KR20130076160A

KR20130076160A - 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량

Info

Publication number: KR20130076160A
Application number: KR1020110144630A
Authority: KR
Inventors: 박영웅; 김대관
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-08

Abstract

본 발명은 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 인공위성의 자세제어에 사용되는 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(CMG : Control Momentum Gyroscope)를 대용량으로 변경하여 기존의 곡선선로 부분에서 추가로 속도를 증가하였을 때 발생되는 회전력을 CMG 토크로 보상함으로써 탈선을 방지하고, 피로파괴력을 완충시킬 수 있도록 구성한 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량에 관한 것이다.
본 발명은, 차량에 적어도 하나의 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(CMG)를 장착하되, 차량의 탈선을 방지하기 위하여 차량의 진행방향과 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프의 토크축(출력축)을 수평방향으로 구성하고, 피로파괴력을 완충시킬 수 있도록 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프의 토크축(출력축)을 지면과 수직방향으로 구성하는 것을 특징으로 한다.

Description

컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량{Vehicle system with Control Momentum Gyroscope}

본 발명은 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량에 관한 것으로서, 특히, 인공위성의 자세제어에 사용되는 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(CMG : Control Momentum Gyroscope)를 대용량으로 변경하여 기존의 곡선선로 부분에서 추가로 속도를 증가하였을 때 발생되는 회전력을 CMG 토크로 보상함으로써 탈선을 방지하고, 피로파괴력을 완충할 수 있도록 구성한 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량에 관한 것이다.

일반적으로, 기차와 같은 차량은 곡선선로를 갖고 있는데 이를 설계할 때 회전반경 및 기울임 등을 반영하여 적정 속도를 계산한다.

지역간 이동을 위한 선로에는 곡선구간이 존재하고, 곡선구간은 직선구간에서 낼 수 있는 속도보다 줄여서 운행하도록 설계되어 있다.

이와 같이 설계된 선로에서 최적의 운행 방법을 적용할 때, 지역간 이동에 소요되는 최소시간이 결정되어진다.

기존 선로 상황에서 지역간 이동소요 시간을 더 줄일 수 있는 방법이 주어질 수 있다면 차량 운행업자는 운행 횟수를 늘릴 수 있고, 차량 이용자는 보다 빠른 시간 내에 지역을 이동할 수 있다는 장점이 발생하게 된다.

그러나, 기존에 설계된 선로의 곡선구간을 보다 빠르게 회전할 수 있다면 지역간 이동시간을 줄일 수 있지만, 기존에 적정 속도로 계산된 곡선선로에서 추가로 속도를 증가시킬 경우, 원심력에 의해 탈선 또는 차량이 뒤집어지는 단점이 있다.

한편, 이러한 회전력을 보상할 수 있는 장치가 차량에 장착된다면 곡선구간을 보다 빠르게 회전할 수 있을 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 인공위성의 자세제어를 목적으로 탑재되는 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(CMG : Control Momentum Gyroscope)를 장착하되, 차량에서 발생되는 큰 회전력을 보상할 수 있도록 대용량 토크 CMG 장착을 전제로 하여, 곡선구간에서 차량이 추가로 증속할 때 발생되는 회전력을 CMG 토크로 보상함으로써 차량의 곡선구간 탈선을 방지하여 회전속도를 높이고, 피로파괴력을 완충할 수 있도록 구성한 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량은, 인공위성의 자세제어에 사용되는 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(CMG)를 이용한 것으로, 차량에 적어도 하나의 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프를 장착하되, 우선적으로 곡선구간에서의 차량의 탈선을 방지하기 위하여 차량의 진행방향과 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프의 토크축(출력축)을 수평방향으로 구성하고, 피로파괴력을 완충시키기 위해서는 별도의 컨트롤 모멘텀 자이로스코프를 장착하되 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프의 토크축(출력축)을 지면과 수직방향으로 구성하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 기존 곡선구간에서 차량의 최대 속도를 감속하여 운행할 수 밖에 없던 구조에서 속도를 추가로 증분할 때 발생되는 회전력을 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(CMG : Control Momentum Gyroscope) 토크로 보상함으로써 회전력에 의해 탈선 또는 차량 뒤집힘이 발생하지 않게 할 수 있다.

