KR20190068183A - 탄성메타물질을 이용한 인공위성 우주 테더 장치 - Google Patents

탄성메타물질을 이용한 인공위성 우주 테더 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 행성을 공전하는 인공위성의 궤도를 제어하기 위한, 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치에 있어서, 상측이 상기 인공위성과 연결되며, 하측이 지구와 대전되는 플라즈마 접촉기와 연결되어, 상기 인공위성의 궤도제어를 위한 추력 또는 항력을 발생시키는 장대케이블 및 상기 장대케이블에 구비되며, 외부로부터의 외란에 의한 상기 장대케이블의 진동을 전달받아 상기 장대케이블의 횡방향으로 공진하는 탄성메타물질을 포함하여, 탄성메타물질의 공진 현상으로 인해 외란에 대한 충격을 흡수함으로써, 우주 테더 장치의 외란에 대한 강건성을 확보하며, 장대케이블의 불안정한 움직임을 방지하기 위한 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치에 관한 것이다.

Description

탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치{tether device on satellite using elastic metamaterials}
본 발명은 행성을 공전하는 인공위성의 궤도를 제어하기 위한 장대케이블 및 플라즈마 접촉기로 구성되는 인공위성 테더 장치에 있어서, 외부로부터의 외란에 의해 상기 장대케이블에 인가되는 진동 또는 충격을 흡수하는 탄성메타물질을 구비한 인공위성 테더 장치에 관한 것이다.
인공위성은 행성의 둘레를 공전하는 인공적인 비행체로, 주로 지구를 중심으로 공전하는 인공위성이 많이 존재한다. 이때 인공위성은 비행하는 궤도에 따라 정지위성과 이동위성으로 나뉘게 되며, 비행 시에는 자체적으로 탑재된 동력원이나 태양광 등의 외부동력원을 사용하여 제어될 수 있다.
이때 인공위성은 행성 주위를 비행하면서 여러 외부 요인들로 인해 외란(Disturbance Torque)이 발생되며, 이러한 외부 요인은 중력구배(Gravity gradient) 및 태양 복사압(Solar radiation pressure)이 대표적이며, 대기가 존재하는 행성에는 대기에 의한 외란이 존재한다. 종래에는 상기와 같은 외부 요인에 의한 외란이 발생할 시에, 인공위성에 구비되는 추력기를 이용하여 인공위성이 외란에 의해 궤도를 이탈하지 않도록 제어하는 방식이 사용되고 있었으나, 인공위성의 수명은 추진체의 소진과 탑재장비의 수명에 크게 좌우됨에 따라 인공위성의 궤도를 제어하기 위해 추진기의 추진체의 양을 감소시키기 위한 기술 개발이 이루어지고 있었다.
도1에 도시된 바와 같이, 우주 테더 장치는 인공위성(10)에 연결된 장대케이블(20)과 장대케이블(20)의 하측에 연결된 플라즈마 접촉기(30)를 포함하여 구성되며, 플라즈마 접촉기에서 전자의 방출 및 대전에 의해 발생한 전류가 장대케이블(20)을 통해 흐르게 되며, 이때, 지구 자기장이 우주 테더 장치와의 상호작용에 의한 로렌츠 힘(Lorentz force)이 발생하게 된다.
로렌츠 힘이란, 정자기장내에서 운동하는 전하가 받는 힘을 말하며, 도1을 참조하면, 플라즈마 접촉기(30)에서 전자가 방출 또는 대전되어 상기 장대케이블(20)내에 흐르는 전류와 지구 자기장에 의해 인공위성의 진행방향으로의 추력 또는 인공위성(10)의 진행 반대방향으로의 항력이 작용하게 된다.
이때, 장대케이블(20)내에 흐르는 전류의 세기를 조절하여 인공위성에 작용하는 추력 또는 항력의 세기를 조절함으로써, 상기 인공위성(10)이 궤도에서 이탈되지 않도록 제어하는 기술을 우주 테더 장치라고 한다.
