[논문]위성추진시스템 솔레노이드 밸브 개발

김경식; 백기봉; 박은주; 조승환; 김수겸

위성추진시스템 솔레노이드 밸브 개발
A Development of Solenoid Valve for Satellite Propulsion System 원문보기

김경식 ((주)한화 구미사업장 개발2부) , 백기봉 ((주)한화 구미사업장 개발2부) , 박은주 ((주)한화 구미사업장 개발2부) , 조승환 ((주)한화 구미사업장 개발2부) , 김수겸 (한국항공우주연구원 위성 열)

위성의 자세제어용 추력시스템에 대한 연료 공급용 솔레노이드 밸브의 국산화를 위해 Dual-Type의 솔레노이드 밸브를 개발하였다. Hydrazine을 연료로 사용하는 위성용 밸브는 반응속도, 유량, 누설 등의 기본성능 외에 수십만 번의 Cycle life, 충격 및 진동, 극저온 등의 환경 요인을 만족해야 한다. 본 논문에서는 설계 및 제작하고 질소 공압 장치를 이용한 성능 시험을 수행하였다.

The Dual-type Solenoid Valve was developed for a domestic production of a fuel-supply valve on the satellite attitude control thruster system. The satellite valve using a hydrazine as a fuel must fulfill the cycle life, shock, vibration and the environment of an extremely low temperature In addition to the basic performance of the response time, mass flow and leakage etc.. in this paper, the design, production and performance experiment using the nitrogen pneumatic equipment were conducted.

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문제 정의

그러므로 내구성과 Hydrazine의 내부식성을 가지는 소재의 선정, 내외부의 누설에 대한 Seat와 용접 부위의 품질 유지, 온도, 충격 등의 외부 환경에 일정한 성능을 유지할 수 있는 정밀 공차 유지, 추력기의 안전을 위한 연료의 역류 방지 등이 요구된다. 본 논문에서는 Normally Closed On-Off 형태의 Dual-Type의 솔레노이드 밸브를 설계 및 제작하고 질소 공압 장치를 이용하여 성능 시험을 수행하였다.
본 논문은 위성의 자세제어용 추력시스템에 대한 연료 공급용 솔레노이드 밸브의 설계 및 제작 및 성능평가에 관한 것이다. 기본적인 작동상태, 응답률, 유량 등을 시험하였으며, 설계 요구 조건을 충분히 만족하였다.

제안 방법

FEMM(Finite Element Method Magnetics) 4.2를 이용하여 솔레노이드 밸브의 핵심부품인 Plunger, Stopper 그리고 Coil에 대한 전자장 해석을 수행하여 Stroke에 따른 흡입력을 계산하였다.
질소 공압 장치를 이용하여 응답률, 유량, Internal Leakage를 측정하였다. 또한, 응답률 측정데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 Fig. 5와 6에 보듯이 전원(①) 신호에 따른 전류(②) 값과 함께 가속도 센서를 출력(③) 값 신호를 함께 측정하였다. Table 2과 3에서 보는 바와 같이 Open시 응답률이 5ms미만, Close시 응답률이 3ms미만으로 측정되었다.
본 설계에서는 작동최고압력 600psi 경우 유체에 의한 힘은 5.3N이지만, 안전율을 감안하여 유체에 의한 힘이 10.6N(1,200psi) 일때, 반응속도, 요구 유량을 감안하여 Stroke 0.3㎜, 흡입력 17N, 스프링력은 3~3.5N으로 결정하였다.
이때 잔류자속의 영향으로 복원이 되지 않거나 응답률이 느려질 수 있다. 이를 방지하기 위해 비자성체인 Guide를 넣어 Plunger와 Stopper가 0.05㎜ 간격을 유지할 수 있도록 설계하였다.
질소 공압 장치를 이용하여 응답률, 유량, Internal Leakage를 측정하였다. 또한, 응답률 측정데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 Fig.

대상 데이터

소재의 선정은 연료인 Hydrazine에 직접 노출되며, 자성이 필요한 부분의 경우 강한 내부식성과 강자성체를 가지는 재료를 적용하였으며, 나머지 부품들은 비자성체 STS 계열의 소재를 적용하였다. Seat 부분의 Puck 소재는 EPDM 계열의 소재를 적용하여 밸브의 긴밀성과 Hydrazine의 내부식성을 만족시켰다.

성능/효과

본 논문은 위성의 자세제어용 추력시스템에 대한 연료 공급용 솔레노이드 밸브의 설계 및 제작 및 성능평가에 관한 것이다. 기본적인 작동상태, 응답률, 유량 등을 시험하였으며, 설계 요구 조건을 충분히 만족하였다.

후속연구

이 결과는 설계 요구 조건인 Open시 20ms, Cose시 10ms를 충족함을 알 수 있다. 또한, 설계 요구 조건보다 4배 이상 빠른 응답률을 보이므로 작동유체가 질소 가스이나 상대적으로 점성이 높은 Hydrazine을 사용해도 설계 요구 조건을 충분히 만족할 것이다.
향 후, 위성용 밸브의 특수성으로 인해 진동, 충격, 누설, Cylcle life 등의 환경시험을 수행할 것이다.

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