KR100942010B1 - 위성용 우주분진물 분사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위성용 우주분진물 분사장치에 관한 것으로서, 우주분진물을 수거하는 위성에 탑재된 분사장치에 있어서, 상기 분사장치는, 개구된 일단부로 우주분진물이 분사되는 본체와; 상기 본체에 삽입되어 내장되고 그 일단부는 수거된 우주분진물과 접하는 분사면으로 형성된 스프링과; 상기 본체에 설치되고 모터에 의해 회전 구동되는 스크류축과; 상기 스크류축에 의해 본체의 축방향을 따라 이동되면서 스프링을 압축 및 인장시키는 고정핀;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하여, 경제적이고 효율적이다.

위성, 우주, 분진물, 잔해, 분사, 대기권, 스프링, 분사면

Description

위성용 우주분진물 분사장치{apparatus for debris emission on a satellite using elasticity energy}

본 발명은 위성용 우주분진물 분사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우주공간에 산재해 있는 우주잔해 즉 우주분진물을 대기권으로 분사하여 대기권에서 소각시키도록 한 위성용 우주분진물 분사장치에 관한 것이다.

일반적으로, 우주공간에 산재되어 있는 우주잔해는 쓸모없는 모든 우주 물체를 말하며, 특히 우주잔해 중에서도 우주분진물은 지상에서 쉽게 확인하기 어려운 크기 즉 대략 1㎝ 이내의 미소 우주잔해를 말한다.

이러한 우주잔해(이하 '우주분진물' 이라 한다)는 지상에서 발사되는 유인 및 무인 우주비행체의 안전에 위협적인 존재로서, 이러한 우주분진물을 수거하여 소각하는 기술이 절실히 요구되어 왔다.

그러나, 이러한 요구에도 불구하고 이 기술분야에 대한 구체적인 적용사례는 없고 다양한 방법만 제시되고 있으며, 실제 우주비행체의 발사과정에서는 지상에서 위협적인 우주분진물에 대한 지속적인 감시를 통해 발사시점 및 궤적을 산출하여 발사하고 있는 실정이다.

한편, 현재까지 제안된 수거된 우주분진물의 처리 기술로는, 추진장치를 장착한 콘테이너를 이용하여 우주분진물을 수거하는 수거 위성으로부터 분리된 후 대기권 진입을 위한 속도를 얻어 대기권에서 소각하는 기술이 있고, 위성 자체에서 고열로 소각하는 기술이 제안되었다.

그러나, 이와 같이 제안된 기술 중 추진장치를 장착한 콘테이너 기술은, 소모성 추진연료를 사용해야 하고 이러한 우주용 추진연료는 고비용이며 재사용이 불가능하고 별도의 추진시스템을 추가 장착한 상태로 우주분진물과 같이 소각됨으로써 경제적 측면에서 효율성이 높지 않다는 단점이 있었다.

그리고, 위성 자체에서 고열로 소각하는 기술은, 많은 에너지가 필요함에 따라 태양전지판의 크기가 증대될 수밖에 없고, 이것은 위성설계에 여러 가지 어려운 문제점을 야기시키게 되며, 소각된 분진물 가스는 주변 궤도에서 운용되고 있는 위성의 광학장비에 달라붙을 수 있는 기회가 더 많아지기 때문에, 이것은 세계적인 위성 운용 측면에서 절대 허용될 수 없는 현상인 치명적인 문제점을 내포하고 있는 것이다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 수거된 우주분진물을 태양에너지를 이용하여 저장된 탄성에너지로서 대 기권으로 분사하여 소각시킴으로써 여러 면에서 효율적인 위성용 우주분진물 분사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적은, 우주분진물을 수거하는 위성에 탑재된 분사장치에 있어서, 상기 분사장치는, 개구된 일단부로 우주분진물이 분사되는 본체와; 상기 본체에 삽입되어 내장되고 그 일단부는 수거된 우주분진물과 접하는 분사면으로 형성된 스프링과; 상기 본체에 설치되고 모터에 의해 회전 구동되는 스크류축과; 상기 스크류축에 의해 본체의 축방향을 따라 이동되면서 스프링을 압축 및 인장시키는 고정핀;을 포함하여 구성된 위성용 우주분진물 분사장치에 의해 달성된다.