또한, 이와 같이 보상된 차량은 곡선구간에서 기존에 계산된 속도 이상을 낼 수 있으므로 지역간 이동시간을 보다 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 동일한 CMG를 장착 상태만 변경하여 차량의 진행방향을 자연스럽게 회전시킬 수 있으므로 선로에 가해지는 힘을 줄일 수 있으며, 이것은 선로에 가해지는 피로파괴력을 줄이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량의 일실시예에 의한 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량의 일실시예에 의한 곡선선로에서 차량의 속도증분에 따른 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 보정을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량의 일실시예에 의한 컨트롤 모멘텀 자이로스코프에 의해 제어할 수 있는 토크벡터를 나타낸 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량의 일실시예에 의한 토크벡터를 사용상태에 따라 작동되는 방향을 개략적으로 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량의 일실시예에 의한 피로파괴력을 완충시키기 위한 컨트롤 모멘텀 자이로스코프의 장착 상태를 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제2, 제1 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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(200)를 장착한 열차(100)의 개념도로써, 도 1을 참조하면, 열차(100)에 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(200) 장착시, 초기 정렬을 차량의 진행방향(V)으로 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(200)의 토크축(T1)을 일치시키고, 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(200)의 짐벌축(Ω)을 지면과 평행하게 하되 차량의 옆방향으로 놓음으로써 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(200)의 스핀축(H)이 지면에 수직하도록 구성하였다.

컨트롤 모멘텀 자이로스코프(200)는 CMG(Control Momentum Gyroscope)라고도 불리며, 이하 'CMG'라고 표기하도록 한다.

또한, 토크축(T1, T2)은 CMG 토크방향으로 출력축이라고도 하며, 짐벌(gimbal)축(Ω)은 입력축이라고도 한다.

또한, 열차(100)의 경우 각 찻간마다 적어도 하나의 CMG(200)를 장착할 수 있으며, 그 장착 위치는 한정하지 않는 것이 바람직하다.

도면상에는 CMG(200)의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 것이며, 실제 장착시에는 외부하우징(미도시)을 더 구비하는 것이 바람직하다.

도 1의 전방에 형성된 CMG(200)는 열차(100)의 탈선을 방지하기 위한 장착 상태의 일실시예를 도시한 것으로, 열차의 탈선을 방지하기 위한 CMG(200)는 토크축(T1)을 차량의 진행방향(V)과 수평방향으로만 설정하면 되고, 짐벌축(Ω) 및 스핀축(H)의 방향은 다양하게 적용할 수 있다.

또한, 도 1의 후방에 형성된 CMG(200)는 열차(100)의 피로파괴력을 완충시키기 위한 장착상태의 일실시예를 도시한 것으로, 열차의 피로파괴력을 완충시키기 위한 CMG(200)는 토크축(T2)을 지면과 수직방향으로만 설정하면 되고, 짐벌축(Ω) 및 스핀축(H)의 방향은 다양하게 적용할 수 있다.

본 발명은 곡선구간에 따라 피로파괴력은 미미할 수 있으므로, 하나의 차량 또는 하나의 찻간에 탈선을 방지하기 위한 CMG(200)를 적어도 하나 이상 장착할 수 있으며, 피로파괴력을 완충시키기 위해서는 하나의 차량 또는 하나의 찻간에 CMG(200)를 반드시 복수 개로 구성하되, 토크축(T1)이 차량의 진행방향(V)과 수평방향인 CMG(200)와 토크축(T2)이 지면과 수직방향인 CMG(200)가 반드시 함께 장착되어 있어야 하며, 그 각각의 장착 개수는 한정하지 않는 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 스핀축(H)은 내부에 고속 회전하는 휠, 즉, 제1회전부(210)의 회전축이며, 열차(100)의 속도증분에 따른 회전력을 충분히 보상할 수 있는 모멘텀을 보유하게 되고, 제2회전부(220)는 내부에 별도 모터를 갖고 있어서, 짐벌축(Ω)을 회전축으로 하여 제1회전부(210)를 전방 및 후방으로 기울임으로써 스핀축(H)을 회전시켜 자이로스코픽 원리를 이용한 토크를 토크축(T1, T2)으로 발생시킨다.

도 2 및 도 3은 곡선구간에서 진행하는 차량에 발생되는 회전력과 CMG에 의해 발생되는 보상 토크를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 열차(100)가 곡선구간에 진입하면서 기존 속도보다 dV로 증분되어 운행하게 되면 속도증분에 따른 회전력(20)이 발생하며, 이때, 그에 해당하는 회전력과 동일하게 CMG(200)에서 CMG에 의한 보상토크(30)를 반대 방향으로 생성하면 차량은 전혀 추가 회전력을 받지 않으면서 증분된 속도로 곡선 구간을 회전할 수 있다.

