KR20020040137A - 상호 움직임에 의한 간섭효과를 제거시키는 김발엔진구동장치 서보 작동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과학 관측 로켓 및 위성 발사체에 적용되는 장치로서 엔진의 추력 방향을 조절하여 로켓의 자세와 궤적을 제어하는 김발 엔진 위치제어용 구동장치에 구조적으로 나타나는 상호 간섭 효과를 없앨 수 있는 서보 작동기와 김발엔진의 상호 배치 및 설계에 관한 것이다.

김발구조물에 부착된 로켓 엔진의 추력방향을 제어하여 로켓을 원하는 방향으로 제어하기 위해서는 0.1도 이내의 오차 범위 이내에서 로켓 엔진을 동작할 수 있는 서보 구동장치가 필요하다. 이러한 서보 구동장치는 로켓의 피치와 요축에 각각 한 개씩 놓이게 되는데 엔진의 동작을 제어하는 도중에 각 구동장치의 상호 움직임에 의한 간섭현상으로 다른 한쪽의 구동장치의 동작에 영향이 발생된다. 이러한 간섭현상은 결국 구동장치 시스템의 오차를 크게 하는 결과를 가져오게 되어 전체 로켓 시스템의 제어안정성에 영향을 미치는 중요한 요인으로 작용하게 된다.

일반적인 위치제어용 서보 구동장치는 그 쓰임이 정밀제어라 하더라도 김발엔진과 같은 액체엔진 로켓의 특수한 구조를 가지는 경우에 해당하지 않는 것이 대부분이고 로켓의 피치, 요축과 같이 90도를 간격으로 배치되어 상호 움직이는 구조를 가지는 경우는 더우기 없으므로 상호 간섭영향을 고려하지 않은 설계도 가능하다. 또한 고체로켓이나 항공기에서 사용되는 노즐을 제어하는 경우는 액체엔진을 가진 로켓에서 사용하는 김발구조에서 발생하는 영향과는 다른 노즐목 부분의 변형에 의한 영향이 크게 된다.

본 발명은 김발엔진 위치제어용 구동장치에 나타나는 상호 간섭 효과를 없애는 목적으로 서보 작동기 양 끝단에 2자유도를 갖는 구형 이음새(Spherical Joint)를 사용하고 로켓의 엔진이 매달려 있는 김발구조는 유니버설 이음새(Universal Joint)를 사용하였으며, 구동장치 작동기의 회전축과 김발엔진의 회전축을 동일평면상에 서로 일치시키는 구조로 설계하였다. 또한 서보 작동기의 전진, 후진 동작시 김발엔진의 움직임의 선형성을 같게 하기 위해서 작동기를 로켓 기체축과 수평으로 배치하였다.

이상에서 사용한 방법으로 김발엔진의 제어를 위한 구동장치의 상호 동작시에 한쪽의 작동기의 움직임이 다른 한쪽의 작동기의 움직임에 영향을 주는 요인을 제거할 수 있으며 구동장치 시스템의 구조적인 설계만으로 제어기 오차 이외에 발생하는 부수적인 오차를 제거하는 결과를 얻을 수 있다.

Description

상호 움직임에 의한 간섭효과를 제거시키는 김발엔진 구동장치 서보 작동기 {Gimbal Engine Servo Actuator which removing coupled interference effect results from mutual movement of actuators}

본 발명은 과학 관측 로켓 및 위성 발사체에 적용되는 장치로서 엔진의 추력 방향을 조절하여 로켓의 자세와 궤적을 제어하는 김발 엔진 위치제어용 구동장치에 나타나는 상호 간섭 효과를 없애는 목적에 사용되는 상호 움직임에 의한 간섭효과를 제거시키는 김발엔진 구동장치 서보 작동기에 관한 것이다.

액체연료와 산화제를 추진제로 사용하는 액체엔진 로켓은 김발 이음새를 축으로 연결된 엔진을 피치축 및 요축 방향으로 회전하여 추력 방향을 제어함으로써 로켓의 피치축 및 요축의 자세를 제어하고, 주어진 궤도를 추종한다.

피치축 및 요축 방향에 대한 정확한 로켓의 자세 및 궤적 제어를 위하여 김발엔진의 추력 방향을 제거하는 김발엔진 위치제어용 서보구동장치는 정밀하고 응답성능이 우수한 위치제어용 서보 작동기로 설계 제작된다.

김발구조물에 부착된 로켓엔진의 추력방향을 제어하여 로켓을 원하는 방향으로 제어하기 위해서는 0.1도 이내의 오차 범위 이내에서 로켓엔진을 동작할 수 있는 서보 구동장치가 요구된다.

