KR100882598B1 - 구동 노즐의 회전각 보정방법 - Google Patents

구동 노즐의 회전각 보정방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100882598B1
KR100882598B1 KR1020070124478A KR20070124478A KR100882598B1 KR 100882598 B1 KR100882598 B1 KR 100882598B1 KR 1020070124478 A KR1020070124478 A KR 1020070124478A KR 20070124478 A KR20070124478 A KR 20070124478A KR 100882598 B1 KR100882598 B1 KR 100882598B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
angle
displacement
pitch
yaw
proportional constant
Prior art date
Application number
KR1020070124478A
Other languages
English (en)
Inventor
유재석
장영순
Original Assignee
한국항공우주연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국항공우주연구원 filed Critical 한국항공우주연구원
Priority to KR1020070124478A priority Critical patent/KR100882598B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100882598B1 publication Critical patent/KR100882598B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/80—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof characterised by thrust or thrust vector control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/08—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using solid propellants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/96—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof characterised by specially adapted arrangements for testing or measuring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/97—Rocket nozzles
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/107—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for missiles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

본 발명에 따르면, TVC(Thrust Vector Control) 구동을 하는 우주발사체에 있어서, 구동 노즐에 장착된 변위게이지와 경사도계를 이용하는 TVC 행정확인시험에 의하여, 구동 노즐의 Yaw 구동 및 Pitch 구동시 입력신호에 대한 상호 오차를 보정하기 위한 각도 비례상수 및 경사도 비례상수를 각각 결정하는 비례상수결정단계; 상기 변위게이지를 이용하여 Yaw 변위와 Pitch 변위를 측정하는 변위측정단계; 상기 변위측정단계에서 측정된 Yaw 변위와 Pitch 변위를 Yaw각과 Pitch각으로 산출하는 변위각산출단계; 상기 비례상수결정단계에서 결정된 각도 비례상수를 적용하여 변위게이지 간의 상호간섭 효과를 보상함으로써, 상기 변위각산출단계에서 산출된 Yaw각과 Pitch각을 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각으로 산출하는 보정변위각산출단계; 및 상기 비례상수결정단계에서 결정된 경사도 비례상수를 적용하여 상기 보정변위각산출단계에서 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각을 최종 보정된 Yaw보정각과 Pitch보정각으로 산출하는 최종보정각산출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 노즐의 회전각 보정방법이 제공된다.
개시된 구동 노즐의 회전각 보정방법에 의하면, TVC 구동을 하는 고체 또는 액체 엔진의 정확한 구동 이력을 측정하여 발사체의 제어 정밀도를 높일 수 있다.
노즐, 회전각, 보정

Description

구동 노즐의 회전각 보정방법 {Method of Rotational Angle Calculation and Compensation of Movable Nozzle by measured displacement}
본 발명은 구동 노즐의 회전각 보정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우주 발사체의 TVC (Thrust Vector Control) 구동 노즐 또는 엔진의 정확한 회전각 측정을 통해 우주 발사체의 제어 정밀도를 높이기 위한 것이다.
우주 발사체 비행시험에 앞서서 선진국들은 고체 모터 엔진 또는 액체 엔진의 지상연소시험을 수행한다. 수행 횟수는 나라마다 다르나 약 5회에서 많으면 30회 이상의 지상연소시험을 수행한다. 초기의 연소시험은 엔진의 연소 안정성 및 내열재, 구조재의 안정성 평가를 위주로 하여 진행이 되며 어느 정도 안정화된 후에는 TVC 제어시험을 통해 발사체의 제어성능을 평가하게 된다. TVC 구동 시 구동 노즐의 회전각 이력은 인공위성을 정해진 궤도로 투입하는데 결정적인 역할을 한다.
지상 연소시험에서는 구동신호 대비 측정되는 구동 이력 즉 노즐의 회전각 이력을 정확하게 측정함으로써 TVC 제어 정밀도를 평가한다. 이러한 노즐의 정확한 회전각 측정을 위해서 일부 선진국에서 광학장비를 이용하여 측정하는 사례가 있었다. 하지만, 광학장비를 이용하여 측정하는 경우, 광학장비가 흔들리지 않게 하는 지지대가 필요하고, 피치축과 요축의 회전각을 전부 측정하기 위해서는 고가의 장비 및 복잡한 부대시설이 필요하며 연소시 생기는 외부 화염에 대한 단열처리도 상당히 까다로운 것으로 알려져 있다.
도 1은 기존의 고체 엔진의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고체 엔진의 구동 노즐(100)에는 추진제가 충전된 연소관(110), 플렉시블 씰(120, 고무층들과 복합재 씸들로 구성된 회전체)이 장착된다. 또한, 구동 노즐(100)에는 TVC 구동기(130) 및 위치보정을 위한 카운터 포텐쇼미터(140) 등이 설치된다. 이중에서, TVC 구동기(130)가 실제 구동명령을 받아서 노즐을 구동하는 역할을 한다.
