KSLV-I 킥 모터 지상연소시험에서의 진동 및 충격 계측
오준석*, 김정용**, 노웅래***, 은희광****, 임종민*****, 문상무******
Vibration and Shock Measurement of KSLV-I Kick Motor on the Ground Test
Jun-Seok Oh*, Jeong-Yong Kim**, Woong-Rae Roh***
Hee-Kwang Eun****, Jong-Min Im*****, Sang-Mu Moon*****
Abstract
A solid kick motor is used for propulsion system of KSLV-I 2nd stage. During combustion of the kick motor, vibration and shock could be generated. And it could be transferred to the vehicle equipment bay through the kick motor body. If vibration and shock transferred to the vehicle equipment bay are considerable, electrical equipments could be disordered. Therefore we need to verify influence of vibration and shock caused by combustion of the kick motor. In this research, we measured vibration of the kick motor on the ground firing test. Based on this measurement data, we analyzed random vibration and shock response spectrum.
초 록
소형 위성 발사체 KSLV-I은 2단의 추진기관으로 고체 킥 모터(Kick Motor)를 사용한다.
킥 모터의 연소 중에는 진동 및 충격이 발생하게 된다. 킥 모터는 2단 전자 탑재물 베이의 하단에 연결되어 있고 연소 중 발생하는 진동 및 충격이 킥 모터의 동체를 통해 전자탑재 베이로 전달 될 수 있다. 전자 탑재물로 전달되는 진동 및 충격의 크기가 큰 경우 전자탑 재물의 오작동을 유발할 수 있다. 따라서 킥 모터의 연소 중 발생하는 진동, 충격의 사전 검증이 필요하다. 본 연구는 킥모터의 지상 연소 시험을 통해 연소 중 발생하는 진동 을 계측하고 이를 바탕으로 랜덤 진동 및 충격 응답 스펙트럼을 분석하였다.
키워드 : 킥 모터(kick motor), 랜덤 진동(random vibration), 충격(shock), 진동 계측(vibration measurement)
접수일(2008년12월17일), 수정일(1차 : 2009년 9월 7일, 2차 : 2009년 9월 17일, 게재 확정일 : 2009년 11월 1일)
* 임무설계팀/[email protected] ** 임무설계팀/[email protected] *** 임무설계팀/[email protected]
**** 우주환경시험팀/[email protected] ***** 우주환경시험팀/[email protected] ****** 우주환경시험팀/[email protected]
1. 서 론
소형 위성 발사체 KSLV-I의 2단은 추진기관으 로 고체 킥 모터를 사용한다. KSLV-I 2단은 1단 분리 후 약 170초의 무추력 비행 구간을 지난 후 고도 약 300km에 도달하면 고체 킥 모터를 점화 하고 약 1분간 연소함으로써 위성을 궤도에 투입 하게 된다.
KSLV-I 2단의 킥 모터는 연소 과정에서 충격 및 진동과 같은 외란 요인을 유발한다. 점화 순 간 충격이 발생하며 연소 중에는 랜덤 진동이 발 생하게 된다. 킥 모터는 2단 전자탑재물 베이 하 단에 위치하므로 연소 과정에서 발생하는 충격, 진동 성분은 킥 모터 동체와 지지 프레임을 통해 상단 전자탑재물로 전달될 수 있고 전달되는 충 격, 진동의 크기가 큰 경우 전자 탑재물의 오작 동을 유발할 가능성이 있다.
2단에 탑재되는 전자탑재물은 개발 과정에서 진동과 충격 환경시험을 거치게 된다. 하지만 킥 모터의 연소 과정에서 발생하는 진동, 충격의 수 준이 환경시험 조건보다 클 가능성이 있다. 따라 서 킥 모터의 연소 과정에서 발생하는 진동과 충 격 성분의 사전 검증이 요구된다.
KSLV-I 2단 킥 모터는 비행시험 전 지상 연소 시험을 수행하였다. 본 논문에서는 킥 모터의 연 소 중 발생하는 진동, 충격을 킥 모터 지상 연소 시험을 통해 계측하였으며 계측된 가속도 값을 바탕으로 랜덤 진동 및 충격 스펙트럼 분석을 수 행하였다.