이러한 서보 구동장치는 일반적으로 로켓의 피치와 요축에 각각 한 개씩 놓이게 되는데 엔진의 동작을 제어하는 도중에 각 구동장치의 상호 움직임에 의한 간섭현상으로 다른 한쪽의 구동장치의 동작에 원하지 않는 결과가 발생된다.

이러한 간섭현상은 결국 구동장치 시스템의 오차를 크게 하는 결과를 가져오게 되어 전체 로켓 시스템의 제어안정성에 영향을 미치는 중요한 요인으로 작용하게 된다.

일반적인 위치제어용 서보 구동장치는 그 쓰임이 정밀제어라 하더라도 김발엔진과 같은 로켓의 특수한 구조를 가지는 경우에 적용되는 예에 해당하지 않는 것이 대부분이고 로켓의 피치, 요축과 같이 90도를 간격으로 배치되어 상호 움직이는 구조를 가지는 경우는 더우기 없으므로 상호 간섭영향을 고려하지 않은 설계도 가능하다.

또한 고체로켓이나 항공기에서 사용되는 노즐을 제어하는 경우는 액체엔진을 가진 로켓에서 사용하는 김발구조에서 발생하는 영향과는 다른 노즐목 부분의 변형에 의한 영향이 크게 된다.

본 발명은 김발엔진 위치제어용 구동장치에 나타나는 상호 간섭 효과를 없애는 목적으로 서보 작동기 양 끝단 즉, 어스엔드부와 로드엔드부에 2자유도를 갖는 구형 이음새(Spherical Joint)를 사용하고, 로켓의 엔진이 매달려 있는 김발 구조를 유니버설 이음새(Universal Joint)를 사용한다.

본 발명은 구동장치 작동기의 회전축과 김발엔진의 회전축을 동일 평면상에 서로 일치시키는 구조로 설계하고 또한 서보 작동기의 전진, 후진 동작시 김발 엔진의 움직임의 선형성을 같게 하기 위해서 작동기를 로켓 기체축과 수평으로 배치한다.

이상에서 사용한 방법으로 김발엔진의 제어를 위한 구동장치의 상호 동작시에 한쪽의 작동기의 움직임이 다른 한쪽의 작동기의 움직임에 영향을 주는 요인을 제거할 수 있으며 구동장치 시스템의 구조적인 설계만으로 제어기 오차 이외에 발생하는 부수적인 오차를 제거하는 결과를 얻을 수 있다.

도 1 은 본 발명에 의한 서보 작동기와 김발엔진의 설치상태도

도 2 는 본 발명에 의한 서보 작동기의 정면도

도 3 은 본 발명에 의한 서보 작동기의 측면도

도 4 는 본 발명에 의한 서보 작동기의 A-A선 단면도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 : 김발엔진2 : 김발 엔진축

3 : 엔진 마운트4 : 피치축 제어 작동기

5 : 요축 제어 작동기6 : 실린더

7 : 피스톤8 : 절대위치 감지 센서

9 : 하우징10 : 어스엔드 조립체

11 : 너클 링12 : 마그네트

13 : 서보 밸브14 : 로드엔드 베어링

본 발명은 김발엔진(1)의 상측으로 엔진 마운트(3)와 피치축에는 피치축 제어 작동기(4)를 요축에는 요축 제어 작동기(5)를 설치한다.

실린더(6)의 내부에 삽입되어 작동되며 외측의 서보 밸브(13)로 인가되는 구동력으로 구동되며 돌출된 부분에 피치축이나 요축에 연결되는 로드엔드 베어링 (14)이 형성된 피스톤(7)이 설치된다.

상기 피스톤(7)의 내부 끝단에는 위치 식별을 위해 자장을 발생시키는 마크네트(12)가 나사와 같은 고정부재를 이용하여 고정된다.

상기 실린더(6)에는 하우징(9)이 고정된 후 너클 링(11)을 통하여 어스엔드 조립체(10)를 연결한다.

상기 하우징(9)의 내부에는 절대위치 감지 센서(8)를 설치하여 마그네트(12)를 통과하여 피스톤(7)의 내부에까지 설치되도록 한다.

작동기(4)(5)의 초기 조립시 로켓 기체축과 김발 엔진축(2)이 일치하도록 엔진 마운트(3)와 김발엔진(1)의 피치축 및 요축에 조립한다.

로드엔드 베어링(14)과 어스엔드 조립체(10)는 피치, 요 방향으로의 회전이 가능한 구형 이음새(Spherical joint)를 사용하고 김발 엔진축(2)는 롤 방향으로의 회전을 구속하는 유니버설 이음새(Universal Joint)를 사용한다.

작동기의 로드엔드 베어링(14)의 중심축은 김발엔진(1)으로부터 돌출되어 있는 엔진 마운트(3)에 연결되어 김발 엔진축(2)의 중심축과 정확히 수평을 유지하도록 되어있다.