플렉시블 씰(120)이 조립된 구동 노즐의 개발시험에 있어서, 구동 노즐은 TVC (Thrust Vector Control)에 의해서 구동된다. TVC 구동 시험은 노즐의 동특성 및 TVC 명령과 실제 구동과 차이를 파악하는 제어성능을 확인하기 위하여 수행된다. TVC 제어 성능을 평가하고 개선하기 위해서는 정확한 노즐의 회전각 이력 즉 노즐 구동 이력 측정이 중요하다. 또한, 노즐의 축방향 변위를 측정함으로써 TVC 구동기의 유효 변위 여유를 평가할 수 있다.
크나우버(Knauber, R.N.)는 고정형 고체 모터에 대해서 추력 오차가 생기는 원인을 제작 공차, 연소관의 뒤틀림, 압력에 의한 노즐의 캔트(Cant)각 증가 등을 원인으로 설명했다. 비록, 크나우버는 고체 모터의 수압 및 연소시험에서 변위게이지와 변형률 게이지를 이용하여 연소관과 노즐의 변위를 측정했지만, 정확한 구동 노즐의 회전각 이력을 측정방법에 대해서는 구체적으로 언급하지 않았다.
다시 말하면, TVC 제어 성능을 평가하고 개선하기 위해서는 정확한 노즐의 회전각 이력 즉 노즐 구동 이력 측정이 중요함에도 불구하고, 종래에는 그 구체적인 측정방법이 제시되지 않았기 때문에 정확한 구동 노즐의 회전각 이력을 얻어내기가 어려웠고, 나아가 구동 노즐의 회전각 보정을 하기가 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, TVC 구동 축에서 벗어나 부착된 변위게이지에서 측정된 변위를 이용하여 노즐의 회전각을 계산 및 보정하여 정확한 구동 노즐의 회전각 이력을 얻어내기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구동 노즐의 회전각 보정방법은 TVC(Thrust Vector Control) 구동을 하는 우주발사체에 있어서, 구동 노즐에 장착된 변위게이지와 경사도계를 이용하는 TVC 행정확인시험에 의하여, 구동 노즐의 Yaw 구동 및 Pitch 구동시 입력신호에 대한 상호 오차를 보정하기 위한 각도 비례상수 및 경사도 비례상수를 각각 결정하는 비례상수결정단계; 상기 변위게이지를 이용하여 Yaw 변위와 Pitch 변위를 측정하는 변위측정단계; 다음 수학식 1에 의하여, 상기 변위측정단계에서 측정된 Yaw 변위와 Pitch 변위를 Yaw각과 Pitch각으로 산출하는 변위각산출단계; 상기 비례상수결정단계에서 결정된 각도 비례상수를 적용하여 변위게이지 간의 상호간섭 효과를 보상함으로써, 상기 변위각산출단계에서 산출된 Yaw각과 Pitch각을 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각으로 산출하는 보정변위각산출단계; 및 상기 비례상수결정단계에서 결정된 경사도 비례상수를 적용하여 상기 보정변위각산출단계에서 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각을 최종 보정된 Yaw보정각과 Pitch보정각으로 산출하는 최종보정각산출단계를 포함한다.
수학식 1
Figure 112007087001546-pat00001
여기서,
Figure 112007087001546-pat00002
는 피치 또는 요 축 부근에 장착된 변위게이지의 변위 차이이고,
Figure 112007087001546-pat00003
는 피치 또는 요 축 부근에 장착된 변위게이지들의 피치 또는 요 축의 투영거리이다.
또한, 상기 각도 비례상수는, 상기 구동 노즐의 Yaw 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 Pitch각 비례상수와 Yaw각 비례상수 및 Pitch 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 Pitch각 비례상수와 Yaw각 비례상수를 포함하고, 상기 경사도 비례상수는, 상기 구동 노즐의 Yaw 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 경사도계 값 비례상수 및 Pitch 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 경사도계 값 비례상수를 포함할 수 있다.
게다가, 상기 보정변위각산출단계는, 다음 수학식 2 및 3에 의하여, 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각으로 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
수학식 2
Figure 112007087001546-pat00004
수학식 3
Figure 112007087001546-pat00005
여기서, 위 식들의 비례상수에 대한 정의는 다음과 같다.
Figure 112007087001546-pat00006
는 Yaw 구동시 입력신호에 대한 Pitch각 비례상수,
Figure 112007087001546-pat00007
는 Yaw 구동시 입력신호에 대한 Yaw각 비례상수,
Figure 112007087001546-pat00008
는 Pitch 구동시 입력신호에 대한 Pitch각 비례상수,
Figure 112007087001546-pat00009
는 Pitch 구동시 입력신호에 대한 Yaw각 비례상수이다.