그러나 종래의 우주 테더 장치는 상기 장대케이블(20)에 과도한 추력 및 항력이 인가되어, 장대케이블(20)이 엮이게 되거나, 외부로부터의 외란에 의해 장대케이블(20)에 작용하는 로렌츠힘이 여러 방향으로 분산되어 작용하게 되고, 이로 인해 장대케이블(20) 및 플라즈마 접촉기(30)의 움직임에 영향을 주게 되는 불안정성이 발생하게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자 일본 등록특허공보 제4986218호(장력 조절 장치 및 우주 구조물, 2012.05.11)에서는 테더의 미소 변동을 흡수하도록 탄성 변형 가능한 미소 변동 흡수부를 가지며, 우주 구조물에 소정의 미소 장력으로 장가되는 테더에 장력을 작용시키는 장력 작용 부재와 상기 장력 작용 부재의 위치를 조절하는 위치 조절 부재를 가지며, 상기 위치 조절부재에 의해 상기 장력 작용 부재의 위치를 조절함으로써 테더의 장력을 조절하는 장력 조절 장치에 관한 기술을 공지하고 있다. 그러나, 상기의 장력 조절 장치는 테더의 장력을 조절하기 위하여 전기적인 전원이 필수적으로 인가된다는 점에서 인공위성의 수명에 영향을 미치게 되는 단점이 있다.
또한, 종래와 같은 장대케이블(20)의 장력을 이용한 테더 장치는 장대케이블(20)의 장력을 인가하기 위한 엑추레이터 등의 장력 조절 장치의 한계로 인해, 장대케이블을 안전하게 제어할 수 있도록 장대케이블(20)의 길이를 일정 거리이상 늘리지 못하는 한계가 있으며, 장대케이블(20)이 운동하는 최대허용각도를 정의하고 그 범위 안에서만 우주 테더 장치를 사용해야 하는 문제점이 야기된다.
아울러, 종래의 우주 테더 장치는 우주환경에서 발생하는 우주 잔해물 및 운석 등의 충돌에 의한 외란에 의한 노이즈 및 인공위성의 궤도제어에 충분한 해결책을 마련하지 못하고 있으며, 외란에 의한 장대케이블(20)의 진동 및 충격을 흡수하기 위한 해결책을 제시하지 못하고 있다.
일본 등록특허공보 제4986218호(장력 조절 장치 및 우주 구조물, 2012.05.11)
본 발명의 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 장대 케이블에 탄성메타물질을 장착함으로써 우주 잔해물 및 운석 등의 충돌에 의한 외부로부터의 외란에 강건한 우주 테더 장치를 구축하고자 한다.
또한, 외란으로 인한 장대케이블의 진동 및 충격을 흡수하도록 외란이 가해지면 횡방향의 공진이 발생하는 구조를 갖는 탄성메타물질을 제공한다.
본 발명은, 행성을 공전하는 인공위성의 궤도를 제어하기 위한, 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치에 있어서, 상측이 상기 인공위성과 연결되며, 하측이 전자의 대전 또는 방전에 의해 전류를 생성하는 플라즈마 접촉기와 연결되어, 상기 인공위성의 궤도제어를 위한 추력 또는 항력을 발생시키는 장대케이블; 및 상기 장대케이블에 구비되며, 외부로부터의 외란에 의한 상기 장대케이블의 진동을 전달받아 상기 장대케이블의 횡방향으로 공진하는 탄성메타물질;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성메타물질은 일단이 상기 장대케이블에 연결되며, 하방으로 분기되어 형성되는 복수의 탄성케이블 및 상기 탄성케이블의 타단에 연결되며, 상기 장대케이블이 관통되는 중공부를 갖도록 상기 장대케이블을 감싸는 원형의 링 형상으로 이루어진 진자고리를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성케이블은 3개로 이루어져, 상기 장대케이블과 상기 진자고리를 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성메타물질은 상기 탄성케이블의 타단이 서로 방사상으로 이격되어 상기 진자고리와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인공위성 테더 장치는 상기 장대케이블의 축 방향을 따라 각기 일정간격 이격되어 구비되는 복수개의 탄성메타물질을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 장대케이블의 축에 직교하는 방향을 기준으로 각각의 상기 탄성메타물질의 탄성케이블이 서로 상이한 각도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명은 탄성메타물질의 공진 현상으로 인해 외란에 대한 충격을 흡수함으로써, 우주 테더 장치의 외란에 대한 강건성을 확보하며, 장대케이블의 불안정한 움직임을 방지하는 장점이 있다.
또한, 기존의 우주 테더 장치에 비하여 더욱 긴 장대 케이블을 사용 가능함에 따라서, 인공위성의 궤도제어에 필요한 높은 추력 및 항력을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 장대케이블의 불안정한 움직임을 방지하기 위한 전기 또는 추진체의 소모가 필요하지 않아, 인공위성의 수명을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 인공위성 테더 장치를 설명하기 위한 예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공위성 테더 장치를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성메타물질을 도시한 사시도.
