CubeSat Attitude System Airbearing Test Bed/큐브샛 자세 시스템 공기 베어링 테스트 베드

▼이 페이지는 2017년 알토 대학교 강좌 L3999 "과학을 위한 오픈 소스 하드웨어 3D 프린팅"의 일환으로 제작되었습니다 . 현재 누구나 편집 할 수 있으니 자유롭게 개선해 주세요 .

본 프로젝트의 목표는 큐브샛급 위성의 자세 제어 시스템 테스트용 도구를 설계하는 것입니다. 이 도구는 공기 베어링 원리를 기반으로 합니다. 위성은 외부를 감싸는 구형 구조물 내부에 고정됩니다. 이 구형 구조물은 압축 공기 공급 장치에 연결된 도구 플랫폼 위에 놓이고, 플랫폼은 노즐에 압축 공기를 공급합니다. 노즐은 구형 구조물 표면에 밀착되어 배치되며, 노즐 사이에 얇은 공기층을 형성합니다. 이러한 구조는 위성에 마찰이 없는 환경을 제공합니다.

여기에 제시된 테스트 베드 설계는 현재 단계에서는 개념 증명만을 위한 것입니다. 위성을 구체 내부에 장착하는 것을 지원하지 않으며, 플랫폼 설계는 아직 초기 단계입니다.

소개

위성 시스템은 탑재체, 통신 안테나 또는 기타 모듈 등 우주 공간에서의 자세에 따라 효율성이 좌우되는 장비들을 갖추고 있기 때문에 자세 제어가 필수적입니다. 자세 제어 시스템은 매우 복잡하며 개발에 상당한 노력이 필요합니다. 또한, 많은 우주 관련 개발 활동에서 흔히 그렇듯이, 실험실에서 우주 환경을 완벽하게 재현하기 어렵기 때문에 시스템 테스트 역시 매우 까다롭습니다.

자세 제어 시스템의 경우, 재현해야 할 우주 환경의 특성은 마찰이 없다는 것입니다. 위성은 항상 무중력 상태에 있으며 회전 운동에 대한 제약이 최소화되어 있습니다. 실험실에서 거의 마찰이 없는 효과를 구현하는 방법에는 공기 베어링, 자기 부상, 능동 회전 시뮬레이션 등 여러 가지가 있습니다.

• 공기 베어링은 두 개의 구형 용기 사이에 얇은 공기층을 이용하는 가장 간단한 방식입니다. 공기층은 압축 공기를 이용하여 생성됩니다. 이 시스템은 내부 구의 충분히 넓은 면적이 외부 용기로 덮이고 용기 사이의 공간이 작을 경우 물리적으로 안정적입니다. 이를 위해서는 정밀한 제조 공정이 필요합니다.
• 자기부상 방식은 구성 형상에 있어 추가적인 선택지를 제공하지만, 고정 부분과 부유 부분 모두에 능동 또는 수동 자기 소자가 필요합니다. 특히 3축 회전 자유도를 구현하려면 능동 자기 소자에 대한 고도의 복잡한 제어가 요구되는데, 이는 자기장이 자연적으로 하나의 자유 회전축만 제공하기 때문입니다. 또한, 시험 공간 주변의 자기장이 크게 변동하기 때문에 지구 자기장의 물리적 모사가 어려울 수 있습니다.
• 능동 회전 시뮬레이션은 위성 고정 플랫폼에서 자세 제어 신호를 감지하고 이를 액추에이터를 통해 회전 운동으로 변환하는 방식입니다. 한 가지 감지 전략은 마찰이 존재하더라도 어느 정도 회전 자유도가 확보된 환경에서 자이로스코프 MEMS 센서를 사용하는 것입니다. 이 경우 위성에서 발생하는 토크를 증폭하여 마찰을 상쇄합니다. 마찬가지로 토크 및 힘 센서를 사용할 수도 있습니다. 또 다른 전략은 위성 프로세서에서 제어 신호를 직접 읽어 적절한 회전 운동을 제공하는 것입니다. 능동 회전 시뮬레이션은 주변 환경의 교란을 쉽게 모사할 수 있습니다. 그러나 실제 마찰이 없는 환경을 완벽하게 재현하지 못하므로, 찾기 어려운 시뮬레이션 오류가 발생할 수 있습니다.