이러한 조건으로 제작 배치된 김발 엔진 위치 제어용 서보 작동기(4)(5)는 각각 피치 및 요 방향으로는 구속되지 않고 롤 방향으로는 이음새의 허용치만큼 자유도가 보장된다.

김발 엔진축(2)은 피치 및 요 방향으로는 구속이 없으며 롤 방향으로는 구속이 되게 된다.

이상의 자유도를 가지는 작동기의 로드엔드 베어링(14)의 중심축을 김발 엔진축(2)의 중심축과 일치시키면 각각의 작동기를 반지름으로 회전하는 곡선과 김발 엔진축(2)을 축으로 회전하는 곡선사이에 회전반경의 차이가 나타나지 않음으로 해서 간섭효과를 제거할 수 있다.

따라서 이러한 서보 구동장치를 이용하여 엔진의 동작을 제어하는 도중에 각 구동장치의 상호 움직임에 의한 간섭현상으로 다른 한쪽의 구동장치의 동작에 영향이 발생되는 현상을 없앰으로써 결국 구동장치 시스템의 구조적인 오차를 제거하는 결과를 가져오게 되어 전체 로켓 시스템의 제어안정성에 영향을 주지 않도록 한다.

이하에서 본 발명의 각 과정을 통하여 더욱 상세하게 설명하면, 제어 작동기(4)(5)를 제작시 로드엔드 베어링(14)과 어스엔드 조립체(10)는 피치, 요 방향으로의 회전이 가능한 구형 이음새(Spherical joint)를 사용하고 김발 엔진축(2)은 롤 방향으로의 회전을 구속하는 유니버설 이음새(Universal Joint)를 사용하는 것과,

작동기의 로드엔드 베어링(14)의 중심축은 김발엔진(1)으로부터 돌출되어 있는 엔진 마운트(3)에 연결되어 김발엔진축(2)의 중심축과 정확히 수평을 유지하도록 하는 것과,

작동기(4)(5)의 초기 조립시 로켓 기체축과 김발 엔진축(2)이 일치하도록 엔진 마운트(3)와 김발엔진(1)의 피치축 및 요축에 조립하도록 하는 것을 통해 작동기 상호 움직임에 의한 간섭영향을 제거하여 김발엔진(1)의 동작을 제어하는데 있어 발생하는 오차를 줄이도록 한다.

본 발명은 김발엔진의 동작을 제어하는 서보 작동기의 어스엔드와 로드엔드에 구형 이음새(Spherical Joint)를 사용하고, 엔진이 연결되는 김발 엔진축을 롤 방향 구속을 주는 유니버설 이음새(universal Joint)를 사용하며, 피치, 요 작동기의 로드엔드의 중심축을 김발 이음새의 중심축과 동일 평면상에 위치하도록 하고 작동기를 로켓 기체 수직축에 일치하도록 함으로써, 작동기의 상호 움직임에 의한 간섭현상이 다른 작동기의 동작에 영향을 주지 않도록 할 수 있다.

본 발명은 로켓의 자세제어에 요구되는 고정밀도 즉, 김발엔진 자세오차 0.1도 이내의 허용한계를 만족하도록 하는 구동장치 제작 요구조건에 적합하도록 하는 작동기 및 김발 이음새 설계와 작동기와 김발 이음새의 구조적인 배치를 통해 제어기 자체의 오차 이외의 구조적인 초기 오차를 없애는 효과를 보인다.

본 발명은 액체엔진 로켓에 적용하는 구동장치 시스템의 구조적인 배치에서 필연적으로 발생하는 오차를 제거함으로써 결론적으로 로켓 자세제어에서 요구되는 허용오차를 만족하는 구동장치 시스템을 구성하도록 하여 로켓의 제어 안정성을 높이는 효과를 볼 수 있다.

Claims (1)

1. 하우징(9)이 연결되는 실린더(6)의 내부로 피스톤(7)이 설치되어 김발엔진 (1)과 엔진마운트(3)를 연결하는 작동기(4)(5)에 있어서,

   상기 어스엔드 조립체(10)와 로드엔드 베어링(14)을 구형 이음새로 구성하고 김발엔진(1)을 지지하는 김발 엔진축(2)을 롤 방향 회전을 구속하는 유니버설 이음새로 설치하며,

   작동기(4)(5)의 로드엔드 베어링(14)의 중심축과 김발 이음새(2)의 중심축이 엔진 마운트(3)를 통해 서로 일치하도록 설치하고,

   작동기(4)(5)를 로켓 기체 수직축과 일치하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 상호 움직임에 의한 간섭효과를 제거시키는 김발엔진 구동장치 서보 작동기.