KR102411716B1 - 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치 및 그 방법 - Google Patents

위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치는, 유연한 다이어프램으로 분리되어 상부는 가압제로 다이어프램을 밀어 추진제를 배출하는 가압제부(11)와 하부는 추진제를 충전하고 배출하는 추진제부로 구성되는 추진제 탱크(10); 상기 추진제부에 추진제를 충전하고 배출하기 위한 제1 밸브(32); 상기 추진제부에 추진제를 충전하거나 배출하는 제1 탱크(40); 상기 제1 탱크에서 추진제부에 추진제를 공급하기 위한 펌프(31); 상기 가압제부에 가압제를 공급하는 제2 탱크(50) 및 제2 밸브(35); 상기 가압제부는 기체의 압력을 측정하고, 추진제부는 추진제의 무게를 측정하여 복수의 밸브와 펌프를 자동으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치 및 그 방법{Test apparatus of diaphragm propellant tank for satellite and method thereof}
본 발명은 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위성용 다이어프램 추진제 탱크 추진제부에 작동유체를 충전하고 가압제부에 요구압력을 충전하여 추진제부에 충전되어 있는 작동유체를 배출시키는 시험을 자동으로 반복하여 탱크 쉘과 다이어프램의 내구성을 검증할 수 있는 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치에 관한 것이다.
일반적인 인공위성의 추진시스템은 위성이 발사체에서 분리되어 최종 임무궤도에 정착할 때까지 궤도 전이에 필요한 추력을 제공받아야 한다. 저궤도위성은 지구로부터의 인력과 대기와의 마찰로 위성의 궤도가 조금씩 낮아지므로 추진시스템의 추력기를 주기적 작동시켜 고도 보정을 해야 한다.
인공위성 구동기는 회전 방향을 제어할 때 주로 반작용 휠이나 CMG(control moment of gyro)를 사용하고, 고도를 조정할 때는 추력기를 사용한다.
도 1은 일반적인 인공위성의 추진시스템의 개략도로서 추진제 탱크(10)와 추력기(20)를 포함하여 구성된다.
추력기의 연료와 산화제를 총칭하는 것이 추진제(propellant)이고 추진제를 저장하는 것을 추진제 탱크이다. 일반적으로 추진제 탱크는 도 2와 같이 구형으로 다이어프램(diaphragm)과 베인, 스펀지 등으로 구성된다. 추진제 탱크는 유연한 다이어프램을 기준으로 상부는 연료를 밀어주는 가압제가 공급되는 가압제부(11)가 형성되고, 하부는 연료가 충전되는 추진제부(12)가 형성된다.
연료는 주로 하이드라진 액체연료를 사용하는데 효율이 좋고 산소가 없는 우주환경에서 장기간 보관과 사용이 가능하나, 독성이 매우 강한 물질이어서 내화학성과 기계적 내구성이 우수한 물질로 추진제 탱크를 제작하여야 한다.
또한, 위성이 임무를 수행하는 우주공간은 극저온의 공간으로 극한 환경에서 성능과 안전성을 보장할 수 있는 검증이 필요하다.
이균호,한조영,최준민,문홍열, "써모스탯 위치변화에 대한 인공위성 추진제 탱크의 열적 반응 해석", 한국항공우주학회지, 제32권, 제7호, 2004.
