Micro-vibration Isolation Performance of X-band Antenna Using Blade Gear

블레이드 기어를 적용한 2축 짐발 구동 안테나의 미소진동 절연성능

Abstract

A 2-axis gimbal-type X-band antenna has been widely used to effectively transmit the high resolution image data from the observation satellite to the desired ground station. However, a discontinuous stepper motor activation for rotating the pointing mechanism in azimuth and elevation directions induces undesirable micro-vibration disturbances which can result in the image quality degradation of a high-resolution observation satellite. To enhance the image quality of the observation satellite, attenuating the micro-vibration induced by an activation of the stepper motor for rotational movements of the antenna is important task. In this study, we proposed a low-rotational-stiffness blade gear applied to the output shaft of the stepper motor to obtain the micro-vibration isolation performance. The design of the blade gear was performed through the structure analysis such that this gear is satisfied with the margin of safety rule under the derived torque budget. In addition, the micro-vibration isolation performance of the blade gear was verified through the micro-vibration measurement test using the dedicated micro-vibration measurement device proposed in this study.

1. 서 론

2000년대 이전에 지구관측위성의 영상은 주로 환경, 기상, 해양, 지도제작, 군사, 첩보 등 다양한 분야에서 활용되었으나, 고해상도 영상수요가 급격하게 증가하기 시작하면서 제한된 촬영기회에 다수의 표적에 대한 고해상도 영상정보 획득이 가능한 고기동 위성시스템이 요구되는 추세이다. 이와 같은 요구사항을 만족시키기 위해 고기동·초정밀 위성개발은 물론 위성영상의 해상도 및 관측폭이 증가하고 있으며, 이에 따른 영상자료의 양과 크기 또한 증가하는 추세에 있다(1,2).

이러한 대용량 영상데이터를 필요에 따라 지상국에 실시간으로 전송하기 위해서는 안정적인 데이터 송신율을 보장하면서 고기동성을 갖춘 안테나 개발 또한 필요하며, X-밴드 대역을 사용하는 지향성 안테나를 2축 짐벌에 장착함으로써 위성의 자세와는 무관하게 지상의 안테나 지향이 가능하도록 하여 대용량 데이터 전송이 가능해졌다. 최근 국내·외에서 개발되고 있는 고해상도 관측위성도 이와 같은 짐벌형 안테나를 탑재하고 있다(3~5).

2축 짐발 시스템을 갖는 X-밴드 안테나는 방위각단(azimuth stage)과 고각 단(elevation stage)으로 구성되어 있으며, 각 축의 구동을 위해서는 안테나 구동을 위한 토크 버짓 만족을 위해 주로 일정 기어비의 기어모듈과의 조합으로 구동되는 스텝핑 모터가 사용되고 있다. 스텝핑 모터 구동에 따른 외란 및 기어 간의 부정확한 맞물림과 동적 불균형 등은 2축 짐발형 X-밴드 안테나의 미소진동을 발생시켜고 해상도 관측위성의 영상품질 저하를 유발하는 원인 중 하나의 요인으로 작용하며(6,7), Fig. 1은 미소진동 영향에 따른 영상품질 저하의 예를 나타낸다(8).

Fig. 1Image quality degradation due to micro-vibration disturbance sources(8)

이 연구에서는 2축 짐발형 X-밴드 안테나의 방위각 구동 시 발생하는 미소진동 절연하기 위해 Kozilek et al.(9)이 제안한 설계 기법에 주목하였다. Kozilek et al.은 기어의 치형이 형성된 외륜과 구동모터의 출력 축이 결합되는 내륜 사이를 일정한 간격으로 네 개의 리브를 형성함으로써 기어에 낮은 회전강성을 구현하여 기존 하드웨어의 복잡한 설계 변경 없이 미소진동 저감 구현이 가능한 블레이드 기어를 제안하였다. 그러나 선행연구에서는 안테나의 구동에 필요한 토크를 전달하기 위해 저강성 기어부의 구조건전성 확보가 가능하며, 이와 동시에 미소진동 저감이 가능한 블레이드 기어의 설계기법에 대하여 제시된 바 없다. 또한, 이 블레이드 기어의 미소진동 절연성능은 안테나가 동일한 방향으로 구동되는 등속도 구동조건에 대해서만 검증되었다.