자세 제어 시스템은 시스템 자체적으로 토크를 생성하는지, 아니면 물리적 구성을 통해 외부 환경의 힘을 활용하는지에 따라 능동형과 수동형으로 분류할 수 있습니다. 능동형 제어에는 예를 들어 내부 운동량 교환을 위한 반작용 휠이나 외부 운동량 교환을 위한 자기 토크 발생기가 사용될 수 있습니다. 자기 토크 발생기는 외부 자기장을 필요로 하는데, 지구 궤도를 도는 위성의 경우 지구 자기장이 이를 충족합니다. 수동형 제어에 활용될 수 있는 주요 우주 힘에는 태양 압력, 중력 기울기, 대기 저항 등이 있습니다. 위성의 형상과 질량 분포를 이러한 힘의 영향을 받도록 설계하면 의미 있는 토크를 생성할 수 있습니다. 위성에 고정 자석을 장착하는 것 또한 자세 보정에 도움이 되는 토크를 발생시킬 수 있습니다.

큐브샛은 크기가 대략 10x10x10cm 정육면체의 배수이고 무게가 1~10kg인 소형 위성입니다. 크기가 작고 무게가 가벼워 마찰이 없는 시험 장비에 완전히 장착할 수 있습니다. 일반적으로 더 큰 위성은 자세 제어 모듈만 시험하고 나머지 시스템은 시험하지 않습니다.

프로젝트 목표

본 프로젝트의 최종 결과물은 큐브샛의 마찰 없는 자세 테스트를 위한 도구입니다. 이 도구는 다양한 크기의 위성을 지원할 수 있어야 합니다. 가장 일반적인 큐브샛은 1, 2 또는 3유닛 크기입니다. 큐브샛은 반작용 휠과 자기 토크 발생기를 모두 탑재할 수 있으므로 주변 자기장의 특성이 중요합니다. 테스트 도구는 불가피하게 위성의 물리적 형상과 질량 분포를 변경하게 됩니다. 위성의 무게가 이미 가볍기 때문에 이러한 변경을 최소화하는 것이 중요합니다. 또한, 외부에서 토크를 가할 수 있는 기능은 보다 현실적인 시뮬레이션을 제공하는 데 큰 도움이 될 것입니다.

목표는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

1. 최대 3유닛 크기의 큐브샛을 지원합니다.
2. 주변 자기장의 교란을 최소화합니다.
3. 경량 설계로 위성의 관성 모멘트 변화를 줄였습니다.
4. 능동 토크 보상 및 외란 토크 시뮬레이션 가능성.
5. 질량 중심을 측정할 수 있는 가능성.
6. 관성 모멘트를 측정할 수 있는 가능성.

이는 장기적인 목표입니다. 아래에 제시된 디자인과 결과는 현재 개념 증명 목적으로만 제공됩니다. 디자인은 의도적으로 간소화되었으며, 현재 달성하고자 하는 유일한 목표는 마찰 없는 환경을 구현하는 것입니다.

디자인

디자인 결정

단순성 덕분에 마찰이 없는 공기 베어링 기술이 선택되었습니다. 따라서 이 장비는 위성 케이스와 노즐 플랫폼의 두 부분으로 구성됩니다. 케이스는 위성과 노즐 플랫폼 부분을 연결하는 인터페이스 역할을 합니다. 완전한 회전 범위를 확보하기 위해 위성 케이스는 완전한 구형으로 제작하기로 했습니다. 구형 케이스는 대칭 구조이므로 위성의 질량 중심을 유지하고 관성 모멘트를 균등하게 분산시키는 데 유리합니다. 기존의 공기 베어링 솔루션 대부분은 플랫폼에 속이 빈 반구형 구조를 사용하는데, 이는 케이스의 안정성을 확보하는 데 탁월합니다. 그러나 이러한 설계는 케이스의 상당 부분을 차지하여 외부와의 상호작용 가능성을 제한하는데, 이는 외란 시뮬레이션을 구현하는 데 필수적입니다. 따라서 본 연구에서는 4개의 소형 노즐을 사용하는 새로운 접근 방식을 채택했습니다. 또한, 국부 자기장에 미치는 영향을 최소화하기 위해 전체 장비를 플라스틱으로 제작할 예정입니다.