도 4는 도3에 따른 탄상메타물질의 작용을 도시하기 위한 예시도.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 탄성메타물질을 설명한 예시도.
도 6은 도 5에 따른 본 발명의 인공위성 테더 장치를 도시한 사시도.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치는 행성을 공전하는 인공위성(10), 장대케이블(20), 플라즈마 접촉기(30) 및 탄성메타물질(100)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 탄성메타물질(100)은 상기 장대케이블(20)상에 구비되어, 외부로부터의 외란에 의한 진동 및 충격이 상기 인공위성(10)으로 전달되지 않도록 흡수함으로써, 상기 우주 테더 장치의 외란에 대한 강건성을 확보하며, 장대케이블의 불안정한 움직임을 방지할 수 있다. 상기 외란이란 외부로부터 인가되는 외력을 의미하며, 상기 인공위성(10)의 궤도 비행에 있어 불규칙적으로 인가되어 상기 인공위성(10)의 비행을 방해하는 외부로부터의 간섭에 의한 진동 및 충격 등을 의미한다.
상기 인공위성(10)은 본 발명에서는 행성을 공전하는 비행물질로 설명하고 있으나, 본 발명에 따른 상기 탄성메타물질(100)은 지구 내에서 일정한 궤도를 비행하는 항공기, 무인기 등의 비행체에 적용되는 테더 장치라면 본 발명의 요지에 벗어남 없이 다양한 테더 장치에 적용될 수 있다.
상기 장대케이블(20)은 상기 인공위성(10)의 하측에 연결되어 하방으로 연장되는 케이블로서, 내부에 전류가 흐를 수 있는 도전선이 형성되고 외부를 피복제가 감싸 이루어진다. 상기 탄성메타물질(100)이 구비되지 않는 장대케이블의 경우, 외부로부터의 외란에 의한 진동 또는 충격이 인공위성에 전달되어, 외란을 전달받은 인공위성의 궤도 비행에 오차를 인가할 수 있는 문제가 있다. 이에 본 발명은, 상기 탄성메타물질(100)에 의해서 상기 인공위성(10)에 전달되는 외란을 방지함으로써, 상기 인공위성(10)이 정교한 비행을 수행할 수 있도록 한다.
상기 플라즈마 접촉기(30)는 상기 장대케이블(20)의 하측에 연결되어, 상기 플라즈마 접촉기(30)에 음전자가 대전 또는 방출됨에 따라서, 상기 장대케이블(20) 내부에 전류가 흐르게 되며, 상기 인공위성(10)이 자전하는 행성의 자기장과의 상호관계에 의해서 로렌츠 힘이 발생하게 된다. 이때, 상기 플라즈마 접촉기(30)는 상기 장대케이블(20) 내부에 전류가 흐를 수 있도록 우주 공간 상에 부유하는 음전자가 대전 또는 방출되도록 하는 구성이며, 상기 음전자의 방출 또는 대전을 제어함으로써, 상기 인공위성(10)의 궤도 비행을 제어하기 위한 추력 또는 항력을 발생시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성메타물질(100)을 도시한 사시도로서, 도 3을 참조하면, 상기 탄성메타물질(100)은 상기 장대케이블에 연결되며, 하방으로 분기되어 형성되는 3개의 탄성케이블(110)과 상기 탄성케이블(110)의 타단에 연결되며, 상기 장대케이블(20)이 관통되는 중공부를 갖도록 상기 장대케이블(20)을 감싸는 원형의 링 형상으로 이루어진 진자고리(120)를 포함하여 이루어질 수 있다.
일반적으로 메타물질이란 플라스틱과 금속 같은 일반적인 물질로부터 형성된 복합 요소의 집합체로서, 반복적인 패턴으로 배열되어 형성됨으로써 기본 물질의 특성이 아닌 배열되는 패턴의 구조에 의해 그 성질을 갖는 물질을 말하며, 본 발명에서의 상기 탄성메타물질(100)은 상기 3개의 탄성케이블(110)과 상기 진자고리(120)의 구조로 인해 외란에 의한 충격파 또는 진동이 전달되면 상기 장대케이블(20)의 횡방향으로 공진이 발생되어 특정 주파수 영역에서 음의 유효 밀도 및 유효 강성을 가지는 특징이 있다.