따라서, 이 연구에서는 Kozilek et al.이 제안한 방법에 기반하여 X-밴드 안테나 미소진동 저감용 저강성 블레이드 기어를 설계하였으나, 선행연구에서는 제시된 적이 없는 토크 버짓(torque budget)에 기반한 저강성 블레이드 기어 설계기법을 제안하였다. 이 연구에서 제안한 설계기법의 유효성 검증을 위해 구조해석과 토크측정 시험을 실시하였으며 이를 통해 안테나 구동조건하에서의 블레이드 기어의 구조건전성을 입증하였다. 또한, 이를 적용한 X-밴드 안테나의 미소진동 측정시험을 위해 안테나가 장착된 지지판의 중력방향을 탄성와이어로 지지하여 3축에 대한 구족 자유 조건에서의 미소진동 측정이 가능한 계측시스템을 제안하였으며, 이를 이용해 회전강성이 상이한 기어적용에 따른 미소진동 측정시험을 수행하였다. 블레이드 기어의 미소진동 절연성능 검증에 있어서는 안테나의 등속도 구동조건에서의 성능검증만을 수행한 선행연구(9)와 달리, 안테나의 실제 궤도 운용을 모사한 TPF(tracking parameter file) 구동 프로파일을 적용하여 시험을 수행하였다. 이 프로파일은 한 방향으로만 구동되는 등속도 구동조건과는 다르게 안테나의 방위각과 고각 방향이 동시에 구동되며 안테나의 구동속도가 가변되는 특징이 있으며, 이를 적용한 안테나의 미소진동 측정시험을 통해 블레이드 기어는 설계가 의도한대로 소성변형 없이 안테나 구동에 필요한 토크 전달이 가능함과 동시에 미소진동 저감에 유효함을 입증하였다.

 

2. 블레이드 기어를 적용한 X-밴드 안테나

2.1 2축 짐발 시스템 X-밴드 안테나

2축 짐발형 X-밴드 안테나는 위성으로부터 획득된 데이터를 효율적으로 지상국에 송신하기 위해 사용되며, 위성의 자세각과 안테나의 지향각에 따라 방위각 축과 고각 축으로 동시에 회전구동이 가능하도록 구성되어 있다. Fig. 2는 2축 짐발 시스템을 갖는 X-밴드 안테나에 대한 형상을 나타내며, 안테나의 무게는 총 11 kg으로 방위각 단과 고각 단으로 구성되어 있다. 방위각 축의 회전 영역은 360˚로 요크(Yoke) 조립체가 구동되며, 이와 달리 고각 축은 15˚~145˚ 범위 내에서 혼 안테나의 회전 구동이 이루어진다. 방위각과 고각방향의 회전 구동을 위해서 Phytron사의 2상 스텝핑 모터(ZSS 43.200.06.-HD)가 사용되었으며, 각 구동축의 회전 변환을 위해 1:1.6 기어 비를 갖는 스퍼 기어(spur gear)와 베벨 기어(bevel gear)가 각각 적용되었다.

Fig. 2Configuration of a X-band antenna (ref. GIST)

하지만 궤도 상에서 2축 짐발 시스템의 X-밴드 안테나 구동을 위해 불연속적인 진동 특성을 발생시키는 스텝핑 모터 사용(10)은 미소진동 외란을 유발하며, 이는 고해상도 관측위성의 영상품질을 저하시키는 주요 요인 중 하나이다. 따라서 이 연구에서는 X-밴드 안테나 구동 시 발생하는 미소진동 성분을 저감하기 위해 회전강성이 비교적 낮은 블레이드 기어를 설계하였으며, 이를 적용하여 미소진동 절연성능을 확인하였다.

