KR20050110797A - 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치 - Google Patents

추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체모터 추진기관의 시험평가장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체모터 연소특성 및 가동노즐의 비선형 운동특성과 연계된 구동장치 시스템의 기능 및 성능 특성을 용이하게 시험할 수 있고 평가할 수 있는 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치에 관한 것이다.
본 발명은 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치에 있어서, 지면에 고정안치되는 시험장치프레임; 상기 시험장치프레임 상부에 안치되는 고체모터의 후방부돔에 장착되는 가동노즐 연결디스크, 상기 가동노즐 연결디스크 하면에 장착되는 플렉스실 조인트, 상기 플렉스실 조인트 하면에 위치하며 상기 고체모터 후방부돔에 장착되는 후방부돔연결디스크, 및 상기 가동노즐 연결디스크에 결합되는 가동노즐로 구성되는 노즐부; 상기 노즐부와 연결되는 링크부; 상기 링크부에 연결되어 상기 링크부를 작동시키며, 상기 시험장치프레임에 고정결합되는 공압작동부; 및 상기 공압작동부와 연결되어 상기 공압작동부를 제어하는 제어부;로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치{Test equipment for actuation system of thrust vector control}
본 발명은 고체모터 추진기관의 시험평가장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체모터 연소특성 및 가동노즐의 비선형 운동특성과 연계된 구동장치 시스템의 기능 및 성능 특성을 용이하게 시험할 수 있고 평가할 수 있는 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치에 관한 것이다.
일반적으로, 고체모터 추진기관의 추력벡터 제어는 고체모터 내부에서 연소된 추진 화염을 노즐의 중앙부로 분출시키며 화염의 방향을 바꾸어주는 노즐의 회전운동을 필요로 한다.
이는 동심을 갖는 다층의 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판 사이에 고무 탄성체 패드를 접합 및 적층시켜 고무의 전단운동이 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판의 동심에 대한 회전운동을 가능케 하는 플렉스실(Flexseal, 유연-밀봉형) 조인트 형상을 노즐의 선단부에 장착시킨 가동노즐에 의하여 이루어진다.
위성체를 요구하는 궤도에 투입시키기 위해서는 해당 고도까지 위성을 도달시키기 위한 추진기관과 정확한 요구궤도 투입에 소요되는 발사체의 자세 및 궤적제어를 위한 제어장치 등을 필요로 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 추진기관과 제어장치의 조합 방식 중에 고체모터 추진제의 연소에 의해 발생되는 화염의 분사 방향을 가동노즐(1)의 방향을 변경시켜서 추력의 방향을 직접 제어하는 고체모터 가동노즐(1) 추력벡터제어 구동장치시스템이 국내에서 개발되는 위성발사체의 위성탑재부용으로 선정되어 개발 중에 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 고체모터 가동노즐(1) 추력벡터제어용 구동장치시스템의 구조 및 작동원리를 설명하면 하기와 같다. 도 1 및 도 2에 나타낸 추진기관은 추력벡터제어를 위하여 고체모터에 플렉스실 조인트(2)를 회전운동체로 사용한 가동노즐(1)을 장착한 구조이다.
고체모터 케이스(3)에 대하여 상대운동을 하는 가동노즐(1)은 도 2와 같은 플렉스실 조인트(2)에 의하여 연결되어 있는 구조이고, 플렉스실 조인트(2)의 후방 연결링(5)은 고체모터 케이스(3)에 고정되어 있으며 전방 연결링(4)은 운동을 하는 가동노즐(1)에 연결되어 있는 구조이다(도 3 참조).
전방 연결링(4)과 후방 연결링(5) 사이에는 동심을 갖는 다층의 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)과 그 사이에는 전단운동에 의하여 플렉스실 조인트(2)의 회전운동을 가능케 하는 고무 탄성체 패드(7)가 구성되어 있다.
