[논문]전개형 복합재료 반사판 안테나의 동특성 분석 및 시험

채승호; 노진호; 이수용; 정화영; 이재은; 박성우

doi:10.20910/jase.2019.13.5.94

전개형 복합재료 반사판 안테나의 동특성 분석 및 시험
Analysis and Experiment on Dynamic Characteristics for Deployable Composite Reflector Antenna 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.5, 2019년, pp.94 - 101

채승호 (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) , 박성우 (LIG Nex1)

초록
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복합재료 반사판 안테나의 전개 특성을 해석 모델을 통하여 살펴보고 실험을 통하여 검증하고자 한다. 두 개의 회전 자유도를 가지며 스프링의 탄성 에너지에 의해 작동되는, 전개 메커니즘을 기반으로 반사판 안테나의 동역학적 해석 모델을 수립하였다. 유연 다물체 동역학 해석 프로그램인 ADAMS를 이용하여 패널의 전개 속도, 구조 변형 그리고 충격력을 분석하였다. 중력보상 장치를 이용하여 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 제작된 안테나 패널의 전개거동 특성을 실험적으로 검증/분석하였다. 안테나 패널이 전개되는 동안 발생하는 충격 응답 및 진동 문제를 확인하고, 댐퍼를 이용하여 안정적으로 전개가 됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The dynamic characteristics of the composite reflector panels are numerically and experimentally investigated. A dynamics model of the panel is analytically developed based on a deployment mechanism of the antenna. The deployment is passively activated using elastic energy of a spring with two rotational degrees of freedom. Using the flexible multi-body dynamic analysis ADAMS, dynamic behavior of the panels such as velocities, deformations, as well as reaction forces during the deployment, are investigated in the gravity and zero-gravity cases. The reflector panel is manufactured using carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) and its deployment characteristics are experimentally observed using a zero-gravity deployment test. The impact response and vibration problems that occur during deployment of the antenna panel have been identified and reliably deployed using dampers.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1 CFRP Deployable Antenna
그림 Fig. 2 Deployment Mechanism of MARCO
그림 Fig. 3 Zero-Gravity Test Using Ballon
그림 Fig. 4 Zero-Gravity Test Using Tensioned Wires
그림 Fig. 5 Deployment Model of the Panel
그림 Fig. 6 Folding/Unfolding Configurations
그림 Fig. 7 Composite Panel with SPR Method
그림 Fig. 8 Deployable Composite Reflector Antenna
그림 Fig. 9 Inverted Pendulum Model
그림 Fig. 10 Deployment Duration with respect to Spring Stiffness
그림 Fig. 11 Deployment Duration with respect to Damping Constants
그림 Fig. 12 Panel Model with ADAMS
그림 Fig. 13 Displacement of the Panel during Deployment
그림 Fig. 14 Velocity of the Panel during Deployment
그림 Fig. 15 Impact Load during Deployment with Gravity Effect
표 Table 1 Design Variables of Deployment Antenna
그림 Fig. 16 Impact Load during Deployment with Zero-Gravity Effect
그림 Fig. 17 Deformation of the Panel under Impact Load
그림 Fig. 18 Gravity Compensation Device
그림 Fig. 19 Analytical Results of the Deployment
그림 Fig. 20 Experimental Results of the Deployment
그림 Fig. 21 Displacement of the Panel over Time
그림 Fig. 22 Velocity of the Panel over Time
그림 Fig. 23 Impact Forces Generated by the Deployment of the Antenna

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 우주 임무에 적용 가능한 경량화 전개형 안테나를 개발하기 위해, 복합재료를 이용한 전개형 안테나를 제작하였다. 해석 그리고 실험적 방법을 통해, 전개 동특성을 분석하였다.
전개 시 발생하는 진동 및 전개 충격을 최소화하기 위해 마찰 댐퍼를 적용하였다. 하중보상장치를 이용한 무중력 시험을 통해, 해석과 실험 결과를 검증 그리고 전개 특성을 관찰하고자 한다.

