A spacecraft is generally deployable structure due to the limited space of a SLV (Space Launch Vehicle). And a spacecraft essentially includes multiple pairs of deployment devices for both deployment and latching of its subsystems such as an antenna and a solar array. A tape spring hinge is one of the most typical types of deployment devices and is frequently used in miniaturized satellite due to its simplicity, lightweight, low cost and high deployment reliability. But a tape spring hinge has performance tradeoff between deployed stiffness and stability of deployment behavior since its performances depend only on its elasticity. Due to the performance tradeoff of a tape spring hinge, performance of a tape spring hinge is relatively inferior to the other types despite many advantages.
In this study, a novel conceptual design of a tape spring hinge is suggested to improve the performance of a tape spring hinge by removing the performance tradeoff while keeping the advantages of a tape spring hinge. To this end, SMA damper is added to a typical tape spring hinge to minimize latchup shock and to stabilize deployment behavior. This enables the deployed stiffness of the suggested tape spring hinge to be maximized without considering both the latchup shock and the dynamic deployment behavior. And optimum design is carried out to maximize deployed stiffness with the each response surface of maximum stress and minimum deployment torque, which is obtained from post buckling analysis using FEA. Finally, The feasibility is verified through some tests.
인공위성은 일반적으로 발사체의 제한된 페어링(faring) 공간으로 인하여 전개 가능한 구조물(deployable structure)이며, 인공위성은 태양전지판과 안테나와 같은 피전개구조물의 전개 및 고정을 수행하기 위한 다수 쌍의 전개 장치를 필수적으로 포함한다. 테이프 스프링 힌지는 전개를 수행하기 위한 전형적인 전개 장치 중 하나이며, 간단한 경량 구조와 높은 전개 신뢰성 그리고 낮은 비용으로 인하여 소형 위성에서 자주 사용된다. 그러나 테이프 스프링 힌지의 성능은 전적으로 탄성에 의존하기 때문에 전개 후 강성과 전개 거동의 안정성 간에 상반 관계가 있어, 많은 장점에 불구하고 그 성능이 다른 전개 장치에 비해 상대적으로 열악하다.
본 연구에서는 테이프 스프링 힌지의 주요 성능 간 상반 관계를 제거함으로써, 성능이 향상된 테이프 스프링 힌지 기구의 개념 설계를 도출하고자 하였다. 이를 위하여, 형상기억합금 감쇠기가 부착된 테이프 스프링 힌지를 구성하여, 전개 충격을 최소화하고 전개 거동을 안정화시킬 수 있도록 하였다. 이러한 기구 구조는 전개 충격과 전개 거동의 동특성을 고려하지 않고 전개 후 강성을 극대화할 수 있게 해주며, 반응 표면법과 유한요소해석을 이용하여 최적 설계를 수행하여 설계를 구체화하였다. 마지막으로, 본 연구에서 제시된 설계의 타당성을 검증하기 위하여, 제작 및 간단한 실험을 수행하였다.
