KR100760274B1

KR100760274B1 - 경사도계를 이용하여 발사체 추력 축을 정렬하는 방법

Info

Publication number: KR100760274B1
Application number: KR1020060119596A
Authority: KR
Inventors: 정동호; 김지훈; 이한주; 오승협
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2026-11-30

Abstract

본 발명은 발사체 추력 축을 정렬하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경사도계를 사용하여 저비용, 고효율, 고정밀도로 발사체 추력 축을 정렬하는 방법에 관한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 경사도계를 이용하여 발사체의 추력 축을 정렬하는 방법은, 일면에 기준경사도계가 장착되어 있는 기준경사도계브라켓을 타면이 발사체기축에 수직이 되도록 상기 기준경사도계브라켓을 상기 발사체에 설치하는 단계; 일면에 정렬경사도계가 장착되어 있는 정렬경사도계브라켓을 노즐에 설치하는 단계; 상기 기준경사도계브라켓의 일면과 타면이 이루는 각도와, 지축에 수직인 축과 상기 기준경사도계브라켓의 일면이 이루는 각도를 통하여, 상기 발사체기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도를 산출하는 단계; 상기 정렬경사도계브라켓의 일면과 상기 지축에 수직한 축이 이루는 각도와, 상기 정렬경사도계브라켓의 일면과 노즐기축이 이루는 각도를 통하여, 상기 노즐기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도를 산출하는 단계; 및 상기 발사체기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도와, 상기 노즐기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도의 차이만큼 상기 노즐기축을 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

발사체 추력 축 정렬, 경사도계, 노즐

Description

경사도계를 이용하여 발사체 추력 축을 정렬하는 방법 {Method of aligning thrust axis of launch vehicle, using inclinometers}

도 1은 발사체 추력 축 정렬에 사용되는 데오도라이트의 일예를 나타내는 도면이다.

도 2는 발사체 추력 축 정렬에 사용되는 레이저 트래커의 일예를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 발사체 추력 축을 정렬하는 방법을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1...발사체, 2...발사체기축,

3...기준경사도계브라켓, 4...기준경사도계,

5...노즐, 7...정렬경사도계브라켓,

8...정렬경사도계, 10...지축에 수직인 축,

11...노즐기축,

A...기준경사도계브라켓의 일면과 타면이 이루는 각도,

B...지축에 수직인 축과 기준경사도계브라켓의 일면이 이루는 각도,

C...발사체기축과 지축에 수직인 축이 이루는 각도,

E...정렬경사도계브라켓의 일면과 지축에 수직한 축이 이루는 각도,

D...정렬경사도계브라켓의 일면과 노즐기축이 이루는 각도,

F...노즐기축과 지축에 수직인 축이 이루는 각도.

본 발명은 발사체 추력 축을 정렬하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경사도계 및 브라켓을 사용하여 저비용, 고효율, 고정밀도로 발사체 추력 축을 정렬하는 방법에 관한 것이다.

김발(추력 벡터 제어)(Gimbal)을 적용하는 발사체는 일반적으로 피치(pitch)와 요(yaw) 방향에 구동장치를 장착하여 김발을 수행한다. 발사체의 비행궤적에 대해 수직방향의 제어는 피치 각(pitch angle)이라 하고, 비행궤적에 대해 수평방향의 제어는 요 각(yaw angle)이라 한다. 발사체에는 피치와 요 두 방향에 대해 90도의 간격으로 구동장치가 조립되어 김발을 수행한다. 발사체는 연소 시 발생하는 추력을 발사체의 기축에 정확히 일치하는 것이 필요하고, 이를 위해 발사 전 지상에서 발사체의 기축과 노즐의 추력 축을 일치시키는 작업을 수행하게 되는데 이런 작업을 정렬이라 한다. 발사 전 지상에서 수행하는 추력 축 정렬이 중요한 이유를 예를 들어 설명하면, 자동차의 핸들을 조금 틀고 자동차를 출발시키는 경우를 생각해보면 쉽게 이해될 것이다. 마찬가지로 발사체의 이륙 초기에 추력 축이 발사체의 기축과 어긋나 있을 경우, 비행방향에 직접 영향을 받게 되고, 비행궤적으로부터 벗어난 발사체를 제어하는데 필요 이상의 에너지가 사용되어 비행 중 발사체의 자세제어에도 어려움이 있기 때문에 정렬은 상당히 중요하다.

지금까지 사용되어온 종래의 발사체 추력 축 정렬 방식은 광학계측 정렬이나 턴테이블과 다이얼 게이지를 이용한 것이 있다.

먼저, 광학계측 정렬에는 데오도라이트(theodolite)를 이용하는 방법과 레이저 트래커(laser tracker)를 이용하는 방법이 있다.

도 1에는 데오도라이트의 일예가 도시되어 있는데, 데오도라이트는 소형 망원경을 수평축 및 수직축 주위로 돌 수 있게 설치하고 수평환과 수직환에 의해 관측 물체의 고도 및 방위각을 측정하는 장치로서, 추력 축 정렬시 3대 정도가 사용되며, 데오도라이트 자체의 비용과 측정 및 데이터 처리를 위한 소프트웨어 비용까지 포함한다면 고가의 비용이 소요된다.