제안 방법

해석 그리고 실험적 방법을 통해, 전개 동특성을 분석하였다. 다물체 동역학 해석모델을 통해 검증된 설계변수를 바탕으로, 무중력 모사 전개시험 장치에 적용하였고, 전개시간 및 반사판 안테나의 거동 특성을 검증 그리고 관찰하였다.
댐퍼를 적용한 전개형 안테나의 동특성을 해석으로 분석하고, 제작된 전개형 안테나의 전개 특성을 실험적으로 확인하였다. 무중력 환경을 모사하기 위해 패널의 무게만큼 하중을 보상하는 장치를 적용하였다.
Figure 12와 같이 패널은 유연체로 모델링을 하고, 그에 연결되는 파트 및 중앙 허브디스크를 강체로 설정한다. 동역학 시뮬레이션을 중력 그리고 무중력 환경에 따라 전개 해석을 진행하였다. 중력 및 무중력 상태에서의 전개 시뮬레이션 결과, 전개 시간에 따른 패널 끝단의 변위의 변화는 Fig.
구조물이 우주진공 환경에 노출되면 진공상태에서 재료로부터 기체를 방출하는 탈기체(out-gassing) 현상으로 인해 강성/강도 특성이 저하된다. 따라서, 전개형 안테나를 제작하기 위해 탈기체 특성이 우수한 시아테이트 에스테르(cyanate ester) 레진을 함유한 M55J/RS3 프리프레그(prepreg)를 오토클레이브(autoclave) 공정을 통해 패널을 제작하였다 [14]. 알루미늄으로 제작된, 전개 메커니즘 부품과 복합재료 패널 간의 접합은 Fig.
댐퍼를 적용한 전개형 안테나의 동특성을 해석으로 분석하고, 제작된 전개형 안테나의 전개 특성을 실험적으로 확인하였다. 무중력 환경을 모사하기 위해 패널의 무게만큼 하중을 보상하는 장치를 적용하였다. Figure.
본 연구에서는 유연 다물체 동역학 프로그램을 이용하여, 제작한 메커니즘의 전개 동특성을 분석하였다. 전개 시 발생하는 진동 및 전개 충격을 최소화하기 위해 마찰 댐퍼를 적용하였다.
구조물에 외부로부터 순간적인 충격을 받으면 물체는 초기에 요동이 심한 불안정한 응답을 나타낸다. 우주에서의 이러한 응답은 안테나 신호에 교란을 줄 수 있으므로 [16], Fig. 17과 같이 전개 시의 충격으로 생기는 패널의 거동을 과도 응답 해석을 통해 분석하였다. 무중력 상황에서 구조물의 과도한 응답은 위성 임무에 영향을 줄 수 있기 때문에, 댐퍼를 적용하여 패널에 작용하는 충격력을 감소시켜야한다.
본 연구에서는 유연 다물체 동역학 프로그램을 이용하여, 제작한 메커니즘의 전개 동특성을 분석하였다. 전개 시 발생하는 진동 및 전개 충격을 최소화하기 위해 마찰 댐퍼를 적용하였다. 하중보상장치를 이용한 무중력 시험을 통해, 해석과 실험 결과를 검증 그리고 전개 특성을 관찰하고자 한다.
전개형 안테나의 패널은 폴딩 그리고 트위스트 회전 자유도가 동시에 전개되는 메커니즘이 적용된다. 전개시 스프링 상수, 댐핑 계수 그리고 중력효과를 살펴보기 위하여 Fig. 9와 같이 안테나 패널을 간단한 역진자 모델로 제시하였다. Lagrangian 방정식을 이용하면, Eq.
포물면 형상의 솔리드 안테나 반사판의 표면을 여러조각으로 분할 후, 각각의 패널들을 접은 상태로 수납 후 전개가 되도록 설계하였다. 반사판 중앙의 허브 디스크를 설치하고, 중앙 허브디스크에서 각각의 패널마다 전개 메커니즘 장치가 연결된다.
본 연구에서는 우주 임무에 적용 가능한 경량화 전개형 안테나를 개발하기 위해, 복합재료를 이용한 전개형 안테나를 제작하였다. 해석 그리고 실험적 방법을 통해, 전개 동특성을 분석하였다. 다물체 동역학 해석모델을 통해 검증된 설계변수를 바탕으로, 무중력 모사 전개시험 장치에 적용하였고, 전개시간 및 반사판 안테나의 거동 특성을 검증 그리고 관찰하였다.

