지상용 이동형 장비, 항공기, 무인기 등의 기계 시스템은 그 시스템의 활용도 향상을 위해 다양한 성능의 탑재체를 설치하여 운용한다. 이때 기계 시스템에 설치된 탑재체는 기계 시스템과 목표물과의 거리, 방향 등의 정보를 파악하여 운용자에게 전달하며, 운용자가 그 정보를 활용하도록 하는 역할을 수행한다.

기계 시스템에 설치된 탑재체는 시스템의 운용환경에 따라 각각의 설계 요구조건을 갖게 된다. 특히 비행구조물 등의 고기동 플랫폼에 설치되는 탑재체의 경우 타 시스템에 비해 가혹한 운용 환경에 노출된다. 비행구조물의 운용 시 비행구조물에는 추진력, 공력, 구조물의 관성 및 탄성 등의 상호작용에 의해 진동이 발생하게 되며, 이때 발생한 진동은 비행구조물과 탑재체의 인터페이스를 통해 탑재체 내부로 전달된다. 이렇게 전달된 진동은 탑재체 내부 전자장비 및 구동장비의 구동특성에 영향을 주어 탑재체 성능에 악영향을 줄 뿐만 아니라 내구성에 영향을 미쳐 탑재체의 수명을 악화 시킨다.

탑재체를 설치한 비행구조물의 기동성능 향상 추세에 따라 비행구조물의 추진력은 점점 증가되는 반면, 경량화 소형화 설계에 대한 요구가 증가하고 있다. 비행구조물의 추진력 증가는 탑재체 와의 인터페이스를 통해 전달되는 진동을 증가시키며, 따라서 탑재체 내부의 진동응답 역시 증가하게 된다. 또한 탑재체의 경량화, 소형화 설계는 탑재체 강성을 저하시켜 탑재체 내부 진동응답을 크게 증폭시키기 때문에 이를 감소 혹은 소산시키는 설계가 진행되어야 한다. 이런 탑재체에 작용하는 진동은 여러 가지 진동모드의 조합형태를 가지는데 먼저 저주파 진동모드에 의한 진동은 탑재체 주 구조물의 강성에 의해 발생하게 된다. 저주파 진동모드의 진동은 변위가 크기 때문에 탑재체 내부 구동장비의 구동 성능에 영향을 미치고, 플랫폼 파손 원인이 된다. 반면 고주파 진동모드는 탑재체 운용 시 내부 구성품 간 상대운동에 의해 발생되어 탑재체 내부 전자모듈 성능에 영향을 준다. 따라서 탑재체 플랫폼 및 전자모듈 파손 방지를 위해 저주파 및 고주파 모드의 진동을 모두 감소 시키는 것을 고려해야 한다.

기존 외팔 보 형태를 갖는 구조물에 발생하는 진동응답을 줄이는 방법으로 구조물 설계 시 구조보강을 통하여 구조물 강성을 증가시켜 구조물 유연모드에 의한 리셉턴스(Reacceptance)를 줄이는 방법이 주로 사용되었다. 이후 복합재료의 발달로 구조물에 점탄성물질 적용 및 설계 최적화를 통해 외팔보 형태를 갖는 구조물의 진동을 최소화 하는 방법에 대한 이론적, 시험적 연구가 진행되었다. 하지만 구조물의 강성을 증가시키는 방법은 탑재체 플랫폼의 무게를 증가시켜 탑재체의 소형화, 경량화 개발 목적에 부합하지 않으며, 탑재체 무게중심의 변화로 인한 불균형을 초래한다. 또한 고온 환경에 노출되는 탑재체는 내부 열에 의해 점탄성 재료의 변형 및 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에 적용에 한계가 있다.^1-3

외팔보 형태의 구조물에 발생하는 진동응답 저감 방법으로 감쇠기를 적용하는 연구가 진행되었는데 Eric. Kathe는 포신의 진동응답 감소를 위해 포신 끝단에 스프링 로드(Spring Rod)다발과 진동흡수용 감쇠질량(Absorber Mass)을 단 수동형 질량 감쇠기의 스프링 로드의 개수에 따른 진동감쇠 효과에 대한 연구를 수행하였다. 이런 수동형 질량 감쇠기의 설치는 공간 및 중량에 제한을 가지고 있어 탑재체 적용에 어려움을 가지고 있다.^4,5

2011년 곽동기 등은 외팔보 형태를 갖는 포신의 진동응답 감쇠를 위해 동흡진기를 적용하고 이에 대한 이론적, 시험적 및 해석적 검증을 진행하였다. 화포 포신의 경우 외팔보의 형태를 갖는 구조물 중에서도 가장 단순한 구조를 갖기 때문에 이론해를 구해는 것이 가능하다.^6,7