상기와 같이 동심을 갖는 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)과 고무 탄성체 패드(7)를 적층하여 제작된 플렉스실 조인트(2)는 구동장치 작동기의 직선운동이 노즐에 위치한 모멘트암 연결부에 전달되어 동심을 갖는 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)의 회전중심에 대하여 회전운동을 하게 되며, 이와 같은 회전운동은 각 고무 탄성체 패드(7)의 전단변형에 의하여 발생되며 이는 전단응력을 발생시킨다.
플렉스실 조인트(2) 고무 탄성체 패드(7)에서 발생되는 전단응력을 모멘트암과 곱하여 적분하면 플렉스실 조인트(2)의 회전 저항 모멘트가 되며 이는 추력벡터제어를 수행하는 구동장치 피치 및 요축 서보작동기(8, 도 2 참조)에 대하여 운동부하로 작용된다.
구동장치 서보작동기 정격 작동력 요구조건 설계시 고려된 플렉스실 조인트(2)의 등가 회전강성에 의한 반력은 서보작동기(8) 정격력 대비 60% 이상의 수준으로 구동장치 성능 평가시 간과할 수 없는 부하로 작용하는 특성을 갖는다.
비행용 고체모터 가동노즐(1)에 장착되는 실물형 플렉스실 조인트(2)의 다층형 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)은 대부분 D6AC라는 구조용 냉간 강인강 박판을 동심을 갖는 구면형 패드 형상으로 프레스 성형하여 그 사이에 천연고무를 충진 및 적층하여 제작한다.
3차원 공간상에서 동심을 갖는 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)의 적층 수는 일반적으로 9층 이상으로 제작하기 때문에 각 구면형 구조체 박판(6)의 곡면 반경은 박판의 두께와 고무층의 두께에 따라 변동하게 되며 이를 위한 금형의 수가 증가함에 따라 개발비용이 상승하게 되는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 다층의 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)과 고무층의 접합은 균열 또는 미접합된 상태 없이 균일하게 이루어져야 고온 고압의 연소가스의 누설을 방지할 수 있기 때문에 정밀공정이 필요하다.
고체모터의 연소특성은 점화초기 순간 최대 연소압력이 발생되어 이에 의한 점화충격력이 플렉스실 조인트(2)에 작용된다. 이는 고무 탄성체 패드(7) 층을 압축하여 가동노즐(1)을 기축방향으로 밀어내는 충격운동을 유발시키며 점화 이후에는 연소압은 안정화되어 정상적인 연소를 진행시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가동노즐(1)의 회전에 의한 추력벡터제어를 위하여 가동노즐(1)에 직결되어 있는 구동장치 서보작동기(8)에 전달되는 점화충격력의 분력이 서보작동기(8)의 힘 작용선 상에 존재하는 기계 구조 부품들의 극한하중 보다 클 경우 파손을 초래하여 정상적인 추력벡터제어가 불가능해지기 때문에 서보작동기(8)의 힘작용선 상에는 점화충격 완충장치를 장착하는 것이 일반적이다.
고체모터 추진제의 연소압력 조건은 적용 사례에 따라 차이는 있으나 일반적으로 점화되는 순간 최대 800psi, 평균 연소압은 550psi 수준을 갖는다.
도 2에서는 가동노즐(1)이 기축방향으로 후퇴할 때 구동장치 서보작동기(8)가 초기 중립위치를 유지한다면 노즐의 후퇴 운동은 서보작동기(8)의 길이 구속에 의하여 반시계 방향의 회전운동으로 전환되어 노즐의 초기 각이 0°에서 이탈하게 된다.
이와 같은 경우는, 불필요한 반경방향 추력을 발생시켜 발사체의 자세와 궤적을 이탈시키므로 이를 개선하기 위하여 피치 및 요축 서보작동기(8)의 180°이격 위치에 플렉스실 조인트(2)의 운동 특성을 보상시키기 위한 카운터 포텐시오미터(9)의 장착을 필요로 한다.