상기의 필요성에 의하여 안출된 본 발명은 탱크 추진제부에 작동유체를 충전하고 가압제부에 요구압력을 충전하여 추진제부에 충전되어 있는 작동유체를 배출시키는 시험을 자동으로 반복하여 탱크 쉘과 다이어프램의 내구성을 검증할 수 있는 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치를 제공하고자 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치는, 유연한 다이어프램으로 분리되어 상부는 가압제로 다이어프램을 밀어 추진제를 배출하는 가압제부(11)와 하부는 추진제를 충전하고 배출하는 추진제부로 구성되는 추진제 탱크(10); 상기 추진제부에 추진제를 충전하고 배출하기 위한 제1 밸브(32); 상기 추진제부에 추진제를 충전하거나 배출하는 제1 탱크(40); 상기 제1 탱크에서 추진제부에 추진제를 공급하기 위한 펌프(31); 상기 가압제부에 가압제를 공급하는 제2 탱크(50) 및 제2 밸브(35); 상기 가압제부는 기체의 압력을 측정하고, 추진제부는 추진제의 무게를 측정하여 복수의 밸브와 펌프를 자동으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 탱크의 상부는 기화된 연료를 배출할 수 있는 공간이 형성되어 제3 밸브(41)로 기체를 배출할 수 있고, 하부는 액체연료가 저장되어 제4 밸브(42)로 액체를 배출하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 탱크는 고압의 질소 기체가 충전되어 있고, 가압제부의 해압은 제2 밸브로 기체를 배출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 방법은,
시험 횟수, 추진제 충전/배출 무게 설정, 가압제 충전/해압 압력을 설정하는 단계; 추진제를 공급/차단하는 밸브를 개방하는 단계; 추진제를 공급하는 펌프를 작동하는 단계; 설정된 충전무게에 도달하면 펌프를 중지하는 단계; 추진제를 공급/차단하는 밸브를 폐쇄하는 단계; 가압제를 공급/차단하는 밸브를 개방하는 단계; 설정된 충전압력에 도달하면 밸브를 폐쇄하는 단계; 추진제 밸브를 개방하여 추진제를 배출하는 단계; 설정된 배출무게에 도달하면 추진제 밸브를 폐쇄하는 단계; 가압제 밸브를 개방하는 단계; 설정된 해압압력에 도달하면 가압제 밸브를 폐쇄하는 단계 및 상기 단계들을 반복하여 설정된 횟수에 도달하면 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
설정된 시험 횟수가 완료되면 추진제 탱크의 손상 여부를 검사하여 합격인지 불합격인지 판정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치는 탱크 추진제부에 작동유체를 충전하고 가압제부에 요구압력을 충전하여 추진제부에 충전되어 있는 작동유체를 배출시키는 시험을 자동으로 반복하여 탱크 쉘과 다이어프램의 내구성을 검증할 수 있다.
도 1은 일반적인 인공위성의 추진시스템의 개략도이다.
도 2는 일반적 추진제 탱크의 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예와 도면을 참고하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로서 권리범위는 예시된 실시예에 한정되지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것을 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
일반적으로 추진제 탱크는 도 2와 같이 구형으로 다이어프램(diaphragm)과 베인, 스펀지 등으로 구성된다. 추진제 탱크는 유연한 다이어프램을 기준으로 상부는 연료를 밀어주는 가압제가 공급되는 가압제부(11)가 형성되고, 하부는 연료가 충전되는 추진제부(12)가 형성된다.
도 3은 본 발명에 따른 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치 블록도로서, 유연한 다이어프램으로 분리되어 상부는 가압제로 다이어프램을 밀어 추진제를 배출하는 가압제부(11)와 하부는 추진제를 충전하고 배출하는 추진제부로 구성되는 추진제 탱크(10), 상기 추진제부에 추진제를 충전하고 배출하기 위한 제1 밸브(32), 상기 추진제부에 추진제를 공급하거나 배출하는 제1 탱크(40), 상기 제1 탱크에서 추진제부에 추진제를 공급하기 위한 펌프(31), 상기 가압제부에 가압제를 공급하는 제2 탱크(50) 및 제2 밸브(35), 상기 가압제부는 압력을 측정하고 및 추진제부의 무게를 측정하여 자동으로 복수의 밸브와 펌프를 자동으로 제어하는 제어부를 포함한다.
다이어프램은 액체 연료의 요동(출렁거림)을 잡아주고 원활한 배출을 가능하게 한다. 액체는 중력이 없는 곳에서는 둥둥 떠다니거나 중력이 약해 상대적으로 표면장력이 커져 탱크 벽에 달라붙기 때문에 다이어프램을 사용하여 고압의 기체로 밀면 연료의 배출이 용이해지고 출렁거림도 방지할 수 있다.
추진제부(12)는 하이드라진과 같은 액체연료가 충전된다. 하이드라진은 효율이 좋고 산소가 없는 우주환경에서 장기간 보관과 사용이 가능하나, 독성이 매우 강한 물질이어서 내화학성과 기계적 내구성이 우수한 물질로 추진제 탱크를 제작하여야 한다.
제1 탱크는 액체연료를 충전하고 회수하기 위한 탱크로 하부에는 액체연료가 저장되고 상부는 기화된 연료를 배출할 수 있는 공간이 형성되어 제3 밸브(41)로 기체를 배출할 수 있다. 액체연료는 제4 밸브(42)로 배출할 수 있다.
제1 탱크에 추진제부로의 연료 충전은 펌프(31)를 사용하여 제1 밸브(32)를 개방하여 충전한다. 제1 밸브(32), 제3 밸브(41), 제4 밸브(42), 펌프 등은 제1 압력센서(33) 등의 압력과 추진제 탱크의 무게를 측정하여 제어부에 의하여 자동으로 개폐된다.