탑재체는 외팔보의 형태를 갖는 기계 구조물이다. 외팔보 형태를 갖는 대부분의 기계 구조물의경우 오일러 보 이론(Euler Beam Theory) 혹은 티모센코 보 이론(Timoshenko Beam Theory)을 활용하여 이론해를 도출할 수 있다. 하지만 탑재체의 경우 기계 구조물과 다양한 전자 모듈로 구성되어 있고, 특히 세장비가 작아 이론해를 구하는데 제약을 가지고 있다. 이와 같이 이론해를 구하기 어려운 경우 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 설계에 활용할 수 있다.^8,9

동흡진기는 기계 구조물 중 일정 진동수로 진동하는 큰 진동체에 작은 질량-스프링계를 부착하여 진동을 줄이는 방법으로, 일정 진동수로 진동하는 진동체에 부착된 질량-스프링계의 동흡진기 고유진동수를 진동체의 진동수와 같도록 만들어 진동체의 진동을 줄이거나 없앨 수 있는 감쇠장치 이다. 이런 동흡진기는 큰 공간 및 중량증가 없이 설치 가능하여, 공간 제약으로 인해 감쇠장치를 설치할 수 없는 경우 및 감쇠장치를 통한 진동 저감에 한계가 있는 경우, 구조물의 정렬이 매우 중요한 설계요구사항 이어서 감쇠 장치 설치로 인해 발생되는 변위가 문제되는 경우, 이미 설계가 완료된 기계 시스템에 진동 저감이 필요한 경우 또는 국부진동모드에 대한 진동저감이 필요할 경우 유용하다. 따라서 이런 동흡진기의 특성활용 시 탑재체가 가지는 무게, 공간 등의 문제를 최소한의 설계변경으로 해결할 수 있다.

본 연구에서는 기존에 제작된 탑재체의 설계변경을 최소화 하면서 탑재체 내부 진동응답 저감방안으로 탑재체 내부 구성품 설계 및 배치 시 동흡진기의 운용 개념을 적용하는 것에 대한 연구를 진행하였다(Fig. 1).

Fig. 1 
Concept of dynamic vibration absorber

운용환경에서 탑재체의 안전성 및 신뢰성 검증을 위해 유한요소해석을 수행하여, 탑재체의 진동응답을 도출하였고, 구조진동시험을 통해 검증하였다.

본 연구에서는 탑재체 구동부 및 전자모듈의 구조 건전성 확보를 위한 동흡진기 적용 효과를 구조해석으로 확인하고, 실제 시제품을 제작하여 확인하고자 하였다.

설계 제한 등의 사유로 변경이 어려운 탑재체구조에 구조해석 및 시험으로 확인된 파손 예상위치에 동흡진기를 적용함으로써 파손 예상 부에서 발생하는 특정주파수 영역의 진동을 저감할 수 있었고, 이를 구조해석 및 시험으로 검증하였다.

본 연구를 통하여 기 제작되어 설계가 확정된 탑재체의 설계를 크게 변경하지 않는 선에서 소형화, 경량화를 설계를 진행할 수 있었다. 또한 차후 최초 설계가 진행되는 추가 탑재체의 동흡진기 설계 적용에 대한 연구가 진행 중이며, 비행구조물에 설치될 탑재체에 동흡진기 설계 적용에 대한 다음과 같은 설계 고려사항을 얻을 수 있었다.

(1) 동흡진기 설치 시 설치 위치의 진동응답을 완화할 수 있다. 따라서 구조해석 또는 기 제작 시제의 시험을 통해 파손이 우려되는 위치를 확인해야 한다.

(2) 동흡진기는 특정 주파수영역의 진동응답에 영향을 미친다. 따라서 시제품 제작 전 구조해석 또는 기 제작 시제의 시험을 통해 구조물의 위험 주파수 영역을 확인해야 한다.

(3) 구조물 내부 모듈을 활용한 동흡진기 설계 시 모듈의 형상에 따라 정확한 주파수 영역을 예측이 어려운 경우가 많다. 따라서 설계 적용에 따른 진동응답완화 효과를 구조해석을 통해 확인해야 한다.

(4) 구조물 내에서 동흡진기로 설계된 모듈은 타 구성품에 비해 강한 진동응답을 받는다. 따라서 진동에 대한 내구성 및 모듈 운용성능을 고려하여 동흡진기로 적용될 모듈을 선정해야 한다.