KR20030018303A - 로켓탑재용 슬로싱 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로켓 및 인공위성 발사체에 탑재되는 액체 추진기관용 연료탱크의 슬로싱(Sloshing) 측정에 관한 것으로, 슬로싱은 연료를 저장하는 연료탱크와 연료의 상대 운동에 의하여 연료의 출렁이는 현상이 발생하게 되는데 때때로 과도한 충격력을 유발시켜 로켓의 진동 잡음원이 되어 유도제어시 오차원이 되어 심한 경우 실패의 직접적인 원인이 되기도 한다.

본 발명은 실제 로켓비행시 초음파 센서와 3축 가속도계를 이용하여 슬로싱에 관련된 연료의 진폭과 연료탱크의 진동 데이터를 측정하고 로켓에 탑재된 원격측정장치를 통해 지상으로 송신하면 이 정보를 지상에서 수신하여 로켓의 슬로싱을 분석함으로써 슬로싱이 로켓의 제어에 미치는 영향을 분석하고 슬로싱이 문제가 되는 경우 이 측정정보를 근거로 슬로싱을 감쇄하는 장치인 배플(Baffle) 설계/제작에 활용되게 한 것이다.

이러한 본 발명은 슬로싱에 관련된 연료의 진폭과 연료탱크의 진동데이터를 측정하기 위한 초음파 센서(1)와 3축 가속도계(2), 상기 초음파 센서(1)와 3축 가속도계(2)의 출력 신호가 탑재용 원격측정시스템의 입력에 적합하도록 신호를 조절하는 신호조절기(3), 상기 신호조절기(3)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 처리하는 데이터 처리장치(4)를 구비시킴으로써 이루어진다.

Description

로켓탑재용 슬로싱 측정 장치{Rocket Onboard Sloshing Measurement Equimpent}

본 발명은 로켓 및 인공위성 발사체에 탑재되는 액체 추진기관용 연료탱크에서 연료를 저장하는 연료탱크와 연료의 상대운동에 의해 발생되는 슬로싱 (Sloshing)측정에 관한 것으로, 초음파 센서와 3축 가속도계를 이용하여 연료의 출렁이는 진폭과 슬로싱으로 인한 연료탱크의 진동데이터를 측정하는 로켓 탑재용 슬로싱 측정장치에 관한 것이다.

슬로싱은 일반적으로 연료탱크의 진동진폭과 주기, 연료탱크내의 연료의 깊이, 연료의 특성 그리고 연료탱크의 기하학적 형상에 의해서 그 특성이 좌우된다.

가장 바람직하지 않은 슬로싱 현상은 연료탱크의 주파수와 연료자체가 가지고 있는 고유 주파수와의 공진이 발생할 때인데 이 경우 연료 탱크의 파괴나 슬로싱 진동이 발생하고 이 진동은 로켓 유도제어 장치에 잡음원이 되어 유도제어의 실패원인을 제공하기도 한다.

현재까지는 출렁이는 연료의 진폭을 측정할 수 있는 센서의 부재로 인해 비행하는 로켓에서의 측정은 힘들었고 다만 지상에서 등가 모델을 만들어 유한 요소법 등의 시뮬레이션에 의해 움직임을 예측한 것을 토대로 슬로싱 감쇄 장치인 배플(Baffle) 설계에 활용하거나 지상 시험 장치를 만들어 카메라를 이용하여 연료의 출렁임을 촬영하여 분석하기도 하는데, 이 경우 실제 로켓 비행 상황과는 많이 다르고, 로켓 비행시의 환경 조건(추력 비정렬, 기체 비정렬, 연소 환경 변화에 의한 가속도 및 속력의 변화 등)이 달라 불확실성이 많아서 등가 모델에 의한 시뮬레이션과 지상 시험으로는 그 한계가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 비행하는 로켓에 센서를 탑재하여 측정하는 것이 가장 좋은 방법이나 진폭을 측정할 수 있는 센서가 없어서 슬로싱 측정 장치가 개발되지 못하였다.