아울러 카운터포텐시오미터(9)는 고무 탄성체 패드(7)의 전단운동에 의하여 유발되는 플렉스실 조인트(2)의 회전운동이 고무 탄성체 패드(7)의 비선형 특성에 의하여 교란되는 것을 보정하는 역할도 수행한다.
상기한 바와 같이, 고체모터 가동노즐(1) 추력벡터제어용 구동장치시스템의 기능 및 성능시험을 위해서는 구동장치 서보작동기(8)의 주된 부하로 작용하는 플렉스실 조인트(2)의 회전강성에 의한 부하와 고체모터 점화 및 연소압력에 의한 점화충격력과 충격운동, 플렉스실 조인트(2)의 기축방향 후퇴운동 특성들이 반영되어야 한다.
이와 같은 요인들을 고려한 기존의 구동장치시스템의 연계 시험평가방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 비행에 사용될 실물형 플렉스실 조인트(2)와 수압시험장비(10)를 이용하여 플렉스실 조인트(2)의 회전강성 부하와 고체모터 연소압에 의한 플렉스실 조인트(2)의 후퇴운동을 모사한 상태에서 수행되었다.
그러나, 상기와 같은 선행 기술은 구동장치시스템 개발과 비교하여 상대적으로 긴 개발기간과 많은 비용을 필요로 하는 비행용 실물형 플렉스실 조인트(2)의 개발 완료 시점에서야 수행 가능할 뿐만 아니라 유량제어에 의한 수압시험장비(10)의 특성상 짧은 기간 내에 발생되는 고체모터 추진제의 점화충격에 의한 플렉스실 조인트(2) 및 가동노즐(1)의 충격운동 모사가 용이치 않은 문제를 안고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 창안한 것으로서, 구동장치 서보작동기의 주된 부하로 작용하는 플렉스실 조인트의 회전강성에 의한 부하와 고체모터 점화 및 연소압력에 의한 점화충격력과 충격운동, 플렉스실 조인트의 기축방향 후퇴운동 특성들이 반영될 수 있는 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치에 있어서, 지면에 고정안치되는 시험장치프레임; 상기 시험장치프레임 상부에 안치되는 고체모터의 후방부돔에 장착되는 가동노즐 연결디스크, 상기 가동노즐 연결디스크 하면에 장착되는 플렉스실 조인트, 상기 플렉스실 조인트 하면에 위치하며 상기 고체모터 후방부돔에 장착되는 후방부돔연결디스크, 및 상기 가동노즐 연결디스크에 결합되는 가동노즐로 구성되는 노즐부; 상기 노즐부와 연결되는 링크부; 상기 링크부에 연결되어 상기 링크부를 작동시키며, 상기 시험장치프레임에 고정결합되는 공압작동부; 및 상기 공압작동부와 연결되어 상기 공압작동부를 제어하는 제어부;로 구성된 것을 특징으로 하는 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치를 제공 한다.
상기 노즐부의 가동노즐에는 상기 가동노즐의 피치 및 요방향 추력벡터 제어를 위한 다수의 서보작동기와 카운터포텐시오미터가 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 노즐부의 플렉스실 조인트는 원통형의 링구조이며, 원주방향의 두께면에는 다수의 박판과 고무 탄성체 패드가 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 링크부와 연결된 공압작동부는 중앙격판을 중심으로 상하 2조의 공압작동기가 결합된 구조이며, 상부 공압작동기의 상면에는 상기 링크부 및 노즐부에 전달되는 압축력을 측정할 수 있는 로드셀이 내장되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명이 추구하는 기술적 사상은 플렉스실 조인트의 회전강성에 의한 부하와 고체모터 점화 및 연소압력에 의한 점화충격력과 충격운동, 플렉스실 조인트의 기축방향 후퇴운동 특성들이 반영될 수 있는 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치를 구성함에 있다.