구형 인클로저

구형 케이스는 인공위성을 내부에 수용하도록 설계되었으므로 최소 두 부분으로 분리될 수 있어야 하며, 취급의 용이성을 위해 두 부분으로만 구성되는 것이 바람직합니다. 그러나 제조상의 이유로 구형 케이스는 8개 부분으로 분할되었습니다. 최종적으로는 이 부분들을 접착하여 구형 케이스의 두 부분만 남도록 할 계획입니다.

구체는 극축 부품(2개 필요)과 측면 부품(6개)의 두 종류로 구성됩니다. 측면 부품에는 측면과 모서리에 돌출부가 있습니다. 이 돌출부는 부품들을 서로 연결하고 조립하는 데 도움을 주기 위해 설계되었습니다. 또한, 부품들을 접착하거나 납땜할 때 접착면 또는 납땜 재료로 사용할 수 있습니다. 극축 부품과 측면 부품 모두 안쪽에 작은 고리가 달려 있습니다. 이 고리는 구체 조립 시 부품들을 연결하는 데 유용합니다. 납땜이나 접착 과정에서 끈이나 고무줄을 사용하여 부품들을 연결할 수 있습니다. 고리는 조립 후 잘라내거나, 그대로 두어 구체 내부에 위성을 장착하는 데 사용할 수도 있습니다.

구체의 절반은 하나의 극 부분과 세 개의 측면 부분으로 조립할 수 있습니다. 이렇게 조립된 절반 부분 두 개를 쉽게 결합할 수 있으며, 두 부분은 서로 단단하게 고정됩니다. 이 고정력은 개념 증명 목적에는 충분하지만, 향후 설계에서는 더 나은 결합 메커니즘이 필요할 것입니다.

• 구형 인클로저 갤러리
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  극권 구성 요소.
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  측면 구형 부품.
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  반구형으로 조립했습니다.
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  모든 부품은 3D 프린팅으로 제작되었습니다.

노즐 플랫폼

노즐 플랫폼은 중앙 부분, 세 개의 지지대, 그리고 세 개의 노즐로 구성됩니다. 중앙 부분은 노즐 역할을 하는 동시에 세 개의 지지대를 연결하는 역할을 합니다. 각 지지대에는 하나의 노즐이 장착됩니다. 조립 과정은 갤러리 이미지에서 확인할 수 있습니다. 중앙 부분과 지지대는 현재 별도의 고정 장치가 없으며, 접착제나 납땜으로 조립할 수 있습니다. 이미지에서 볼 수 있듯이 노즐도 지지대에 접착제로 고정했습니다. 노즐의 위치는 매우 정확해야 하며, 작은 제조상의 오차가 누적되어 원래 위치가 부적절해지는 경우가 있었는데, 접착제를 사용하여 이러한 오차를 보정했습니다. 또한, 플랫폼 전체는 안정성을 높이기 위해 금속 부품에 접착제로 고정했습니다.

• 노즐 플랫폼 갤러리
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  플랫폼 스탠드.
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  중앙 노즐이 있는 플랫폼 중앙 부품.
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  플랫폼 노즐 부품.
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  플랫폼 중앙 부분 및 스탠드.
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  조립된 플랫폼.