또한, 도 2에는 레이저 트래커의 일예가 도시되어 있는데, 레이저 트래커는 레이저의 직진 특성과 간섭 현상을 이용하여 3차원 좌표 및 거리를 실시간으로 정밀 측정하는 광학계측 장비로서, 데오도라이트보다 휠씬 더 고가의 장비이다.

이와 같은 광학계측 장비를 사용하여 발사체의 추력 축을 정렬하는 방식은 장비 구입에도 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라, 측정을 위해서 숙련된 측정전담인력이 필요하고, 또한 측정기간은 1～2일 정도가 소요되는 문제점이 있었다.

덧붙여, 턴테이블과 다이얼 게이지를 이용하여 발사체 추력 축을 정렬하는 방식도 2일 정도의 기간이 소요되며, 턴테이블의 제작에도 고가의 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

이와 같이, 종래의 방식으로 발사체의 추력 축을 정렬하는 것은, 비용이 많이 소요되고 또한 효율이 낮은 문제점이 있었고, 시간 및 공간상의 제약으로 인하여 현실적으로 적용이 어려운 문제점도 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 브라켓 및 경사도계를 사용하여 저비용, 고효율, 고정밀도로 발사체 추력 축을 정렬하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 발사체는 일면에 기준경사도계가 장착되어 있는 기준경사도계브라켓의 타면이 발사체기축에 수직이 되도록 상기 기준경사도계브라켓이 탈착가능하게 상기 발사체에 설치되어 있고, 일면에 정렬경사도계가 장착되어 있는 정렬경사도계브라켓이 탈착가능하게 노즐에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기준경사도계 및 상기 정렬경사도계는 지축에 수직한 값을 0도로 표시하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 정렬경사도계브라켓의 타면이 상기 노즐에 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 발사체(1)에 노즐(5)이 조립되어 있는 상태이고, 상기 노즐(5)과 상기 발사체(1)에는 김발장치(추력 벡터 장치)(9)가 조립되어 있는 상태이다.

본 발명에 따른 발사체의 추력 축 정렬을 위하여는 2개의 브라켓 즉, 기준경사도계브라켓(3)과 정렬경사도계브라켓(7)이 사용된다.

상기 기준경사도계브라켓(3)은 발사체(1)에 탈착가능하게 장착되어 있고, 상기 정렬경사도계브라켓(7)은 상기 노즐(5)에 탈착가능하게 장착되어 있다. 한편, 상기 기준경사도계브라켓(3) 및 상기 정렬경사도계브라켓(7)은 ㄱ 자 형상의 단면 을 가지고 있는 것이 바람직하다.

기준경사도계(4)가 상기 기준경사도계브라켓(3)의 일면(31)에 장착되어 있고, 상기 기준경사도계브라켓(3)의 타면(32)은 발사체기축(2)에 수직이 되도록 상기 발사체(1)에 설치되어 있다.

또한, 정렬경사도계(8)가 상기 정렬경사도계브라켓(7)의 일면(71)에 장착되어 있고, 상기 정렬경사도계브라켓(7)의 타면(72)은 상기 노즐(5)에 설치되어 있다.

여기서, 상기 기준경사도계(4) 및 상기 정렬경사도계(8)는 지구 중력 방향에 대하여 수직인 정도를 나타내는 데, 지축에 수직인 값을 0도(지평선에 대하여 수평인 상태)로 표시한다. 물론, 지축에 평행한 값을 0도로 표시하는 기준경사도계 및 정렬경사도계가 사용될 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항이다.

상술한 바와 같이 상기 기준경사도계브라켓(3)과 상기 정렬경사도계브라켓(7)을 설치한 상태에서 발사체의 추력 축을 정렬하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 상기 기준경사도계브라켓(3)의 일면(31)과 타면(32)이 이루는 각도(A)는 별도의 3차원 측정을 하여 상기 기준경사도계(4)가 장착되어 있는 상기 일면(31)과 상기 발사체(1)에 조립되는 상기 타면(32)이 이루는 각도(A)를 미리 확인해 둔다. 한편, 각도 측정시 시계방향으로의 각도를 (-) 각으로, 반시계방향으로의 각도를 (+) 각으로 정의한다(이하에서도, 동일).

그리고 지축에 수직인 축(10)과 상기 기준경사도계브라켓(3)의 일면(31)이 이루는 각도(B)를 상기 기준경사도계(4)를 통하여 측정한다.

이와 같이 측정된 상기 각도(A)와 상기 각도(B)를 가지고 상기 발사체기축(2)과 상기 지축에 수직인 축(10)이 이루는 각도(C)를 알 수 있다. 즉, A, B, C 상호 간의 관계는 C°= B°- A°+ 90° 임을 알 수 있다.