2. 본 론
2.1 계측 과정
킥 모터 지상 연소시험에서 발생하는 진동, 충 격 계측을 위해 가속도계와 데이터 수집 장비를 이용하였다. 계측 데이터 손실을 방지하기 위해 3대의 데이터 수집 장비를 사용하였다. 데이터
적인 구성은 그림 1과 같으며 데이터 수집 장비 의 개략적인 사양은 표 1과 같다.
그림 1. 시험장 계측 장비 구성도
구분 품명 Sampling
frequency Recorder Sony Sir-1000
48kHz Sony Sir-3400H
DAQ/Analyzer LMS SCADAS-III 25.6kHz 표 1. 데이터 수집장비
가속도는 3축 가속도계 10개를 이용, 총 30 채 널의 값을 계측하였으며 7개는 킥 모터의 동체 및 후방부에 부착하였고 3개는 연소 시험에서 킥 모터를 지지하는 전방 지지 프레임에 부착하였 다. 표 2는 계측에 사용된 가속도계의 개략적인 사양을 표 3, 그림 2, 3은 가속도 계측 위치를 나 타낸다.
모델 측정 범위 수량
PCB356B21 ±500g
(3axis) 10EA 표 2. 가속도 센서
그림 2. 킥 모터 후방 가속도 계측 위치
그림 3. 킥 모터 전방 가속도 계측 위치
구분 계측 위치
센서 1 TVC 지지부 (270°) 센서 2 노즐 확장부 외피(270°) 센서 3 TVC 지지부 (90°) 센서 4 노즐 확장부 외피(90°) 센서 5 킥 모터 후방 보스 센서 6 킥 모터 동체 측면 센서 7 킥 모터 전방 프레임 센서 8,9,10 킥 모터 지지 A 프레임
표 3. 가속도 계측 위치
3. 측정 결과
가속도계를 이용하여 연소 중 발생하는 가속 도를 계측한 결과 점화 순간 충격에 의해 발생하 는 가속도가 제일 크게 나타났으며 점화 후 연소 중에는 거의 일정한 크기의 가속도가 계측되는 것을 확인할 수 있다.
아래의 그림 4에서 9는 점화 순간부터 연소 30초 경과까지 킥 모터 동체에 부착된 1번에서 7 번까지의 가속도계에서 계측된 가속도 값을 나타 낸다.
그림에서 점화 순간 충격 가속도의 크기와 연 소 중 발생하는 진동 가속도의 크기가 노즐 및 TVC 지지부가 위치하는 킥 모터 후방에서 킥 모터 전방으로 갈수록 점점 감쇠되는 것을 확인 할 수 있다.
그림 4. 가속도계 1 (TVC 지지부)
그림 5. 가속도계 2 (노즐 확장부)
그림 6. 가속도계 3 (TVC 지지부)
그림 7. 가속도계 4 (노즐 확장부)
그림 8. 가속도계 5 (킥 모터 후방보스)
그림 9. 가속도계 6 (킥 모터 동체)
그림 10. 가속도계 7 (킥 모터 전방 프레임)
4. 결과 분석
3절에서 알 수 있듯이 킥 모터의 점화시에는 순간적으로 큰 가속도 값이 계측되었으나 점화 후 연소 중에는 거의 일정한 크기의 가속도 값이 계측되었다. 즉, 킥 모터의 점화 순간 계측된 가 속도는 충격으로 연소 중에 발생하는 가속도는 랜덤 진동으로 판단할 수 있다.
KSLV-I 2단의 전자 탑재물은 개발과정에서 환 경시험의 일부분으로 랜덤 진동(random vibra tion) 및 파이로 충격시험(pyro shock)을 수행한 다. 전자 탑재물의 환경시험 규격과의 비교를 위 해 지상 연소 시험에서 계측된 가속도 값을 이용 하여 랜덤 진동과 충격 응답 스펙트럼 분석을 수 행하였다.
랜덤 진동은 킥 모터의 점화 순간을 제외한 연소 구간 중의 값을 이용하여 PSD(power Spectral Density)로 변환하여 분석하였고 충격은 점화 순간 계측된 가속도 값을 이용하여 SRS (Shock Response Spectrum) 분석을 수행하였다.
