KR102264913B1 - 평면 형태로 수납 가능한 전개형 트러스 붐 구조물 - Google Patents

평면 형태로 수납 가능한 전개형 트러스 붐 구조물 Download PDF

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한재흥
김태현
서종은
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 평면 형태로 수납 가능한 전개형 트러스 붐 구조물에 관한 것으로, 전개형 트러스 붐 구조물은 제1 유닛, 제2 유닛 내지 제N 유닛의 N개의 유닛을 포함하고, 상기 N개의 유닛 각각은 동일한 개수의 시저스 요소들을 포함하고, 상기 시저스 요소는 2개의 부재를 포함하고, 상기 2개의 부재는 제1 위치에서 서로 결합되고, 상기 2개의 부재가 상기 제1 위치를 중심으로 회전하면서 상기 시저스 요소를 수납 상태 또는 전개 상태로 형성하고, 제1 시저스 요소에 포함된 부재의 각 종단은 적어도 하나의 다른 시저스 요소에 포함된 부재의 종단과 연결되고, 상기 전개형 트러스 붐 구조물에 포함된 모든 시저스 요소의 2개의 부재는 상기 수납 상태에서 제1 각도를 형성하고, 전개 완료 상태에서 제2 각도를 형성하고, 제n 유닛에 포함되는 부재의 길이(Ln)는 n값이 커지게 됨에 따라 작아져, 상기 수납 상태에서는 상기 N개의 유닛이 하나의 평면을 형성하도록 하고, 상기 전개 상태에서 상기 부재들의 종단들을 연결하면 다각형 뿔대를 형성하도록 할 수 있다.

Description

평면 형태로 수납 가능한 전개형 트러스 붐 구조물 {Deployable Truss Boom Structure foldable into Planar Form}
다양한 실시 예들은 평면 형태로 수납 가능한 전개형 트러스 붐 구조물에 관한 것이다.
최근 우주 기술이 발전됨에 따라, 대형 위성부터 초소형 위성까지 다양한 크기의 인공위성을 이용하여 우주 임무를 수행하려는 시도가 활발하다. 또한, 고성능의 임무 완수를 위해 대형 우주 구조물에 대한 요구가 증가하고 있다.
한편, 위성체의 크기는 점점 작아지면서 초소형 위성 또는 큐브 위성을 이용해서도 실질적인 임무 수행이 가능함이 보여지고 있다. 이처럼 위성체에 탑재할 수 있는 공간은 점점 더 작아지지만, 우주 구조물은 높은 수준의 요구조건을 만족시키기 위해서 대형화되는 추세이다. 따라서, 발사체와 위성체의 한정적인 공간에 대형 우주 구조물을 효율적으로 수납하기 위한 전개형 구조물의 필요성이 주목받고 있다.
전개형 구조물이란 형상을 변형하여 작은 부피의 형태로 수납이 가능하고, 전개를 하면 큰 부피를 가지면서 하중을 지지할 수 있는 구조물로, 수납과 운송이 효율적인 장점을 가지는 구조물을 말한다. 이러한 특성에 의해 전개형 구조물은 우주 기술뿐만 아니라 건축, 생물, 기계 등 다양한 분야와 일상생활에도 자주 활용될 수 있다.
전개형 구조물 중에서 트러스 또는 빔 같은 형상의 전개형 구조물을 일반적으로 전개형 붐(Boom) 또는 마스트(Mast) 구조물이라고 말한다. 전개형 붐 구조물은 센서, 구동기, 반사판, 패널 등 다양한 장비를 위성의 버스로부터 원하는 거리만큼 위치시키는 데 사용된다. 붐 구조물은 재료와 형상, 메커니즘에 따라 STEM(Storable Tubular Extendible Member), 신축(telescopic) 붐, 트러스(truss) 붐 등 여러 종류가 존재한다.
우주 환경은 지상의 환경과는 다른 특성을 가지고 있으며 구조물이 궤도상에 올라가게 되면 수리 및 보수가 매우 어렵기 때문에, 전개형 구조물을 우주 환경에서 사용하기 위해서는 강성, 강도, 비틀림 강성, 열 안정성, 수납률, 전개 신뢰성 등 많은 요구조건을 고려해야 한다. 또한, 발사 비용 저감을 위해 가벼우면서 간단한 메커니즘이 요구된다.
많은 전개형 구조물 중에서, 형상과 메커니즘이 다양하고 강성이 높으며 안정적인 전개형 트러스 붐 구조물이 자주 사용되고 있다. 하지만 대부분의 트러스 붐 구조물은 신축 붐과는 다르게 내부 공간을 활용하지 않으며, 여러 유닛을 사용하면 부재의 두께 때문에 수납 상태의 부피가 크고 수납 효율이 낮은 단점을 갖는다.
본 개시의 다양한 실시 예는 전개형 트러스 붐 구조물의 장점을 유지하면서 구조물의 수납 효율을 높일 수 있는 전개형 트러스 붐 구조물을 제공하고자 한다.
본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 전개형 트러스 붐 구조물은 제1 유닛, 제2 유닛 내지 제N 유닛의 N개의 유닛을 포함하고, 상기 N개의 유닛 각각은 동일한 개수의 시저스 요소들을 포함하고, 상기 시저스 요소는 2개의 부재를 포함하고, 상기 2개의 부재는 제1 위치에서 서로 결합되고, 상기 2개의 부재가 상기 제1 위치를 중심으로 회전하면서 상기 시저스 요소를 수납 상태 또는 전개 상태로 형성하고, 제1 시저스 요소에 포함된 부재의 각 종단은 적어도 하나의 다른 시저스 요소에 포함된 부재의 종단과 연결되고, 상기 전개형 트러스 붐 구조물에 포함된 모든 시저스 요소의 2개의 부재는 상기 수납 상태에서 제1 각도(2θ0)를 형성하고, 전개 완료 상태에서 제2 각도(2θf)를 형성하고, 제n 유닛(n=1,…,N)에 포함되는 부재의 길이(Ln)는 n값이 커지게 됨에 따라 작아져, 상기 수납 상태에서는 상기 N개의 유닛이 하나의 평면을 형성하도록 하고, 상기 전개 상태에서 상기 부재들의 종단들을 연결하면 다각형 뿔대를 형성하도록 할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 좀 더 효율적은 공간 활용이 가능한 매커니즘을 이용하여 설계됨에 따라 구조물의 수납 효율을 높이고, 구조물을 경량화, 소형화하여 비용 절감과 고성능의 임무 수행이 가능하도록 할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 간단한 메커니즘의 시저스 요소(scissor-like element)를 이용하여 쉽고 반복적인 전개가 가능하며, 다양한 형상으로 제작이 가능하도록 할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 내부 공간을 활용하여 완전히 접었을 때 부재의 두께와 상관없이 평면 형태로 수납이 가능하다는 기하학적 특징을 가져 기존의 전개형 트러스 붐보다 개선된 수납 효율을 제공할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 와이어를 이용하여 간단한 매커니즘으로 전개하는 방식을 이용하여 전개 신뢰성을 높일 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 전개형 트러스 구조물의 예를 도시한 도면이다.