더욱 자세하게는, 상기 탄성메타물질(100)는 일측이 상기 장대케이블(20)과 연결되며, 타측이 상기 진자고리(120)와 연결되는 3개의 탄성케이블(110)은 상기 장대케이블(20)로부터 인가되는 외란에 의한 진동 또는 충격파를 상기 진자고리(120)로 전달하며, 상기 진자고리(120)의 공진 및 진자운동에 의한 움직임에 의하여 상기 3개의 탄성케이블(110)에는 각기 다른 장력이 발생하게 되고 이로 인해 상기 3개의 탄성케이블(110)은 상기 진자고리(120) 및 상기 장대케이블(20) 사이에서 스프링의 역할을 하게 된다. 도 4를 참조하면, 상기 장대케이블(20)에 작용하는 외란에 의해 상기 진자고리(120)의 일측이 상방으로 움직이게 되면 상기 진자고리(120)의 일측에 연결된 탄성케이블(110)의 장력이 느슨해짐에 따라, 상기 장대케이블(20)에 작용하는 외란에 대향되는 방향에 연결된 다른 상기 탄성케이블(110)의 장력에 의해 상기 장대케이블(20)에 인가되는 외란을 상쇄하는 효과가 있다. 또한 상기 탄성메타물질(100)은 상기와 같은 작용을 반복하여 상기 장대케이블(20)에 인가되는 외란에 의한 진동 및 충격파를 흡수하게 된다.
또한, 상기 탄성메타물질(100)의 탄성케이블(110)은 상기 진자고리(120)에 연결되는 타단이 서로 동일한 간격으로 방사되어 연결되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 탄성케이블(110)은 복수개가 연결되어 형성될 수 있으나, 상기 진자고리(120)의 움직임에 따른 상기 탄성케이블(110)에 균일한 장력이 발생할 수 있도록 3개의 상기 탄성케이블(110)로 상기 진자고리(120)에 방사형으로 연결되는 것이 가장 바람직하다. 또한, 상기 탄성케이블(110)은 상기 진자고리(120)의 질량분포에 대응되어 각도 및 개수가 변형될 수 있으므로 본 발명의 요지에 벗어남 없이 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 상기 탄성메타물질(100)을 설명하기 위한 예시도이며, 도 6은 도 5에 따른 탄성메타물질(100)이 적용된 상기 인공위성 테더 장치를 도시한 사시도로서, 상기 도 5 내지 도 6을 참조하면, 상기 탄성메타물질(100)은 상기 장대케이블(20)의 축 방향을 기준으로 복수개가 구비되어 형성될 수 있으며, 상기 복수의 탄성메타물질(100)은 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 장대케이블(20)의 축에 직교하는 방향을 기준으로 각각의 상기 탄성메타물질(100)의 상기 탄성케이블(110)이 서로 상이한 각도를 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 장대케이블(20)의 축에 직교하는 방향은 상기 탄성메타물질(100)을 위에서 바라보았을 경우의 상기 장대케이블(20)의 횡방향을 뜻하며, 상기 장대케이블(20) 및 상기 탄성케이블(120)이 자유로운 운동이 가능한 선의 형태인 것을 감안하여 수학적인 수치에 한정하여 해석하지 않고 본 발명의 요지에 맞게 해석하여야 할 것이다.
또한, 도 5의 (a) 내지 (c)를 참조하여, 상기 3개의 탄성케이블(120)의 경우를 설명하면, 상기 탄성케이블(120)은 인접하는 다른 탄성케이블(120)과 120도의 각도를 갖도록 방사되어 형성되며, 상기 복수개의 탄성메타물질(100)은 어느 하나의 상기 탄성케이블(120)과 상기 장대케이블(20)의 축에 직교하는 y방향으로의 각도(
Figure pat00001
)가 모두 상이 하도록 형성될 수 있다.
