Development of Active Micro-Vibration Isolator using Electromagnet

Dae-Oen Lee(이대은),Gee-Yong Park(박지용),Jae-Hung Han(한재흥) 한국소음진동공학회 2013 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.4

고정밀 광학계를 탑재한 관측 위성은 매우 높은 지향 안정성을 요구하지만 인공위성의 자세 제어를 위해 사용하는 반작용 휠, 극저온 냉각을 위한 cooler 등 다양한 진동원에 의해 미소 진동이 발행할 수 있다. 고정밀 탑재체를 외부 진동으로부터 보호하기 위한 가장 일반적인 방법은 진동이 전달되는 경로에 진동 절연장치를 도입하는 것이다. 본 논문에서는 미소진동 절연을 위한 1 축 능동 진동 절연장치의 개발 및 진동 절연 성능 시험을 기술하였다. 개발한 절연장치의 고유진동수를 조절하기 위해 원하는 강성을 갖는 membrane 구조를 설계하였으며 능동 제어를 위해 전자석을 사용하였다. 절연장치의 성능 시험 결과를 통해 능동 제어 시 고주파수 대역에서 절연성능의 저하 없이 공진의 크기를 줄일 수 있는 것과 개발된 진동 절연 장치가 미소 진동을 효과적으로 절연 할 수 있는 것을 확인하였다. Observation satellites carrying high precision optical payload require extremely stringent pointing stability that may be violated in the presence of the disturbances coming from reaction wheels, cryocoolers or other actuating components onboard the satellite. The most common method to protect the sensitive payloads from external disturbances is implementation of vibration isolator. In this paper development of a single axis active vibration isolator using electromagnet and its performance in isolating micro-vibration is presented. The main components of the developed isolator are membrane structure providing the isolator with the required stiffness and an electromagnet for active control. The performance test results show that additional damping can be achieved by active control without degrading isolation performance in high frequency region and that the developed isolator can effectively isolate micro-vibration.

SMA 메쉬 와셔 진동 절연기를 적용한 X-band 안테나의 미소진동 절연성능 검토

전수현(Su-Hyeon Jeon),권성철(Sung-Choel Kwon),김대관(Dae-Kwan Kim),오현웅(Hyun-Ung Oh) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.11

관측위성으로부터 획득된 영상데이터를 지상국에 효율적으로 전송하기 위해 2축 짐벌형태의 지향성 X-band 안테나가 적용되고 있으며, 안테나의 고속 정밀지향성 확보를 위해 구비된 모터 및 기어 간의 부정확한 맞물림으로부터 발생되는 미소진동은 영상품질 저하의 원인으로 작용한다. 고해상도 관측위성의 지향성능 향상을 통한 고해상도 영상정보 획득을 위해서는 안테나 구동시 발생하는 미소진동이 주요 임무장비에 전달되지 않도록 미소진동 절연이 요구된다. 본 논문에서는 X-band 안테나의 미소진동절연을 목적으로 의탄성 SMA 메쉬와셔 진동 절연기를 제안하였으며, 정하중 시험을 통해 진동 절연기의 기본 특성을 확인하였다. 또한, X-band 안테나의 미소진동 시험을 통해 진동절연기 유무에 따른 진동절연성능을 비교 및 분석 하였다. Two axis gimbal type X-band antenna system has been widely used to effectively transmit the real time image data from the observation satellite to the ground station. The micro-vibration generated by stepping motor actuation and imperfect intermeshed gear configuration of the antenna is one of the sources to degrade the image quality. To guarantee a high quality image of high resolution observation satellite, micro-vibration isolation of X-band antenna is required. In this paper, the X-band antenna vibration isolation system using pseudoelastic SMA(Shape Memory Alloy) mesh washer has been newly suggested. The basic characteristics of the SMA mesh washer isolator proposed in this study has been measured through static load tests and its effectiveness has been demonstrated by the micro-vibration isolation test of the X-band antenna.