호스 시스템

노즐을 압축 공기 공급원에 연결하기 위해 분배기를 제작해야 했습니다. 이 분배기는 6x9mm 직경의 입력 호스 하나와 4x8mm 직경의 출력 호스 네 개로 구성됩니다. 조립 후 호스 분배기에서 공기 누출이 발생하여 추가로 접착제를 사용하여 고정했습니다. 기성품 호스 분배기를 구입하는 방법도 있지만, 일반적으로 출력이 두세 개밖에 되지 않아 충분한 출력 수를 확보하려면 여러 개를 구입해야 할 수도 있습니다. 입력 호스는 사진에서 볼 수 있듯이 호스 커넥터에 연결했습니다. 마지막으로 출력 호스를 노즐 입력부에 삽입했습니다. 노즐 입력부 직경이 호스 외경보다 약간 작아 단단히 고정되었습니다.

• 호스 시스템 갤러리
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  호스 분배기 부품.
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  조립 전 호스 분배기.
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  호스 분배기 조립 후.
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  플라스틱 접착제가 도포된 호스 분배기.
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  호스 커넥터.
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  노즐에 연결된 호스.

비용

호스:

• 6x9mm 1미터 - 1개 x 0.70유로
• 4x7mm 철사 3미터 - 3개 x 0.65유로
• 호스 연결기 1개 - 1개 x 2.50유로

출력 부품:

• 구형 극성 부품 2개 - 2 x 57g - 2.74유로
• 구형 측면 부품 6개 - 6 x 17g - 2.45유로
• 플랫폼 스탠드 부품 3개 - 3 x 7g - 0.5유로
• 플랫폼 노즐 부품 3개 - 3 x 7g - 0.5유로
• 플랫폼 중앙 부품 1개 - 19g x 1개 - 0.7유로
• 호스 분배기 부품 2개 - 2 x 6g - 0.3유로

총액: 12.34유로

시간:

• 인쇄하는 데 약 4일 정도 걸립니다.
• 조립하는 데 약 하루 정도 소요됩니다.

토론

부품 조립은 상당히 직관적이고 간단했습니다. 하지만 호스 시스템은 공기가 새지 않아 추가 접착이 필요했습니다. 구형 부품들은 제자리에 자연스럽게 들어맞지만, 모든 모서리를 매끄럽게 다듬고 부품 사이의 틈을 제거하려면 상당한 작업이 필요합니다. 최종적으로 모든 틈을 완전히 제거하는 데는 실패했고, 이로 인해 구형이 다소 길쭉해졌습니다. 조립 과정을 개선하면 구형을 더 완벽하게 만들 수 있을 것 같지만, 여전히 많은 노력이 필요합니다. 플랫폼은 쉽게 조립되었지만, 조립 후 부품들에 약간의 유격이 있어 약간의 오차가 발생할 수 있습니다.

이 모든 것이 최종 테스트 베드가 예상대로 작동하지 않는 결과를 초래했습니다. 불완전하게 조립된 구체와 노즐 위치 설정의 미세한 오차가 가상의 접촉을 유발했습니다.

또 다른 문제점은 호스 분배 시스템이 모든 노즐에 동일한 토출 압력을 제공한다는 점인데, 중앙 노즐은 다른 노즐보다 더 높은 압력을 받아야 한다는 것입니다.

다음 단계

다음으로 가장 중요한 단계는 오류 발생을 최소화하기 위해 정확한 모양으로 쉽게 조립할 수 있는 구체를 만드는 방법을 찾는 것입니다.

플랫폼은 오류를 최소화하기 위해 추가적인 지원 구조를 갖출 수도 있습니다. 하지만 압력 분포 문제를 고려한 후에는 다른 해결책이 설계될 수도 있습니다.

결론

비록 프로젝트가 개념 증명에 성공하지는 못했지만, 그 과정에서 몇 가지 교훈을 얻을 수 있었습니다. 개선 아이디어가 많이 남아 있으며, 프로젝트는 향후 업데이트를 기다리고 있습니다.

참고 자료

모델 설계 파일은 다음 링크에서 확인할 수 있습니다: https://3dprint.nih.gov/discover/3dpx-008214