그리고, 상기 스크류축과 이격된 본체에 설치되고 모터에 의해 회전 구동되는 제 2 스크류축과; 상기 제 2 스크류축에 의해 본체의 축방향을 따라 이동되면서 스프링의 분사면을 눌러 압축시키는 가압핀;이 더 포함되어 구성됨이 바람직하다.

한편, 상기 본체는 스프링이 삽입되는 내관과, 이 내관을 감싸도록 이격된 외관으로 형성되고, 상기 내관과 외관 사이의 공간부에 스크류축이 내장되게 설치되며, 상기 본체의 공간부에는 스크류축이 나사 결합되어 관통된 링이 설치되고, 상기 링에는 핀이 형성된다.

상기 핀은 링에 고정된 하우징과; 상기 하우징에 출입가능하게 설치되고 본체의 내관을 관통하여 돌출된 헤드와; 상기 하우징에 내장되게 설치되어 헤드를 하우징에서 출입시키는 솔레노이드와; 상기 헤드와 솔레노이드 사이에 설치되어 작동된 헤드를 원상태로 복원시키는 복원스프링;를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 고정핀의 헤드에는 압축되는 스프링이 탄성적으로 넘어갈 수 있도록 만곡면이 형성되고, 상기 스프링의 분사면은 수거된 우주분진물의 최종 형태에 따라 평면 또는 곡면으로 형성되며, 상기 본체의 내관에는 내관을 관통한 헤드를 안내하기 위한 안내공이 이격되게 설치되고, 상기 분사장치의 전원은 태양에너지를 이용함이 바람직하다.

본 발명의 위성용 우주분진물 분사장치에 따르면, 수거된 우주분진물을 탄성에너지로서 대기권으로 분사하여 대기권에서 소각시킴으로써 추진제와 같은 소모성 연료를 사용하지 않아 경제적으로 효율적이고, 적은 에너지만으로도 원하는 탄성에너지를 얻을 수 있으므로 위성설계 시 별다른 설계변경이 요구되지 않아 간편한 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 위성용 우주분진물 분사장치를 도시한 것이다.

본 발명의 위성용 우주분진물 분사장치(100)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 우주공간에 산재해 있는 우주분진물(10)을 수거하는 위성(20)에 탑재되고, 탄성에너지를 이용하여 우주분진물(10)을 대기권으로 분사하는 장치이다.

즉, 상기 분사장치(100)는, 개구된 일단부로 우주분진물(10)이 분사되는 본체(110)와, 상기 본체(110)에 삽입되어 내장되고 그 일단부는 수거된 우주분진물(10)과 접하여 우주분진물(10)을 밀어내는 분사면(151)으로 형성된 스프링(150)과, 상기 본체(110)에 설치되고 모터(121)에 의해 회전 구동되는 스크류축(120)과, 상기 스크류축(120)에 의해 본체(110)의 축방향을 따라 이동되면서 스프링(150)을 압축 및 인장시키는 고정핀(130)을 포함하여 구성된다.

상기 본체(110)는, 스프링(150)이 삽입되는 내관(112)과, 이 내관(112)을 감싸도록 이격된 외관(111)으로 형성되고, 상기 내관(112)과 외관(111) 사이의 공간부(113)에는 스크류축(120)이 내장되게 설치되는 한편, 상기 스크류축(120)을 회전 구동시키는 모터(121)는 본체(110)의 일단부에 돌출되게 형성된다.

그리고, 상기 본체(110)의 내관(112) 내측면에는 본체(110)의 축방향을 따라 이동되는 고정핀(130)과 후술될 가압핀(170)을 안내하는 다수의 안내공(114)(115)이 축방향으로 천공되고, 상기 안내공(114)(115)은 도 3에 도시된 바와 같이 동일선상으로 위치되지 않고 대략 90도 회전된 상태로 어긋나게 형성되어, 상기 본체(110)의 구조적인 강도를 확보토록 한다.

또한, 상기 본체(110)의 공간부(113)에는 스크류축(120)이 외접하여 나사 결합되도록 외주면에 나사산(141)이 형성되어 있는 안내링(140)이 설치되고, 상기 안내링(140)의 내주면에는 고정핀(130)이 형성된다.

여기서, 상기 안내링(140)은 내접한 스크류축(120)의 회전 시는, 안내링(140)에 형성된 고정핀(130)이 본체(110)의 안내공(114)에 끼워져 있으므로 회전 이 불가하여 본체(110)의 축방향을 따라서만 직선운동하게 되고, 이는 후술될 압축링(180) 역시도 마찬가지이다.