이를 위해, 본 발명은 크게 시험장치프레임, 상기 시험장치프레임에 체결되는 노즐부, 상기 노즐부와 연결되는 링크부, 상기 링크부를 작동시키는 공압작동부 및 상기 공압작동부를 제어하는 제어부로 구성된다.
이하, 도 5 내지 도 10을 참조하여 상기와 같은 본 발명의 주요 구성부재를 상세히 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험장치의 사시도, 도 6은 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 일부 절개사시도, 도 7은 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 링크부 및 노즐부를 설명하기 위한 확대도, 도 8은 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 플렉스실 조인트의 절개사시도이고, 도 9는 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 공압작동기 사시도이며, 도 10은 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 가동노즐 절대 회전각 측정을 위한 절대 경사각 센서 장착도이다.
이하, 본 발명의 주요 구성부재인 시험장치프레임, 노즐부, 링크부, 공압작동부 및 제어부를 순차로 설명하고자 한다.
시험장치프레임
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 시험장치프레임(13)은 지반 또는 지면에 고정안치되어 있는 구조이며, 상기에 언급한 노즐부, 링크부 및 공압작동부가 상기 시험장치프레임(13)에 체결,장착되어 있는 구성이다.
노즐부
도 6 및 도 7을 참조하면, 노즐부는 상기 시험장치프레임(13) 상부에 고정안치되어 있는 고체모터의 후방부돔(14)에 장착되는 가동노즐 연결디스크(16), 상기 가동노즐 연결디스크(16) 하면에 장착되어 있는 플렉스실 조인트(2), 상기 플렉스실 조인트(2) 하면에 위치하며 상기 고체모터 후방부돔(14)에 장착되어 있는 후방부돔 연결디스크(15), 및 상기 가동노즐 연결디스크(16)에 결합되어 있는 가동노즐(1)로 구성되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 플렉스실 조인트(2)의 후방 연결링(5)은 고체모터 후방부돔(14)에 후방부돔 연결디스크(15)에 의하여 볼트로 고정되어 있고, 전방 연결링(4)은 가동노즐 연결디스크(16)에 플렉스실 조인트(2)의 회전중심점의 위치를 맞추기 위한 가는 나사를 이용한 미세위치 조절기구를 갖추고 있는 상부 연결봉(17)으로 조립되어 있다.
상기 상부 연결봉(17)은 하기에 언급하는 링크부에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
가동노즐(1)의 측면에는 노즐의 피치 및 요방향 추력벡터제어를 위한 2개의 서보작동기(8)가 90°이격된 위치에 설치되어 있고, 각 서보작동기(8)의 180°이격 위치에는 플렉스실 조인트(2)의 압축운동 및 비선형운동에 기인한 가동노즐(1) 회전운동 각도의 교란을 보상하기 위한 카운터 포텐시오미터(9)가 설치되어 있는 구조이다.
상기 플렉스실 조인트(2)는 도 8에 나타낸 바와 같이, 원통형의 링구조이며, 원주방향의 두께면에는 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)이 이격되어 적층되어 있고, 그 사이에는 고무 탄성체 패드(7)가 적층되어 있는 구조이다.
참고로, 도 3에 나타낸 비행용 실물형 플렉스실 조인트(2)의 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)의 경우 두께가 얇아 각각에 대한 곡면 반경을 갖는 금형으로 프레스 성형하여 제작하였으나, 도 8에 나타낸 본 발명의 플렉스실 조인트(2)는 상대적으로 9층 이상의 적층수를 2층 이하로 단순화 시켰기 때문에 박판의 두께가 증가하여 절삭가공으로 제작이 가능함에 따라 제작경비를 크게 감소시킬수 있는 구조로 되어 있다.
