6분력 센서를 이용한 추진기관 측력 및 롤 모멘트 정밀 계측 연구

2.1 시험 장치

6분력 센서를 이용하여 계측하는 시험 장치의 구성은 Fig. 1과 같다. 측정하는 대상인 추진기관, 3축의 힘과 모멘트를 계측하는 6분력 센서, 추진기관과 센서를 고정해주는 치구, 그리고 바닥 고정대로 구성되어 있다. 6분력 센서의 성능은 Table 1과 같으며 추진기관 내부 그레인 형상은 보안 관계상 삭제하였다. 6분력 센서의 제작사는 ATI Industrial Automation이며, 모델명은 OMEGA85, 품명은 US-420-740이다. 추진기관에는 압력을 측정하는 압력센서도 Fig. 2와 같이 설치되어 있다. 압력센서의 제조사는 SENSYS이며, 모델명은 PMHH 5000PAIA이다.

Fig. 1

Configuration of test device

Table 1

Specification of 6-component sensor

Fig. 2

Picture of test device with pressure sensor

설치된 시험 장치를 이용하여 3축의 힘과 1축의 모멘트를 계측한다. 힘과 모멘트를 계측하는 센서의 축 정의는 Fig. 3과 같다. 추진기관에서 발생하는 추력은 F_X이며 측력은 F_Y, F_Z이다. 롤 모멘트는 M_X이다.

Fig. 3

Axis definition

2.2 시험 기준

제작된 추진기관의 품질 적합성 검사를 위해 지상연소시험을 통해 측력과 롤 모멘트를 계측하여 시험 기준에 적합 하는지 확인한다. 시험 기준은 측력은 추력의 ±2.0%, 롤 모멘트는 ±0.3 N-m이다.

2.3 시험 결과

지상연소시험 수행 결과는 Fig. 4와 같다. 검은선은 롤 모멘트 M_X, 빨간선은 y축 측력 F_Y, 파란선은 z축 측력 F_Z이다. 그래프의 x축은 sec에 대해 무차원화 하였고, y축 측력은 %, 롤 모멘트는 N-m로 각각 무차원화하여 나타내었다.

Fig. 4

Result of ground test

지상연소시험 결과 측력과 롤 모멘트 모두 시험 기준에 부적합으로 나타났다. Y축 측력은 연소 초기 기준을 만족하였으나 연소 중간인 1.5-2.0초 사이에 시험 기준 2%를 초과하였다. Z축 측력은 연소 초기에 시험 기준을 초과하였다. 롤 모멘트 Mx는 연소 초기부터 1.0초 사이에 시험 기준을 초과하였다. 측력과 롤 모멘트의 경향을 비교해보면 측력이 최대가 되는 시점과 롤 모멘트가 최대가 되는 시점이 달랐다. 측력이 최대가 되는 시점에서 각 측력이 중첩되어 롤 모멘트가 최대가 될 것으로 추정하였지만 계측 결과 측력과 롤 모멘트는 서로 다른 경향성을 가진다. 다양한 가정을 제시하여 분석한 결과 시험 장치 구성에 있어 가장 큰 문제점이 있었고, 해결 과정들을 본 논문에서 서술하고자 한다.

3.1 압력센서 제거

Fig. 2에서 보면 추진기관 지상연소시험에서 연소실 내 압력을 측정하기 위해 압력센서를 설치한다. 압력센서의 설치로 시험 장치의 무게중심은 X축을 기준으로 벗어나게 되며 압력센서 무게로 인해 롤 모멘트가 발생한다. 또한 추진기관에서 발생한 측력 및 롤 모멘트와 중첩되어 더 큰 롤 모멘트가 발생할 수 있다. 따라서 추진기관에서 발생하는 순수 롤 모멘트보다 과도하게 예측되는 것을 방지하기 위해 압력센서를 제거 후 측력과 롤 모멘트를 측정하였다.

Fig. 5는 압력센서 설치 유/무에 따른 지상연소시험에서 롤 모멘트 계측 결과를 나타낸 것이다. 압력센서 있는 조건이 3개, 센서 없는 조건이 1개이다. 센서 유/무에 따른 롤 모멘트 경향을 비교해보면 센서가 있는 조건은 연소 초기 0.0-1.0초 사이에 가장 큰 값을 보인 후 급격히 감소한다. 반면에 센서가 없는 조건은 시험 장치의 무게중심 편향이 없기 때문에 연소중에 급격한 롤 모멘트의 변화없이 완만히 증가 후 감소한다. 계측된 롤 모멘트의 최댓값을 비교해보면 센서가 있는 조건이 0.73-1.1 N-m로 계측되었고, 센서가 없는 조건이 0.68 N-m로 계측되어 압력센서를 제거하는 것이 롤 모멘트 측면에서 최소 7%, 최대 60%의 감소 효과를 나타낸다.

