KR20040101336A - 우주선의 자세 제어용 제어 모멘트 자이로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휠 지지 구조물(12)을 포함하는 제어 모멘트 자이로에 관한 것이다. 상기 휠 지지 구조물은 상기 지지 구조물을 제1 축(z) 주위로 회전시키는 데에 사용되는 모터에 의하여 저부(10) 상에 장착되고, 상기 휠 스피너를 상기 제1 축에 수직인 제2 축(x) 주위로 고속으로 구동하는 수단을 구비한 휠(14)을 지지한다. 상기 지지 구조물 또는 짐벌은 상기 저부 상에서 회전하는 관형 부분과, 상기 휠의 일측에만 배치되고 상기 휠과 상기 관형 부분에 고정되는 플랜지를 포함한다. 상기 휠의 직경과 상기 휠이 상기 플랜지에 고정되는 지점은 상기 휠이 상기 관형 부분을 통과하도록 조정된다.

Description

우주선의 자세 제어용 제어 모멘트 자이로{CONTROL MOMENT GYRO FOR ATTITUDE CONTROL OF A SPACECRAFT}

위성의 본체에 연결된 기준 삼면체(reference trihedron)의 배향은 자이로 액추에이터 3개 이상의 클러스터에 의하여 3개의 축 주위로 제어될 수 있으며, 상기 자이로 액추에이터의 짐벌은 휠 축의 단지 하나의 배향축을 나타낸다. 2-축 제어를 위해서는 2개의 자이로 액추에이터로 충분하다. 실제로, 일반적으로 3차원 제어에 대한 중복성(redundancy)를 확보하기 위하여 하나의 클러스터에 적어도 4개의 자이로 액추에이터가 사용된다. 자이로 액추에이터를 이용한 자세 제어 시스템의 특히 유리한 예가 프랑스 특허 제98 14548호 또는 미국 특허 제6,305,647호에서 제공되며, 이를 참조할 수 있다.

대부분의 기존 자이로 액추에이터는 도 1에 개략적으로 도시된 종류의 구조물을 구비한다. 자이로 액추에이터는 위성 본체에 고정되는 받침대(plinth)(10)를 포함한다. 그것은 또한 누설되지 않는 외피에 의해서, 자이로 액추에이터의 능동부가 위치하는 공간을 한정할 수 있다. 모터가 받침대 상에서 축(z) 주위로 배향될 수 있도록 휠 지지대(12)가 받침대 상에 장착된다. 이하에서 “휠”(14) 이라는 용어는 지지대 상에서 지지대의 회전축(z)에 수직인 축(x) 주위로 회전할 수 있는 스피너와 지지대에 부착된 부분을 포함하는 조립체를 나타낸다. 전동 모터가, 일반적으로 일정하고 규정된 속도로 휠을 구동한다.

일반적으로 짐벌이라고 부르는 지지대는, 휠의 축을 하나의 축 주위로만 배향시킬 수 있지만, 대개는 z축을 중심으로 하는 환형 형상을 나타낸다. 그것은 휠 또는 스피너를 완전히 둘러싸고 있다. 따라서, 상기 조립체는 상당한 공간을 차지하고 주어진 최대 각 운동량과 강성(rigidity)에 대하여 높은 질량을 가진다. 위성의 적재량의 제한 때문에, 자이로 액추에이터와 그 질량에 요구되는 공간은 주어진 각 운동량(angular momentum) 용량에 대하여 가능한 한 줄여야 한다.

본 발명은 자이로다인(gyrodyne)이나 자이로 액추에이터(gyroscopic actuator)에 관한 것이다. 이것들은, 휠의 회전축에 수직인 적어도 하나의 축 주위로 적어도 하나의 모터에 의하여 배향될 수 있는 짐벌(gimbal)이라 불리는 지지대 위에 휠이 장착된다는 점에서, 각 운동량의 교환에 의하여 우주선 특히 위성의 자세를 제어하는 데에 흔히 사용되는 반작용 휠(reaction wheel)과는 다르다. 휠의 스피너(spinner)는 대부분의 경우 일정 속도로 회전하거나 적어도 작동 중에 속도가 별로 변하지 않는다.