또한, 도 3의 비행용 실물형 플렉스실 조인트(2)와 비교할때 패드의 적층수만 다를 뿐, 도 8의 구면형 구조체 박판(6) 및 고무 탄성체 패드(7)의 누적 두께는 동일하므로 서보작동기(8)에 대한 회전 부하 및 고체모터 추진제 연소압에 의한 압축 및 비선형 운동 특성은 유사한 값을 갖게 된다.
링크부
링크부는 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 연결봉(17), 상부 로드엔드(20), 중앙연결링크(18) 및 하부 로드엔드(23)가 순차적으로 결합부재를 이용하여 결합되어 하기에 언급하는 공압작동부에서 발생되는 압축력을 상기 노즐부로 전달할 수 있는 구조로 되어 있다.
상기 상부 연결봉(17)의 미세위치 조절나사부 반대편단은 클레비스(clevis) 형상인 상부 클레비스(21)로 구성되며, 이는 중앙연결링크(18)의 상부에 구면베어링(19)을 장착한 상부 로드엔드(20)의 조립을 위함이다.
상기 상부 로드엔드(20)의 상부 구면베어링(19) 반대편단에는 길이조절이 가능한 나사부를 갖는 중앙연결링크(18)의 나사부가 조립되며, 상기 중앙연결링크(18)의 반대편단은 공압작동기 조립체 상부 운동판(26)에 직결된 로드셀(25)에 연결되는 구성이다.
또한, 상기 중앙연결링크(18)의 반대편단도 상기 로드셀(25)과 직결하기 위해 클레비스 형상인 하부 클레비스(24)로 구성되며, 이는 하부 로드엔드(23)와의 조립을 위한 구성이다.
상기와 같이 본 발명의 링크부 중 상부 연결봉(17) 및 중앙연결링크(18)의 조립 구성을 상부 클레비스(21)와 하부 클레비스(24)의 핀조립 중심축 방향을 직각으로 조립 구성하였다.
이는, 서보작동기(8)의 운동에 의하여 플렉스실 조인트(2)의 회전중심이 고무의 비선형 운동 특성에 의하여 유발시킬 수 있는 반경방향 운동을 상단의 이음구조가 자유운동이 가능한 중앙연결링크(18)에 의하여 수용될 수 있도록 한 구성이다.
공압작동부
공압작동부는 도 6 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상하 2조의 공압작동기(11, 12)가 공압작동기 조립체 중앙격판(28)을 중심으로 상부 공압작동기(11)는 공압작동기 조립체 상부 운동판(26)에, 하부 공압작동기(12)는 공압작동기 조립체 하부 운동판(27)에 조립되어 있는 구조로 되어 있다.
공압작동기 조립체 상부 운동판(26)의 중심에는 고체모터 연소압력에 의하여 플렉스실 조인트(2)에 전달되는 압축력을 측정 가능한 로드셀(25)이 설치되어 있으며, 이 로드셀(25)은 중앙연결링크(18) 하부 클레비스(24)에 연결되는 하부 로드엔드(23)에 연결되어 있는 구성이다.
공압작동기 조립체 중앙격판(28) 및 상부 운동판(26)판, 하부 운동판(27)의 네 모서리부에는 구멍을 뚫어 환봉 형상을 갖는 4개의 직선운동가이드(29)가 설치되어 있다.
상기 환봉형 직선운동가이드(29)의 양단은 나사부로 되어있어, 공압작동기 조립체 상부 운동판(26)과 하부 운동판(27)에 단단히 고정되어 있다. 공압작동기 조립체 중앙격판(28)의 네 모서리부 구멍은 환봉형 직선운동가이드(29)의 운동을 안내하는 미끄럼베어링 역할을 수행한다.
상기 각각의 환봉형 직선운동가이드(29)의 중앙부에는 공압작동기(11, 12)의 오동작에 의한 과도한 충격운동 발생시 구동장치시스템과 플렉스실 조인트(2)를 보호하기 위하여 나사 및 너트를 이용한 기계적 행정제한장치(30)가 공압작동기 조립체 중앙격판(28)을 사이에 두고 상하부에 도 9와 같이 설치되어 있다.