Fig. 5

Roll moment result with or without pressure sensor

3.2 조립체 비틀림 확인

시험을 수행하는 추진기관의 노즐은 비행하는 축에 대해 30°씩 편향되어 있다. 또한 노즐 출구 형상은 Fig. 6과 같이 화염이 나가는 축에 대해 비대칭으로 절단되어 있다. 이미 설계된 형상으로도 충분히 측력 및 롤 모멘트가 발생할 수 있으며 조립 과정에서 누적된 공차 조건으로 인해 기준 이상의 측력 및 롤 모멘트가 발생할 수 있다.

Fig. 6

Configuration of rocket nozzle

따라서 조립 과정에서의 편향을 확인해보기 위해 Fig. 7과 같이 전체 시험 장치에 대한 비틀림 정도를 3차원 측정 장비로 확인해보았다. 3차원 측정 장비의 제조사는 Hexagon Metrolgogy이며 모델명은 Croma 554이다. 장비 사양은 X축 300, Y축 500, Z축 500 mm 이상이며 분해능은 0.0005 mm 이상이다.

Fig. 7

Configuration of 3-dimensional measurement

Table 2는 측정을 수행한 기준 축 및 측정 결과를 나타낸 것이다. X_b는 X축과 연소관 중심축인 Z축의 수직 여부, Y_b는 Y축과 Z축의 수직 여부를 나타내며 90°를 기준으로 0.1° 미만으로 편차를 확인하였다. X_c, X_d, Y_c, Y_d는 YZ, XZ 평면이 각 노즐 중심축과 이루는 각도를 나타내며 30을 기준으로 0.02-0.1°로 낮은 편차를 나타냈다. 노즐의 조립점검서를 보면 조립 후 제작 공차는 0.15° 미만으로 나와있으며 3차원 측정 결과로도 이를 확인하였다.

Table 2

Result of 3-dimensional measurement

3.3 6분력 센서 및 시험 장치 구성 변경

Fig. 1의 시험 장치 구성도를 보면 전체에서 추진기관이 차지하는 부피가 매우 크다. 계측을 담당하는 센서나 고정시키는 치구보다 외력을 발생시키는 추진기관의 부피가 더 커서 측력이나 롤 모멘트가 과도하게 계측될 수 있다. 이를 개선하기 위해 6분력 센서를 기존보다 직경이 큰 제품으로 변경하고, 시험 장치 구성도 센서 및 고정 치구류의 부피와 무게를 증가시켜 시험 장치 전체의 무게중심을 추진기관이 설치된 위쪽이 아닌 바닥쪽으로 수정하였다. 바뀐 센서의 성능 및 직경은 Table 3과 같다. 기존 OMEGA 85에서 191로 변경하였으며 직경은 증가하고, 센서 분해능(Resolution)은 계측값에 에러를 발생하지 않는 수준으로 유지하였다.

Table 3

Specification of 6-component sensor

바닥 고정대는 기존보다 직경을 키우고, 높이를 증가시켰다. 바닥 고정대의 높이는 전체 시험 장치의 무게와 고유진동수에 영향을 미치므로 여러 가지 형상으로 해석을 수행하여 결정하였다. 시험 장치의 경우 시험을 수행할 때마다 들고 다녀야 되므로 두 사람이 들고 다닐 수 있는 적정 무게(40 kg 이하)로 설정하였으며, 추진기관 연소시험 시 발생하는 주파수가 500-2,000 Hz이므로 시험 장치의 고유진동수가 2,000 Hz 초과되도록 설계하였다.

최종 설계한 형상의 고유진동수 해석 모델은 Fig. 8과 같다. 추진기관은 동일 무게로 하여 원뿔 형태로 대체하였다.

Fig. 8

Analysis model of natural-frequency

Table 4는 해석 모델의 고유진동수 해석 결과를 나타낸 것이다. 모드 1부터 10까지 3축(X, Y, Z)에 대한 질량참여율을 분석한 것이다. %X_mass는 모드에서 3축 중 X축이 모드에 영향을 미치는 질량참여율을 의미한 것이며 %Y, %Z 모두 동일 의미이다. 3축 중 추력과 동일축인 X축의 결과가 가장 중요하다. X축에 대해서 질량참여율이 가장 높은 고유주파수는 2,198 Hz이며 2,000 Hz 이상의 요구 조건을 만족한다.

Table 4

Result of natural-frequency analysis

고유진동수 해석한 결과가 실제랑 일치하는지 확인해보기 위해 제작한 시험 장치에 고무망치로 힘을 가해 주파수를 확인하였다. 힘을 가한 후 계측된 데이터를 FFT (Fast Fourier Transform) 변환을 이용하여 주파수별 진폭을 확인하였다. Fig. 9는 시험 장치의 고유주파수 결과를 나타낸 것이다. 시험 결과 장치의 고유진동수는 약 2,580 Hz로 계측되어 설계 요구 조건을 만족하였다.

Fig. 9

Result of frequency test

Fig. 10은 최종 시험 장치를 이용하여 지상연소시험을 수행한 결과이다. 시험 조건인 측력 ±2.0 이하와 롤 모멘트 ±0.3 이하 조건을 모두 만족하였다.

Fig. 10

Result of ground test with new device