도 3에서는 CMG에 의한 보상토크(30)를 발생할 때, CMG(200)의 스핀축(H)을 제2회전부(220)를 이용하여 짐벌축(Ω)을 기준으로 차량의 진행방향(V)으로 회전하게 되는데 회전되는 각(θ)에 따라 토크 방향, 즉, 토크축(T1)이 차량의 진행방향(V)에 대해 내려가게 된다.

즉, 실제 차량 회전력을 보상할 수 있는 T_V 이외에 T_H가 발생하게 되는데, 도 3에서와 같은 이 T_H 토크는 차량의 진행방향(V)을 우측으로만 조정하게 된다.

이와 같이 토크 방향이 변경됨에 따라 발생되는 T_H 토크를 이용하면 차량의 진행방향(V)을 도 2와 같은 우회전 곡선에서는 기존 곡선선로에 가해지게 될 피로파괴력도 줄일 수 있지만 좌회전 곡선에서는 피로파괴력이 증가하는 단점이 있다.

따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 토크축(T1)이 차량의 진행방향(V)과 수평방향으로 설정된 CMG(200) 이외에 토크축(T2)이 지면과 수직방향으로 설정된 CMG(200)를 추가로 장착하여 차량의 진행방향을 좌우로 조정하면 기존 곡선선로에 추가로 가해질 수 있는 피로파괴력을 줄일 수 있다.

CMG(200)는 자이로스코픽 원리를 이용한 것으로 다음과 같은 관계식으로부터 토크를 얻을 수 있다.

즉, H는 CMG(200) 내부에서 고속 회전하는 회전체가 보유하고 있는 모멘텀을 의미하고 그 회전방향이 H방향과 일치하고, Ω는 그 모멘텀 방향을 회전시킬 수 있는 축과 크기를 의미하며, 'X' 의미는 cross-product로써 오른손의 네 손가락을 감쌀 때 앞 벡터에서 뒤 벡터 방향으로 감싸게 되면 결과로 얻게 되는 토크 방향이 펼쳐진 엄지손가락 방향이 된다.

곡선 구간에서 증분된 속도에 의해 발생되는 회전력은 다음과 같은 관계식으로부터 얻을 수 있다.

m은 차량 질량이고, dV와 R은 도 2에 도시된 것처럼 차량의 속도증분량과 곡선 반경이고, h는 선로 접촉점에서 차량의 무게중심까지 거리이다.

예로, 0.7m의 h 값을 갖는 25톤 열차를 고려하고 반경 500m 곡선구간에서 20 Km/h 속도증분을 시도한다면, 약 1080 Nm의 회전력(T_rot)이 발생한다.

곡선구간을 60도로 가정하면 곡선구간은 500*pi/3으로 약 524m가 되고, 진행속도를 20 Km/h 증분하여 최종 200 Km/h로 회전한다면 약 9.4초간 보상토크가 발생해야 한다.

보상토크를 지속적으로 보상해야 하는 곡선 구간에서, 도 3에 도시된 것처럼 토크 방향이 회전되며, 이 회전각(θ)이 너무 크면 회전력을 보상하는 토크보다 오히려 진행방향을 좌우로 조정하는 T_H 토크가 크게 되어 본 발명에서 얻고자 하는 효과를 얻을 수 없다.

따라서, 회전각(θ)를 약 5도로 제한하며 앞에서 계산한 보상시간을 약 10초로 가정하면 Ω는 최대 8.73×10^-3 rad/sec가 되므로, 앞에서 계산된 회전력(T_rot) 1080 Nm를 보상하기 위한 모멘텀 양은 [수학식 1]에서 얻을 수 있고, 그 값은 계산하면, 1.24×10⁵ Nms이 된다.

상당히 큰 값이지만 CMG(200) 내부의 휠이 통상 4000rpm(ω)으로 회전하는 것을 가정하면 CMG(200) 휠의 관성모멘트(I)를 하기의 [수학식 3]으로부터 296kg·m²이라는 값을 얻을 수 있다.

이와 같이 계산된 값을 기본으로 하는 대용량 토크를 생성하는 CMG(200)를 장착하면 곡선 구간에서 20Km/h 또는 그 이상의 추가 속도를 기존 곡선선로를 변경하지 않고 증분할 수 있다.