공압작동기 조립체 상부 운동판(26) 및 하부 운동판(27)에 환봉형 직선운동안내가이드(29) 체결과 공압작동기(11, 12)의 기계적 행정제한장치(30)를 환봉형 직선운동안내가이드(29) 및 공압작동기 조립체 중앙격판(28) 사이에 고정시 체결 및 위치고정용 너트가 진동 및 충격이 발생되는 열악한 시험조건 운용에 의하여 풀리지 않도록 환봉형 직선운동안내가이드(29)에 키홈을 설치하여 풀림방지 장치로 구름베어링용너트(31)와 구름베어링너트용 와셔(32)를 적용하였다.
공압작동기 조립체 중앙격판(28)은 시험평가장치 프레임(13)에 단단하게 고정되어 운동의 기준 역할을 한다. 공압작동기 조립체 상부 운동판(26)과 시험평가장치 프레임(13) 사이에는 연소압력에 의하여 압축되는 플렉스실 조인트(2)의 압축변위를 측정하기 위한 포텐시오미터(33)가 장착되어 있는 구성이다.
제어부
제어부(50)는 상기 공압작동부를 작동을 제어하는 기능을 하며, 상부 공압작동기(11) 및 하부 공압작동기(12)를 제어하는 공압서보밸브(34a, 34b)를 포함한다.
상기 상부 공압작동기(11)와 하부 공압작동기(12)에는 별도로 독립적인 정밀 압력제어가 가능하도록 공압서보밸브(34a, 34b) 및 대용량을 갖는 On/Off 방식의 고속응답형 공기배출밸브(35) 및 소음기(36)가 도 5 및 도 6과 같이 설치되어 있다.
이를 이용한 고체모터 연소압에 의하여 플렉스실 조인트(2)에 인가되는 압축하중 및 압축변형과 점화충격운동의 모사 구현 원리는 다음과 같다.
고체모터 내부의 연소압력과 플렉스실 조인트(2)의 수압면적을 곱하면 플렉스실 조인트(2)에 작용하는 압축하중이 된다. 이 압축하중은 공압작동기(11, 12)의 내부의 공기압력을 공압서보밸브(34a, 34b)로 정밀하게 제어하여 모사할 수 있으며 이때 로드셀(25)은 하중제어에 소요되는 되먹임센서의 역할을 수행하게 된다.
이하, 도 5 내지 도 10을 참조하여 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험장치의 작동관계를 설명하면 하기와 같다.
공압작동기 조립체에서 발생된 모사 하중은 로드셀(25) 및 하부 로드엔드(23), 중앙연결링크(18), 상부 로드엔드(20), 상부연결봉(17), 가동노즐 연결디스크(16), 플렉스실 조인트(2) 전방 연결링(4)을 경유하여 플렉스실 조인트(2)를 압축시킨다.
상기 플렉스실 조인트(2)의 후방 연결링(5)은 고체모터 후방부돔(14)에 후방부돔 연결디스크(15)에 의하여 시험기 구조체에 견고하게 고정되어 있다.
이와 같이 압축된 플렉스실 조인트(2)를 가동노즐 연결디스크(16)를 경유하여 가동노즐(1)에 연결된 서보작동기(8)의 운동에 의하여 회전시켜 추력벡터제어 운동을 가능하게 한다.
상부 로드엔드(20)와 하부 로드엔드(23)의 핀조립 중심축은 직각으로 이격된 2개의 구면형 베어링으로 연결되기 때문에 가동노즐(1) 플렉스실 조인트(2)의 회전중심과 일치하게 설치된 상부 로드엔드(20)부는 플렉스실 조인트(2)의 상하운동 뿐만 아니라, 고무 탄성체 패드(7)층의 비선형 운동 특성에 의한 반경방향 운동도 수용 가능한 구조를 갖는다.