상기 고정핀(130)은 도 6에 도시된 바와 같이, 안내링(140)의 내주면에 일정간격으로 이격되어 고정된 하우징(131)과, 상기 하우징(131)에서 안내링(140)의 중심을 향하여 출입가능하게 설치되고 상기 본체(110)의 안내공(114)을 관통하여 돌출된 헤드(133)와, 상기 하우징(131)에 내장되게 설치되어 헤드(133)를 하우징(131)에서 출입시키는 솔레노이드(132)를 포함하여 구성된다.

상기 헤드(133)는 스프링(150)의 분사면(151)에 대향되는 일면이 완만하게 만곡된 만곡면(133a)으로 형성되어 스프링(150)의 분사면(151)이 헤드(133)를 탄성적으로 넘어갈 수 있게 되고, 반대면은 평평한 수직면(133b)으로 형성되어 압축된 스프링(150)의 분사면(151)이 헤드(133)에 걸림되게 된다.

그리고, 상기 헤드(133)의 일측에는 하우징(131)의 내측에 걸림되도록 돌출된 플랜지(135)가 형성되고, 상기 헤드(133)의 하면에는 솔레노이드(132)를 관통하는 샤프트(134)가 돌출 형성되며, 상기 헤드(133)와 솔레노이드(132) 사이에는 작동된 헤드(133)를 원상태로 복원시키기 위한 복원스프링(136)이 설치된다.

따라서, 상기 솔레노이드(132)에 전류가 인가되면 샤프트(134)가 당겨져 헤드(133)가 하우징(131)내로 인입되고, 전류가 차단되면 복원스프링(136)에 의해 인입되어 있던 헤드(133)가 인출되어 하우징(131) 외측으로 돌출되며, 인출되는 헤드(133)는 플랜지(135)가 하우징(131)의 내측면에 걸림됨으로써 인출이 정지된다.

또한, 상기 본체(110)에 내장된 스프링(150)은 도 2에 도시된 바와 같이, 본 체 내관(112)의 내경보다 작은 직경으로 형성되고, 상기 스프링(150) 일단의 분사면(151)은 내관(112)의 내경에 대응한 직경으로 형성됨이 바람직하다.

즉, 상기 스프링(150)의 직경은 압축 및 인장작용을 반복하는 스프링(150)의 작동 시 스프링(150)과 고정핀(130) 간의 간섭을 최소화하기 위한 크기로 형성된 것이고, 상기 분사면(151)의 직경은 스프링(150)의 탄성에너지를 우주분진물(10)에 최대한 전달하기 위한 크기로 형성된 것이다.

더욱이, 상기 분사면(151)은 수거된 우주분진물(10)의 최종 형태에 따라 평면 또는 곡면으로 형성되어, 상기 스프링(150)의 탄성에너지를 우주분진물(10)에 최대한 전달할 수 있게 된다.

또한, 상기 본체(110)에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 스프링(150)을 가압하는 가압수단이 더 구성된다.

즉, 상기 가압수단은, 상기 스크류축(120)과 이격된 본체(110)의 반대편에 설치되고 제 2 모터(161)에 의해 회전 구동되는 제 2 스크류축(160)과, 상기 제 2 스크류축(160)에 의해 본체(110)의 축방향을 따라 이동되면서 스프링(150)의 분사면(151)을 눌러 압축시키는 가압핀(170)을 포함하여 구성된다.

상기 제 2 스크류축(160)은 상기 스크류축(120)과 대략 90도 회전된 상태로 위치되고, 상기 제 2 스크류축(160)을 작동시키는 제 2 모터(161)는 본체(110)의 외측단부에 설치된다.

그리고, 상기 가압핀(170)은 압축링(180)에 형성되되, 그 단부가 상기 스프링(150)측으로 더 길게 돌출되고, 상기 압축링(180)의 내주면에는 제 2 스크류 축(160)이 내접하여 나사 결합되도록 나사산(181)이 형성된다.

여기서, 상기 제 2 스크류축(160)은 전술한 스크류축(120)보다 더 넓은 간격으로 설치되고, 상기 제 2 스크류축(160)이 내접하는 압축링(180) 역시도 스크류축(120)이 외접하는 안내링(140)보다 더 큰 직경으로 형성되어, 상기 가압핀(170)에 의해 압축되는 스프링(150)의 분사면(151)이 안내링(140)의 고정핀(130)을 넘어갈 때 가압핀(170)과 안내링(140) 간의 간섭을 피할 수 있게 된다.