또한, 어느 하나의 상기 탄성케이블(120)과 상기 장대케이블(20)의 축에 직교하는 y방향으로의 상기 각도(
Figure pat00002
)는 3개의 탄성케이블(120)에 있어서, 상기 각도(
Figure pat00003
)가 12도(방사각도,
Figure pat00004
)씩 증가하도록 형성될 경우 상기 장대케이블(20)상에 구비되는 상기 복수개의 탄성메타물질(100)은 10개를 한 단위체로 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 탄성메타물질(100) 단위체의 개수는 상기 각도(
Figure pat00005
)에 따라 다양한 변형실시가 가능할 것이다. 또한, 상기 방사각도(
Figure pat00006
)는 하나의 상기 탄성메타물질(100)의 탄성케이블(110)과 인접한 다른 하나의 탄성메타물질(100)의 탄성케이블(110)과의 상기 각도(
Figure pat00007
)의 차이이며, 상기 방사각도(
Figure pat00008
)는 상기 탄성케이블(110)의 개수에 따른 상기 진자구조(120)에 가장 최적화 되는 각도로 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 복수개의 탄성메타물질(100)의 탄성케이블(110)이 서로 상이한 각도를 갖도록 형성됨에 따라서, 상기 장대케이블(20)에 인가되는 외란에 대응되는 상기 장대케이블(20)의 전방향으로의 진동 및 충격파의 흡수가 가능한 장점이 있다. 또한, 도면상에는 도시되어 있지 않으나, 상기 장대케이블의 길이에 따라서 상기 탄성메타물질(100)의 개수 및 상기 탄성메타물질(100) 단위체가 반복되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 진자고리(120)를 이루는 질량의 분포 및 상기 진자고리(120)의 형태를 다르게 하여 상기 장대케이블(20)에 인가되는 외란의 전방향 및 주파수의 전영역대에 따른 진동 및 충격파의 흡수를 할 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 상기 탄성메타물질(100)은 상기 장대케이블(20) 전체의 길이(L)에 대하여 인접한 상기 탄성메타물질(100)사이의 거리(d)는 일정간격 만큼 이격되어 구비되는 것이 바람직하며, 상기 장대케이블(20)의 축 방향을 따라 각기 일정간격 이격되어 구비되는 상기 탄성메타물질(100)의 개수에 따라 상기 거리(d)가 결정될 수 있다.
즉, 인접한 상기 탄성메타물질(100)의 이격거리(d)는 상기 장대케이블(20)의 총길이(L)과 상기 탄성메타물질(100)의 개수(n)에 의해 결정되고, 상기 탄성메타물질(100)의 개수(n)은 상기 탄성케이블(110)의 개수(x)와 상기 탄성케이블(110) 각각의 방사각도(
Figure pat00009
)에 의해서 결정되며 하기의 식에 의하여 결정될 수 있다.
Figure pat00010
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치는 상기 장대 케이블(20)에 공진 현상 및 진자운동으로 인해 외란에 대한 충격을 흡수하는 상기 탄성메타물질(100)을 장착함으로써 우주 잔해물 및 운석 등의 충돌에 의한 외부로부터의 외란에 강건한 우주 테더 장치를 구축함으로써, 상기 인공위성(10)으로 전달되는 충격 및 진동을 방지하여 상기 인공위성(10)의 비행에 따른 궤도 및 자세에 외란이 미치는 영향을 차단하여, 상기 인공위성(10)의 궤도 및 자세제어에 사용되는 추력체의 소모를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 인공위성 20 : 장대케이블
30 : 플라즈마 접촉기
100 : 탄성메타물질 110 : 탄성케이블
120 : 진자고리

Claims (6)

  1. 행성을 공전하는 인공위성의 궤도를 제어하기 위한, 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치에 있어서,
    상측이 상기 인공위성과 연결되며, 하측이 전자의 대전 또는 방전에 의해 전류를 생성하는 플라즈마 접촉기와 연결되어, 상기 인공위성의 궤도제어를 위한 추력 또는 항력을 발생시키는 장대케이블; 및
    상기 장대케이블에 구비되며, 외부로부터의 외란에 의한 상기 장대케이블의 진동을 전달받아 공진하는 탄성메타물질;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성메타물질을 이용한 인공위성 우주 테더장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄성메타물질은
    일단이 상기 장대케이블에 연결되며, 하방으로 분기되어 형성되는 복수의 탄성케이블 및
    상기 탄성케이블의 타단에 연결되며, 상기 장대케이블이 관통되는 중공부를 갖도록 상기 장대케이블을 감싸는 원형의 링 형상으로 이루어진 진자고리
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄성케이블은 3개로 이루어져, 상기 장대케이블과 상기 진자고리를 연결하는 것을 특징으로 하는 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 탄성메타물질은
    상기 탄성케이블의 타단이 서로 방사상으로 이격되어 상기 진자고리와 연결되는 것을 특징으로 하는 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 인공위성 테더 장치는
    상기 장대케이블의 축 방향을 따라 각기 이격되어 구비되는 복수개의 탄성메타물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 장대케이블의 축에 직교하는 방향을 기준으로 각각의 상기 탄성메타물질의 탄성케이블이 서로 상이한 각도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 탄성메타물질을 이용한 인공위성 테더 장치.
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