4.1 랜덤 진동
그림 11에서 17은 그림 4에서 10의 연소 중 가속도 계측 값을 0 ~ 2kHz 구간에서의 PSD () 선도로 나타낸 것이다.
그림 11 . 가속도계 1 (TVC 지지부)
그림 12. 가속도계 2 (노즐 확장부)
그림 13. 가속도계 3 (TVC 지지부)
그림 14. 가속도계 4 (노즐 확장부)
그림 15. 가속도계 5 (킥 모터 후방 보스)
그림 16. 가속도계 6 (킥 모터 동체)
그림 17. 가속도계 7 (킥 모터 전방 프레임)
KSLV-I 2단 전자탑재물의 랜덤 진동 환경시험 규격은 20Hz ~ 2kHz 구간에서 인증시험(QT)이 20gRMS, 수락시험(AT)이 12gRMS 이다. 킥 모터 연소 시험에서 발생하는 랜덤 진동 수준의 비교 를 위해 위의 PSD선도의 gRMS 값을 계산하였 으며 표 4에 나타내었다.
구분 반경방향 원주방향 축 방향 센서 1 0.62 1.25 0.84 센서 2 0.78 0.42 0.41 센서 3 0.87 0.98 1.0 센서 4 0.75 0.44 0.36 센서 5 0.41 0.23 0.53 센서 6 0.45 0.17 0.31 센서 7 0.23 0.08 0.22 센서 8 0.1 0.09 0.28 센서 9 0.25 0.33 0.73 센서 10 0.25 0.17 0.42
표 4에서 확인할 수 있듯이 연소 시험간 발생 한 랜덤 진동의 수준은 전반적으로 킥 모터 후방 부에서 크게 나타났으며 전방으로 갈수록 줄어드 는 경향을 나타낸다. 하지만 그 수준이 전자탑재 물의 환경시험 규격에 비할 때 크게 낮은 것으로 나타났다.
4.2 SRS 분석
그림 18에서 24은 점화 순간에 계측된 가속도 값을 이용하여 계산한 SRS선도를 나타내며 전자 탑재물의 파이로 시험 규격도 같이 표기하였다.
2단 전자 탑재물의 파이로 충격 시험 규격은 표 5와 같다.
Freq
(Hz) Accel(g)
[Q=10] Remark 100 40
100 ~ 2000 Hz : +8.7dB/oct 2000 ~ 10000 Hz : 3000g 2000 3000
10000 3000
표 5. 전자탑재물 파이로 시험 규격
그림 18. 가속도계 1 (TVC 지지부)
그림 19. 가속도계 2 (노즐 확장부)
그림 20. 가속도계 3 (TVC 지지부)
그림 21. 가속도계 4 (노즐 확장부)
그림 22. 가속도계 5 (킥 모터 후방 보스)
그림 23. 가속도계 6 (킥 모터 동체)
그림 24. 가속도계 7 (킥 모터 전방 프레임)
충격 응답 스펙트럼 역시 랜덤 진동과 마찬가 지로 킥 모터 후방에서 전방으로 갈수록 크기가 줄어드는 경향을 보이며 환경시험 규격보다 낮게 나타난 것을 확인할 수 있다.
5. 결 론
본 논문에서는 킥 모터의 연소 중 발생하는 진동, 충격이 KSLV-I 2단의 전자탑재물에 미치는 영향을 확인하기 위하여 지상 연소시험 과정에서 가속도를 계측하여 진동, 충격을 분석하였다.
분석 결과 연소 중 발생하는 랜덤 진동 및 충 격은 전자 탑재물의 환경시험 규격보다 낮은 것 으로 나타났다. 또한 킥 모터 후방에서 발생하는 진동, 충격은 킥 모터 전방으로 갈수록 감쇠하는 경향을 나타내었다. 따라서 킥 모터의 연소 과정 에서 발생하는 진동 및 충격이 전자 탑재물에 미 치는 영향은 적을 것으로 판단된다.
참 고 문 헌
1. Julius S. Bendat and Allan G. Piersol,
"Random Data", Wiley, 2000