도 2는 전개형 트러스 구조물을 구성하기 위해 요구되는 다양한 시저스 요소의 형상을 도시한 도면이다.
도 3은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 평면도의 예들을 도시한 도면이다.
도 4는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 하나의 유닛의 개략적인 전개 과정을 도시한 도면이다.
도 5은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 개략적인 전개 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서 사용되는 시저스 요소의 기하학적 제약 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 시저스 요소의 핀 조인트 위치 결정을 위한 좌표 평면을 도시한 도면이다.
도 8은 유닛 간의 부재 길이 관계식 도출을 위한 좌표 평면을 도시한 도면이다.
도 9는 전개 과정 동안의 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물을 구성하는 시저스 요소와 핀 조인트의 위치를 도시한 도면이다.
도 10은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서의 기하학적 변수들을 도시한 도면이다.
도 11은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서 α와 ρ사이의 관계식 도출을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 θ0와 θ의 변화에 따른 α값을 도시한 도면이다.
도 13은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서 β와 θ사이의 관계식 도출을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 θ0와 θ의 변화에 따른 β 값을 도시한 도면이다.
도 15는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서 전개 길이(h)의 관계식 도출을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 제1 유닛의 부재의 길이(L1)는 1m이고 유닛 개수(n)는 2 또는 3인 경우에 θ0와 θ의 변화에 따른 전개 길이(h)의 변화를 도시한 도면이다.
도 17은 종래의 전개형 구조물과 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 길이 수납률 및 부피 수납률을 도시한 도면이다.
도 18은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에 와이어를 연결한 예를 도시한 도면이다.
도 19는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 시저스 요소의 부재의 형상을 도시한 도면이다.
도 20은 부재의 홈 영역에 의해 전개 완료 시점이 결정되는 것을 도시한 도면이다.
도 21은 일 실시 예에 따른 스프링 힌지의 형상과 치수를 도시한 도면이다.
도 22는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물을 캐니스터에 연결하기 위한 연결 부품 및 연결 형상을 도시한 도면이다.
도 23은 캐니스터의 형상을 도시한 도면이다.
도 24는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 수납 상태 및 전개 상태를 도시한 도면이다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 일반적인 전개형 트러스 구조물의 예를 도시한 도면이다.
신축 붐(Telescopic boom)은 여러 개의 동심 원기둥을 연결한 전개형 구조물로, 내부 공간을 활용하여 안쪽에 유닛을 추가함으로써 수납 효율을 높이고자 하였다. 하지만 전개 과정 동안, 각 유닛의 형상이 변하지 않기 때문에 다른 전개형 구조물에 비해 수납 효율이 높지 않다.
반면, 형상과 메커니즘이 다양하고 안정적이며 높은 강성을 갖는 전개형 트러스 붐 구조물은 도 1에 도시된 것과 같이 전개 과정 동안에 각 유닛의 형상은 변하지만 적재를 위하여 내부 공간을 활용하지 않으며, 복수 개의 유닛(unit)을 사용하면 부재의 두께 때문에 수납 상태의 부피가 커져 수납 효율이 낮을 수 있다.
본 개시에서는 신축 붐처럼 내부 공간에 유닛을 추가하여 수납 상태의 부피를 줄이면서 기존의 트러스 붐 구조물의 안정적이며 높은 강성 등의 장점을 갖는 전개형 트러스 붐 구조물을 제안한다.
도 2는 전개형 트러스 구조물을 구성하기 위해 요구되는 다양한 시저스 요소(scissor-like element)의 형상을 도시한 도면이다.
도 2에서는 (a)는 평면-병진(plane-translational)형, (b)는 곡선-병진(curved-translational)형, (c)는 폴라(polar)형, (d)는 각(angulated)형 시저스 요소의 형상을 도시하고 있다.
일반적인 전개형 트러스 구조물의 경우, 수납과 전개가 가능하도록 조인트로 부재들을 연결한 유닛으로 구성되어 있다. 그런데, 많은 전개형 구조물은 시저스 요소를 이용한다. 시저스 요소를 이용한 구조물은 형상을 쉽고 반복적으로 변형할 수 있어서 다양한 분야에 사용된다. 기본적인 시저스 요소는 중간 지점이 핀 조인트(pin joint)로 연결된 두 개의 부재로 구성되어 있으며, 조인트에 의해 부재의 공통 평면에 수직인 축을 기준으로 회전하면서 다른 자유도는 제한되는 간단한 메커니즘을 가진다.
도 2에 도시된 바와 같이 부재의 길이와 조인트의 위치에 따라 다양한 종류의 시저스 요소가 있다. 이러한 기본적인 시저스 요소를 이용하면 삼각형, 사각형, 육각형 등의 전개형 트러스 구조물뿐만 아니라, 아치나 돔과 같은 다양한 구조물을 만들 수 있다.
본 개시에서 제안하는 트러스 구조물의 한 유닛(unit)은 도 2의 (c)에 도시된 것과 같은 폴라 시저스 요소 복수 개가 결합하여 구성될 수 있다. 도 2의 (c)를 참조하면, 폴라 시저스 요소는 부재의 중심이 아닌 곳에 핀 조인트가 위치하여 두 개의 부재를 연결할 수 있다. 그리고 이러한 시저스 요소를 이용하여 다양한 형상의 트러스 구조물을 만들 수 있다.
도 3은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 평면도의 예들을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 다양한 형상으로 설계가 가능할 수 있다. 도 3의 (a)는 3개의 시저스 요소가 결합하여 하나의 유닛을 형성하고, (b)는 4개의 시저스 요소가 결합하여 하나의 유닛을 형성하고, (c)는 5개의 시저스 요소가 결합하여 하나의 유닛을 형성하는 것을 도시하고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 유닛(110, 120, 130)이 추가될 때 내부 공간에 추가되기 때문에 수납 상태의 부피는 변하지 않으면서 총 전개 길이를 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 하나의 유닛의 개략적인 전개 과정을 도시한 도면이다.