더욱이, 상기 최종보정각산출단계는, 다음 수학식 4 및 5에 의하여, 상기 구동 노즐의 최종 보정각을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
수학식 4
Figure 112007087001546-pat00010
수학식 5
Figure 112007087001546-pat00011
여기서, 위 식들의 비례상수에 대한 정의는 다음과 같다.
Figure 112007087001546-pat00012
는 Yaw 구동시 입력신호에 대한 경사도계 값 비례상수,
Figure 112007087001546-pat00013
는 Pitch 구동시 입력신호에 대한 경사도계 값 비례상수이다.
또한, 상기 수학식 2 및 3에서 i=1, 2, 3인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명인 구동 노즐의 회전각 보정방법에 의하면,
TVC 구동을 하는 고체 또는 액체 엔진에 있어서, TVC 제어시 측정된 구동신호의 정확한 측정을 위해 실제 구동 노즐 또는 엔진의 정확한 회전각을 측정하고, 입력된 구동신호와 실제 노즐 구동의 차이를 비교하여 제어 정밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 구동 노즐의 회전각 보정장치를 나타낸 사시도 및 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 구동 노즐의 회전각 보정장치를 나타낸 사시도 및 정면도이다.
도 2 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 구동 노즐의 회전각 보정을 위한 장치는 구동 노즐(100)의 축 방향 변위를 측정하기 위한 변위게이지(150), 변위게이지(150)의 일단을 지지하는 변위게이지 브라켓(160) 및 측정된 변위로 계산된 노즐부 회전각의 보정을 위한 경사도계(170)를 구비한다. 도 2의 단면도는 변위게이지(150)의 부착위치를 나타내며 180°를 마주보고 있는 변위게이지(150)들의 투영거리를 D로 정의하였다.
여기에서, 지상연소시험시 구동 노즐(100)의 정확한 변위를 측정하기 위해서 90°간격으로 4개의 변위게이지(150)를 장착하여 연소관 후방 보스 기준으로 노즐 변위를 측정한다.
구동 노즐(100)의 회전각을 측정하기 위해서 변위게이지(150)를 90° 간격으 로 4개를 부착한다. 특히, 앞서 설명한 바와 같이, 구동 노즐(100)의 구동을 위해서 서로 마주보고 있는 0°, 180° (이하, Pitch 라고 정의한다)와 90°, 270° (이하, Yaw 라고 정의한다) 방향에는 TVC 구동기가 이미 장착되어 있으므로, 변위게이지(150)는 도시된 것처럼 피치와 요에서 조금씩 벗어난 곳에 장착하게 된다.
구동 노즐(100)이 회전하게 되면 변위게이지(150)에서 측정한 변위들의 차이가 나타난다. 이러한 차이를 이용하여 노즐 회전각을 계산하고, 더불어 경사도계(170)를 통한 보정을 통해서 정확한 노즐의 보정각을 얻을 수 있다.
도 4는 도 4는 본 발명에 따른 구동 노즐의 회전각 보정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구동 노즐의 회전각 보정방법은 비례상수결정단계(S1), 변위측정단계(S2), 변위각산출단계(S3), 보정변위각산출단계(S4) 및 최종보정각산출단계(S5)를 포함한다.
비례상수결정단계(S1)는 TVC(Thrust Vector Control) 구동을 하는 우주발사체에 있어서, 구동 노즐에 장착된 변위게이지와 경사도계를 이용하는 TVC 행정확인시험에 의하여, 구동 노즐의 Yaw 구동 및 Pitch 구동시 입력신호에 대한 상호 오차를 보정하기 위한 각도 비례상수 및 경사도 비례상수를 각각 결정하는 단계이다.
또한, 변위측정단계(S2)는 변위게이지를 이용하여 Yaw 변위와 Pitch 변위를 측정하는 단계이며, 변위각산출단계(S3)는 하기 수학식 1에 의하여, 변위측정단계(S2)에서 측정된 Yaw 변위와 Pitch 변위를 Yaw각과 Pitch각으로 산출하는 단계이 다.
보정변위각산출단계(S4)는 비례상수결정단계(S1)에서 결정된 각도 비례상수를 적용하여 변위게이지 간의 상호간섭 효과를 보상함으로써, 변위각산출단계(S3)에서 산출된 Yaw각과 Pitch각을 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각으로 산출하는 단계이며, 최종보정각산출단계(S5)는 비례상수결정단계(S1)에서 결정된 경사도 비례상수를 적용하여 상기 보정변위각산출단계(S4)에서 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각을 최종 보정된 Yaw보정각과 Pitch보정각으로 산출하는 단계이다.