SMA 메쉬 와셔를 적용한 발사하중 및 미소진동 저감용 수동형 진동절연시스템의 기본특성

오현웅,전수현,권성철,윤세현,정호경 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.4

고해상도 관측위성의 지향성능 향상을 위해 미소진동 발생원으로부터의 외란이 주요 임무장비로 전달되지 않도록 진동절연기가 적용되고 있다. 일반적으로 궤도상 미소진동절연을 위해 진동발생원을 저강성 탄성지지 되도록 하는 수동형 진동절연기의 경우 발사환경에서의 임무장비의 구조건전성 확보를 위해 발사구속장치의 적용이 부가적으로 요구된다. 본 논문에서는 위성시스템의 단순화를 위해 의탄성 형상기억합금 진동절연 메쉬 와셔를 적용하여 발사구속장치의 적용 없이도 진동환경이 상이한 발사 및 궤도환경에 동시 적용 가능한 우주용 냉각기의 미소진동 저감용 수동형 진동절연 시스템을 제안하였으며, 제작된 진동절연기의 기본특성 시험을 통해 설계의 유효성 입증 및 예상성능을 분석하였다. Micro-vibration isolation system has been widely used for enhancing pointing performance of observation satellite. In general, micro-vibration isolation system requires the launch locking mechanism additionally to guarantee the structure safety of mission payloads supported by the isolation system with low stiffness under launch environment. In this study, we proposed a passive launch and on-orbit vibration isolation system using shape memory alloy washer for the micro-vibration isolation of spaceborne compressor, which does not require the additional launch locking mechanism. The expected performance of the isolation system and effectiveness of the design have been investigated through the characteristic measurement test.

A Comparison of Vibration Isolation Characteristics of Various Forms of Passive Vibration Isolator

Dae-Oen Lee(이대은),Jae-Hung Han(한재흥) 한국소음진동공학회 2012 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.4

정밀 시스템에 전달되는 진동은 시스템의 성능 저하 및 오작동을 초래할 수 있기 때문에 저감되어야 한다. 진동을 저감시키는 가장 일반적인 방법은 진동이 전달되는 경로에 수동 진동절연 장치를 도입함으로 전달되는 진동을 절연시키는 방법이다. 탄성소자와 점성 감쇠기로 구성된 일반적인 수동 진동 절연 장치는 공진에서의 전달율을 낮추기 위해서 고주파수 대역에서 진동 절연 성능을 희생해야 하는 단점을 지니고 있다. 본 논문에서는 공진에서 낮은 전달율과 고주파수 대역에서 높은 진동 절연 성능을 동시에 가진 수동 진동 절연 장치들의 특성을 비교분석하였다. Transmission of unwanted vibration to sensitive systems can cause various problems including performance degradation and system malfunction. The most common approach to limit the transmission of harmful vibration disturbances to the sensitive system is adapting passive vibration isolator. The classical passive vibration isolator comprising a viscous damper and spring element in parallel, however, exhibits conflicting performance characteristics in that low amplification at the resonance, which is desirable, can only be achieved at the sacrifice of vibration isolation performance in high frequency region, which is undesirable. In this paper, vibration isolation characteristics of various passive isolator schemes in literature to circumvent this conflict are introduced and compared.