도 5은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 개략적인 전개 과정을 도시한 도면이다.
본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 각각의 시저스 요소들은 서로 힌지로 연결되어, 시저스 요소의 각도가 변하면서 전체 구조물은 입체적으로 전개될 수 있다.
도4에 도시된 바와 같이, 유닛의 꼭지점들이 유닛이 이루는 도형의 무게 중심을 지나는 대각선 방향(410, 420, 430, 440)으로만 움직인다고 가정하면, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 시저스 요소의 2개의 부재 사이의 각도(θ1, θ2, θ3, θ4)에 의해서만 움직임이 결정되기 때문에 3차원의 구조물임에도 간단한 메커니즘으로 전개될 수 있다.
도 6은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서 사용되는 시저스 요소의 기하학적 제약 조건을 설명하기 위한 도면이다.
본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 완전히 전개되면 긴 붐 구조의 형상을 가지지만, 수납 시에는 평면 형태로 완전히 접히는 특징을 가진다. 이처럼 완전히 평면 형태로 수납되기 위해서는 유닛 간의 부재 길이와 핀 조인트의 위치의 기하학적 제약 조건(Geometric constraints)이 존재한다.
도 3에 도시된 것처럼, 유닛을 형성하는 시저스 요소의 개수에 따라서 수납 상태의 형상이 달라질 수 있는데, 본 개시에서는 도 3의 (b)에 도시된 사각형 모양의 전개형 트러스 붐 구조물의 경우에 대해 기하학적 제약 조건을 도출한다. 하지만 도 3의 (a) 및 (c)에 도시된 삼각형 모양 및 오각형 모양의 전개형 트러스 붐 구조물의 경우에도 유사하게 기하학적 제약 조건을 도출할 수 있음은 통상의 기술자에게 당연할 것이다.
도 6의 (b)를 참조하여 가장 바깥쪽에서 하나의 유닛을 형성하는 4개의 시저스 요소를 제1 유닛으로 명명하고, 안쪽으로 가면서 4개의 시저스 요소로 구성되는 유닛을 제2 유닛, 제3 유닛, …, 제N 유닛으로 명명할 수 있다. 시저스 요소를 형성하는 데 사용된 부재의 두께를 무시할 수 있다고 가정하면, 전체 구조물은 이론적으로 무한히 많은 유닛으로 구성될 수 있다.
다음은 핀 조인트의 위치 관계식에 대해 설명한다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 제n 유닛의 부재의 길이를 Ln이라 하고, 핀 조인트로부터 짧은 부분의 길이를 yn, 긴 부분의 길이를 xn으로 표현할 수 있다. 시저스 요소의 2개의 부재 사이의 각도를 2θ라 할 때, 수납 상태일 때의 θ는 θ0으로 표시할 수 있으며, Ln과 an은 도 6의 (a)를 참조하면, 다음 수학식 1과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00001
도 7은 시저스 요소의 핀 조인트 위치 결정을 위한 좌표 평면을 도시한 것으로 도 6의 (b)에서 제1 유닛의 일부를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 바깥의 정사각형 테두리의 한 변의 길이, 즉 제1 유닛의 시저스 요소에 의해 형성되는 길이(an)는 다음 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00002
수학식 1 및 수학식 2를 결합하면, 다음 수학식 3과 같이 핀 조인트의 위치를 결정하는 xn과 yn을 시저스 요소를 형성하는 부재의 길이(Ln)와 수납 상태의 시저스 요소의 2개의 부재 사이의 각도의 1/2에 해당하는 각도(θ0)로 표현할 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00003
다음은 유닛 간의 부재 길이 관계식에 대해 설명한다.
도 8은 유닛 간의 부재 길이 관계식 도출을 위한 좌표 평면을 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 점선(810)은 바깥쪽 유닛과 안쪽 유닛의 공통된 꼭지점을 갖는 변을 나타내며 다음 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00004
수학식 3의 xn 및 yn을 수학식 4에 대입함으로써 바깥쪽 유닛과 안쪽 유닛의 부재의 길이 관계식을 다음 수학식 5와 같이 얻을 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00005
수학식 5에 기초하여 제n 유닛의 부재 길이(Ln)를 다음 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00006
가장 바깥의 제1 유닛을 이루는 시저스 요소의 부재 길이(L1)와 수납 상태의 각도(θ0)가 정해진다면 제n 유닛의 부재 길이(Ln)는 수학식 6과 같이 등비수열 형태로 결정될 수 있다. 이에 따라, 제n 유닛의 부재 길이(Ln)는 n이 증가할수록 부재의 길이는 점점 짧아지며 수납 상태의 각도(θ0)가 클수록 안쪽에 연결되는 다음 유닛의 길이가 급격하게 짧아질 수 있다. 즉, 안쪽 부재의 길이는 수납 상태의 각도(θ0)에 민감하기 때문에 요구되는 최종 전개 길이를 만족시키기 위해서는 적절한 수납 상태의 각도(θ0)를 선택할 필요가 있다.
이하에서는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 기하학적 변수의 의미에 대하여 고찰한다. 여기서 고찰되는 기하학적 변수는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물을 설계하는 기초 파라미터가 될 수 있다.
고찰할 기하학적 변수는 시저스 요소가 이루는 평면과 z축 사이의 각도(α), 이웃하는 시저스 요소가 이루는 평면 간의 각도(β) 및 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 전개 길이(h)이다. 계산의 편의를 위해, 부재의 두께와 핀 조인트의 크기는 무시할 수 있을 만큼 작다고 가정한다. 상술한 바와 같이, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 수납 상태일 때는 평면 형태의 모양을 갖지만, 전개되면서 입체적인 형상을 갖게 된다. 고찰할 기하학적 변수들은 도 9에 도시된 시저스 요소의 2개의 부재 사이의 각도(2θ)에 기초하여 표현할 수 있다.