도 2 내지 도 3의 변위게이지(150)는 노즐이 회전하거나 축 방향으로 움직일 때 변위가 측정된다. 즉, 병진운동 및 회전운동시 변위가 측정된다.
병진운동만 일어나면 각각의 변위게이지에서 측정된 변위는 동일할 것이지만, 회전운동이 함께 일어나면 각각의 변위게이지(150)는 변위차이가 발생한다. 이러한 회전운동으로 발생된 변위차이를 이용하여 아래의 수학식 1로 구동 노즐(100)의 회전각을 계산할 수 있다.
Figure 112007087001546-pat00014
여기서,
Figure 112007087001546-pat00015
는 피치 또는 요 축 부근에 장착된 변위게이지의 변위 차이이고,
Figure 112007087001546-pat00016
는 피치 또는 요 축 부근에 장착된 변위게이지들의 피치 또는 요 축의 투영거리이다.
수학식 1은 변위게이지에서 측정한 변위 차이로 노즐의 회전각을 구하는 식이다.
그러나, 회전각이 커지면서 변위게이지 끝단에 미끌림 현상으로 오차가 발생한다. 이러한 오차를 보상하기 위해서 TVC 행정확인시험을 수행하였다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 TVC 행정확인시험에 대해 설명한다.
본 발명의 비례상수결정단계(S1)는 TVC(Thrust Vector Control) 구동을 하는 우주발사체에 있어서, 구동 노즐에 장착된 변위게이지와 경사도계를 이용하는 TVC 행정확인시험에 의하여, 구동 노즐의 Yaw 구동 및 Pitch 구동시 입력신호에 대한 상호 오차를 보정하기 위한 각도 비례상수 및 경사도 비례상수를 각각 결정하는 단계이다.
이러한 오차 보상을 위한 각도 비례상수 및 경사도 비례상수를 구하기 위하여, TVC 행정확인시험은 피치(0°-180°)와 요(90°-270°) 방향에 대해서 ±1.5° 정적으로 천천히 구동한다. 구동 중에 변위게이지와 경사도계 값을 동시에 측정한다. TVC 구동시험 결과에서 구동신호에 대한 경사도계 값, 변위게이지로부터 계산한 회전각이 모두 선형관계를 나타내는 것을 알 수 있었다. 이러한 선형관계를 이용하여 노즐 회전각 이력을 정확하게 보상하기 위한 비례상수가 결정된다.
도 5는 본 발명에 따른 구동 노즐의 축방향 변위 그래프와 회전각 이력 그래프이다.
도 5의 왼쪽 그래프는 입력값에 대한 노즐 축방향 변위를 mm단위로 나타낸 것이고, 도 5의 오른쪽 그래프는 그 변위를 회전각으로 환산한 값이다.
도 5의 오른쪽 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 노즐의 회전각이 본래 의도한 ±1.5°값이 나오지 않고, ±1.5°보다 작게 나타나는 것을 알 수 있다.
그 이유는 회전각이 커지게 되면 변위게이지 끝점의 미끌림 현상으로 인한 오차가 발생하게 되기 때문이다. 즉, 변위를 이용하여 회전각을 계산하면, 각이 커질수록 변위게이지 끝점의 미끌림으로 인한 오차가 누적된다.
하지만, 이렇게 생기는 오차를 경사도계를 이용하여 보상할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 구동 노즐의 피치 구동시 TVC 입력신호에 대한 경사도계, 피치 및 요 회전각을 나타낸 표와 TVC 입력신호에 대한 경사도계 값을 나타낸 그래프, 도 7은 본 발명에 따른 구동 노즐의 피치 구동시 TVC 입력신호에 대한 피치 회전각 및 요 회전각을 나타낸 그래프이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 구동신호에 대해서 경사도계, 피치 회전각, 요 회전각 모두 선형적인 관계를 나타내는 것을 알 수 있다. 도 6의 표에서 알 수 있는 바와 같이, 경사도계는 실제 중력에 의한 경사를 측정하기 때문에 입력값(CMD)에 따른 경사도계의 측정각은 TVC 행정시험의 ±1.5°의 범위에서 비교적 일치하지만, 앞서 설명한 대로 노즐의 회전각은 변위게이지 끝점의 미끌림 현상으로 인해 본래 의도한 ±1.5°값이 나오지 않고, ±1.5°보다 작게 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7의 그래프에서 보는 것처럼, 피치(0°-180°) 구동 시, 90°, 270 ° 부근에 있는 변위게이지에서도 회전 변위에 의한 회전각이 측정이 된다.
비록 노즐의 회전각 역시 그 값은 변위게이지의 미끌림 현상으로 인해 작게 나타날지라도 도시된 것처럼 선형관계에 있으므로 이와 같은 선형관계를 이용하여 노즐 회전각을 보상할 수 있다.