(1) 토크 버짓

2축 짐발 시스템을 갖는 X-밴드 안테나의 방위각 회전구동을 위해 요구되는 토크를 구하기 위해 ECSS 설계기준(11)에 근거하여 토크 버짓(torque budget)을 산출하였으며, 식은 다음과 같다.

여기서, TR는 안테나 구동을 위해 요구되는 토크 값이며, TG는 1 g 환경에서의 지상 시험을 고려한 중력 토크, TL/S는 안테나의 구동위치 확인을 위한 리밋 스위치(limit switch)의 작동 토크, TBea는 베어링(bearing)의 마찰 토크, TS/R는 슬립 링(slip ring)의 마찰 토크 그리고 TAcc는 가속 토크를 의미한다.

Table 1은 안테나 방위각 회전구동을 위해 요구되는 토크 버짓을 산출하기 위해 식 (1)에 적용되었던 파라미터 값들과 이로부터 산출된 토크 값 TR을 정리하였으며, X-밴드 안테나의 방위각 축의 회전구동을 위해서는 1.57 Nm 이상의 토크 규격이 요구된다.

Table 1Required torque budget for azimuth driving of a X-band antenna

2.2 블레이드 기어

X-밴드 안테나의 방위각 방향 구동에 따른 미소진동 저감을 위해, 회전방향에 대해 저강성 구현이 가능한 블레이드 기어를 설계하였다. Fig. 3은 이 연구에서 제안한 블레이드 기어가 X-밴드 안테나에 결합되어 있는 형상을 나타내며, X-밴드 안테나의 방위각 축 회전변환을 위해 1:1.6 기어비를 갖는 스퍼기어가 적용되었다. 스퍼 기어 중 방위각 스텝핑 모터의 출력축에 장착되어 있는 블레이드 기어는 스텝핑 모터의 출력 토크로부터 회전이 이루어지며, 이와 맞물리는 기어는 블레이드 기어로부터 동력을 전달받아 안테나의 방위각 회전구동을 구현한다.

Fig. 3Configuration of a X-band antenna combined with a blade gear

50개의 치를 갖는 블레이드 기어의 외경, 내경, 높이는 각각 52 mm, 10 mm, 5 mm이며, 회전방향에 대한 저강성 구현이 가능하도록 두께, 높이, 길이가 각각 0.7 mm, 2.5 mm, 10 mm인 블레이드 4개를 기어 내부에 원주방향으로 배치하였다.

(1) 구조 해석

X-밴드 안테나의 방위각 방향 회전구동 시 발생하는 미소진동을 저감하기 위해 설계되었던 블레이드 기어의 구조 건전성 및 회전강성을 확인하기 위해 구조해석을 수행하였다.

블레이드 기어의 구조해석을 위해, 전처리 프로그램 MSC_PATRAN을 사용하여 블레이드 기어의 유한요소 모델링을 수행하였으며, Fig. 4에 나타내었다. 블레이드 기어는 CTETRA를 이용하여 모델링 되었으며, 기어의 회전을 위해 구동 모터 출력 토크가 인가되는 부분은 RBE3 요소로 모델링되었다. 유한 요소 모델에 사용된 총 요소 수 및 절점 수는 각각 69341개, 107445개이며, 기어에 적용된 재질은 티타늄으로 Table 2에 재료의 물성치를 나타내었다. 또한, 경계조건의 부여는 두 개의 기어가 서로 맞물려 회전이 이루어지는 형태를 고려하여 블레이드 기어 치에 3자유도(Ux = Uy = Uz = 0)에 대한 구속조건을 부여하였으며, 하중의 경우 RBE3 요소의 절점 중심에 위의 토크 버짓으로부터 산출된 출력 토크 1.57 Nm를 부여하였다.