도 1은 공지된 형태의 액추에이터의 짐벌 축을 통과하는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자이로 액추에이터를 기본적으로 나타내는, 짐벌 축을 통과하는 평면에 대한 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 기본 구조를 가진 자이로 액추에이터의 입면도이다.

도 4a 및 도 4b는 도 3의 액추에이터의 플랜지를 나타내는 두 개의 사시도이다.

도 5는 다른 실시예에 따른 액추에이터를 부분적으로 단면으로 나타낸 입면도이다.

본 발명은, 특히 질량이 감소되고 공간을 적게 필요로 하고, 전체 구조 강성이 높고, 위성 본체와의 연결부의 제조와 조립체의 조립을 용이하게 하는 자이로 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 이러한 목적을 달성하기 위하여, 제1 축 주위로 회전할 수 있게하는 수단에 의하여 받침대(plinth) 상에 장착되고, 상기 제1 축에 수직인 제2 축 주위로 고속으로 휠의 스피너를 구동시킬 수 있게 하는 수단을 구비한 휠을 받치는 휠 지지 구조물을 포함하는 자이로 액추에이터로서, 상기 지지 구조물은 상기 받침대 상에서 회전하는 관형 요소와, 상기 휠의 일측에 위치하고 한편으로 상기 휠에 고정되고 다른 한편으로 상기 관형 요소에 고정되는 플랜지를 포함하고, 상기 휠의 직경과 상기 휠의 플랜지에 대한 고정 위치는, 상기 휠이 상기 관형 요소 속으로 통과하고 그리고 아마도 받침대 속으로 축방향으로 통과하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터를 제안한다.

이러한 구성에 의하여, 휠이 상기 관형 요소 내부 통과하고 대개는 상기 받침대의 내부까지도 통과하므로, 짐벌의 회전축을 따라 요구되는 공간을 줄일 수 있다. 지지 구조물의 직경은 휠의 직경과 같고 받침대의 직경은 휠의 직경보다 현저하게 작게 할 수 있으므로, 위성의 작동 및 착륙에 요구되는 공간도 또한 감소된다.

플랜지는 일반적으로 원뿔대의 일정각 부분(angular fraction)의 형상을 가지고 그 넓은 단부는 관형 요소에 고정되고 그 좁은 단부는 휠을 받치게 하는 것이 유리하다.

플랜지는 (좁은 단부면 쪽에서) 휠을 고정하기 위하여 반원통형(semicylindrical) 부분을 포함하고, (넓은 단부면 쪽에서) 관형 요소에 고정하기 위해서 림(rim)을 포함한다.

플랜지는 높은 강성을 제공하는 내부 리브(rib)를 구비하여, 주어진 질량에대하여 구조물의 제1 전체 진동 모드가 높은 진동수, 특히 100 Hz 이상의 진동수를 가질 수 있도록 하는 것이 유리하다. 이러한 리브들은 서로에 대해 90°각도로 배치되는 두 개의 격벽을 포함할 수 있고, 하나의 격벽은 휠에 면하고 다른 하나의 격벽은 첫 번째 격벽에 수직이 된다.

앞으로 때때로 “원뿔”이라고도 부르게 되는 관형 요소는, 넓은 저부가 플랜지에 고정되는 원뿔대 형상의 제1 부분을 구비하는 것이 유리하다.

이 원뿔 형상은 지지 구조물의 높은 강성에 관계된다. 상기 원뿔의 큰 직경 부분은 유리하게는, 지지 구조물, 즉 짐벌을 배향시키기 위한 모터의 회전자를 지지한다. 상기 원뿔은 유리하게는, 받침대 위에 장착하기 위한 베어링의 회전 부분, 각 코더(angular coder)의 회전 부분, 그리고 지지 구조물과 받침대 사이에서 전력과 신호를 전달하는 수단 부분을 연이어서 받치는 관형 부분에 의하여 연장된다. 상기 원뿔을 신장시키는 관형 부분은 유리하게는 상기 베어링의 높이로부터 전력 및 신호 전달부의 높이까지 직경이 감소하는 수 개의 원통형 부분을 구비한다.