진동절연재로 보강된 기둥부재의 진동저감효과 및 구조적 거동분석

김진호,이나현,허진호,김희규 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.4

For elevated railway station on which track is connected with superstructure of station, structural vibration level and structure-borne-noise level has exceeded the reference level due to structural characteristics which transmits vibration directly. Therefore, existing elevated railway station is in need of economical and effective vibration reduction method which enable train service without interruption. In this study, structural vibration non-transmissible system which is applied to vibroisolating material for column member is developed to reduce vibration. That system is cut covering material of the column section using water-jet method and is installed with vibroisolating material on cut section. To verify vibration reduction effect and structural performance for structural vibration non-transmissible system, impact hammer test and cyclic lateral load test are performed for 1/4 scale test specimens. It is observed that natural period which means vibration response characteristics is shifted , and damping ratio is increased about 15~30% which means that system is effective to reduce structural vibration through vibration test. Also load-displacement relation and stiffness change rate of the columns are examined, and it is shown that ductility and energy dissipation capacity is increased. From test results, it is found that vibration non-transmissible system which is applied to column member enable to maintains structural function. 궤도가 역사의 상부에 위치하여 열차운행으로 인하여 발생한 진동이 직접 전달되는 선하역사에서 구조물 진동과 이로 인한 구조물 기인 소음이 기준치보다 높은 것으로 나타남에 따라, 기존 선하역사에 대하여 열차 운행의 중단 없이 진동저감이 가능한 경제적, 효율적 방안이 요구된다. 이에 본 연구에서는 진동전달 경로상의 기둥에 워터젯 공법으로 기둥단면에서 피복재 부분을 파쇄한 후 진동전달 절연기능을 가지는 에폭시 소재의 방진재를 보강하여 진동을 저감시키기 위한 구조진동절연시스템을 개발하였다. 방진재의 보강체적을 변수로 한 진동절연시스템을 실제역사 기둥의 1/4축소모형에 적용하고, 충격가진 시험을 통한 진동저감 성능과 횡하중 반복가력시험을 통한 구조적 성능을 검증하고자 하였다. 충격가진 실험결과로부터 구조진동절연시스템을 적용할 경우 고유 진동주기가 하향되어 진동응답 특성이 변화되고 감쇠비는 약 15~ 30%까지 증가를 나타내어 진동저감 성능이 있음을 알 수 있었다. 또한 반복하중 가력에 의한 구조성능 실험에서 하중-변위 및 강성변화에 대한 고찰과 연성도 및 에너지 소산의 증가를 보인 결과로 부터 구조부재로의 기능을 유지함을 확인 할 수 있었다.

적층형 블레이드가 적용된 냉각기용 진동절연기의 발사환경에서의 구조건전성 검증

전영현(Young-Hyeon Jeon),고대호(Dai-Ho Ko),조문신(Mun-Shin Jo),오현웅(Hyun-Ung Oh) 한국항공우주학회 2018 韓國航空宇宙學會誌 Vol.46 No.7

우주용 냉각기는 관측위성의 적외선 검출기 초점면부의 극저온 냉각을 위해 적용되며, 궤도운용 시 단일 주파수 형태의 미소진동을 발생한다. 상기 미소진동은 관측위성의 영상품질을 저하시키는 주된 요인이며, 이에 따라 미소진동 절연이 요구된다. 본 연구에서는 상기 우주용 냉각기의 미소진동 절연을 목적으로 별도의 발사구속장치 적용 없이도 발사진동 및 궤도 미소진동환경에 동시적용 가능한 적층형 블레이드 진동절연기를 제안하였다. 본 진동절연기에 적용된 블레이드는 얇은 금속 박판을 다층으로 적층하고 각 층 상호면에 점탄성 특성 부여가 가능한 테이프를 적용하여 발사환경에서의 피로 내구성 향상 및 고댐핑 특성 부여를 목적하였다. 제안된 진동절연기의 기본특성 확인을 위해 자유감쇠 시험을 실시하였으며, 인증수준에서의 발사진동 시험을 통해 설계유효성을 입증하였다. The spaceborne cooler is applied to cool down of the focal plane of the infrared detector of the observation satellite. However, this cooler induces unnecessary micro-jitter which can degrade the image quality of the high-resolution observation satellite. In this study, we proposed a multi-layered blade type vibration isolator to attenuate micro-vibration generated from a spaceborne cooler, while assuring structural safety of the cooler under severe launch loads without an additional launch-lock device. The blade of the isolator is formed with multi-layers in order to obtain durability against fatigue failure and an adhesive is applied between each layers for granting high damping capability under launch vibration environment. In this study, the basic characteristics of the isolator were measured using the free-vibration test. The effectiveness of the isolator design was demonstrated by launch vibration test at qualification level.