한편, 상기와 같이 형성된 가압핀(170)은 전술한 고정핀(130)과 대부분이 대동소이한 구성 및 구조로 형성되고, 상기 만곡면(133a)의 구성에 있어서만 차이가 있다.

즉, 상기 가압핀(170) 역시도 도 6에 도시된 바와 같이, 압축링(180)의 내주면에 일정간격으로 이격되어 고정된 하우징(171)과, 상기 하우징(171)에서 압축링(180)의 중심을 향하여 출입가능하게 설치되고 상기 본체(110)의 안내공(115)으로 돌출되어 스프링(150)을 압축시키는 헤드(173)와, 상기 하우징(171)에 내장되게 설치되어 헤드(173)를 하우징(171)에서 출입시키는 솔레노이드(172)를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 헤드(173)에는 전술한 고정핀(130)과 마찬가지로 플랜지(175)와 샤프트(174) 및 복원스프링(176)이 더 구성되지만, 이와 같이 구성된 플랜지(175)와 샤프트(174) 및 복원스프링(176)이 전술한 고정핀(130)과 동일한 작용을 하므로 이의 반복되는 설명은 생략키로 한다.

한편, 상기와 같이 구성된 분사장치(100)의 전원은 태양에너지를 이용하고, 상기 분사장치(100)에 의한 우주분진물(10)이 대기권으로 진입하기 위한 속도(v)는 위성(20)의 고도와 관련하여 하기의 수학식에 의해 결정된다.

[수학식]

,

여기서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, e는 궤도의 이심률로서, e가 0이면 원궤도이고, 1에 가까울수록 납작한 타원임을 의미하며, r_p 는 대기권이 존재하는 거리이고, r_a 는 우주분진물 수거 위성의 존재하는 거리를 의미한다.

위의 수학식으로부터 'A' 지점에서 원궤도 속도보다 대기권으로 진입하기 위한 타원궤도의 속도가 항상 작기 때문에, 도 5와 같이 수거 위성의 진행방향과 반대로 우주분진물을 분사하여 상대 속도(v-v_m)를 줄임으로써 우주분진물을 대기권('P' 지점)으로 진입하는 타원궤도에 올려놓을 수 있게 된다.

그리고, 상기와 같이 구성된 분사장치(100)는 위성(20)에 설치된 콘트롤유닛이나 별도로 설치되는 콘트롤유닛에 의해 제어된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 위성용 우주분진물 분사장치의 작동을 설명한다.

먼저, 위성에서 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 분사장치(100)의 제 2 스크류축(160)에 설치된 제 2 모터(161)를 작동시키면, 제 2 모터(161)가 구동됨에 따라 제 2 스크류축(160)이 회전된다.

그러면, 제 2 스크류축(160)이 회전됨에 따라 압축링(180)이 본체(110)의 공간부(113) 내에서 본체(110)의 축방향을 따라 하강하고, 하강하는 압축링(180)에 설치된 가압핀(170)의 헤드(173)가 안내공(115)을 따라 하강되면서 스프링(150)의 분사면(151) 상면을 누르게 된다.

따라서, 스프링(150)은 가압핀(170)에 의해 분사면(151)이 고정핀(130)의 헤드(133)를 지날 때까지 압축되고, 분사면(151)이 고정핀 헤드(133)의 만곡면(133a)을 타고 넘어감과 동시에 헤드(133)의 수직면(133b)에 걸림됨으로써 스프링(150)은 압축된 상태로 고정된다.

이후, 스프링(150)에 의해 분사될 우주분진물(10)의 속도를 위성(20)의 고도에 따라 계산한 후, 그에 따른 분사속도를 제공할 수 있도록 모터(121)와 스크류축(120)을 구동시켜 고정핀(130)을 하강시킨다. 그러면, 스프링(150)이 더 압축되면서 더 큰 탄성에너지가 저장된다.

이때, 제 2 스크류축(160)은 제 2 모터(161)에 의해 역회전되어 가압핀(170)을 원상태로 상승시키고, 상승된 가압핀(170)의 솔레노이드(172)에는 전류가 공급 되어 형성된 전자기력에 의해 샤프트(174)가 당겨지면서 헤드(173)가 하우징(171)내로 삽입되어, 우주분진물(10)의 분사 시 스프링(150)의 분사면(151)과의 간섭발생을 미연에 해소할 수 있게 된다.