대상 데이터

Figure 11과 같이 댐핑 계수에 따라 전개 시간이 변화하기 때문에, 무중력 상황에서 적용된 스프링 상수가 일정할 때 댐핑 계수 값의 변화에 따라 전개 시간을 확인하였다. 이를 바탕으로, 시중에서 구할 수 있으며 본 연구의 안테나 메커니즘에도 적용 가능한 스프링 및 마찰 댐퍼를 선정하였고, 사용된 변수는 Table 1에 정리되어 있다.

데이터처리

설계와 제작에 사용한 메커니즘과 주요 동력 상수가 선정되었으며, 이를 가지고 다물체 동역학 시뮬레이션 프로그램인 ADAMS(2017.2)를 이용하여 패널의 전개 거동을 분석한다. Figure 12와 같이 패널은 유연체로 모델링을 하고, 그에 연결되는 파트 및 중앙 허브디스크를 강체로 설정한다.

이론/모형

따라서, 전개형 안테나를 제작하기 위해 탈기체 특성이 우수한 시아테이트 에스테르(cyanate ester) 레진을 함유한 M55J/RS3 프리프레그(prepreg)를 오토클레이브(autoclave) 공정을 통해 패널을 제작하였다 [14]. 알루미늄으로 제작된, 전개 메커니즘 부품과 복합재료 패널 간의 접합은 Fig. 7과 같이 판재의 열 변형이 거의 없고 이종 재료 접합에 많이 이용되는 (SPR)self-piercing riveting 공법을 사용하였다.

성능/효과

결과 그래프와 같이 전개시간이 늘어나면서 진동과 큰 100 채승호·노진호·이수용·정화영·이재은·박성우 충격력 없이 전개됨을 확인하였다.
전개 완료 후의 속도의 변화로 패널이 진동함을 볼 수 있다. 또한, 패널-메커니즘 파트에 작용하는 충격력은 중력 상태 약 4,090 N, 무중력 상태 약 154 N 정도임을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ADAMS란?	두 개의 회전 자유도를 가지며 스프링의 탄성 에너지에 의해 작동되는, 전개 메커니즘을 기반으로 반사판 안테나의 동역학적 해석 모델을 수립하였다. 유연 다물체 동역학 해석 프로그램인 ADAMS를 이용하여 패널의 전개 속도, 구조 변형 그리고 충격력을 분석하였다. 중력보상 장치를 이용하여 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 제작된 안테나 패널의 전개거동 특성을 실험적으로 검증/분석하였다.
	전개형 안테나는 우주에서 임무수행이 이루어지기 때문에 지상에서 전개 시험 시, 무중력 환경을 모사하여야하는데 무중력환경 모사 방법에는 어떤 방법이 있는가?	전개형 안테나는 우주에서 임무수행이 이루어지기 때문에 지상에서 전개 시험을 수행할 시, 무중력 환경을 모사하여야 한다. 무중력환경 모사 방법에는 헬륨 풍선 그리고 도르래와 와이어 등을 이용하는 방법이 있다. Figure 3은 무게 조절장치와 헬륨 풍선을 이용하여 하중 보상을 통해 전개형 안테나의 무중력 환경을 모사하였으며, Fig.
	솔리드 안테나가 다른 안테나에 비해 간단한 전개 장치를 이용하여 반사판 패널의 전개가 가능한 이유는?	대표적인 전개형 안테나에는 솔리드(solid), 메쉬(mesh), 그리고 인플레터블(inflatable) 안테나가 있다. 높은 표면정확도와 전개신뢰도를 가지며 40 GHz 이상의 고주파수 대역을 사용하는 솔리드 안테나는 다른 안테나에 비해 간단한 전개 장치를 이용하여 반사판 패널의 전개가 가능하다.