Fig. 4Finite element model of a blade gear

Table 2Material properties of titanium

블레이드 기어의 유한요소 모델을 구성한 후, 후처리 프로그램인 MSC_NASTRAN을 통해 정적 해석을 수행하였으며, 이에 대한 응력분포 형상을 Fig. 5에 나타내었다. 해석 결과, 기어의 회전강성은 132.27 Nm/rad으로 기존 기어의 회전강성(834.5 Nm/rad)보다 낮게 설계됨을 확인하였으며, 블레이드의 끝단에 621 MPa의 최대 인장응력이 가해지는 것을 확인하였다. 또한, 블레이드 기어의 구조건전성을 판단하기 위해 재료의 허용응력(σallowable), 유한요소 모델로부터 계산된 최대응력(σmax) 그리고 안전 계수(SF: safety factor)로부터 안전 여유(MoS: margin of safety)를 산출하였으며, 식은 다음과 같다.

Fig. 5Stress contour map

여기서, 안전 계수는 항복응력(yield stress)일 때 1.25, 극한응력(ultimate stress)일 때 1.5가 적용되며, 이로부터 산출된 안전여유는 각각 0.29, 0.15로 블레이드 기어의 구조건전성이 확보됨을 입증하였다.

2.3 미소진동 절연 시험

회전강성이 상이한 기어적용에 따른 X-band 안테나의 미소진동 측정을 위해 Fig. 6처럼 3축에 대한 구속 자유 조건에서의 미소진동 측정이 가능한 미소진동 측정시스템을 구축하였다. 미소진동 측정시스템은 X-밴드 안테나 회전 시 관성모멘트(moment of inertia)의 변경에 따른 측정시스템의 출렁거림을 방지하기 위해 50 cm×50 cm의 면적에 무게가 20 kg인 지지판을 사용하였으며, 안테나가 장착된 지지판을 러버(rubber)계열의 탄성와이어로 지지하여 free-free 조건이 구현가능하도록 구성하였다. 또한, 지지판에 부착된 가속도계(3293A, dytran)를 통해 안테나의 미소진동을 측정하였다. 이 때, 안테나의 외란력(N)은 가속도계로부터 얻어진 가속도 응답(g)×안테나가 장착된 지지판의 무게(kg)×중력가속도(m/sec2)로부터 산출된다.

Fig. 6Test set-up for micro-vibration test of a X-band antenna

위의 미소진동 측정시스템을 이용해 안테나의 미소진동 시험을 실시하였으며, 안테나의 방위각에 대해 5 deg/sec의 구동속도로 2cycle 회전시켜 이로부터 발생되는 미소진동을 측정하였다. Fig. 7은 위의 시험조건으로부터 회전강성이 상이한 일반 기어와 블레이드 기어 적용에 따른 외란력의 시간 이력 비교 그래프를 나타내며, 처음 0~10 sec 구간은 속도 0에서 5 deg/sec까지 가속되는 영역이다. Fig. 6으로부터 일반 기어가 적용된 X-밴드 안테나를 구동시킬 경우 처음 가속구간에서 최대 8 N의 외란력이 발생되나 저 회전강성 블레이드 기어를 적용 시 6배 감소됨을 확인하였으며, 등속구간에서도 최대 4배 저감된 경향을 보아 안테나의 방위각 방향 구동에 대해서 저 회전강성 블레이드 기어의 미소진동 절연성능을 확인하였다.

Fig. 7Comparison of force-time profile(Fy) for a conventional gear and a blade gear

Fig. 8은 Fig. 7의 시간 이력에 대한 주파수 응답을 나타낸다. 이로부터 X-밴드 안테나의 미소진동 요구규격의 충족여부를 확인하였으며, X-밴드 안테나의 미소진동 요구규격은 0~150 Hz 대역에서 0.05 N 이하, 150~500 Hz 대역에서 10 N 이하이다. Fig. 8에서 확인할 수 있듯이 기존 기어를 장착할 경우 일부 피크가 X-밴드 안테나의 미소진동 요구규격을 만족하지 못하였으나 블레이드 기어 적용 시 미소진동 요구규격을 충족함과 동시에 기존 기어를 적용했을 때 주로 구조물 공진모드가 발생되는 40~200 Hz 대역에서의 주요 피크들이 약 10배 감소됨을 확인하였다.