가동노즐 연결디스크(16)에는 가동노즐(1)의 회전각을 정밀하게 측정하여 구동장치시스템의 제어성능을 평가하기 위한 피치 및 요축으로의 절대 경사각 센서(37a, 37b)가 도 10과 같이 장착되어 있다.
고체모터 추진제의 정상상태 연소압력에 의하여 유발되는 가동노즐(1) 플렉스실 조인트(2)의 압축운동과 고무 탄성체 패드(7)의 비선형 운동특성에 기인한 임의 운동에 대한 구동장치시스템의 위치제어 추종특성 시험은 공압작동기 조립체의 하부 공압작동기(12)만을 사용하여 가능하다.
그러나, 무부하 상태에서 점화초기 최대 연소압력에 의한 20톤 이상의 점화충격 하중을 짧은 기간 내에 가동노즐(1) 플렉스실 조인트(2)에 인가하는 것은 하부 공압작동기(12)의 압력제어 또는 기존의 수압시험장비(10)로는 불가능하기 때문에 상부 공압작동기(11)를 사용하게 된다.
공압작동기 조립체의 점화충격력 발생 및 작용원리는 다음과 같다.
우선 상부 공압작동기(11)의 고속응답형 공기배출밸브(35)를 개방시킨 상태에서 하부 공압작동기(12)에 점화시 초기 최대 연소압력에 의하여 생성되는 점화충격력을 하부 공압작동기(12)를 사용하여 가동노즐(1) 플렉스실 조인트(2)에 인가한 후 압력을 유지시킨다.
이 상태에서 상부 공압작동기(11)의 고속응답형 공기배출밸브(35)를 닫고 공기압력을 서서히 증가시켜 로드셀(25)로부터 측정되는 압축하중이 영이 될 때까지 압력을 증가시킨다.
상부 및 하부 공압작동기(11, 12)는 공압작동기 조립체 중앙격판(28)에 대하여 상호 반력을 작용시키는 구조이기 때문에 로드셀(25)의 등가하중이 영하중이 되어 힘평형이 이루어질 때 상부 공압작동기(11)의 압력을 유지시키게 된다.
상부 및 하부 공압작동기(11, 12)가 안정화된 상태에서 공급 배관의 공압을 차단한 후 닫힌 상태로 있는 상부 공압작동기(11)의 급속 공기배출밸브를 개방시키게 되면, 급속하게 공기가 배출되면서 하부 공압작동기(12)에 의한 점화충격력을 모사하는 부하가 로드셀(25) 및 하부 로드엔드(23), 중앙연결링크(18), 상부 로드엔드(20), 상부연결봉(17), 가동노즐 연결디스크(16)를 통하여 플렉스실 조인트(2)에 점화충격력으로 전달된다.
이때, 발생되는 플렉스실 조인트(2)의 기축방향으로의 순간적인 압축운동은 공압작동기 조립체 중앙격판(28) 및 시험평가장치 프레임(13) 사이에 설치된 포텐시오미터(33)에 의하여 측정되며, 구동장치 서보작동기(8)가 플렉스실 조인트(2) 압축 및 가동노즐(1)의 후퇴운동에 의하여 가동노즐(1) 중립각의 이탈을 카운터 포텐시오미터(9)의 궤환회로 보상에 의하여 새로운 중립위치를 찾아가는 추종제어 성능은 가동노즐 연결디스크(16)에 설치되어 있는 절대 경사각 센서(37)를 사용하여 검증할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고체모터 연소특성 및 가동노즐의 비선형 운동특성 등을 시험할 수 있는 시험장치를 제공함에 따라, 실물형 플렉스실 조인트 사용에 의한 가용시점의 지연 및 고체모터의 연소특성 제한적 모사 등과 같은 종래 기술의 단점을 극복하였다.