도 9는 전개 과정 동안의 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물을 구성하는 시저스 요소와 핀 조인트의 위치를 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 bn는 도 6에 도시된 an과는 다른 변수로, an은 완전히 수납 상태일 때, 즉 θ=θ0일 때의 시저스 요소의 밑변 길이 또는 수납 상태의 테두리를 둘러싸는 정사각형의 한 변의 길이를 의미하지만 bn는 θ≠θ0일 때, 즉 전개 과정 동안의 시저스 요소의 밑변 길이를 의미한다. bn은 다음 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00007
도 10은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서의 기하학적 변수들을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 전개형 트러스 붐 구조물에서의 기하학적 변수는 시저스 요소가 이루는 평면과 z축 사이의 각도(α), 이웃하는 시저스 요소가 이루는 평면 간의 각도(β) 및 전개 길이(h)를 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물을 전개하여 부재의 종단들을 연결하면 사각뿔대(1010)로 나타날 수 있다. 따라서, 시저스 요소가 이루는 평면과 z축 사이의 각도(α)는 사각뿔대(1010)의 옆면과 z축이 이루는 각도라 할 수 있다. 이는 사각뿔대(1010)의 옆면이 밑면에 대해 얼마나 기울었는지를 의미한다. 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물이 여러 유닛으로 구성되더라도 안쪽 유닛과 바깥쪽 유닛은 같은 평면 위에 있기 때문에, 하나의 유닛으로만 구성되어 있다고 가정하여 시저스 요소가 이루는 평면과 z축 사이의 각도(α)와 시저스 요소의 2개의 부재 사이의 각도의 1/2에 해당하는 각도(θ) 사이의 관계식을 도출할 수 있다.
도 11은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서 α와 θ사이의 관계식 도출을 설명하기 위한 도면이다.
도 11의 (a)를 참조하면, 두 시저스 요소가 이루는 평면이 xy 평면에 수직이라고 하면, 점 1과 점 2는 만나지 않는다. 두 점이 만나기 위해서는 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 α의 각도만큼 기울어져야 한다.
도 11의 (a)에서 기울기 전의 점 1 및 점 2의 좌표는 다음 수학식 8과 같다.
Figure 112020035032234-pat00008
여기서, bn은 전개 과정 동안의 시저스 요소의 밑변 길이이고, Ln은 시저스 요소의 부재의 길이이고, θ는 시저스 요소의 2개의 부재 사이의 각도의 1/2에 해당하는 각도이다.
도 11의 (b)에서와 같이, 두 시저스 요소가 α의 각도만큼 기울어졌을 때의 점 1과 점 2의 좌표는 다음 수학식 9와 같다.
Figure 112020035032234-pat00009
두 점이 만나기 위해서는 x, y, z의 좌표가 같아야 하므로, 다음 수학식 10을 만족해야 한다.
Figure 112020035032234-pat00010
수학식 3과 수학식 7을 수학식 10에 사용하면 α는 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00011
수학식 11을 참조하면, α는 θ의 초기 조건, 즉 수납 상태에서의 θ인 θ0와 구조물이 전개되면서 변화하는 θ에 따라 변할 수 있다. 수학식 11에서, θ 대신 θ0를 대입하면, 수납 상태일 때의 α는 90도임을 알 수 있다. 즉, 수납 상태는 완전히 평면 형태로 접힌 것을 의미할 수 있다. 또한, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 전개가 완료되면 θ가 θ0보다 매우 크기 때문에 α는 0도에 가까워지며, 이는 긴 붐 형태로 전개된 형상을 의미한다.
도 12는 θ0와 θ의 변화에 따른 α 값을 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, θ가 θ0에서 시작하여 점점 커짐에 따라서 α는 작아지는 것을 알 수 있다. 특히, α 값은 전개 초반부에 급격하게 감소하다가 점차 완만하게 줄어드는 특징을 가진다. 또한, θ0가 커짐에 따라 곡선이 오른쪽 위 방향으로 움직이는 것을 알 수 있는데, 이는 작은 값의 θ0를 설정하면 전개 초반에 α가 급격하게 변하지만, 큰 값의 θ0를 설정하면 전개 과정 동안에 α가 완만하게 변하는 것을 보여준다.
다시 도 10을 참조하여 구조물의 부재 꼭지점들을 연결한 사각뿔대(1010)를 보면, 이웃하는 시저스 요소가 이루는 평면 간의 각도(β)는 사각뿔대(1010)의 옆면이 이루는 각도를 말한다. 구조물의 부재 꼭지점들을 연결한 사각뿔대(1010)의 밑면이 정사각형인 정사각뿔대이므로, 시저스 요소가 이루는 모든 평면 간의 각도는 β로 동일하다. 또한, β는 실제 구조물에서는 시저스 요소들을 연결하는 힌지의 각도에 해당할 수 있다. 완전히 접혀진 상태일 때 β는 180도이며, 전개가 진행될수록 90도에 가까워진다.
도 13은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서 β와 θ사이의 관계식 도출을 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, β는 사각뿔의 옆면인 삼각형 ABC와 삼각형 ADC가 이루는 각도이다. 선분 BE와 선분 ED 그리고 선분 BD의 길이를 구하면 β를 구할 수 있으며, β는 다음 수학식 12로 표현될 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00012
수학식 12를 참조하면, β도 θ0와 θ에 의해 결정되는 것을 알 수 있다. 또한, 수납 상태일때, 즉, θ=θ0일 때, 수학식 12에 따라 β는 180도이기 때문에 모든 시저스 요소가 이루는 평면이 같은 평면 위에 있음을 확인할 수 있다.
도 14는 θ0와 θ의 변화에 따른 β 값을 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 전개가 진행되면서, 즉 θ가 θ0에서 시작하여 점점 커짐에 따라 β가 180도에서부터 감소하며 특히 전개 초반부에는 급격하게 감소하다가 이후에는 빠르게 90도로 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 또한, θ0가 커지면 전반적인 곡선이 오른쪽 위 방향으로 움직이는 것을 알 수 있는데, 이는 시저스 요소가 이루는 평면과 z축 사이의 각도를 나타내는 α와 비슷한 경향성을 가진다.
다시 도 10을 참조하면, 전개 길이(h)는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 부재 꼭지점들을 연결한 사각뿔대(1010)의 높이를 의미한다. 여기서 n개의 유닛이 사용되었을 때의 구조물의 전개 길이를 hn이라 표현하며, xy평면에 가까운 유닛부터 제1 유닛이라 하고 z축 방향으로 올라갈수록 제2, 제3, …, 제n 유닛이라고 칭할 수 있다. 구조물의 전개 길이인 h는 전개형 트러스 붐 구조물의 성능과 수납 효율과 관련이 있다.
