary Satellite," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 3, 2011, pp. 279-288.
Alberto, M., L. Di Cicco, Riccardo, R., and Davide, S., "Large reflector technologies at TAS-I," 3rd International conference Advanced Lightweight Structures and Reflector Antennas, 2018.
Schmid, M., and Barho, R., "Development summary and test results of a 3 meter unfurlable CFRP Skin Antenna Reflector," In 10th European Space Mechanisms and Tribology Symposium, Vol. 524, 2003, pp. 145-151.
Amirouche, F., Fundamentals of Multibody Dynamics: theory and application, Birkhauser Boston, New York, 2006.
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