앞선 그래프의 해석은 피치 구동시에 관한 것이었지만, 요 구동시에도 그 과정은 유사하므로 설명은 생략하기로 한다.
또한, 구동 노즐의 회전각을 보정하기 전에, 미리 구동 노즐의 Yaw 구동 및 Pitch 구동시 입력신호에 대한 상호 오차를 보정하기 위한 각도 비례상수 및 경사도 비례상수를 각각 결정해야 한다.
여기서, 각도 비례상수는, 상기 구동 노즐의 Yaw 구동시 변위게이지가 피치축과 요축에서 벗어남으로 인해 발생하는 상호간섭효과에 의한 오차를 보정하기 위한 Pitch각 비례상수와 Yaw각 비례상수 및 Pitch 구동시 변위게이지가 피치축과 요축에서 벗어남으로 인해 발생하는 상호간섭효과에 의한 오차를 보정하기 위한 Pitch각 비례상수와 Yaw각 비례상수를 포함하고,
경사도 비례상수는, 상기 구동 노즐의 Yaw 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 경사도계 값 비례상수 및 Pitch 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 경사도계 값 비례상수를 포함한다.
다음으로, 보정변위각산출단계(S4)는, 다음 수학식 2 및 3에 의하여, 각도 비례상수를 적용하여 변위게이지 간의 상호간섭 효과를 보상함으로써, 변위각산출단계(S3)에서 산출된 Yaw각과 Pitch각을 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각으로 산출할 수 있다.
Figure 112007087001546-pat00017
Figure 112007087001546-pat00018
여기서, 위 식들의 비례상수에 대한 정의는 다음과 같다.
Figure 112007087001546-pat00019
는 Yaw 구동시 입력신호에 대한 Pitch각 비례상수,
Figure 112007087001546-pat00020
는 Yaw 구동시 입력신호에 대한 Yaw각 비례상수,
Figure 112007087001546-pat00021
는 Pitch 구동시 입력신호에 대한 Pitch각 비례상수,
Figure 112007087001546-pat00022
는 Pitch 구동시 입력신호에 대한 Yaw각 비례상수이다.
여기서, 수학식 2는 피치 변위각i를 구하는 식으로서, Pitch변위각 i가 요 구동에 의해 영향을 받으므로 요 구동에 의해 영향을 받는 Pitch변위각을 보상하는 식이 다.
보상에 사용된 Yaw변위각 i-1 또한 피치 구동에 영향을 받으므로 피치 구동에 의해 영향을 받는 Yaw변위각 i-1 을 보상한다. 이렇게 수렴할 때까지 보상은 반복된다.
수학식 3은 요 변위각i를 구하는 식으로서, Yaw변위각 i 또한 피치 구동에 의해 영향을 받으므로 피치 구동에 의해 영향을 받는 Yaw변위각을 보상하는 식이다.
보상에 사용된 Pitch변위각 i-1 또한 요 구동에 영향을 받으므로 요 구동에 의해 영향을 받는 Pitch변위각 i-1 을 보상한다. 이렇게 수렴할 때까지 보상은 반복된다.
다시 말하면, 피치축과 요 축이 각각 구동하는 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 변위게이지 끝단에 미끌림 현상으로 오차만을 보정하면 되지만, 피치축과 요 축이 함께 구동하는 경우에는 변위게이지의 위치가 피치 및 요축에서 벗어나 있기 때문에 서로 영향을 받는다. 이러한 영향을 보상하기 위해서 각도 비례상수가 필요하게 되는 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비례상수를 나타낸 표이다.
앞선 도 6 및 도 7의 그래프에서 각각의 비례상수를 구할 수 있고, 이러한 실험에 의한 3가지 데이터의 평균을 구한 결과를 각각 나타내었다.
또한, 최종보정각산출단계(S5)는, 다음 수학식 4 및 5에 의하여, 경사도 비례상수를 적용하여 보정변위각산출단계(S4)에서 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch 변위각을 최종 보정된 Yaw보정각과 Pitch보정각으로 산출할 수 있다.
Figure 112007087001546-pat00023
Figure 112007087001546-pat00024
여기서, 위 식들의 비례상수에 대한 정의는 다음과 같다.
Figure 112007087001546-pat00025
는 Yaw 구동시 입력신호에 대한 경사도계 값 비례상수,
Figure 112007087001546-pat00026
는 Pitch 구동시 입력신호에 대한 경사도계 값 비례상수이다.
여기서, 수학식 4는 피치 보정각을 구하는 식으로서, 괄호 안의 값은 요 구동에 의해서 영향을 받는 Pitch변위각 에 대한 보정각을 의미하며,
Figure 112007087001546-pat00027
값은 미끌림 오차를 보상하는 비례상수이다.