도 15는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에서 전개 길이(h)의 관계식 도출을 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 전개 길이(h)는 사다리꼴의 높이에 해당한다. 따라서 전개 길이(h)는 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00013
여기서
Figure 112020035032234-pat00014
로 표현될 수 있으므로, 전개 길이(h)는 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00015
수학식 14를 참조하면, n개의 유닛이 사용된 구조물의 전개 길이인 hn은 수납 상태에서의 θ인 초기 조건 θ0와 제1 유닛의 부재의 길이(L1), 그리고 유닛 개수인 n과 θ로 표현된다.
도 16은 제1 유닛의 부재의 길이(L1)는 1m이고 유닛 개수(n)는 2 또는 3인 경우에 θ0와 θ의 변화에 따른 전개 길이(h)의 변화를 도시한 도면이다.
도 16에서 (a)는 유닛 개수(n)가 2인 경우의 전개 길이(h)의 변화이고, (b)는 유닛 개수(n)가 3인 경우의 전개 길이(h)의 변화이다.
도 16을 참조하면, 더 많은 유닛을 사용할수록(n이 클수록) θ0가 전개 종료 시점에서의 최종 전개 길이에 많은 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 유닛 개수(n), 시저스 요소의 초기 조건인 부재의 길이(L1) 및 부재가 밑변과 이루는 각(θ0) 그리고 전개 중에 시저스 요소의 부재가 밑변과 이루는 각(θ)에 따라 시저스 요소가 이루는 평면과 z축 사이의 각도(α), 이웃하는 시저스 요소가 이루는 평면 간의 각도(β) 및 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 전개 길이(h)를 결정할 수 있다.
역으로, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 최종 구조의 변수인 시저스 요소가 이루는 평면과 z축 사이의 각도(α), 이웃하는 시저스 요소가 이루는 평면 간의 각도(β) 및 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 전개 길이(h)가 결정된다면, 그에 기초하여 유닛 개수(n), 시저스 요소의 초기 조건인 제1 유닛의 부재의 길이(L1) 및 수납 상태에서 2개의 부재가 이루는 각도의 1/2에 해당하는 각도(θ0) 및 핀 포인트의 위치를 포함하는 전개형 트러스 붐 구조물을 설계하기 위한 파라미터들을 결정하여 제작할 수 있다.
상술한 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 성능은 수납률(Packaging ratio)에 기초하여 판단할 수 있다.
수납률은 전개형 구조물의 성능과 관련된 중요한 지표이다. 일 실시 예에 따라, J. Onoda(J. Onoda, "Two-dimensional Deployable Truss Structures for Space Applications," Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 25, no. 2, pp. 109-116, 1988.)의 수납률 정의에 따라, 수납률을 수납 상태에 대한 최종 전개 상태의 길이(1차원) 그리고 부피(3차원)에 대한 비로 표현할 수 있다.
우주 구조물에 사용되는 전개형 붐 구조물은 태양 전지판이나 반사판 등을 전개 또는 지지하거나, 센서, 구동기, 광학 장비 등 다양한 장비를 위성 본체로부터 원하는 거리만큼 위치시키는데 사용되기 때문에, 길이에 대한 수납률(1차원 수납률)은 붐 구조물의 중요한 요구조건 중 하나이다. 또한, 실제 구조물은 부피를 차지하기 때문에 부피에 대한 수납률(3차원 수납률)도 고려해야 한다.
일반적인 트러스 구조물의 경우에는 유닛 개수가 n개일 때, 수납 상태의 길이 및 부피와 최종 전개 상태의 길이 및 부피가 모두 n배씩 커지게 된다. 즉, 수납률 측면에서는 분모, 분자 모두가 n배씩 커지게 되므로 이득이 없게 된다. 하지만, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 구조물이 여러 유닛으로 구성될 때 유닛이 내부 공간에 추가되기 때문에 유닛 개수가 증가하더라도 수납 상태의 길이와 부피가 변하지 않는다는 점에 있다. 다시 말해, 유닛 개수가 증가하면 수납률 측면에서 분모는 그대로이지만, 분자는 커지기 때문에 높은 수납률을 얻을 수 있다는 걸 의미한다.
도 17은 종래의 전개형 구조물과 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 길이 수납률 및 부피 수납률을 도시한 도면이다.
도 17은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 시저스 요소의 2개의 부재가 이루는 수납 상태의 초기 각도(2θ0)는 7도, 최종 전개 각도(2θf)는 130도라고 가정하였을 때, 유닛 개수를 늘려가며 획득한 길이 수납률 및 부피 수납률을 도시하고 있다.
도 17을 참조하면 종래의 전개형 구조물은 특성에 따라 0.25 또는 0.293의 길이 수납률(1710) 및 0.029 내지 0.044의 부피 수납률(1715)을 가지며 유닛의 수(n)가 증가하더라도 일정한 값을 유지한다. 반면에 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 길이 수납률(1720) 및 부피 수납률(1725) 모두 종래의 전개형 구조물보다 높은 것을 알 수 있으며, 유닛 개수(n)가 많아질수록 수납률이 높아짐을 알 수 있다.
전개형 구조물은 전개를 위한 전개 구동력이 필수적이다. 전개 구동력이 부족한 경우 완전히 전개가 되지 아니하여 임무를 달성하지 못할 수 있다.
본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 스프링 힌지의 탄성력에 기초하여 구조물의 전개를 실현할 수 있는데, 전개 시간에 대한 동역학 분석을 통한 분석 결과 중력이 없는 우주 환경에서는 목표 전개 시간과 전개 각도를 맞출 수 있는 것으로 나타났다. 이에 따라, 전개 시작을 위한 구속 및 분리 장치와 전개 종류 시점을 결정해 주는 래칭(latching) 구성만 구비하면 별다른 구동 장치 없이 우주 환경에서는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 전개가 가능할 것으로 보인다.
하지만, 중력이 있는 경우에는 스프링 힌지만을 이용하여 목표 전개 시간 및 전개 각도를 맞출 수 없을 가능성이 존재함을 알 수 있었다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 전개하기 위한 추가적인 전개 구동력을 제공할 수 있는 와이어를 구비할 수 있다.
도 18은 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에 와이어를 연결한 예를 도시한 도면이다.
도 18의 (a)를 참조하면, 와이어(1810)는 시저스 요소에 대해 8자 형태로 연결될 수 있다. 와이어(1810)는 시저스 요소의 제1 부재의 제1 종단에서 시작하여 제1 부재를 따라 반대편의 제2 종단으로 연결되고, 제1 부재의 제2 종단에서는 제2 부재의 제1 종단으로 연결되고, 다시 제2 부재를 따라 반대편의 제2 종단으로 연결될 수 있다. 시저스 요소의 제1 부재의 제1 종단 및 제2 부재의 제2 종단의 와이어는 와이어를 잡아당기는 전개 구동 장치에 연결되어 전개 구동력을 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에 제공할 수 있다.