참고문헌 (16)

James A. Dunne, "The SEASAT-a project: An overview," OCEANS 76, pp. 13-15, 1976.
Maheshwaraa, U., Bourell, D., and Conner Seepersad C, "Design and freeform fabrication of deployable structres with lattice skins," Rapid Prototyping Journal, Vol. 13, No. 4, pp. 213-225, 2007.

상세보기
Seungho Chae, "Analysis and design of structural dynamic characteristics of deployed antenna," Korea Aerospace University, 2019.
Zhang yigun, Na Li, Guigeng yang, and Wenrui Ru, "Dynamic analysis of the deployment for mesh reflector deployable antennas with the cable-net structure," Acta Astronautica, 131, pp. 182-189, 2017

상세보기
Ziyun Kan, Haijun Peng, Biaoshong Chen, and Wanxie Zhong, "Nonlinear dynamic and deployment analysis of clustered tensegrity structures using a positional formulation FEM," Composite Structures, 187, pp. 247-258, 2018.
Young-Jun Choi, Hyun-Ung Oh, Yong-Hoon Choi, and Kyung-Joo Lee, "Dynamic analysis of a deployable space structure using passive deployment mechanism," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 11, No.3, pp. 161-168, 2008.
Guoa. H., Liu, R., Deng, Z., and Zhang J. "Dynamic characteristic analysis of large space deployable articulated mast," Procedia Engineering, 16, pp. 736-722, 2011.
Kefei Zhu, Jintai Chung, "Dynamic modeling and analysis of a spinning rayleigh beam under deployment," International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 115, pp. 392-405, 2016.

상세보기
Schimid, Manfred, and Reiner Barho, "Development summary and test results of a 3 meter unfurlable CFRP skin antenna reflector," 10th Eurpean Space Mechanisms and Tribology Symposium, Vol. 524, 2003.
Footdale, Joseph N, and Jeremy Banik, "Design and deployment testing of the multi-arm radial composite(MARCO) reflector antenna," 3rd AIAA Spacecraft Structures Conference. 2016
Jung-Su Choi, Sang-Mu Moon, Yong-Sik Yoon, Hyung-Wan Kim and Sung-Bong Choi, "Deployable communication antenna alignment for geostationary satellite," Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 39, No. 3, pp. 279-288, 2011.

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Alberto M., L. Di Cicco, Riccardo R., and Davide S., "Large reflector technologies at TAS-1," 3rd International Conference Advanced Lightweight Structures and Reflector Antennas, 2018.
Seungho Chae, Young-Eun Oh, Soo-Yong Lee and Jin-Ho Roh, "Design and test of a deployment mechanism for the composite reflector antenna," Journal of Aerospace System Engineering, Vol. 12, No. 6, pp. 58-65, 2018.
Hyo Yeol Na, Byung Chul Yoon, Seung Hwan Kim, and Seong Jae Lee, "Chemorheological behavior of cyanate ester resin and properties of carbon fiber reinforced polymer composites," Elastomer and Composite, Vol. 48, No. 2, pp. 133-140, 2013.

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Dong-Yeon Kim, Jae Hyuk Lim, Tae-Seong Jang, Won Ho Cha, So-Jeong Lee, Hyun-Ung Oh and Kyung-Won Kim, "Optimal design of stiffness of torsion spring hinge considering the deployment performance of large scale sar antenna," Journal of Aerospace System Engineering, Vol. 13, No. 3, pp. 78-86, 2019
Yongha Kim, Hiyeop Kim and Jungsun Park, "Optimal design of a composite solar panel for vibration suppression," Journal of Aerospace System Engineering, Vol. 12, No. 6, pp. 50-57, 2018

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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