본 발명은 초음파 센서를 연료탱크 내부에 수평이 되게 설치하고 3축 가속도계를 연료탱크의 표면에 장착하여 연료의 진폭과 슬로싱에 의한 연료탱크의 진동을측정하는 로켓 탑재용 슬로싱 측정 장치에 관한 것이다.

연료와 센서사이의 진폭은 여러 개의 초음파 센서를 메쉬(Mesh)형태로 배열하여 측정하는데 초음파 센서의 측정 범위와 초음파 빔 폭 그리고 측정하고자 하는 시간(시간이 지남에 따라 연료의 소모로 연료의 레벨이 낮아지기 때문에 측정범위가 넓어짐)에 의해서 사용 가능한 초음파 센서의 갯수가 결정되기 때문에 이를 잘 고려하여 가능한 많이 센서를 부착할 수 있도록 센서를 선정하여야 한다.

본 발명은 초음파 센서와 3축 가속도계, 상기 초음파 센서와 3축 가속도계의 출력 신호가 탑재용 원격측정시스템의 입력에 적합하도록 신호를 조절하는 신호조절기, 상기 신호조절기의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 처리하는 데이터 처리장치를 구비시킴으로써 이루어진다.

도 1 : 본 발명의 초음파 센서가 부착된 상태를 나타내는 평면도

도 2 : 본 발명의 초음파 센서와 3축 속도계가 장착된 상태를 나타낸 정면도

도 3 : 본 발명의 데이터처리 회로도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 초음파 센서2 : 3축 가속도계

3 : 신호 조절기4 : 데이터 처리장치

5 : 8비트 디지털 데이터 출력6 : 연료탱크

본 발명은 로켓 및 인공위성 발사체에 탑재되는 액체추진기관용 연료 탱크(6) 내부의 연료의 슬로싱, 즉 연료의 출렁이는 진폭을 측정하기 위한 초음파 센서(1)와,

연료의 슬로싱에 의해 발생되는 연료탱크(6)의 진동을 측정하기 위한 3축 가속도계(2)와,

초음파 센서(1)와 3축 가속도계(2)의 출력 신호가 탑재용 원격측정시스템의 입력에 적합하도록 신호를 조절하는 신호조절기(3)와,

상기 신호조절기(3)의 아날로그 센서 신호를 디지털 신호로 바꾸고 이를 원격측정장치의 데이터 처리 장치인 피시엠 엔코더(PCM Encoder)에 직렬 또는 병렬로연결시키는 데이터 처리장치(4)로 구성된다.

초음파 센서(1)는 도 1 과 같이 연료탱크(6)의 내부에 수평으로 장착되어 초음파를 발사하고 연료의 표면에서 반사되어 돌아온 초음파를 감지하여 연료의 진폭을 측정하는 것으로 측정범위와 초음파 빔폭, 측정시간을 고려하여야 한다.

시간이 지남에 따라 연료의 소모로 연료의 레벨이 낮아지기 때문에 측정범위가 넓어지므로 정밀한 데이터를 측정하기 위하여 메쉬 형태로 배열하여 가능한 많은 수의 초음파 센서(1)를 부착하도록 한다.

또한, 초음파 센서(1)를 연료의 표면과 수평으로 설치함으로써 로켓 비행시 로켓이 기울게 되면 측정 오차가 많게 되나 대부분의 우주발사체가 수직 발사 및 자세제어를 하고 있기 때문에 로켓의 기움에 의한 측정 오차는 크지 않다고 보아도 무방하다.

도 2 와 같이 연료탱크(6)의 표면에 장착된 3축 가속도계(2)는 서로 직교하는 3방향(X축, Y축, Z축)의 가속도를 동시에 측정하여 슬로싱으로 인한 연료탱크(6)의 진동을 측정한다.