Fig. 8Comparison of force at frequency domain(Fy) for a conventional gear and a blade gear

위의 등속도(5 deg/sec) 구동조건에서의 블레이드 기어의 미소진동 절연 성능 및 요구조건 충족여부 확인 후, 안테나의 실제 궤도 운용을 모사한 azimth high의 TPF 구동 프로파일 적용을 통해 안테나의 방위각과 고각방향이 동시에 운용되며 안테나 구동 속도가 가변되는 구동조건에서의 미소진동 시험을 수행하였다. TPF 구동프로파일을 Fig. 9에 나타내었으며, 이에 대해 측정된 각 축별 외란력은 Fig. 10과 같다. Fig. 10에서 확인할 수 있듯이 저 회전강성 블레이드 기어 적용 시 X-밴드 안테나의 외란력은 기존 기어를 적용할 때보다 전반적으로 저감되는 경향을 보이나, 190~225 sec 및 280~465 sec 영역에서는 방위각 회전구동이 이루어지지 않아 블레이드 기어의 성능이 나타나지 않은 것으로 보인다. 이는 블레이드 기어가 회전방향으로 강성이 비교적 약하게 설계되어 있어 안테나의 방위각 회전구동이 이루어지는 구간에 대해서만 미소진동 절연성능이 나타나는 것으로 판단된다. 아울러, 회전강성이 상이한 기어 적용에 따른 진동특성 분석을 위해 TPF 구동에 따른 외란력의 시간 이력으로부터 waterfall을 계산하였으며, Fig. 11에 안테나 방위각 방향과 일치하는 y축에 대한 waterfall의 예를 나타내었다. Fig. 10에서 확인할 수 있듯이 이 연구에서 제안한 저 회전강성 블레이드 기어를 적용할 경우, 주로 구조의 공진모드가 존재하는 저주파의 영역의 진동원이 크게 감소됨을 확인할 수 있었다.

Fig. 9A X-band antenna driving profile in azimuth high(ref. KARI)

Fig. 10Comparison of force-time profile in azimuth high TPF activation for a conventional gear and a blade gear

Fig. 11Waterfall plots of disturbance force(Fy) for azimuth high TPF activation [(a): conventional gear, (b): blade gear]

또한, 회전강성이 비교적 낮은 블레이드 기어의 절연 성능을 세부적으로 분석하기 위해 안테나의 방위각이 구동하는 구간을 0~190 sec: 구간 Ⅰ, 225~280 sec: 구간 Ⅱ, 465~555 sec: 구간 Ⅲ로 나누었으며, 각 구간에 대한 축별 피크 감소율(peak reduction) 및 표준편차 감소율(standard deviation reduction)을 분석하여 Table 3에 정리하였다. 그 결과 세 구간영역 모두 저 회전강성 블레이드 기어 적용 시 미소진동 외란력에 대해서 감소율을 보이지만, 구간 Ⅰ은 구간 Ⅱ와 Ⅲ에 비해서 감소율이 뛰어난 경향을 보인다. 이러한 결과는 블레이드 기어가 방위각 축 회전구동 시 발생되는 미소진동 절연을 목적으로 설계되었기 때문에 방위각과 고각이 동시에 구동되는 구간 Ⅱ, Ⅲ에서는 블레이드 기어가 고각 방향 구동에서 발생되는 미소진동 절연에 다소 효과가 없음을 확인하였다. 따라서, 안테나의 방위각 구동만 이루어지는 구간 Ⅰ의 x방향 외란력에 대해서, 저회전강성 블레이드 기어를 적용할 경우 일반 기어를 적용했을 때 발생하는 최대 피크보다 80.30%가 감소된 최대 피크가 발생하였으며, 피크들의 평균 및 표준편차에 대해서도 각각 82.56%, 80.39%의 큰 감소율을 보였다. 또한, 이외의 다른 방향의 외란력도 마찬가지로 블레이드 기어를 적용했을 때 유사한 감소율을 보임을 확인하였다. 이로부터 블레이드 기어는 안테나의 방위각 방향 회전구동에 대해서 미소진동 절연 성능이 뛰어남을 확인할 수 있다.