도 18의 (b)는 복수의 유닛이 있는 경우의 와이어 연결의 예를 도시한 것이다. 와이어(1820)는 전개되는 경우 사각뿔대의 한 면을 이루는 복수의 유닛에 걸쳐 8자 형태로 연결될 수 있다. 제일 하단의 제1 유닛의 시저스 요소의 제1 부재의 제1 종단 및 제2 부재의 제2 종단의 와이어는 와이어를 잡아당기는 전개 구동 장치에 연결되어 전개 구동력을 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에 제공할 수 있다.
도 18의 (c)를 참조하면, 사각뿔대를 형성하는 4개의 면 각각에 있는 시저스 요소에 서로 다른 4개의 와이어(1831, 1833, 1835, 1837)가 전개 구동력을 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물에 제공하기 위하여 연결됨을 보여준다. 복수의 유닛이 있는 경우에는 사각뿔대의 각 면에 있는 복수의 시저스 요소에 대해 도 18의 (b)처럼 와이어가 연결될 수 있다. 이때 4개의 와이어(1831, 1833, 1835, 1837)는 사각뿔대의 중심에 있는 한 개의 구동 장치에 의해 잡아당겨질 수 있다. 즉 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 추가적인 전개 구동력은 한 개의 구동 장치에 연결된 4개의 와이어(1831, 1833, 1835, 1837)에 의해 제공될 수 있다.
본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 상술한 와어어를 연결하기 위한 풀리(pulley)를 추가적으로 포함할 수 있다. 풀리는 서로 다른 시저스 요소의 부재를 연결하기 위한 스프링 힌지와 부재 사이에 위치할 수 있다.
이와 같은 추가 전개 구동력을 제공함으로써 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 중력이 있는 경우에는 목표 전개 시간 및 전개 각도를 맞출 수 있어 임무를 달성할 수 있다.
도 19는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 시저스 요소의 부재의 형상을 도시한 도면이다.
도 19의 (a)는 부재의 사시도 및 투상도를 도시하고 있고, (b)는 제n 유닛을 위한 시저스 요소의 부재의 도면을 도시하고 있다.
도 19의 (a)에 도시된 부재 2개로 시저스 요소가 형성될 수 있고, 4개의 시저스 요소가 하나의 유닛을 형성될 수 있다. 제 n 유닛을 위한 시저스 요소의 부재는 길이(Ln) 및 핀 조인트 위치(xn)로 특징을 정의할 수 있다. 제 n 유닛을 위한 시저스 요소의 부재의 길이(Ln)는 수학식 5에 따라 정해질 수 있고, 핀 조인트 위치(xn)는 수학식 3에 따라 정해질 수 있다.
부재의 재료로는 가공성이 좋으며 가볍고 내식성이 좋으며 기계적 강도가 우수한 알루미늄 6061이 사용될 수 있으며, 일 실시 예에 따라, 부재 양 끝단에는 외경 7, 내경 4의 볼 베어링을 위한 7mm의 홀이 있을 수 있으며, 끝 단에서 xn만큼 떨어진 위치에는 내경 4의 홀이 있을 수 있다. 각 홀에는 축 역할을 하기 위해 M4의 볼트가 연결될 수 있다.
또한, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 시저스 요소의 부재들은 중앙에 일정한 길이로 나 있는 홈 영역(1910)을 구비할 수 있다. 예를 들면, 부재의 두께는 4mm일 수 있고, 홈 영역(1910)의 두께는 2mm일 수 있다. 따라서, 홈 영역에서의 부재의 두께는 2mm일 수 있다.
부재의 홈 영역(1910)은 시저스 요소를 이루는 두 부재가 결합시킬 때 같은 평면 위에 위치할 수 있도록 하여 준다. 또한, 부재의 홈 영역(1910)은 추가적인 장치(예: 엔드 스토퍼) 없이 시저스 요소의 전개 완료 시점을 결정하도록 할 수 있다.
도 20은 부재의 홈 영역에 의해 전개 완료 시점이 결정되는 것을 도시한 도면이다.
도 20을 참조하면 시저스 요소는 전개가 진행됨에 따라 핀 조인트를 중심으로 부재가 회전할 수 있고, 양 부재의 홈 영역(1910)이 끝나는 지점에서 걸리게 되어 전개가 완료된다.
수납 상태에서의 시저스 요소의 2개의 부재 간의 각도(2θ1) 및 전개 완료 시점의 각도(2θ2)에 기초하여 홈 영역(1910)의 길이를 다음 수학식 15에 따라 결정할 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00016
여기서, w는 부재의 넓이를 나타내고, HL1은 수납 상태에서 시저스 요소의 2개의 부재 간의 각도(2θ1)를 유지하기 위해 필요한 중심에서 한 방향으로의 길이를 나타내고, HL2는 전개 완료 시점의 시저스 요소의 2개의 부재 간의 각도(2θ2)를 결정하기 위해 필요한 중심에서 한 방향으로의 길이를 나타낸다. 일 실시 예에 따라, 이를 동일하게 하는 것이 제작이 쉬울 수 있는 바, 이를 위하여
Figure 112020035032234-pat00017
의 관계를 갖도록 설정할 수 있다. 예를 들면, 수납 상태에서 시저스 요소의 2개의 부재 간의 각도(2θ1)는 7도로 설정할 수 있고, 전개 완료 시점의 시저스 요소의 2개의 부재 간의 각도(2θ2)는 173도로 설정할 수 있다.
수납 상태에서 시저스 요소의 2개의 부재 간의 각도(2θ1)와 전개 완료 시점의 시저스 요소의 2개의 부재 간의 각도(2θ2)가 상술한 관계를 가지면, 핀 조인트 위치에서 제1 방향으로의 홈 영역(1910)의 길이와 제1 방향의 반대 방향인 제2 방향으로의 홈 영역(1910)의 길이가 동일하고, 홈 영역(1910)의 길이는 다음 수학식 16과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112020035032234-pat00018
도 21은 일 실시 예에 따른 스프링 힌지의 형상과 치수를 도시한 도면이다.