수학식 5는 요 보정각을 구하는 식으로서, 괄호 안의 값은 피치 구동에 의해서 영향을 받는 Yaw변위각 에 대한 보정각을 의미하며,
Figure 112007087001546-pat00028
값은 미끌림 오차를 보상하는 비례상수이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 TVC 시나리오 시험 결과에 대해 설명한다.
후술할 본 발명의 실시예에서는 정확한 구동 노즐(100)의 변위 및 회전각을 측정하기 위해서 346°, 76°, 166° 및 246°의 위치에 30mm 변위게이지를 장착하였다.
도 9는 본 발명에 따른 구동 노즐의 변위게이지 상호 간섭 효과를 보상하지 않고 변위게이지 끝단의 미끌림에 의해 생기는 오차에 대한 경사도계 보정만을 수행한 피치축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프, 도 10은 본 발명에 따른 구동 노즐의 변위게이지 상호 간섭 효과를 보상하지 않고 변위게이지 끝단의 미끌림에 의해 생기는 오차에 대한 경사도계 보정만을 수행한 요축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프이다.
지상연소 시험 전에 연소 없이 TVC 시나리오 시험을 수행하였다. 도 9 및 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 피치축만 구동하는 1.5초에서 45초까지는 TVC 구동명령과 노즐 회전각이 일치하는 것을 알 수 있다. 그러나 피치와 요축이 함께 구동하는 구간에서는 구동명령에 대한 노즐 회전각에 오차가 발생하는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 구동 노즐의 보상 후 피치축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프, 도 12는 본 발명에 따른 구동 노즐의 보상 후 요축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프이다.
도 11 및 도 12에 도시된 것처럼, 수학식 2 내지 5에 의한 각 축의 변위게이지에 대한 상호관계를 보상하여 얻은 노즐 회전각 이력으로 구동신호와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 보상 회수는 3회와 10회가 서로 차이가 없어서 10회로 정하였다.
즉, 본 발명에 따른 구동 노즐의 회전각 보정방법은 상기 수학식 2 및 3에서 i=1, 2, 3인 것을 특징으로 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 지상 연소 시험 결과에 대해 설명한다.
도 13은 본 발명에 따른 구동 노즐의 연소시험시 노즐 축방향 변위를 나타낸 그래프, 도 14는 본 발명에 따른 구동 노즐의 최대 압력에서 노즐 축방향 밀림량을 나타낸 그래프이다.
지상연소 시험에서 변위게이지를 이용하여 노즐의 축방향 변위와 노즐 회전각 이력을 구하였다. 도 13에 도시된 바와 같이, 연소시험 중 346°에 장착된 변위게이지 장착위치 오류로 0.7, 10, 23.7초 부근에 변위가 측정되지 못하였다. 그러나 346°의 대부분 구간과 다른 방향에 변위게이지는 모두 정상적으로 측정되었다.
또한, 최대 압력에서 TVC 명령이 0°를 유지하기 때문에 도 14에 도시된 바와 같이 노즐의 축방향 밀림량을 측정할 수 있었다. 최대 압력에서 노즐부는 연소 관 후방보스 기준으로 3.8 ~ 4.2 mm 밀리는 것을 알 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 구동 노즐의 연소시험시 피치축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프, 도 16은 본 발명에 따른 구동 노즐의 연소시험시 요축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프이다.
도 15 및 16에 도시된 바와 같이, 연소시험 시 노즐 회전각 이력은 전반적으로 구동명령을 잘 수행하는 것을 알 수 있다. 대부분 연소시간 동안 피치축은 0° 쪽으로 최대 0.026°추력 틀림(offset)이 발생했으며, 요축은 270° 쪽으로 0.04° 추력 틀림(offset)이 발생하였다. 이와 같은 현상은 TVC 시나리오 시험에서 없던 결과로 노즐 연결부 기준으로 TVC 구동기를 잡고 있는 지지빔 끝단이 연소압에 의해서 틀어지는 결과로 나타난 현상으로 판단된다.
상기의 결과를 요약하면, 노즐 연결부에 장착된 변위게이지를 이용하여 노즐의 축방향 변위 및 노즐의 회전각 이력을 측정하고, 측정변위로부터 노즐 회전각을 계산하고 보정하는 관계식을 통해서 정확한 노즐 회전각을 얻을 수 있다.