한편, 상기와 같은 상태에서 고정핀(130)의 솔레노이드(132)에 전류를 공급하면, 솔레노이드(132)에 형성되는 전자기력에 의해 샤프트(134)가 당겨지면서 고정핀(130)의 헤드(133)가 하우징(131)내로 삽입됨과 동시에 압축되어 있던 스프링(150)이 인장되면서 분사면(151)상에 접해 있던 우주분진물(10)을 대기권으로 분사하여 소각시키게 된다.

따라서, 상기한 분사장치(100)는, 태양에너지를 이용하여 탄성에너지를 발생시켜 우주분진물(10)을 분사함으로써 별도의 추력장치나 추진제가 불필요하여 경제적이다.

도 1은 본 발명에 따른 위성용 우주분진물 분사장치의 단면 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 분사장치의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 분사장치의 유도핀과 고정핀을 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 분사장치가 구현된 우주비행체의 궤도운동의 기본원리 개념을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 분사장치를 탑재한 위성의 설치 개략도이다.

도 6은 본 발명에 따른 핀구조를 도시한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 우주분진물 20 : 인공위성

100 : 분사장치 110 : 본체

111 : 외관 112 : 내관

113 : 공간부 114,115 : 안내공

120 : 스크류축 121 : 모터

130 : 고정핀 131 : 하우징

132 : 솔레노이드 133 : 헤드

133a : 만곡면 133b : 수직면

134 : 샤프트 135 : 플랜지

136 : 복원스프링 140 : 안내링

141 : 나사산 150 : 스프링

151 : 분사면 160 : 제 2 스크류축

161 : 제 2 모터 170 : 가압핀

171 : 하우징 172 : 솔레노이드

173 : 헤드 174 : 샤프트

175 : 플랜지 176 : 복원스프링

180 : 압축링 181 : 나사산

Claims (6)

1. 우주분진물을 수거하는 위성에 탑재된 분사장치에 있어서,

   상기 분사장치는,

   개구된 일단부로 상기 우주분진물이 분사되는 본체와;

   상기 본체에 삽입되어 내장되고, 그 일단부는 수거된 상기 우주분진물에 접하는 분사면을 가압하여 상기 우주분진물을 상기 본체의 외부로 밀어내는 스프링과;

   상기 분사면을 고정하였다가 그 고정을 해제하여 압축된 상기 스프링이 신장되게 하는 고정핀이 내주면에 구비되어 상기 본체 내부에 장착되는 안내링; 및

   모터에 의하여 회전 구동되어, 상기 안내링을 상기 본체의 축 방향에 따라 이동시켜 상기 스프링의 탄성력을 조절하는 스크류축;

   이 포함되는 것을 특징으로 하는 위성용 우주분진물 분사장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스크류축과 이격된 본체에 설치되고 모터에 의해 회전 구동되는 제 2 스크류축과;

   상기 제 2 스크류축에 의해 본체의 축방향을 따라 이동되면서 스프링의 분사면을 눌러 압축시키는 가압핀;이 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 위성용 우주분진물 분사장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 본체는 스프링이 삽입되는 내관과, 이 내관을 감싸도록 이격된 외관으 로 형성되고, 상기 내관과 외관 사이의 공간부에 스크류축이 내장되게 설치된 것을 특징으로 하는 위성용 우주분진물 분사장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 본체의 공간부에는 스크류축이 나사 결합되어 관통된 링이 설치되고, 상기 링에는 핀이 형성되되,

   상기 핀은 링에 고정된 하우징과;

   상기 하우징에 출입가능하게 설치되고 본체의 내관을 관통하여 돌출된 헤드와;

   상기 하우징에 내장되게 설치되어 헤드를 하우징에서 출입시키는 솔레노이드와;

   상기 헤드와 솔레노이드 사이에 설치되어 작동된 헤드를 원상태로 복원시키는 복원스프링;를 포함하여 구성되고,

   상기 고정핀의 헤드에는 압축되는 스프링이 탄성적으로 넘어갈 수 있도록 만곡면이 형성된 것을 특징으로 하는 위성용 우주분진물 분사장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 스프링의 분사면은 수거된 우주분진물의 최종 형태에 따라 평면 또는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 위성용 우주분진물 분사장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 본체의 내관에는 내관을 관통한 헤드를 안내하기 위한 안내공이 이격되게 설치된 것을 특징으로 하는 위성용 우주분진물 분사장치.

Images