도 2에 도시된 곡선구간인 경우는 도 3에 도시된 것과 같이 스핀축(H)을 차량의 진행방향(V)과 같이 앞으로 회전시키면 토크축(T1) 방향이 차량 진행방향(V)으로 향하게 생성되고, 이 결과는 차량 운전자 입자에서 볼 때 차량이 오른쪽으로 기울어지도록 조정된다.

도 2에 도시된 곡선구간과 반대인 경우에서는 스핀축(H)을 도 3에 도시된 것과 반대로 회전시키면 토크축(T1) 방향이 차량의 진행방향(V)과 반대로 향하게 생성되고, 이 결과는 차량 운전자 입장에서 볼 때 차량이 왼쪽으로 기울어지도록 조정된다.

즉, 도 4는 열차(100)를 운전자의 입장에서 봤을 때, 열차(100)가 오른쪽으로 굽어진 곡선 구간을 달리는 상태에서 CMG(200)의 작동상태를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 제1회전부(210)는 반시계 방향으로 고속회전하며, 짐벌축(Ω)이 정회전하면 도시된 바와 같이, 제2회전체(220)의 왼쪽 부분이 하방으로 향하고, 제2회전체(220)의 오른쪽 부분이 상방으로 향하게 되며, CMG에 의한 보상토크(30)는 차량의 진행방향(V)으로 θ만큼 하방으로 기울어져 작용하게 된다.

또한, 도 5는 열차(100)를 운전자의 입장에서 봤을 때, 열차(100)가 왼쪽으로 굽어진 곡선 구간을 달리는 상태에서 CMG(200)의 작동상태를 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 제1회전부(210)는 반시계 방향으로 고속회전하며, 짐벌축(Ω)이 역회전하면 도시된 바와 같이, 제2회전체(220)의 왼쪽 부분이 상방으로 향하고, 제2회전체(220)의 오른쪽 부분이 하방으로 향하게 되며, CMG에 의한 보상토크(30)는 차량의 진행방향(V)과 반대되는 방향으로 θ만큼 하방으로 기울어져 작용하게 된다.

이와 같이 차량을 진행방향에 대해 회전력을 주면 CMG에 의한 보상토크(30)가 도 4와 도 5에서는 모두 하방으로 T_H가 발생되고, 이 결과는 차량의 주행 방향을 우측으로 회전시켜서 실제 직선으로 주행하는 차량 하중에 의해 곡선이 받게 되는 피로파괴력을 완충(도 4의 경우)하게도 하고 증가(도 5의 경우)하게도 하여, 피로파괴력이 중요한 제한요인이 된다면 도 6과 같은 CMG(200)를 추가로 장착하여 보정해야 한다.

도 6에 의한 원리는 도 4 및 도 5에 대한 원리와 동일하며 단지 CMG(200)의 토크축(T2)을 지면에 수직하게 하여 차량의 진행방향을 좌우로 조정하여 선로에 가해지는 피로파괴력을 줄일 수 있다.

이때, 피로파괴력의 정도에 따라 각도 α를 조정하여 피로파괴력에 대한 보상토크 T2를 얻을 수 있다.

10 : 곡선선로
20 : 속도증분에 따른 회전력
30 : CMG에 의한 보상토크
100 : 열차
200 : 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(CMG : Control Momentum Gyroscope)
V : 차량의 진행방향
T1 : 탈선 방지를 위한 보상 토크축(출력축)
T2 : 피로파괴력 완충을 위한 토크축(출력축)
H : 스핀축
Ω : 짐벌축(입력축)

Claims

인공위성의 자세제어에 사용되는 컨트롤 모멘텀 자이로스코프(CMG)를 이용한 것으로,
차량에 적어도 하나의 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프를 장착한 것을 특징으로 하는 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량.
제1항에 있어서, 상기 차량이 복수 개의 찻간을 연결한 열차일 경우,
각 찻간마다 적어도 하나의 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프를 장착한 것을 특징으로 하는 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프의 장착시,
차량의 진행방향과 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프의 토크축(출력축)을 수평방향으로 구성하는 것을 특징으로 하는 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컨트롤 모멘텀 자이로스코프를 차량의 회전 보상토크와 피로파괴력 보상토크를 얻기 위해 복수 개 장착시,
어느 하나의 컨트롤 모멘텀 자이로스코프의 토크축(출력축)은 차량의 진행방향과 수평방향으로 구성하고,
다른 하나의 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 토크축(출력축)은 지면과 수직방향으로 구성하는 것을 특징으로 하는 컨트롤 모멘텀 자이로스코프 장착 차량.