실험결과에 따르면, 지상연소시 전반적으로 TVC 구동명령을 잘 수행한 것을 알 수 있다. 노즐은 최대 압력에서 3.8 ~ 4.2 mm 출구쪽으로 변형하였으며, 또한 연소 시간동안 피치축으로 최대 0.026°, 요축으로 0.04°정도의 추력 틀림(offset)이 발생하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 기존의 고체 엔진의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 구동 노즐의 회전각 보정장치를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 구동 노즐의 회전각 보정장치를 나타낸 사시도 및 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 구동 노즐의 회전각 보정방법을 나타낸 흐름도,
도 5는 본 발명에 따른 구동 노즐의 축방향 변위 그래프와 회전각 이력 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 구동 노즐의 피치 구동시 TVC 입력신호에 대한 경사도계, 피치 및 요 회전각을 나타낸 표와 TVC 입력신호에 대한 경사도계 값을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 구동 노즐의 피치 구동시 TVC 입력신호에 대한 피치 회전각 및 요 회전각을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비례상수를 나타낸 표,
도 9는 본 발명에 따른 구동 노즐의 변위게이지 상호 간섭 효과를 보상하지 않고 변위게이지 끝단의 미끌림에 의해 생기는 오차에 대한 경사도계 보정만을 수행한 피치축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 구동 노즐의 변위게이지 상호 간섭 효과를 보상하지 않고 변위게이지 끝단의 미끌림에 의해 생기는 오차에 대한 경사도계 보정만을 수 행한 요축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 구동 노즐의 보상 후 피치축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 구동 노즐의 보상 후 요축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프,
도 13은 본 발명에 따른 구동 노즐의 연소시험시 노즐 축방향 변위를 나타낸 그래프,
도 14는 본 발명에 따른 구동 노즐의 최대 압력에서 노즐 축방향 밀림량을 나타낸 그래프,
도 15는 본 발명에 따른 구동 노즐의 연소시험시 피치축 노즐 회전각 이력을 나타낸 그래프,
도 16은 본 발명에 따른 구동 노즐의 연소시험시 요축 노즐 회전각 이력을나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...구동 노즐 110...추진제가 충전된 연소관
120...플렉시블 씰 130...TVC 구동기
140...카운터 포텐쇼미터 150...변위게이지
160...변위게이지 브라켓 170...경사도계

Claims (5)

  1. TVC(Thrust Vector Control) 구동을 하는 우주발사체에 있어서,
    구동 노즐에 장착된 변위게이지와 경사도계를 이용하는 TVC 행정확인시험에 의하여, 구동 노즐의 Yaw 구동 및 Pitch 구동시 입력신호에 대한 상호 오차를 보정하기 위한 각도 비례상수 및 경사도 비례상수를 각각 결정하는 비례상수결정단계;
    상기 변위게이지를 이용하여 Yaw 변위와 Pitch 변위를 측정하는 변위측정단계;
    다음 수학식 1에 의하여, 상기 변위측정단계에서 측정된 Yaw 변위와 Pitch 변위를 Yaw각과 Pitch각으로 산출하는 변위각산출단계;
    상기 비례상수결정단계에서 결정된 각도 비례상수를 적용하여 변위게이지 간의 상호간섭 효과를 보상함으로써, 상기 변위각산출단계에서 산출된 Yaw각과 Pitch각을 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각으로 산출하는 보정변위각산출단계; 및
    상기 비례상수결정단계에서 결정된 경사도 비례상수를 적용하여 상기 보정변위각산출단계에서 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각을 최종 보정된 Yaw보정각과 Pitch보정각으로 산출하는 최종보정각산출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 노즐의 회전각 보정방법.
    수학식 1
    Figure 112007087001546-pat00029
    여기서,
    Figure 112007087001546-pat00030
    는 피치 또는 요 축 부근에 장착된 변위게이지의 변위 차이이고,
    Figure 112007087001546-pat00031
    는 피치 또는 요 축 부근에 장착된 변위게이지들의 피치 또는 요 축의 투영거리이다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 각도 비례상수는, 상기 구동 노즐의 Yaw 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 Pitch각 비례상수와 Yaw각 비례상수; 및
    Pitch 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 Pitch각 비례상수와 Yaw각 비례상수를 포함하고,
    상기 경사도 비례상수는, 상기 구동 노즐의 Yaw 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 경사도계 값 비례상수; 및
    Pitch 구동시 입력신호에 대한 오차를 보정하기 위한 경사도계 값 비례상수를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 노즐의 회전각 보정방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 보정변위각산출단계는,
    다음 수학식 2 및 3에 의하여, 보정된 Yaw변위각과 보정된 Pitch변위각으로 산출하는 것을 특징으로 하는 구동 노즐의 회전각 보정방법.
    수학식 2
    Figure 112007087001546-pat00032
    수학식 3
    Figure 112007087001546-pat00033
    여기서, 위 식들의 비례상수에 대한 정의는 다음과 같다.