뿐만 아니라, 프레스 성형 공법으로 제작되는 9층 이상의 다층구조 형상인 비행용 실물형 플렉스실 조인트를 사용하지 않고, 회전강성 및 압축특성과 같은 물리적 성질이 실물형과 같으며, 기계절삭 공법으로도 제작이 가능한 단순화된 2층 구조의 플렉스실 조인트를 사용함에 따라, 제작상의 어려움을 극복한 효과가 있다.
도 1은 플렉스실 조인트형 가동노즐을 추력벡터제어 장치로 사용한 발사체 추진기관의 절개 사시도.
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 비행용 실물형 플렉스실 조인트의 구성 단면도.
도 4는 종래 기술에 따른 가동노즐 추력벡터제어용 시험평가장치의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험장치의 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 일부 절개사시도.
도 7은 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 링크부 및 노즐부를 설명하기 위한 확대도.
도 8은 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 플렉스실 조인트의 절개사시도.
도 9는 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 공압작동기 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 추력벡터 제어를 위한 시험 장치의 가동노즐 절대 회전각 측정을 위한 절대 경사각 센서 장착도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 가동노즐 2 : 플렉스실 조인트
3 : 고체모터 케이스 4 : 플렉스실 조인트 전방 연결링
5 : 플렉스실 조인트 후방 연결링
6 : 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판
7 : 고무 탄성체 패드 8 : 서보작동기
9 : 카운터 포텐시오미터 10 : 수압시험장비
11 : 상부 공압작동기 12 : 하부 공압작동기
13 : 시험장치 프레임 14 : 고체모터 후방부돔
15 : 후방부돔 연결디스크 16 : 가동노즐 연결디스크
17 : 상부 연결봉 18 : 중앙연결링크
19 : 상부 구면베어링 20 : 상부 로드엔드
21 : 상부 클레비스 22 : 하부 구면베어링
23 : 하부 로드엔드 24 : 하부 클레비스
25 : 로드셀 26 : 공압작동기 조립체 상부 운동판
27 : 공압작동기 조립체 하부 운동판
28 : 공압작동기 조립체 중앙격판 29 : 환봉형 직선운동안내가이드
30 : 기계적 행정제한장치 31 : 구름베어링용너트
32 : 구름베어링너트용 와셔 33 : 포텐시오미터
34a, 34b : 공압서보밸브 35 : 고속응답형 공기배출밸브
36 : 소음기 37a, 37b : 절대 경사각 센서

Claims (4)

  1. 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치에 있어서,
    지면에 고정안치되는 시험장치프레임;
    상기 시험장치프레임 상부에 안치되는 고체모터의 후방부돔에 장착되는 가동노즐 연결디스크, 상기 가동노즐 연결디스크 하면에 장착되는 플렉스실 조인트, 상기 플렉스실 조인트 하면에 위치하며 상기 고체모터 후방부돔에 장착되는 후방부돔연결디스크, 및 상기 가동노즐 연결디스크에 결합되는 가동노즐로 구성되는 노즐부;
    상기 노즐부와 연결되는 링크부;
    상기 링크부에 연결되어 상기 링크부를 작동시키며, 상기 시험장치프레임에 고정결합되는 공압작동부; 및
    상기 공압작동부와 연결되어 상기 공압작동부를 제어하는 제어부;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐부의 가동노즐에는 상기 가동노즐의 피치 및 요방향 추력벡터 제어를 위한 다수의 서보작동기와 카운터포텐시오미터가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐부의 플렉스실 조인트는 원통형의 링구조이며, 원주방향의 두께면에는 다수의 박판과 고무 탄성체 패드가 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링크부와 연결된 공압작동부는 중앙격판을 중심으로 상하 2조의 공압작동기가 결합된 구조이며, 상부 공압작동기의 상면에는 상기 링크부 및 노즐부에 전달되는 압축력을 측정할 수 있는 로드셀이 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 추력벡터 제어용 구동장치를 위한 시험평가장치.
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