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Mechanical design and vibration analysis/test of Instrument for Space Storm Study(ISSS) = 우주폭풍연구 탑재체 기계설계 및 진동 해석/실험
서명 / 저자 Mechanical design and vibration analysis/test of Instrument for Space Storm Study(ISSS) = 우주폭풍연구 탑재체 기계설계 및 진동 해석/실험 / Hanik Kim.
저자명 Kim, Hanik ; 김한익
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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초록정보

The Instruments of Study for Space Science payload (ISSS) is to be flown as a secondary payload on board the Next Generation Small (NEXTSat-1) series of Korea, a microsatellite scheduled for launch in 2017 into the polar orbit. It consists of Space Radiation Detectors (SRD) and Space Plasma Detectors (SPD). SRD will measure the ring current and radiation belt particles in the subauroral regions and it is structured based on two instruments: Medium Energy Particle Detector (MEPD) and High Energy Particle Detector (HEPD). SPD will measure the ionospheric ions and electrons in the middle and low latitude regions and it is composed of three conventional instruments: a Langmuir Probe (LP), a Retarding Potential Analyzer (RPA), and an Ion Drift Meter (IDM). Hence, the ISSS consists of five instruments, MEPD, HEPD, LP, RPA, and IDM and these instruments will be utilized for collecting space environment data. The ISSS weighs about 13kg and its structure has structural frames of which material is aluminum 7075 T6. Moreover, the ISSS contains six large ($116 \times 136.5mm^{2}$) and six small ($88 \times 88mm^{2}$) electrical circuit boards and 13 bunches of harnesses are connected in the ISSS. Due to flexibility of electrical circuit boards, sinusoidal and random loads could cause fracture of electrical segments attached in the circuit boards in the payload structure. The harnesses could provoke vibrations which collide with payload structure. Furthermore, it distorts with electrical signals and provoke signal noise. Thus, the electrical signals have to be protected because science payload have to calculate sensitive data. For these reasons, the structural analysis was performed to ensure robust against disturbances during launch. Since stability of satellite structure have to be ascertained, vibration properties of the ISSS were exactly tested through environmental tests and analyzed by Finite Elements Analysis (FEA) softwares. There are seven kinds of loads on structure including, natural frequency, steady state (semi-steady) acceleration, sine excitation, acoustic noise, transient loads, shock loads, and temperature. However, steady state, acceleration, transient loads, shock loads, and temperature have no relevance to vibration, and acoustic load do not provokes deformation on the ISSS which has no large surfaces. Therefore, in case of the ISSS, modes and sinusoidal, and random loads were considered as verified properties due to geometrical structure of the ISSS. Modal analysis was analyzed by ANSYS and NASTRAN softwares and environmental tests were conducted in accordance with test requirement written by Satellite Technology Research Center (SATREC).

우주폭풍연구 탑재체(ISSS)는 국내개발 차세대 인공위성 1호에 두번째 탑재체로 올라가며 2017년 극궤도로 발사할 예정이다. 우주방사선검출기(SRD)와 우주플라즈마검출기(SPD)로 구성되며 이온층을 관측할 예정이다. 무게 13kg의 뼈대구조로 재료로는 알루미늄 7075-T6를 사용하였으며, 여섯장의 넓은 전자회로판($116 \times 136.5mm^{2}$)과 여섯장의 작은 전자회로판 ($88 \times 88mm^{2}$) 13묶음의 하니스가 ISSS내부에 들어가게 된다. 구조설계과정에는 많은 요소들이 고려되는데, 우선적으로 신뢰할 수 있는 계획과 평가가 필수적이다. 그렇기에 구조 내 구성품들의 상호 상관관계를 고려하기 위해 구조설계행렬(DSM)방법을 채택 하였으며, 구조설계시 확정 짓기 어려운 부분들을 보완하기 위해 자체평가 가능한 알고리즘을 구현하였다. 특히 ISSS내 구성품들의 노이즈로부터의 보호에 초점을 맞추어 설계하였다. 모든 구조설계를 마친 후 구조해석을 ANSYS15와 NX NASTRAN 소프트웨어를 이용하여 수행하였으며, 인공위성센터로부터 요구된 1st mode값보다 큰 값을 가져 기계적 안정성을 확립하였다. [12]에서 추천된 열한 가지 구조설계방법들을 기계적 관점에서 고려하였으며 ISSS의 크기는 micro-satellite의 대략 $1/16(360 \times 180 \times 195mm^{3})$ 이기에 이에 걸맞는 구조를 선정하여 진행하였다. 또한 구조적 안정성을 향상시키기 위해 네개의 뼈대를 기본으로 추가적인 뼈대를 넣어 ISSS를 설계했다. 이 방법은 열한 가지 구조중 질량 효율에 있어 두번째로 높으며 강성에 있어서는 가장 높다. 한가지 고유진동수가 낮은 단점이 있지만 뼈대를 추가하였기에 문제되지 않는다. ISSS제작후 내부 부품들의 오작동을 점검하기 위해 경일대학교에서 진동 시험을 수행하였으며, 진동센서는 ISSS구조에서 가장 높은 위치인 LP 뒷면에 부탁하여 정확한 데이터를 얻었다. 진동시험 결과 구조와 구성품들이 문제없음을 확인하였으며, 위쪽 방향으로 가장 낮은 고유진동수 474.06Hz를 얻었다. 이 값은 ISSS를 부착하는 위치인 위성 윗면의 고유진동수 90.3Hz 보다 상이한 값이다. 또한 해석적으로 얻은 진동수와 실제 측정한 값들은 11%의 평균 오차를 갖는다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MSPE 16001
형태사항 iv, 44 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김한익
지도교수의 영문표기 : Kyoung Wook Min
지도교수의 한글표기 : 민경욱
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 우주탐사공학학제전공,
서지주기 References : p. 41-42
주제 environmental test
payload structure
satellite structure
space science instrument
vibration analysis
vibration test
환경시험
탑재체 구조
위성 구조
우주과학기기
진동해석
진동시험
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