가압제부(11)는 다이어프램을 밀어낼 수 있는 질소와 같은 고압의 기체를 제2 밸브(35)를 개방하여 주입한다. 가압제부로의 기체 주입은 펌프가 없어도 고압의 기체를 사용하여 주입할 수 있다. 가압제를 충전하고 해압 시에는 회수하여 고압으로 유지시키기 어려우므로 해압하여 제5 밸브(36)를 개방하여 배출시킨다. 제2 밸브, 제5 밸브 등은 제2 압력센서(34) 등의 압력을 측정하여 제어부에 의하여 자동으로 개폐된다.
일반적인 탱크 시험은 단순 충전과 가압을 반복할 수 있지만 다이아프램으로 추진제부와 가압제부가 액체와 기체로 분리되어 있는 추진제 탱크의 특성상 기존의 통상적인 방식으로는 테스트가 어렵다.
본 발명은 무게 측정으로 추진제부에 연료를 원하는 양만큼 충전한 후 압력측정으로 가압제부에 원하는 압력의 가압제를 충전하는 방식으로, 혼합되면 안되는 두 가지 유체를 각 부에 따로 충전할 수 있는 알고리즘을 제공한다.
본 발명에 따른 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 방법은 액체는 무게로 측정하고 기체는 압력을 측정하여 충전과 배출을 자동으로 반복 시험하여 탱크 쉘의 파손이나 다이어프램의 손상 등 내구성을 합격과 불합격으로 판정한다.
도 4는 본 발명에 따른 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 방법의 흐름도로서 다음과 같은 단계를 포함한다.
시험 횟수, 추진제 충전/배출 무게 설정, 가압제 충전/해압 압력을 설정하는 단계, 추진제를 공급/차단하는 밸브를 개방하는 단계, 추진제를 공급하는 펌프를 작동하는 단계, 설정된 충전무게에 도달하면 펌프를 중지하는 단계, 추진제를 공급/차단하는 밸브를 폐쇄하는 단계, 가압제를 공급/차단하는 밸브를 개방하는 단계, 설정된 충전압력에 도달하면 밸브를 폐쇄하는 단계, 추진제 밸브를 개방하여 추진제를 배출하는 단계, 설정된 배출무게에 도달하면 추진제 밸브를 폐쇄하는 단계, 가압제 밸브를 개방하는 단계, 설정된 해압압력에 도달하면 가압제 밸브를 폐쇄하는 단계, 상기 단계들을 반복하여 설정된 횟수에 도달하면 종료하는 단계를 포함한다.
시험이 완료되면 추진제 탱크를 검사하여 합격인지 불합격인지 판정한다.
10: 추진제 탱크 11: 가압제부
12: 추진제부 32: 제1 밸브
33: 제1 압력센서 34: 제2 압력센서
35: 제2 밸브 36: 제5 밸브
40: 제1 탱크 50: 제2 탱크

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 유연한 다이어프램으로 분리되어 상부는 가압제로 다이어프램을 밀어 추진제를 배출하는 가압제부와 하부는 추진제를 충전하고 배출하는 추진제부로 구성되는 추진제 탱크 및 상기 가압제부 기체의 압력을 측정하고, 상기 추진제부 추진제의 무게를 측정하여 복수의 밸브와 펌프를 자동으로 제어하는 제어부를 포함하는 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 장치를 이용하여 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 방법은,
    시험 횟수, 추진제 충전/배출 무게 설정, 가압제 충전/해압 압력을 설정하는 단계;
    추진제를 공급/차단하는 밸브를 개방하는 단계;
    추진제를 공급하는 펌프를 작동하는 단계;
    설정된 충전무게에 도달하면 펌프를 중지하는 단계;
    추진제를 공급/차단하는 밸브를 폐쇄하는 단계;
    가압제를 공급/차단하는 밸브를 개방하는 단계;
    설정된 충전압력에 도달하면 밸브를 폐쇄하는 단계;
    추진제 밸브를 개방하여 추진제를 배출하는 단계;
    설정된 배출무게에 도달하면 추진제 밸브를 폐쇄하는 단계;
    가압제 밸브를 개방하는 단계;
    설정된 해압압력에 도달하면 가압제 밸브를 폐쇄하는 단계 및
    상기 단계들을 반복하여 설정된 횟수에 도달하면 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    설정된 시험 횟수가 완료되면 추진제 탱크의 손상 여부를 검사하여 합격인지 불합격인지 판정하는 것을 특징으로 하는 위성용 다이어프램 추진제 탱크의 자동시험 방법.
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JP2003214598A (ja) * 2002-01-23 2003-07-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 極低温液体タンク
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