도 21을 참조하면, 스프링 힌지는 부재 양 끝단에 위치하는 볼 베어링의 내경 크기와 동일한 직경이 4mm인 구멍을 구비할 수 있고, 스프링 힌지의 두께는 1mm일 수 있다. 스프링 힌지는 비틀림 스프링에 의해 힘이 작용하여 평형 상태에서의 힌지 각도를 90도로 유지할 수 있다.
스프링 힌지는 복수의 시저스 요소의 부재의 종단이 서로 만나는 지점에서 부재의 종단을 결합하여 부재들을 연결할 수 있다.
본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 수납과 전개 구동을 위해서 캐니스터(canister)를 추가적으로 구비할 수 있다. 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 경우, 부재들이 3차원적으로 움직이기 때문에 부재를 연결하는 스프링 힌지의 움직임 또한 간단하지 않으므로 스프링 힌지를 캐니스터와 연결하기 위해서는 특수한 연결부가 필요할 수 있다. 스프링 힌지의 축의 움직임은 2차원 운동으로 모사할 수 있어서 상대적으로 간단하다는 점을 고려하여, 힌지 부분에 도 22의 (a)에 도시된 것과 같은 연결 부품을 구비할 수 있다.
도 22는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물을 캐니스터에 연결하기 위한 연결 부품 및 연결 형상을 도시한 도면이다.
도 22의 (b)에 도시된 바와 같이 연결 부품의 구(2210)의 중심과 스프링 힌지(2220)의 중심(접히는 부분의 중심)이 일치할 수 있도록 연결 부품이 연결될 수 있다.
도 23은 캐니스터의 형상을 도시한 도면이다.
도 23을 참조하면, 캐니스터(2310)는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 전개 구동 시에 연결 부품의 구(2210)가 이동하게 되는 4개의 이동 경로(2320)를 포함할 수 있다.
구(2210)가 이동하는 이동 경로(2320)의 시작점에는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물을 수납 상태로 유지하기 위한 래치(latch)가 있을 수 있다. 래치가 걸려있는 경우 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 수납 상태를 유지하며, 래치가 제거될 때, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 전개를 진행하여 구(2210)가 이동 경로(2320)를 따라 캐니스터(2310)의 중앙으로 이동하면서 전개가 진행될 수 있다.
또한, 캐니스터(2310)의 중앙부(2330)는 전개 구동 장치를 설치할 수 있는 빈 공간이 구비된다. 캐니스터(2310)의 중앙부(2330)에 구비될 전개 구동 장치는 전개형 트러스 붐 구조물에 추가적으로 구비될 수 있는 와이어를 잡아당겨 구조물에 전개력을 추가할 수 있다.
도 24는 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물의 수납 상태 및 전개 상태를 도시한 도면이다.
도 24를 참조하면, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 (a)에 도시된 바와 같이 수납 상태에서는 완전히 평면 형태로 접히고, 전개되면 (b)에 도시된 바와 같이 시저스 요소(2410)가 전개되면서 긴 붐 구조의 형상으로 변경될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 전개형 트러스 붐 구조물은 제1 유닛, 제2 유닛 내지 제N 유닛의 N개의 유닛을 포함하고, 상기 N개의 유닛 각각은 동일한 개수의 시저스 요소들을 포함하고, 상기 시저스 요소는 2개의 부재를 포함하고, 상기 2개의 부재는 제1 위치에서 서로 결합되고, 상기 2개의 부재가 상기 제1 위치를 중심으로 회전하면서 상기 시저스 요소를 수납 상태 또는 전개 상태로 형성하고, 제1 시저스 요소에 포함된 부재의 각 종단은 적어도 하나의 다른 시저스 요소에 포함된 부재의 종단과 연결되고, 상기 전개형 트러스 붐 구조물에 포함된 모든 시저스 요소의 2개의 부재는 상기 수납 상태에서 제1 각도(2θ0)를 형성하고, 전개 완료 상태에서 제2 각도(2θf)를 형성하고, 제n 유닛(n=1,…,N)에 포함되는 부재의 길이(Ln)는 n값이 커지게 됨에 따라 작아져, 상기 수납 상태에서는 상기 N개의 유닛이 하나의 평면을 형성하도록 하고, 상기 전개 상태에서 상기 부재들의 종단들을 연결하면 다각형 뿔대를 형성하도록 할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 N개의 유닛 각각이 3개의 시저스 요소들을 포함하는 경우, 상기 전개 상태에서 정삼각형 뿔대를 형성하고, 상기 N개의 유닛 각각이 4개의 시저스 요소들을 포함하는 경우, 상기 전개 상태에서 정사각형 뿔대를 형성하고, 상기 N개의 유닛 각각이 5개의 시저스 요소들을 포함하는 경우, 상기 전개 상태에서 정오각형 뿔대를 형성할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제n 유닛에 포함되는 부재의 길이(Ln)는
Figure 112020035032234-pat00019
에 의해서 결정되고, 제1 위치(xn)는
Figure 112020035032234-pat00020
으로 결정될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 부재는 상기 제1 위치에서 제1 종단 방향으로 제1 길이를 가지고 상기 제1 위치에서 제2 종단 방향으로 제2 길이를 가지는 홈 영역을 구비하고, 상기 홈 영역과 상기 부재의 나머지 부분의 두께를 상이하게 하여 상기 시저스 요소의 2개의 부재가 결합할 때 하나의 평면을 형성하도록 하고, 상기 제1 길이 및 상기 제2 길이는 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 결정될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제1 길이 및 상기 제2 길이를 동일하게 하도록 하기 위하여 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도의 합이 180도가 되도록 설정할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 전개형 트러스 붐 구조물은 복수의 스프링 힌지를 더 포함하고, 상기 스프링 힌지는 상기 제1 시저스 요소에 포함된 부재의 각 종단과 적어도 하나의 다른 시저스 요소에 포함된 부재의 종단을 연결하고, 상기 수납 상태에서는 상기 스프링 힌지의 양 연결부가 180도를 형성하고, 상기 전개 완료 상태에서는 스프링 힌지의 양 연결부가 90도를 형성하고, 스프링의 탄성력을 이용하여 상기 시저스 요소가 상기 수납 상태에서 상기 전개 상태로 변환하기 위해 필요한 힘을 제공할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 전개형 트러스 붐 구조물은 상기 N개의 유닛을 수납하고 전개 구동을 수행하도록 하기 위한 캐니스터 및 상기 캐니스터와 상기 제1 유닛을 연결하기 위하여 구를 포함하는 연결 부품을 더 포함하고, 상기 캐니스터는 상기 수납 상태에서 상기 N개의 유닛을 고정시키기 위한 래치(latch), 상기 N개의 유닛이 상기 수납 상태에서 상기 전개 상태로 변환될 때에, 상기 연결 부품에 포함된 구가 따라 이동되도록 유도하는 이동 경로를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 전개형 트러스 붐 구조물은 상기 스프링 힌지와 상기 부재 사이에 위치하는 풀리, 상기 풀리를 이용하여 상기 시저스 요소에 8자 모양으로 걸리는 와이어 및 상기 와이어와 연결되어 상기 와이어를 잡아당기는 전개 구동 장치를 더 포함하고, 상기 전개 구동 장치에 의하여 상기 와이어를 잡아당기는 힘을 이용하여 상기 시저스 요소가 상기 수납 상태에서 상기 전개 상태로 변환하기 위해 필요한 힘을 추가적으로 제공할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 캐니스터는 상기 전개 구동 장치를 수용하기 위한 빈 공간을 중심에 추가적으로 구비할 수 있다.