우주용 냉각기 미소진동 절연을 위한 에너지 재생형 진동절연시스템

권성철,오현웅 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.4

위성용 적외선 센서를 극저온으로 유지하기 위해 Pulse Tube-type의 우주용 냉각기가 사용되며, 이는 궤도 운용 시 미소진동을 발생하여 고해상도 관측위성의 지향성능을 저하시키는 원인으로 작용한다. 따라서 고 해상도 영상을 획득하기 위해 일반적으로 냉각기로부터 발생하는 미소진동은 항상 차폐의 대상으로만 존재하였다. 본 연구에서는 이에 주목하여 동 흡진기 형태의 에너지 재생형 진동절연시스템을 고안하였으며, 이를 기존의 수동형 진동절연기에 결합함으로써 냉각기로부터의 미소진동 에너지를 전기에너지로 재생함과 동시에 진동절연 성능의 확보가 가능함을 수치해석을 통해 입증하였다. Pulse Tube-type Spaceborne cryocooler is widely used to cool down the infrared sensor of observation satellite. However, it generates a micro-vibration which is the one of the source to degrade the pointing performance during on-orbit operation. Therefore, a micro-vibration has always been subjected to an useless isolation objective. In this study, we have proposed the tuned mass damper type energy harvesting vibration isolation system combined with an existing passive micro-vibration isolator to generate electrical energy from the spaceborne cryocooler micro-vibration and to obtain the additional isolation performance. The feasibility of the energy harvesting isolation system has been investigated through the numerical simulation.

미소진동 발생원으로부터의 전기에너지 재생 및 진동절연을 위한 복합 시스템의 해석적 검토

권성철(Sung-Cheol Kwon),조문신(Mun-Shin Jo),오현웅(Hyun-Ung Oh) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.8

플라이 휠, 구동형 안테나, 기계식 자이로, 냉각기 등과 같이 기계적 구동부를 갖는 탑재장비는 궤도 운용 시 미소진동을 발생한다. 고해상도 관측위성의 영상품질 향상을 위해서는 주로 진동발생원으로부터의 미소진동이 주요 임무장비에 전달되지 않도록 진동절연기의 적용 등 추가적인 기술적 노력들이 요구된다. 본 연구에서는 항상 차폐의 대상으로 여겨진 미소진동에 주목하여 이로부터 전기에너지 재생이 가능하고 동시에 진동절연이 가능한 복합 시스템 구현을 위해 동 흡진기 형 전자기 하베스터와 결합된 수동형 진동절연 시스템을 제안하였으며, 수치해석을 통해 복합 시스템의 유효성을 입증하였다. Fly-wheel, gimbal antenna, mechanical gyro and cryocooler with moving parts generate a micro-vibration during their on-orbit operation. For the acquisition of high quality image of observation satellite, additional technical efforts are required to reduce the micro-vibration level from the vibration sources. In this study, we proposed a passive isolation system combined with a tuned mass damper-type energy harvester to generate electrical energy from the micro-vibration which has always been subjected to useless isolation objectives. The feasibility of the system has been investigated through the numerical simulation.

형상기억합금 메쉬 와셔를 이용한 우주용 냉각기 진동절연기의 발사 진동 및 충격 저감 성능검증

이명재(Myeong-Jae Lee),한제헌(Je-Heon Han),오현웅(Hyun-Ung Oh) 한국소음진동공학회 2014 한국소음진동공학회 논문집 Vol.24 No.7

반작용 휠 진동 절연장치의 성능평가를 위한 우주환경 모사시험장치 개발

박지용,이대은,한재흥 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.4

인공위성의 반작용 휠이나 냉각기 등의 구동은 광학 탑재체에 미소 진동을 유발한다. 고정밀 광학계를 외부 진동으로부터 보호하기 위한 가장 일반적인 방법은 진동이 전달되는 경로에 진동 절연장치를 도입하는 것이고 본 연구실은 최근에 반작용 휠 진동 절연장치의 기능 시험 모델(Engineering Model)를 개발하였다. 반작용 휠 진동 절연장치의 인증 모델(Qualification Model)을 위해서는 발사전 지상에서 우주환경을 모사하는 시험이 반드시 필요하며 본 연구에서는 진동 절연장치의 우주 환경시험 중 운용환경인 열/진공 시험을 위한 모사시험 장치를 개발하였다. 우주환경 모사시험장치는 열/진공 환경에서 진동시험을 할 수 있어 추후에 유용한 도구로 활용될 것으로 판단된다. Operation of actuators on satellites such as reaction wheels and cryocoolers induces micro-vibration in optical payloads. The most common method to protect the sensitive payloads from external disturbances is implementation of vibration isolator and recently, the engineering model of reaction wheel vibration isolator is developed. For the qualification model of vibration isolator, space environment test is necessary before launching a satellite. In this paper, thermal vacuum test equipment for vibration isolator is developed. This equipment will be practically used for the vibration test in thermal vacuum environment.