Table 3Disturbance reduction ratio for a conventional gear and a blade gear

따라서 이 연구에서 제안된 저 회전강성 블레이드 기어는 X-밴드 안테나 구동 시 발생되는 미소진동 절연을 위해 기 설계된 안테나의 구조 형상 및 인터페이스 변경 없이 기어자체에 저 회전 강성을 부여하였으며, 미소진동시험을 통해 안테나의 방위각 축 구동에 대한 미소진동 절연성능을 보였다. 그러나 고각 축의 회전구동 영역에서는 블레이드 기어의 절연성능을 보이지 않았으며, 이는 고각 축 회전 변환을 위해 적용된 베벨 기어도 낮은 회전강성을 갖도록 설계변경이 필요함을 의미한다. 하지만 고각단 베벨 기어의 경우 가용면적이 좁아 기어 자체에 블레이드를 적용함에 있어 어려움이 존재하며, 다른 방식의 저 회전강성을 갖는 설계가 요구된다. 따라서 위의 어려움을 해결한다면 방위각과 고각의 동시 구동영역에서도 미소진동 수준을 효과적으로 저감할 수 있을 것이라 판단된다.

 

3. 결 론

이 논문에서는 2축 X-밴드 안테나 구동 시 발생되는 미소진동 절연을 목적으로 회전강성이 비교적 낮은 블레이드 기어를 제안하였으며, 설계된 블레이드 기어의 구조건전성 확인을 위해 안테나 구동에 요구되는 토크 버짓을 기반으로 구조해석을 수행하였다. 이를 기반으로 제작된 저 회전강성 블레이드 기어를 X-밴드 안테나에 적용하여 이 연구에서 제안한 미소진동 측정시스템을 통해 등속도(5 deg/sec) 및 TPF 구동조건에서의 미소진동시험을 수행하였다. 또한, 이와 같이 얻어진 측정 데이터를 통해 안테나의 미소진동 수준을 분석하였으며, 저 회전강성 블레이드 기어를 적용할 경우, 설계가 의도한 대로 블레이드 기어의 소성변형 없이 안테나 구동에 필요한 토크 전달이 가능하며, 이 논문에서 적용된 TPF 구동 프로파일에 대해서는 기존 기어에 비해 최대 80 %의 저감성능 확보가 가능함을 확인하였다. 이로부터 기설계된 안테나의 인터페이스 변경 없이 간단한 기어 형상 변경으로 안테나 구동 시 발생되는 미소진동을 충분히 절연이 가능함을 확인하였다. 한편, 이 논문에서 제안한 저 회전강성 블레이드 기어는 안테나의 방위각 구동 외에 고각 구동에 대해서 미소진동 절연성능을 보이지 않았으며, 이를 극복하기 위해 고각 단에 적용된 베벨기어도 저 회전강성을 구현하도록 설계변경이 필요할 것으로 판단된다. 하지만 기설계되어 있는 베벨 기어의 경우 가용면적이 좁아 이 연구에서 제안한 블레이드 기어의 형상을 모사하기에 제약이 따른다. 따라서, 향후 고각 축 회전구동시 발생하는 미소진동 절연을 위해 새로운 형태의 블레이드를 설계할 것이며, 이로부터 미소진동시험을 통해 설계의 유효성을 검증할 예정이다.