한국항공우주연구원 - PXI 시스템을 이용한 아리랑위성2호 비행모델 음향환경시험

Author(s):
김영기 선임연구원 - 한국항공우주연구원 다목적위성사업단 우주시험그룹

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
PXI/CompactPCI, LabWindows/CVI

The Challenge:
KOMPSET2 위성 개발시험 시 발사체의 추진체에서 발생되는 145dB의 acoustic noise로 태양전지집열판에 균열이 생기는 현상이 발생하였다. 이에 한국항공우주연구원에서는 최대 155dB까지 발사체 소음을 발생할 수 있는 acoustic chamber를 개발하게 되었다.

The Solution:
한국항공우주연구원의 새로 증축한 acoustic noise chamber로 로켓 발사 시 발생하는 acoustic noise를 모사하여 각종 위성 부품들의 진동 반응 및 진동 특성을 계측하는 장비로 NI PXI-4472 모듈을 이용하여 최대 192 채널의 가속도계를 동시에 측정하는 시스템을 운용하고 있다.

요약 :
한국항공우주연구원의 새로 증축한 acoustic noise chamber로 로켓 발사 시 발생하는 acoustic noise를 모사하여 각종 위성 부품들의 진동 반응 및 진동 특성을 계측하는 장비로 NI PXI-4472 모듈을 이용하여 최대 192 채널의 가속도계를 동시에 측정하는 시스템을 운용하고 있다. 최근 아리랑위성2호의 비행모델 음향환경시험도 이 192 채널 PXI-4472 장치로 성공리에 마칠 수 있었다.

개발 배경 :
KOMPSET2 위성 개발시험 시 발사체의 추진체에서 발생되는 145dB의 acoustic noise로 태양전지집열판에 균열이 생기는 현상이 발생하였다. 이에 한국항공우주연구원에서는 최대 155dB까지 발사체 소음을 발생할 수 있는 acoustic chamber를 개발하게 되었다. 뿐만 아니라 acoustic chamber 내부의 horn 제어 및 다 채널 진동 계측 및 분석 시스템을 필요로 하게 되었다.

본론 :
위성 음향환경 시험을 위한 acoustic chamber 개발과 동시에 Horn 제어를 위한 제어 장치 개발도 시작이 되었다. 내쇼날인스트루먼트의 PCI-6052E 데이터 수집 장치의 analog out을 통하여 Horn에 요구되는 주파수 및 power의 제어신호를 보내주고, 또 analog input을 이용하여 microphone으로 받은 음향신호를 피드백 source로 이용하였다. LabWindows/CVI를 이용하여 각종 1/3 octave 분석 및 GUI 구성하였다. 제어기 개발이 완료되고, acoustic chamber 내부에 측정될 시료의 진동을 측정하고 분석하는 장치가 필요하게 되었다. 먼저 최대 192 채널의 가속도계를 측정할 수 있으며, 채널과 채널 간의 phase delay가 거의 없는 동시 샘플링 시스템이 요구 되었다. 뿐만 아니라 측정된 데이터를 저장매체 (하드드라이브)에 streaming 할 수 있으며, 실시간으로 각종 주파수 분석이 가능한 솔루션이 필요했다. 이런 여러 가지 까다로운 요구사항을 만족하는 계측 시스템은 실제시장에 많지 않았으며, 가격 또한 고가인 경우가 많았다. 하지만, 내쇼날인스트루먼트의 PXI 시스템이 까다로운 요구사항을 만족하였으며, 특히 MTS 社의 IDEAS 소프트웨어와 완벽히 호환되어 우리가 필요로 한 요구사항을 모두 만족할 수 있게 되었다. 뿐만 아니라 다채널 계측시스템임에도 불구하고 그 크기가 비교적 compact하여 이동을 요구하는 각종 계측시스템에도 적용할 수 있게 되었다. 최근 완료한 시험인 아리랑위성2호 비행모델 음향환경시험에서도 총 83개의 가속도계를 내부패널, 카메라, 연료탱크 등 주요부위에 설치하고 발사환경과 유사한 랜덤음향신호 (137.7dB, 20~10,000Hz)가 위성에 가해지는 상황에서 위성의 안전성 검증, 발사모드 전환 상태 확인, 가속도 응답 측정 등을 수행하였고, 시험결과 위성의 안정성이 검증되었으며, 가속도계 위치에 따라 0.4g~8g의 응답을 측정하였다.

그림 1. 위성 부품들의 진동 반응 및 진동 특성을 계측할 수 있는 acoustic noise chamber의 내부 전경

그림 2. LabWindows/CVI로 구현한 1/3 octave 분석 루틴 및 GUI

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
NI PXI 시스템은 각종 다 채널의 계측시스템을 효율적으로 구성할 수 있게 하며, 특히 PXI-4472 모듈의 성능은 소음, 진동 계측 시스템에 필요로 한 요구사항을 최대한 만족시켜 줄 수 있다. 뿐만 아니라 내쇼날인스트루먼트의 LabWindows/CVI 소프트웨어는 컴퓨터 기반의 계측 및 자동화 시스템 구축을 보다 빠르고 효율적으로 구축할 수 있게 해 준다. 향후 192 채널 계측 시스템의 LabVIEW 측정시스템도 개발 계획 중이다.

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김영기 선임연구원
한국항공우주연구원 다목적위성사업단 우주시험그룹

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