Launch vehicles and satellites experience several kinds of dynamic environments during flight including sinusoidal vibration, random vibration, and pyrotechnic shock. Sinusoidal vibration below 100 Hz is generated by the engine and aerodynamic loadings. Severe vibration at the maximum dynamic pressure phase could reduce the structural stability of payload. However, pyrotechnic shock is generated by the separation systems using explosives at separation events including stage separation, fairing separation, and satellite separation. It exhibits a short duration transient response with a high amplitude and high frequency. Due to these pyroshock characteristics, pyroshock can cause malfunctions in the electric components in the launch vehicles or satellites. In order to prevent severe pyroshock damage, shock isolators are generally used. However, vibration at the natural frequency of the isolator is amplified due to the nature of the isolator. In particular, the natural frequencies of such shock isolators equipped with a launch vehicle are commonly set to low values for effective shock attenuation; but in this case, the isolators reduce the payload stability at the maximum dynamic pressure phase due to the amplification of the low frequency vibration. When the natural frequencies of the isolators are increased in order to avoid the low frequency vibration amplification, the performance of the shock attenuation is not sufficient.
This paper presents a novel method for the natural frequency tuning of the isolator for both effective shock attenuation performance and avoidance of the vibration amplification. When the exciting frequency is close to the natural frequency of the isolator, it can be tuned to avoid the vibration amplification using the stiffness changes in the isolation material. That is, at pyro-events such as stage separation, the natural frequency of the isolator is set to below 100 Hz in order to ensure the shock attenuation performance, and at maximum dynamic pressure phase, it is tuned to above 100 Hz in order to avoid the amplification of the low frequency vibration.
Meshed wire structures exhibit very large stiffness variations when compressed. This phenomenon enables the present isolator to tune its natural frequency. This paper uses shape memory alloy (SMA) meshed wire as the isolation material, and it has been demonstrated to be very effective in vibration isolation over a wide frequency range. Furthermore, the meshed structure as well as the pseudoelastic behavior of SMA induces a large energy dissipation.
In this study, an SMA wire actuator is used to apply compressive force and deformation to the isolation materials. The SMA has a characteristic that it returns to its predetermined shapes when heated. Furthermore, substantial recovery stresses are generated when this shape recovery is restrained during heating. SMA actuators use this recovery stress and deformation at the phase transformation. SMA actuators can be operated easily using an electrical connection.
진동의 제어 기술은 능동제어, 수동제어 및 반능동 제어로 나눌 수 있다. 능동제어 및 반능동제어는 PZT나 스마트 구조(smart structure) 등을 이용하여 외부의 가진에 대해 효율적으로 진동을 제어 할 수 있지만 복잡한 구조와 고전력의 소모라는 단점을 가지고 있어, 특정 구조에 간단히 적용시키기 어려워 상용화에 어려움이 있다. 수동제어는 간단하며 현재 고무 등의 탄성중합체를 이용한 진동 충격 저감용 절연계가 다양하게 상품화 되어 있다. 하지만 절연계의 강성변화가 기본적으로 불가능 하여, 특정 주파수 이상의 값에서만 진동을 절연할 수 있다.
비행기, 선박, 지상의 많은 기계장비 뿐아니라 발사체나 위성 역시 여러가지 목적에 의해 진동 및 충격에 대한 대비책으로 절연계를 사용하고 있는 실정이며, 이들의 진동현상 역시 특정 주파수로만 가진되지는 않는다. 진동, 충격 절연을 위한 절연계의 고유주파수가 가진 주파수와 일치할 경우 매우 큰 진동 증폭현상이 발생하게 되고, 특히 이러한 증폭현상이 저주파수 영역에 나타날 경우 구조물의 큰 진동변위를 유발시켜 구조 안정성을 떨어뜨리는 요인이 된다. 그러므로 특정 가진이 절연시스템의 고유주파수와 근접한 경우, 절연 부재의 강성을 변화 시킬 수 있다면 절연시스템의 고유주파수를 변화 시킬 수 있고, 이를 통해 진동의 증폭현상을 피하여 구조 안정성을 확보할 수 있다.
본 연구에서는 발사체의 파이로충격 성능을 확보함과 동시에 저주파 진동증폭을 피하기 위해 절연계의 강성 조정을 수행하였다. 특정 가진이 절연시스템의 고유주파수와 근접한 경우, 절연 부재의 강성을 변화 시킬 수 있다면 절연시스템의 고유주파수를 변화 시킬 수 있고, 이를 통해 진동의 증폭현상을 피하여 구조 안정성을 확보할 수 있다. 즉, 단분리, 페어링 분리 등의 파이로충격이 발생하는 이벤트에서는 절연계의 고유주파수를 낮추어 충격 저감 성능을 확보하고, 최대 동압구간에서는 고유주파수를 높여 저주파 진동 증폭 현상을 피해 구조 안정성을 확보하고자 한다.