    Figure 112007087001546-pat00034
    는 Yaw 구동시 입력신호에 대한 Pitch각 비례상수,
    Figure 112007087001546-pat00035
    는 Yaw 구동시 입력신호에 대한 Yaw각 비례상수,
    Figure 112007087001546-pat00036
    는 Pitch 구동시 입력신호에 대한 Pitch각 비례상수,
    Figure 112007087001546-pat00037
    는 Pitch 구동시 입력신호에 대한 Yaw각 비례상수이다.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 최종보정각산출단계는,
    다음 수학식 4 및 5에 의하여, 상기 구동 노즐의 최종 보정각을 산출하는 것 을 특징으로 하는 구동 노즐의 회전각 보정방법.
    수학식 4
    Figure 112007087001546-pat00038
    수학식 5
    Figure 112007087001546-pat00039
    여기서, 위 식들의 비례상수에 대한 정의는 다음과 같다.
    Figure 112007087001546-pat00040
    는 Yaw 구동시 입력신호에 대한 경사도계 값 비례상수,
    Figure 112007087001546-pat00041
    는 Pitch 구동시 입력신호에 대한 경사도계 값 비례상수이다.
  5. 제 3항에 있어서,
    i=1, 2, 3인 것을 특징으로 하는 구동 노즐의 회전각 보정방법.
KR1020070124478A 2007-12-03 2007-12-03 구동 노즐의 회전각 보정방법 KR100882598B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070124478A KR100882598B1 (ko) 2007-12-03 2007-12-03 구동 노즐의 회전각 보정방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070124478A KR100882598B1 (ko) 2007-12-03 2007-12-03 구동 노즐의 회전각 보정방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100882598B1 true KR100882598B1 (ko) 2009-02-12

Family

ID=40681292

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070124478A KR100882598B1 (ko) 2007-12-03 2007-12-03 구동 노즐의 회전각 보정방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100882598B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05272897A (ja) * 1992-03-24 1993-10-22 Kawasaki Heavy Ind Ltd 推力偏向制御を用いた飛しょう体システムの性能評価装置
US5259569A (en) 1992-02-05 1993-11-09 Hughes Missile Systems Company Roll damper for thrust vector controlled missile
KR20050110797A (ko) * 2004-05-19 2005-11-24 한국항공우주연구원 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5259569A (en) 1992-02-05 1993-11-09 Hughes Missile Systems Company Roll damper for thrust vector controlled missile
JPH05272897A (ja) * 1992-03-24 1993-10-22 Kawasaki Heavy Ind Ltd 推力偏向制御を用いた飛しょう体システムの性能評価装置
KR20050110797A (ko) * 2004-05-19 2005-11-24 한국항공우주연구원 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106885511B (zh) 应用于量测的双球杆系统及其误差补偿方法
EP1892500A3 (en) Optical-axis deflection type laser interferometer, calibration method thereof, correction method thereof, and measuring method thereof
JPH0268609A (ja) ステージ位置決め補正方法及び装置
US8539810B2 (en) Method and apparatus for calibrating a torque measurement
US10036799B2 (en) Device system and method for determining the relative orientation between two different locations
CN103674067B (zh) 一种基于自准直经纬仪传递对准的验证方法
KR101931001B1 (ko) 간극 측정부를 적용한 장입 유도탄의 발사관 장입정렬 자동 조정장치 및 방법
JP2002031498A (ja) ダイナミックガンエラーを補正する方法および装置
KR100882598B1 (ko) 구동 노즐의 회전각 보정방법
EP0636862A1 (en) Inertial measurement unit and method for improving its measurement accuracy
CN109579833B (zh) 一种对返回式运载火箭的垂直着陆阶段的组合导航方法
KR100928753B1 (ko) 사격 에러를 보상하기 위한 방법 및 장치와 무기시스템을위한 시스템 컴퓨터
CN104807419B (zh) 补偿坐标测量机中由热致结构变形造成的测量误差的方法
RU2482458C1 (ru) Способ испытаний управляющего сопла с эластичным опорным шарниром и приводом с определением угла поворота подвижной части сопла
CN109655080B (zh) 一种数字式太阳敏感器在轨标定方法
KR20210090907A (ko) 발사체의 날개 성능 시험 장치 및 방법
KR100911941B1 (ko) 추력벡터제어용 구동특성 시험장치 및 이를 이용한 노즐거동 분석방법
RU2478815C1 (ru) Способ сборки сопла с эластичным опорным шарниром
CN105825050B (zh) 一种实现自行高炮多轴线一致性检查的方法
CN112629429A (zh) 一种真空和变温环境下整星热变形测量装置、系统及方法
KR101990404B1 (ko) 발사관의 롤 회전을 이용한 관성항법장치 비정렬각 산출 방법 및 그 장치
US20080121055A1 (en) System and method for reducing attitude errors for exoatmospheric devices
EP1460379B1 (en) Angular motion measurement arrangement
RU2704581C1 (ru) Способ прицеливания крылатых ракет наклонного старта
RU2710757C1 (ru) Способ прицеливания крылатых ракет на самоходной пусковой установке

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee