KR101428789B1

KR101428789B1 - 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체

Info

Publication number: KR101428789B1
Application number: KR1020130034536A
Authority: KR
Inventors: 조희근
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-08-08

Abstract

고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체에 관한 것으로, 일면에 제1 미러가 구비되고 길이 방향으로 나선형의 홈 캠이 형성된 제1 경통, 상기 제1 경통 내부에 결합되고 일직선상으로 안내구멍이 형성된 제2 경통, 상기 제2 경통 내부에 결합된 제3 경통의 고정핀이 상기 홈 캠 및 안내구멍을 따라 이동 가능하게 결합된 경통; 상기 제1 경통의 외면에 설치되어 상기 제1 경통의 홈 캠을 따라 돌출되도록 상기 제3 경통을 이송시키는 이송수단, 상기 제3 경통 내부에 구비된 제2 미러를 이송시키는 전개수단을 마련하여 분리된 제2 경통과 제3 경통을 제1 경통에 수납하므로 협소한 크기의 위성에 탑재가 용이하며, 제2 경통을 제1 전개수단에 의해 경통의 전체 길이가 길어지게 되어 고해상도의 영상 이미지를 얻을 수 있는 효과가 얻어진다.

Description

고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체{Optical structure with high-precision focus mechanism for Space Deployable}

본 발명은 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광학구조체의 크기를 줄여 위성에 탑재가 용이하고 광학 카메라의 초점을 정밀하게 제어하는 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체에 관한 것이다.

일반적으로 인공위성은 고난도의 기술과 자본 및 우주기술 인프라가 집약된 국가 핵심 기술력의 결정체이다. 위성은 지상에서 설계, 제작 및 환경시험 후 발사체에 탑재되어 정해진 궤도에 진입하게 된다. 인공위성의 구조, 탑재체 및 각종 부품은 개별적인 수행임무 및 주변 환경에 따라 다르다. 국내외에서 개발된 거의 대부분의 위성은 다양한 형태의 광학카메라를 탑재하고 있다.

광학구조체(탑재체)는 위성부품에서 가장 핵심적이고 고가의 부품이며 위성의 임무를 수행하는데 반드시 필요한 핵심 부품이다. 국내에서 지난 20년간 위성 개발의 경험과 축적된 기술이 있지만, 아직까지 고해상도 광학카메라의 제작 기술은 완전 국산화가 이루어지지 않고 있다.

이 분야의 핵심 기술은 우주기술 선진국인 미국, 유럽 등 소수의 국가에 의해 독점 되고 있다. 국내 우주 선진기술 독립 및 차세대 우주핵심 기술개발을 위해 반드시 필요한 핵심 분야이기 때문에 범국가적 차원에서 전략적 기술개발이 이루어져야 한다.

현재까지 국내에서 전개형 광학구조체에 대한 연구는 전무한 상황이며, 최근 소형 고기동 위성개발에 관심을 가지고 있는 국방 분야에서 군사위성 목적으로 관심을 가지고 있는 상황이다. 소형 고기동 위성에 일체형의 사이즈가 긴 광학구조체를 탑재한다는 것은 임무 수행능력을 저하시키는 큰 장애 요소가 된다.

국내에서는 소형 및 저해상도 카메라를 독자적으로 개발한 경험이 있고, KOMPSAT 위성에 탑재된 대형의 고해상도 카메라는 이스라엘 등 해외 업체들과 공동개발을 하였는데, 모두 비 전개형의 일체형 구조로 제작되어 있다.

또한 국내에서 개발된 광학카메라의 포커스 메커니즘은 수동형 포커스 메커니즘으로, 주로 스파이더(spider)의 열팽창에 의한 보정 개념으로 설계되었다. 무게 100~200kg급의 소형위성에 탑재된 기타 다양한 카메라는 운용 중 외란(disturbance)에 의한 초점 오차가 발생했을 때 이를 보정할 수 있는 기능이 없다.

지금까지 국내에서 제작되어 탑재된 광학카메라에 대한 현황은 다음과 같다. 국내에서 개발되어 위성에 탑재된 광학구조체(탐재체)는 1992년 8월에 발사된 위성인 우리별 1호에 장착 된 지구표면 촬영 카메라가 최초이다. 이후 우리별 2호와 3호가 개발 되었으며, 1999년 발사된 우리별 3호에는 구경 0.2m로 해상도 13.5m를 구현 가능한 광학탑재체가 장착되어 본격적인 우주용 광학 탑재체 개발이 시작 되었다고 할 수 있다.

1999년 발사된 다목적 실용위성 1호(KOMPSAT-1)의 전자광학카메라(EOC)가 6.6m 해상도를 구현 하였으며, 2006년 발사한 다목적 실용위성 2호(KOMPSAT-2)의 지구관측용 고해상도 광학카메라(MSC)는 상용위성으로 1m급 해상도를 제공하고 있다. 이들 광학카메라는 전부 일체형 구조체로 제작되었으며, 크기는 지름이 대략 수십 cm이고, 길이는 m급의 광학구조체이다.

소형위성 등 기타 국내에서 개발된 탑재체로는 과학기술위성 1호에 탑재된 천문관측용의 원자외선 분광기(FIMS: far ultraviolet imaging spectrograph), 과학기술위성 3호에는 우리은하 근적외선 방출광 및 우주배경 복사 관측용 다목적 적외선 영상시스템(MIRIS: multi-purpose infrared imaging system) 카메라와 지구관측용 해상도 42m인 다채널 소형 영상분광기 (COMIS: compact imaging spectrometer) 카메라 등이 탐재되었다.

이와 같이 국내에서는 지상관측 및 천체 관측 카메라 등 다수의 우주용 위성탑재 카메라가 개발되었거나 개발되고 있다. 소형 광구조 부품은 국내에서 설계 및 제작되어 탑재되었으나, 다목적 실용위성 2호와 같은 고해상도 카메라에 적용되는 대형 초정밀 광구조물의 개발 측면에서는 본격적인 국내 개발이 이루어지지 않고 있는 실정이다.

국내 광학 탑재체 개발 인프라에 있어 우리별 시리즈(1,2,3), 과학기술위성 시리즈(1,2,3), 다목적 실용위성 시리즈(1,2,3,5)는 각각 한국과학기술원 인공위성연구센터와 한국항공우주연구원에서 개발을 주관하였다. 국내 기업으로는 1998년 대우중공업(주)과 고등기술연구원(IAE)에서 지상 실험용으로 구경 0.8m 비구면 광학계와 경통을 제작한 경험이 있으며, 세트렉아이에서 광학계 구경 0.3m 급의 탑재 카메라를 개발하여 성공적으로 발사 검증을 하였다.

한편 위성탑재용 전개형 광학카메라 및 포커스 메커니즘 설계에 있어서 최고의 기술수준을 가지고 있는 나라는 미국과 유럽이다. 논문 및 기타 보고서를 통하여 보고된 바에 의하면 전개형 광학구조체뿐만 아니라 우주공간에서 전개 할 수 있는 다양한 구조물의 설계 및 적용에 대한 선행연구가 활발히 이루어지고 있다. 우주광학 카메라 분야에서 기술 선진국인 미국 및 유럽 등에서는 이미 오랜 시간 동안 일체형 광학구조체를 개발한 기술력을 보유하고 있다.

프랑스의 SPOT 시리즈를 시작으로 IKONOS-2, Orbview, QuickBird, WorldView-2 및 최근 고해상도의 영상을 제공하는 GeoEye-1까지 이어지고 있다. 이러한 축적된 기술을 바탕으로 전개형 광학구조체를 이미 개발하여 적용하고 있는 상황이며 대표적인 예로는 미국의 JWST와 Atlas V400 CSS2, ESA의 XMM와 IXO, 이탈리아의 MITAR 등이 있다.

일체형 구조로 된 광학구조체는 가혹한 우주환경과 발사 시 발사체에 의한 진동에 충분히 견딜 수 있도록 대부분 복합재료를 사용하고 있다. 국내에서는 아직 이러한 고정밀도 대구경 경통의 제작기술이 전무한 상태이며 순전히 해외기술에 의존하고 있다. KOMPSAT 등에 탑재된 경통도 수십~수백억 정도의 비용을 해외 업체에 지불하고 구매를 하였다. 많은 위성부품 중에서도 특히 경통은 고가이면서 국산화가 되지 않은 우주핵심 기술분야이다. 특히 NASA JWST(James Webb Space Telescope)는 수 미터 길이의 광학구조체를 지상에서 접은 상태로 발사한 다음 우주공간에서 전개하는 획기적인 구조를 가지고 있다.

위성에 탑재된 광학카메라의 성능을 최적화 하기 위한 포커스 메커니즘에 대한 연구 및 개발은 주로 미국, 유럽 등에서 활발하게 이루어졌다.

특히 고정밀 대구경 광학카메라는 그 가격이 수백억에 달하는 고가이며 광학 정밀도를 높이기 위한 최첨단 포커스 메커니즘이 적용되고 있다. 크게 능동형과 수동형으로 구분되며 수동형 보다는 액츄에이터에 의한 제어기능을 가지고 있는 능동형이 훨씬 높은 성능을 나타낸다.

수동형은 주로 스파이더 혹은 스트럿의 열팽창 등 단순한 구동메커니즘이 적용된 것을 말한다. 대표적인 능동형 액츄에이터 포커스 메커니즘으로 ESA의 태양관측 SOHO 위성에 장착되었다. NASA의 Kepler 위성의 능동형 포커스 메커니즘으로, 능동형 메커니즘이지만 고정밀 보정을 할 수 있도록 설계되었다.

광학구조체는 위성구조체에 탑재되어 발사되기 때문에 발사체의 한정된 사용 공간 및 무게 등의 제약을 많이 받는다. 발사 시의 고비용을 줄이고 지상에서 최소의 크기로 제작되어 우주에서 운용할 때 최대의 성능을 발휘하는 광학계의 설계 목적을 달성하기 위해서 전개형 구조체의 방식으로 제작하는 것이 반드시 필요하다.

전개형 구조체의 정확도는 중심점의 위치가 이론적 중심위치로부터 반경 50㎛ 이하이다. 발사 시의 진동은 광학계가 받는 구조적 변형, 파괴, 손상을 일으키는 주요 원인이 되며, 광학계는 그 특성상 미소 변형이나 미소 크랙에 대해서도 성능에 상당한 영향을 받는다. 따라서 이러한 외란에 대하여 구조적인 안정성을 확보하는 측면에서도 전개형 구조체 형식으로 제작하는 것이 매우 효과적이다.

광학구조체는 열팽창, 진동, 외력 등 외부적인 외란에 의한 변형에 잘 대처할 수 있도록 열변형이 적고 비강도 및 비강성이 매우 강한 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics ), CFRP와 같은 복합재료, 경량 고강도 특수합금 등으로 제작되고 있다. 국내 순수 광학 모델인 우리별 3호 탑재 카메라(13.8m급 해상도)는 구경이 약 30cm 이며 알루미늄 재질로 제작되었고, 해외기술 협력으로 개발된 다목적 실용위성 1, 2호 광학카메라는(각각 6.6m, 1m급 해상도)는 유효 구경이 약 60cm 정도이며 일체형 복합재 경통으로 제작되었다. 이와 같이 기존에 개발되어 적용된 광학구조체의 구조적 특성은 고해상도로 갈수록 구조체의 사이즈가 커지는 것을 알 수 있다.

광학구조체의 경우 사이즈가 커지면 일체형으로 제작하는데 매우 높은 수준의 기술적 어려움이 있을 뿐만 아니라 고정밀을 추구하는 광학계의 설계 요구조건을 충족하기가 매우 어렵다. 따라서 이러한 문제점들을 극복하기 위하여 최근 새로운 설계 및 제작기법들에 대한 연구가 미국/유럽 등 우주선진국에서 활발하게 진행되고 있다.

특히 최근 우주선진국에서는 차세대 국방, 과학, 상업용 위성들이 고성능, 초경량, 소형화, 고기동의 목적을 달성하기 위하여 다기능 구조체 등 새로운 개념의 구조설계기술을 개발하고 있다. 전개형 광학구조체의 개발도 이러한 연구개발 방향의 핵심 연구테마이며, 선진국에서는 본격적인 연구, 개발 및 적용에 대한 선행연구가 되고 있는 실정이다.

광학구조체의 설계 핵심은 외력, 진동, 온도, 산화 등에 의한 내구성이 크고 구조적 변형이 매우 작아야 한다. 이것은 광학계의 최대 목적인 선명한 이미지를 얻기 위한 미러의 포커스를 허용 오차범위 내로 정확하게 맞추어야 하기 때문이다.

광학계의 주경과 부경을 지지하는 구조체의 재료들이 외력, 진동, 열에 대한 안정성 및 내구성이 크다고 하더라도 지상에서의 제작에서부터 발사 및 우주공간에서 운용되기까지 수많은 원인들에 의해서 미러들의 위치가 변하게 되며 이것은 포커스 오차를 발생시켜 광학계의 성능을 저하시킨다. (포커스 메커니즘의 목표 스팩: Residual wavefront error (RMS) < lambda/20 @ lambda=0.6328 micron.) 외란에 의해 자연적으로 발생한 미러의 위치이동을 인위적 방법에 의해서 정확한 위치로 재 이동하여 미러의 포커스를 정확하게 보정함으로써 선명한 이미지를 획득할 수 있는 가장 확실하고 직접적인 방법이다.

인공위성 탑재용 광학구조체의 기술에 있어서 국내 기술수준은 외국에 비해서 약 20~30% 수준이다. 따라서 이 분야에 대한 국내기술 자립이 반드시 필요한 부분이며, 국내기술을 독자적으로 개발할 경우에는 수입 대체로 인한 막대한 비용 절감뿐만 아니라 국가 기술위상을 높일 수 있는 핵심 연구 분야이다.

유럽의 ESA, 미국의 NASA, 일본의 JAXA 등 우주기술 선진국에서는 전개형 광학 구조체 개발의 기술축척이 되어 있는 상태이며 기술적으로 안정화 단계에 진입하고 있다. 또한 광학 포커스 메커니즘 기술은 광학계의 고급기술이지만 선진국의 경우 매우 높은 기술수준을 가지고 있다.

국내 기술수준은 외국의 기술 선진국과 달리 우주 광학구조체의 고해상도 카메라 개발 기술이 미흡한 실정이며, 전개형 광학구조체의 경우 국내에서는 전혀 연구 및 개발이 이루어지지 않았다. 광학계의 포커스 메커니즘의 경우 다목적 실용위성 등 중형급 위성을 국내 개발하면서 어느 정도 기술 개발이 이루어졌으나 여전히 선진국에 기술을 의존하고 있으며 기술자립이 아직 미흡한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0121225호(2011년 11월 07일 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-0587528호(2006년 05월 30일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0775988호(2007년 11월 06일 등록) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0072586호(2012년 07월 04일 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 두 개로 분리된 원통형의 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 세라믹 볼스크류를 적용한 직경 0.5m급의 포커스 메커니즘으로 작동되는 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열팽창율이 거의 0에 가까우며 고온 특성 및 경도와 강성이 우수한 세라믹볼을 사용하여 위치결정 정도가 0.1㎛ 이하인 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체는 일면에 제1 미러가 구비되고 길이 방향으로 나선형의 홈 캠이 형성된 제1 경통, 상기 제1 경통 내부에 결합되고 일직선상으로 안내구멍이 형성된 제2 경통, 상기 제2 경통 내부에 결합된 제3 경통의 고정핀이 상기 홈 캠 및 안내구멍을 따라 이동 가능하게 결합된 경통; 상기 제1 경통의 외면에 설치되어 상기 제1 경통의 홈 캠을 따라 돌출되도록 상기 제3 경통을 이송시키는 이송수단, 상기 제3 경통 내부에 구비된 제2 미러를 이송시키는 전개수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 이송수단은 상기 제1 경통의 외측에 설치되는 구동모터, 상기 구동모터의 구동 기어와 맞물려 회전되는 접속 기어가 구비된 동력전달부, 상기 제1 경통의 외면에 고정되어 상기 종동기어와 맞물리는 회전 기어, 상기 제1 경통의 외면에 길이 방향을 따라 나선으로 형성된 홈 캠, 상기 제3 경통에 고정되어 상기 홈 캠 및 안내구멍을 따라 이송되는 고정핀을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전개수단은 상기 제3 경통의 내부에 고정되는 다수의 제1 유니버셜 조인트, 상기 유니버셜 조인트에 고정되는 구동모터, 상기 구동모터에 의해 회전 이송되어 길이 가변되는 스크류를 구비한 볼 스크류 조립체, 상기 스크류의 끝단에 고정되는 다수의 제2 유니버셜 조인트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 경통은 탄소나노튜브를 첨가한 3상 복합재 또는 얇은 플라이 복합재료 중 어느 하나로서, 가스 분출(outgasing)과 수분 흡습성이 적으며 열변형이 0에 가깝고 층간전단응력이 우수한 카본(carbon), 그라파이트(graphite), 바론 파이버(baron fiber), 시아네이트 실록산(cyanate siloxane), 시아네이트 에스테르(cyanate ester), 에폭시 레진(epoxy resin)인 것을 특징으로 한다.

상기 볼 스크류 조립체는 강성, 열팽창, 내구성, 가스 분출에 대한 신뢰성을 갖는 질화규소 세라믹 볼을 포함하며, 상기 세라믹 볼의 기동토크는 0.01N·m인 것을 특징으로 한다.

상기 볼 스크류 조립체는 암나사 내부에 삽입된 디플렉터에 의해 1 리드별로 순환하는 하나의 사이클로 안내되는 것을 특징으로 한다.

상기 전개수단은 볼 스크류 조립체의 길이를 변화시켜 상기 제2 미러의 위치 이동 및 자유도를 제어하는 3벡터 합성에 의해 중심점으로부터 오차가 50㎛ 이내로 유지하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은 분리된 제2 경통과 제3 경통을 제1 경통에 수납하므로 협소한 크기의 위성에 탑재가 용이하며, 제2 경통을 제1 전개수단에 의해 경통의 전체 길이가 길어지게 되어 고해상도의 영상 이미지를 얻을 수 있고, 분리형으로 된 경통의 열변형이 종래의 일체형에 비해 10~20% 정도로 유지되며, 세라믹 볼 스크류를 사용하므로, 적은 기동으로도 구동됨은 물론 초정밀 이송이 가능한 효과가 얻어진다.

또한 본 발명은 전개수단에 의해 제2 미러의 위치 및 자유도를 제어하므로 포커스를 고정밀도로 제어할 수 있고, 유니버셜 조인트의 회전 유효반경 내에서 제2 미러를 자유롭게 회전시킬 수 있는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명에 따른 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체가 전개된 상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 우주용 전개형 광학구조체의 전개수단을 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제2 미러의 위치 변환 개념도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체를 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체가 전개된 상태를 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 우주용 전개형 광학구조체의 전개수단을 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 부분 확대도이며, 도 6은 본 발명에 따른 제2 미러의 위치 변환 개념도이다.

도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체는 일면에 제1 미러(40)가 구비되고 길이 방향으로 나선형의 홈 캠(15)이 형성된 제1 경통(11), 상기 제1 경통(11) 내부에 결합되고 일직선상으로 안내구멍(14)이 형성된 제2 경통(12), 상기 제2 경통(12) 내부에 결합된 제3 경통(13)의 고정핀(16)이 상기 홈 캠(15) 및 안내구멍(14)을 따라 이동 가능하게 결합된 경통 조립체(10); 상기 제1 경통(11)의 외면에 설치되어 상기 제1 경통(11)의 홈 캠(15)을 따라 돌출되도록 상기 제3 경통(13)을 이송시키는 이송수단; 상기 제3 경통(13) 내부에 구비된 제2 미러(50)를 이송시키는 전개수단(30)을 포함한다.

상기 경통 조립체(10)는 분리형으로 이루어지는데, 직경이 큰 제1 경통(11)과 직경이 작은 제2 경통(12) 및 제2 경통(12) 보다 작은 직경으로 이루어진 제3 경통(13)으로 이루어져 있다. 상기 제2 경통(12) 외측의 제1 경통(11)은 이송수단(20)에 의해 제2 경통(12)에 대하여 회전 가능하게 결합되며, 제3 경통(13)은 제2 경통(12)의 내부에 이동 가능하게 결합되어 있다.

상기 제2 경통(12)의 일면에는 제1 미러(40)가 고정되어 있고, 상기 제2 경통(12)은 위성 본체(도면상 미도시됨)에 지지되어 있으며, 상기 제2 경통(12)에는 길이 방향을 따라 안내구멍(14)이 형성되어 있으며, 제3 경통(13)에는 고정핀(16)이 고정되어 있다.

상기 고정핀(16)은 제2 경통(12)의 안내구멍(14)을 관통하여 제1 경통(11)에 형성되어 있는 홈 캠(15)을 따라 이동 가능하게 고정되어 있다.

상기 경통 조립체(10)는 가스 분출(outgasing) 및 습윤 방지용 기지(matrix) 재료를 사용하며, 층간전단응력(ILSS: Inter-Laminar Shear Stress)의 증가로 전단파괴 또는 층간분리현상이 발생하지 않는 복합재를 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 복합재로는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nanotube)를 포함한 3상 복합재 또는 얇은 플라이 복합재료로서, 3상 복합재는 두 종류의 구형 입자를 포함하는 3상 복합재이고, 얇은 플라이 복합재료는 탄소 섬유의 얇은 플라이들을 서로 다른 방향으로 적층한 것으로, 카본(Carbon), 그라파이트(Graphite), 바론 파이버(Baron Fiber), 시아네이트 실록산(Cyanate Siloxane), 시아네이트 에스테르(Cyanate Ester), 에폭시 레진(Epoxy Resin) 등을 사용한다.

상기 제1 경통(1)의 외부에는 이송수단(20)이 구비되어 있으며, 상기 이송수단(20)은 회전 기어(21), 접속 기어(22), 구동 기어(23) 및 구동 모터(24)를 포함한다.

상기 이송수단(20)은 제2 경통(12) 내부에 결합되어 있는 제3 경통(13)을 이동시켜 줌으로써 경통 조립체(10)의 전체 길이를 신장시킨다.

이러한 제1 경통(11)의 외면에는 회전 기어(21)가 구비되어 있고, 회전 기어(21)에는 접속 기어(22)가 맞물려 있으며, 접속 기어(22)에는 구동 기어(23)가 맞물려 있고, 구동 기어(23)에는 구동 모터(24)가 설치되어 있다. 상기 회전 기어(21), 접속 기어(22) 및 구동 기어(23)로 이루어진 동력전달부는 구동모터(24)의 회전력을 전달하는 것으로, 체인과 스프로킷 또는 베벨 기어 등과 같은 구동모터(24)의 회전력으로 제1 경통(11)을 회전시키는 것이면 족하다.

또 제1 경통(11)에는 길이 방향을 따라 나선형으로 된 홈 캠(15)이 형성되어 있으며, 홈 캠(15)에는 안내구멍(15)을 관통한 고정핀(16)이 이동 가능하게 결합되어 있고, 상기 고정핀(16)은 제3 경통(13)에 고정되어 있다.

이러한 이송수단(20)은 제3 경통(13)을 제2 경통(12)의 외부로 이동시켜 줌으로써 경통 조립체(10)의 전체 길이를 신장하게 된다.

또한 제3 경통(13) 내부에는 제1 미러(40)와 제2 미러(50) 사이의 길이를 조정함은 물론 포커스 등을 조정하는 전개수단(30)이 설치되어 있다. 상기 전개수단(30)은 제1 유니버셜 조인트(31), 제2 유니버셜 조인트(34), 구동모터(32)와 스크류(33)를 구비하는 스크류 조립체를 포함한다.

상기 제3 경통(13) 내주면에는 다수의 제1 유니버셜 조인트(31)의 고정부가 고정되어 있으며, 각 제1 유니버셜 조인트(31)의 회전부에는 구동모터(32)가 설치되어 있다.

상기 구동모터(32)에는 스크류(33)가 회전 가능하게 접속되어 있다. 또 스크류(33)의 외면에는 암나사(미도시)가 결합되어 있으며, 암나사의 내부에는 디플렉터(미도시)가 설치되고, 디플렉터에 제2 유니버셜 조인트(34)의 회전부가 접속된다.
상기 제2 유니버셜 조인트(34)의 고정부는 제2 미러(50)의 회주면에 고정 설치된다.

상기 스크류(33)의 외부에는 케이싱(35)이 마련되어 있으며, 암나사, 스크류 조립체는 인바(Invar)에 비해 고온 특성이 더욱 좋고 충분한 경도 및 강성을 지닌 질화규소(Si₃N₄)를 적용하는 것이 바람직하다.

상기 질화규소는 특히 지상에서 수분 흡습성(습윤성)이 매우 적고 열변형이 0에 가까워 우주 광학 구조물용으로 사용되고 있다. 즉, 우주 공간에 있는 위성은 대략 200℃에서 영하 270℃ 정도의 온도 범위에서 작동한다.

이러한 온도 편차에 대해서도 상하로 분리된 전개형 광학구조체가 우주 공간에서 전개되는데 문제가 없을 뿐만 아니라 전개 후 초미소 변위를 보장할 수 있는 구조적 메커니즘으로 이루어져야 한다.

이는 전개수단의 운동 특성을 개선하고 열팽창에 의한 구조적인 변형을 방지하게 되며, 질화규소의 내열충격저항이 약 600℃ 정도로 충분하므로, 우주용 광학구조체에 적용될 만큼 충분한 물성 특성을 가지고 있다.

또한 스크류 조립체의 기동토크는 0.01N·m로 아주 작기 때문에 구동모터의 작은 파워로도 쉽게 구동이 가능하기 때문이다.

아울러 스크류의 위치결정 정도는 0.1㎛ 이하며, 약 200℃까지 열팽창율이 거의 0에 가까운 특성을 갖고 있으며, 초정밀 이송이 가능하도록 하기 위하여 디플렉터 타입을 사용한다.

상기 디플렉터는 암나사 사이를 전동하는 강구가 암나사 내부에 삽입되어 있는 디플렉터에 안내되어 1리드 별로 순환하여 하나의 사이클을 구성한다.

또한 디플렉터 구조는 컴팩트하고 회전 밸런스가 우수하며 신뢰성이 높고, 강성, 열팽창, 내구성 및 가스 분출에도 충분한 신뢰성을 갖고 있으며, 스크류의 재질로는 탄화규소(SiC) 계열의 복합재를 사용할 수도 있다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체는 전개수단(30)의 스크류 조립체를 미리 조립하고, 스크류 조립체의 양단에는 각각 제1 유니버셜 조인트(31)의 회전부와 제2 유니버셜 조인트(34)의 회전부를 결합한다.

삭제

상기 제2 미러(50)의 외주면에는 도 4에 도시된 바와 같이, 3개의 제2 유니버셜 조인트(34)의 고정부를 고정하며, 제3 경통(13)의 내면에는 도 1 내지 도 3과 같이, 제1 유니버셜 조인트(31)의 고정부를 고정한다. 상기 전개수단(30)은 구동모터(32)를 포함하는 스크류 조립체를 통해 제2 미러(50)의 위치 이동 및 회전 자유도를 정밀하게 제어할 수 있다.

즉, 제2 미러(50)는 도 6에 도시된 바와 같이 전개수단(30)을 통해 제1 미러(40)와의 거리를 조정할 수 있고, 제1 미러(40)에 대해 수평 상태를 유지하기 위하여 스크류 조립체의 각각의 신장 길이를 조정하게 된다. 이때 3개의 전개수단(30)은 포커스 메커니즘으로서, 3개 지점의 지지길이를 조절하는 것에 의해 제1 미러(40)와 제2 미러(50)의 포커스를 조정하게 된다.

이러한 스크류 조립체 각각의 길이를 조정함으로써 제2 미러(50)의 기울기(tilt)를 조정할 수 있으며, 제1 유니버셜 조인트(31)의 회전부 또는 제2 유니버셜 조인트(34)의 회전부를 회전시켜 제1 미러(40)와의 중심점을 조정하게 된다.

상기 제2 미러(50)는 제1 미러(40)의 중심점과의 오차를 50㎛ 이내로 조정할 수 있게 된다.

상기 제2 경통(12)은 제1 경통(11) 내부에 끼워지고, 제3 경통(13)은 제2 경통(12) 내부에 끼워진다. 또 제1 경통(11)의 홈 캠(15)에는 제2 경통(12)의 안내구멍(14)을 관통한 고정핀(16)을 끼운 다음 고정핀(16)을 제3 경통(13)에 고정하며, 제1 경통(11)의 회전 기어(21)에는 이송수단(20)의 접속 기어(22)와 구동 기어(23) 및 구동 모터(24)를 접속하고, 제1 경통(11) 일면에는 제1 미러(40)를 고정한다.

이렇게 조립된 광학구조체는 제3 경통(13)과 제2 경통(12)이 제1 경통(11) 내부에 수납된 상태이므로, 크기가 제한된 위성에 탑재 시 협소한 공간을 차지하게 된다.

한편 광학구조체는 위성에 탑재되어 발사체에 의해 정해진 우주 궤도로 쏘아 올려지고, 궤도에 안착된 위성은 광학구조체를 전개하게 된다.

이러한 광학구조체의 전개는 이송수단(20)에 의해 제3 경통(13)이 제2 경통(12)의 외부로 돌출된다. 즉, 위성이 일정 궤도에 도달한 경우, 기지국에서 위성의 제어시스템을 통해 도 3에 도시된 바와 같이, 이송수단(20)의 구동모터(24)를 구동하여 동력전달부를 회전시킨다.

이에 따라 제1 경통(11)은 위성 본체에 고정되어 있는 제2 경통(12) 외측에서 회전되며, 제1 경통(11)의 회전에 의해 홈 캠(15)에 결합되어 있는 고정핀(16)이 이동되면서 제3 경통(13)을 제2 경통(12)로부터 돌출시킨다. 이때 제2 경통(12)은 위성 본체에 고정되어 있어 회전되지 않으므로 제3 경통(13)의 고정핀(16)은 회전되는 제1 경통(11)의 홈 캠(15)을 따라 이동하게 된다.

이렇게 분리된 경통 조립체(10)의 전개가 완료되면, 위성 제어시스템은 전개수단(30)을 전개하게 된다. 상기 전개수단(30)은 구동모터(32)를 구동하여, 스크류(33)가 회전되면서 제2 미러(50)를 제3 경통(13)으로부터 돌출시킨다.

아울러 위성 제어시스템은 전개수단(30)의 전개가 완료된 다음 제1 미러(40)와 제2 미러(50) 사이의 거리, 포커스 등을 조정하게 된다.

즉, 위성 제어시스템은 전개수단(30)의 전개가 완료된 다음 제1 미러(40)와 제2 미러(50) 사이의 길이를 먼저 조정한다. 상기 제1 미러(40)와 제2 미러(50)의 길이 조정은 도 6에 도시된 바와 같이, 3개의 스크류 조립체를 동시에 구동시켜 설정하고자 하는 길이로 조정된다.

또 전개수단(30)은 길이 조정이 이루어진 다음 제2 미러(50)가 제1 미러(40)와 동일한 수평으로 유지되도록 3개의 스크류 조립체를 각각 미세 제어하여 제2 미러(50)를 제1 미러(40)와 수평으로 유지되게 한다. 이때 제1 유니버셜 조인트(31)의 회전부와 제2 유니버셜 조인트(33)의 회전부는 회전이 자유롭게 이루어지므로, 각각의 스크류 조립체를 회전시켜 제2 미러(50)를 제1 미러(40)와 동일한 수평 상태로 조정한다.

또한 전개수단(30)은 제1 미러(40)의 중심점에 일치되도록 제2 미러(50)의 위치를 조정하게 되는데, 3개의 전개수단(30) 각각을 길이 조정하여 제1 미러(40)의 중심점과 일직선이 되게 조정한다.

이러한 제2 미러(50)의 조정은 길이 조정, 기울기 조정, 중심점의 조정 순서를 달리하여 조정할 수 있음은 물론이다.

이상에서 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변경 가능함은 물론이다.

10: 경통 조립체 11: 제1 경통
12: 제2 경통 13: 제3 경통
14: 안내구멍 15: 홈 캠
16: 고정핀 20: 이송수단
21: 회전 기어 22: 접속 기어
23: 구동 기어 24: 구동 모터
30: 전개수단 31: 제1 유니버셜 조인트
32: 구동모터 33: 스크류
34: 제2 유니버셜 조인트 35: 케이싱
40: 제1 미러 50: 제2 미러

Claims

일면에 제1 미러(40)가 구비되고 길이 방향으로 나선형의 홈 캠(15)이 형성된 제1 경통(11), 상기 제1 경통(11)의 내부에 결합되고 일직선상으로 안내구멍(14)이 형성된 제2 경통(12), 상기 제2 경통(12)의 내부에 결합된 제3 경통(13)의 고정핀(16)이 상기 홈 캠(15) 및 안내구멍(14)을 따라 이동 가능하게 결합된 경통 조립체(10);
상기 제1 경통(11)의 외주면에 설치되고 상기 제1 경통(11)을 회전시켜 상기 제3 경통(13)을 전개하는 이송수단(20);
상기 제3 경통(13)의 내부에 설치되고 상기 제2 미러(50)를 전개하는 전개수단(30);을 포함하고,
상기 이송수단(20)은
상기 제1 경통(11)의 외측에 설치되는 구동모터(24);
상기 구동모터(24)의 구동 기어(23)와 맞물려 회전되는 접속 기어(22);
상기 제1 경통(11)의 외면에 마련되고 상기 접속 기어(22)와 맞물리는 회전 기어(21);를 포함하며,
상기 전개수단(30)은
제2 경통(12)의 내주면에 설치되는 제1 유니버셜 조인트(31);
제2 미러(50)의 외주면에 설치되는 제2 유니버셜 조인트(34); 및
상기 제1 유니버셜 조인트(31)와 제2 유니버셜 조인트(34)의 사이에 마련되는 스크류 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체.
삭제
제1항에 있어서,
상기 전개수단(30)의 스크류 조립체는
제1 유니버셜 조인트(31)의 회전부에 설치되는 구동모터(32);
상기 구동모터(32)에 회전 가능하게 접속되는 스크류(33);
상기 스크류(33)의 외면에 결합되는 암나사;
상기 암나사에 승강 가능하게 접속되는 디플렉터;
상기 디플렉터에 설치되는 제2 유니버셜 조인트(34)의 회전부; 및
상기 암나사의 외측에 설치되는 케이싱(35);을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체.
제1항에 있어서,
상기 경통 조립체(10)는 탄소나노튜브를 첨가한 3상 복합재 또는 얇은 플라이 복합재료 중 어느 하나로서, 가스 분출(outgasing)과 수분 흡습성이 적으며 열변형이 0에 가깝고 층간전단응력이 우수한 카본(carbon), 그라파이트(graphite), 바론 파이버(baron fiber), 시아네이트 실록산(cyanate siloxane), 시아네이트 에스테르(cyanate ester), 에폭시 레진(epoxy resin)인 것을 특징으로 하는 고정밀 포커스 메커니즘을 갖는 우주용 전개형 광학구조체.
삭제
삭제
삭제