상술한 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 수납 효율을 높이고, 구조물을 경량화, 소형화하여 비용 절감과 고성능의 임무 수행이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 개시에서 제안하는 전개형 트러스 붐 구조물은 간단한 메커니즘의 시저스 요소(scissor-like element)를 이용하여 쉽고 반복적인 전개가 가능하며, 하나의 유닛에 포함되는 시저스 요소의 수를 변경하여 도 24에 도시된 사각형 이외에도 다양한 형상으로 제작이 가능할 수 있다.

Claims (9)

  1. 전개형 트러스 붐 구조물에 있어서,
    제1 유닛, 제2 유닛 내지 제N 유닛의 N개의 유닛을 포함하고,
    상기 N개의 유닛 각각은 동일한 개수의 시저스 요소들을 포함하고,
    상기 시저스 요소는 2개의 부재를 포함하고,
    상기 2개의 부재는 제1 위치에서 서로 결합되고,
    상기 2개의 부재가 상기 제1 위치를 중심으로 회전하면서 상기 시저스 요소를 수납 상태 또는 전개 상태로 형성하고,
    제1 시저스 요소에 포함된 부재의 각 종단은 적어도 하나의 다른 시저스 요소에 포함된 부재의 종단과 연결되고,
    상기 전개형 트러스 붐 구조물에 포함된 모든 시저스 요소의 2개의 부재는 상기 수납 상태에서 제1 각도(2θ0)를 형성하고, 전개 완료 상태에서 제2 각도(2θf)를 형성하고,
    제n 유닛(n=1,…,N)에 포함되는 부재의 길이(Ln)는 n값이 커지게 됨에 따라 작아져, 상기 수납 상태에서는 상기 N개의 유닛이 하나의 평면을 형성하도록 하고, 상기 전개 상태에서 상기 부재들의 종단들을 연결하면 다각형 뿔대를 형성하도록 하는, 전개형 트러스 붐 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 N개의 유닛 각각이 3개의 시저스 요소들을 포함하는 경우, 상기 전개 상태에서 정삼각형 뿔대를 형성하고,
    상기 N개의 유닛 각각이 4개의 시저스 요소들을 포함하는 경우, 상기 전개 상태에서 정사각형 뿔대를 형성하고,
    상기 N개의 유닛 각각이 5개의 시저스 요소들을 포함하는 경우, 상기 전개 상태에서 정오각형 뿔대를 형성하는, 전개형 트러스 붐 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제n 유닛에 포함되는 부재의 길이(Ln)는
    Figure 112020035032234-pat00021
    에 의해서 결정되고, 제1 위치(xn)는
    Figure 112020035032234-pat00022
    으로 결정되는, 전개형 트러스 붐 구조물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부재는 상기 제1 위치에서 제1 종단 방향으로 제1 길이를 가지고 상기 제1 위치에서 제2 종단 방향으로 제2 길이를 가지는 홈 영역을 구비하고,
    상기 홈 영역과 상기 부재의 나머지 부분의 두께를 상이하게 하여 상기 시저스 요소의 2개의 부재가 결합할 때 하나의 평면을 형성하도록 하고,
    상기 제1 길이 및 상기 제2 길이는 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 결정되는, 전개형 트러스 붐 구조물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 길이 및 상기 제2 길이를 동일하게 하도록 하기 위하여 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도의 합이 180도가 되도록 설정하는, 전개형 트러스 붐 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    복수의 스프링 힌지를 더 포함하고,
    상기 스프링 힌지는,
    상기 제1 시저스 요소에 포함된 부재의 각 종단과 적어도 하나의 다른 시저스 요소에 포함된 부재의 종단을 연결하고,
    상기 수납 상태에서는 상기 스프링 힌지의 양 연결부가 180도를 형성하고, 상기 전개 완료 상태에서는 스프링 힌지의 양 연결부가 90도를 형성하고,
    스프링의 탄성력을 이용하여 상기 시저스 요소가 상기 수납 상태에서 상기 전개 상태로 변환하기 위해 필요한 힘을 제공하는, 전개형 트러스 붐 구조물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 N개의 유닛을 수납하고 전개 구동을 수행하도록 하기 위한 캐니스터; 및
    상기 캐니스터와 상기 제1 유닛을 연결하기 위하여 구를 포함하는 연결 부품을 더 포함하고,
    상기 캐니스터는,
    상기 수납 상태에서 상기 N개의 유닛을 고정시키기 위한 래치(latch);
    상기 N개의 유닛이 상기 수납 상태에서 상기 전개 상태로 변환될 때에, 상기 연결 부품에 포함된 구가 따라 이동되도록 유도하는 이동 경로를 포함하는, 전개형 트러스 붐 구조물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스프링 힌지와 상기 부재 사이에 위치하는 풀리;
    상기 풀리를 이용하여 상기 시저스 요소에 8자 모양으로 걸리는 와이어; 및
    상기 와이어와 연결되어 상기 와이어를 잡아당기는 전개 구동 장치를 더 포함하고,
    상기 전개 구동 장치에 의하여 상기 와이어를 잡아당기는 힘을 이용하여 상기 시저스 요소가 상기 수납 상태에서 상기 전개 상태로 변환하기 위해 필요한 힘을 추가적으로 제공하는, 전개형 트러스 붐 구조물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캐니스터는,
    상기 전개 구동 장치를 수용하기 위한 빈 공간을 중심에 추가적으로 구비하는, 전개형 트러스 붐 구조물.
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