진동신호는 동시에 일어나는 매우 많은 주파수들로 구성되어 있는데 진폭과 시간의 관계에서 얼마나 많은 성분이 있고, 어떤 주파수에서 진동이 일어나는지를 즉시 구별할 수 없다.

이러한 진동신호를 3축 가속도계(2)에서 연료탱크(6)의 진동주파수 분석을 통하여 슬로싱으로 인한 연료탱크(6)의 진동데이터를 측정한다.

가속도계의 질량은 측정지점에서 진동의 크기와 주파수를 심각하게 변화시키므로 진동을 측정할 때 가속도계의 질량은 중요한 변수이다.

또한, 대부분의 기계적 진동에너지가 10∼1000Hz사이의 비교적 좁은 주파수 영역에 존재하므로 가속도계를 선택할 때 가속도계의 주파수 범위가 관심 영역을 포함할 수 있는가를 확인해야 한다.

본 발명에서 슬로싱에 의한 진동 주파수가 20Hz미만이고 최대 가속값도 10g을 넘지 않을 것으로 예상되기 때문에 이에 적합한 3축 가속도계를 선정하면 측정 오차를 줄일 수 있다.

상기 초음파 센서(1)와 3축 가속도계(2)에서 측정된 전기적 신호는 신호조절기(3)를 통하여 탑재용 원격측정시스템의 입력에 적합하도록 신호가 조절되어 데이터 처리장치(4)로 보내어진다.

데이터 처리장치(4)에서는 신호조절기(3)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 이를 원격측정장치의 데이터 처리 장치인 피시엠 엔코더(PCM Encoder)에 직렬 또는 병렬로 연결시킨다.

데이터 처리장치(4)에서 피시엠 엔코더를 통하여 변환된 8비트 디지털 데이터 출력신호(5)는 로켓에 탑재된 원격측정장치를 통해 지상으로 송신된다.

이 신호(5)를 지상에서 수신하여 로켓의 슬로싱을 분석함으로써 슬로싱이 로켓의 제어에 미치는 영향을 분석하고 슬로싱이 문제가 되는 경우 이 측정정보를 근거로 슬로싱을 감쇄하는 장치인 배플 설계/제작에 활용하게 된다.

본 발명은 초음파 센서(1)와 3축 가속도계(2)를 이용하여 비행하는 로켓의슬로싱을 측정하는 장치로, 실제 측정 데이터를 근거로 컴퓨터로 시뮬레이션 및 지상 시험에 사용한 각종 파라미터의 보정 등에 활용되어 정밀한 컴퓨터 시뮬레이션을 가능하도록 한 것이다.

또한 본 발명은 유체의 저장 ·운반 용기를 사용하는 정유공장, 차량, 선박 등에도 활용이 가능할 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 로켓 및 인공위성 발사체에 탑재되는 액체 추진기관용 연료탱크(6) 내부의 연료의 출렁이는 진폭을 측정하기 위한 초음파 센서(1)와,

   연료의 슬로싱에 의해 발생되는 연료탱크(6)의 진동을 측정하기 위한 3축 가속도계(2)와,

   상기 초음파 센서(1)와 3축 가속도계(2)의 출력 신호가 탑재용 원격측정시스템의 입력에 적합하도록 신호를 조절하는 신호조절기(3)와,

   상기 신호 조절기(3)의 아날로그 센서 신호를 디지털 신호로 바꾸어 원격측정장치의 데이터 처리 장치인 피시엠 엔코더에 직렬 또는 병렬로 연결시키는 데이터 처리 장치(4)로 구성된 것을 특징으로 하는 로켓탑재용 슬로싱 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 초음파 센서(1)는 연료탱크(6)의 내부에 수평으로 장착되어 메쉬 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 로켓탑재용 슬로싱 측정 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 3축 가속도계(2)는 연료탱크(6)의 표면에 장착되는 것을 특징으로 하는 로켓탑재용 슬로싱 측정 장치.