마찬가지로, 상기 정렬경사도계브라켓(7)이 노즐(5)에 장착된 상태에서 3차원 측정을 행하여 상기 정렬경사도계(8)가 장착되어 있는 상기 정렬경사도계브라켓(7)의 일면과 노즐기축(11)이 이루는 각도(D)를 확인한다.

그리고 상기 정렬경사도계브라켓(7)의 일면과 상기 지축에 수직한 축(10)이 이루는 각도(E)를 상기 정렬경사도계(8)를 통하여 측정한다.

이와 같이 측정된 상기 각도(D)와 상기 각도(E)에 의하여 상기 노즐기축(11)과 상기 지축에 수직인 축(10)이 이루는 각도(F)를 구한다. 즉, D, E, F 상호 간의 관계는 F°= E°- D° 임을 알 수 있다.

최종적으로, 상기 각도(C)와 상기 각도(F)의 차이(G) 즉, G =│C-F│가 발사체 추력 축의 비정렬 수준이 되고, 구동장치를 이용하여 상기 차이(G)만큼 상기 노즐기축(11)을 조정함으로써, 상기 발사체기축(2)과 상기 노즐기축(11)이 정렬되도록 하면 된다.

상기한 바와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하면, 간단한 방식으로 저비용, 고효율, 고정밀도로 발사체 추력 축을 정렬할 수 있다. 특히, 본 발명은 과학 연구/탐사용 로켓 및 위성 발사용 발사체의 추력 축 정렬을 효과적으로 수행하는 데 사용될 수 있다.

또한, 종래의 발사체 추력 축 정렬방식이 가지던 시간 및 공간상의 제약과 같은 문제점도 극복할 수 있다. 구체적으로는 본 발명의 경사도계는 비용이 저렴하고 2개만 소요되며, 또한 측정시간은 반일 정도면 충분하다. 결과적으로, 종래의 추력 축 정렬방식에 비하여, 비용적인 측면은 1/5~1/150 정도에 불과하여 저비용이며, 측정에 들어가는 작업시간도 1/2~1/4 정도에 불과하여 고효율이며, 또한 발사체에 부착하여 측정하는 관계로 공간 활용 측면에서도 우수한 효과를 가진다.

Claims

일면에 기준경사도계가 장착되어 있는 기준경사도계브라켓을 타면이 발사체기축에 수직이 되도록 상기 기준경사도계브라켓을 상기 발사체에 설치하는 단계;

일면에 정렬경사도계가 장착되어 있는 정렬경사도계브라켓을 노즐에 설치하는 단계;

상기 기준경사도계브라켓의 일면과 타면이 이루는 각도와, 지축에 수직인 축과 상기 기준경사도계브라켓의 일면이 이루는 각도를 통하여, 상기 발사체기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도를 산출하는 단계;

상기 정렬경사도계브라켓의 일면과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도와, 상기 정렬경사도계브라켓의 일면과 노즐기축이 이루는 각도를 통하여, 상기 노즐기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도를 산출하는 단계; 및

상기 발사체기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도와, 상기 노즐기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도의 차이만큼 상기 노즐기축을 조정하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는, 경사도계를 이용하여 발사체의 추력 축을 정렬하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 기준경사도계브라켓의 일면과 타면이 이루는 각도를 A, 상기 지축에 수 직인 축과 상기 기준경사도계브라켓의 일면이 이루는 각도를 B, 상기 발사체기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도를 C라 할 때, A, B, C 상호 간의 관계는 C°= B°- A°+ 90°이고, 상기 정렬경사도계브라켓의 일면과 지축에 수직한 축이 이루는 각도를 E, 상기 정렬경사도계브라켓의 일면과 상기 노즐기축이 이루는 각도를 D, 상기 노즐기축과 상기 지축에 수직인 축이 이루는 각도를 F라 할 때, D, E, F 상호 간의 관계는 F°= E°- D°인 것을 특징으로 하는, 경사도계를 이용하여 발사체의 추력 축을 정렬하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 기준경사도계브라켓 및 상기 정렬경사도계브라켓은 ㄱ자 형상의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는, 경사도계를 이용하여 발사체의 추력 축을 정렬하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 정렬경사도계브라켓의 타면이 상기 노즐에 설치되는 것을 특징으로 하는, 경사도계를 이용하여 발사체의 추력 축을 정렬하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기준경사도계 및 상기 정렬경사도계는 지축에 수직한 값을 0도로 표시하는 것을 특징으로 하는, 경사도계를 이용하여 발사체의 추력 축을 정렬하는 방 법.
일면에 기준경사도계가 장착되어 있는 기준경사도계브라켓의 타면이 발사체기축에 수직이 되도록 상기 기준경사도계브라켓이 탈착가능하게 상기 발사체에 설치되어 있고,

일면에 정렬경사도계가 장착되어 있는 정렬경사도계브라켓이 탈착가능하게 노즐에 설치되어 있는 것

을 특징으로 하는 발사체.
제6항에 있어서,

상기 기준경사도계 및 상기 정렬경사도계는 지축에 수직한 값을 0도로 표시하는 것을 특징으로 하는 발사체.