상기 특징은 다른 특징들과 마찬가지로 비한정적인 예로서 이하에서 제공되는 본 발명의 구체적인 실시예의 설명에 의해서 보다 명확해질 것이다.

첨부되는 도면을 참조하여 설명한다.

액추에이터의 기본 구조를 나타내는 도 2에서는 사용 중에 어떤 방향으로도 배향될 수 있는 받침대(10)가 도시되며, 휠(14)이 고정되어 있는 지지 구조물(12)은 이 받침대(10) 상에서 회전한다. 지지 구조물은 수 개의 부품들로 조립된다. 이 부품들에는, 상부가 원뿔대 형상이고 베어링(18)에 의해서 받침대(10) 상에서 지지되는 관형 요소(19)(도 2의 아래에 도시됨)와, 휠의 일측에 위치하고 한편으로 휠의 비회전 부분에 고정되고 다른 한편으로 관형 요소에 고정되는 플랜지(20)가 포함된다. 휠(14)의 직경, 지지 구조물(12)과 받침대(10)의 상대 치수, 그리고 휠이 플랜지에 고정되는 위치는, 휠이 관형 요소 안으로 돌출하고 작동시(파선으로 도시됨)에 휠이 쓸고 지나가는 부피의 축(z) 주위의 직경이 받침대의 림(21)의 직경보다 크지 않도록, 조정된다. 따라서, 외팔보 장착대의 통과와 휠의 짐벌 속으로의 통과에 기인하여, 필요한 공간이 최소화된다.

관형 요소(19)는, 넓은 저부가 플랜지에 고정되는 원뿔대 형상의 부분 외에, 직경이 상기 원뿔대로부터 저부로 점진적으로 감소하는 계단 형상의 관형 신장부를 포함한다. 제1 원통형 스팬(span)(22)은 고정 부분이 받침대(10)에 장착되어 있는베어링(18)의 회전 부분에 고정된다. 제1 스팬보다 직경이 작은 제2 스팬(24)은 (도시되지 않은) 각 코더의 회전 부분을 지지한다. 마직막으로, 제3 스팬(26)은 도 2의 경우, 직경이 더욱 작고 이 스팬과 받침대(10)의 바닥 부분 사이의 공간이 떨어져서, 충분한 크기의 환형 구역(28)이 그 환형 구역 안에 유연한 케이블, 권선기(winder)나 회전 정류기에 의하여 신호와 전력을 전달하는 수단을 수용할 수 있게 한다.

도 3과 이하의 도면에 의하여 도시되는 구체적인 실시예의 구성이 이제부터 설명되며, 도 2의 구성 요소에 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 부호를 가진다.

받침대(10)는 림(21)을 구비한 저부의 원통형 부분과 짐벌을 작동시키기 위한 전기 모터(30)의 고정자를 지지하는 상부의 벌어진 부분을 포함한다. 이 모터(30)는, 예를 들어 입력값이 외부 시스템에 연결되어 있는 제어 루프에 의해 제어되는 영구 자석을 구비한 토크 모터(torque motor)이다. 이러한 토크 모터는 스테퍼 모터(stepper motor)로 대체할 수 있다.

구체적인 실시예에서, 베어링(18)(도 2)은 등을 맞대어 배치된 두 개의 정렬된 저널(journal)의 세트를 포함한다. 이러한 저널들은 특히 볼 베어링 또는 롤러 베어링으로 구성될 수 있다. 후자의 경우, 각 저널의 볼들의 원(circle)은 링(ring) 상에 비스듬하게 지지되어 볼에 작용하는 힘이 원뿔의 모선을 차지하도록 설계된다. 두 개의 베어링을 등을 맞대어 장착함으로써, 예를 들어 하나는 휠의 중심 높이에, 다른 하나는 구역(26)의 내부에 있는 것과 같이 두 개의 원뿔의 정점이 서로 떨어질 수 있다. 베어링의 직경과 접촉 각도(볼의 지지 방향과 베어링의 링사이의 각도)를 적절하게 선택함으로써, 발사 시 짐의 적재, 비행 중의 마찰의 감소, 그리고 베어링이 전체로서 차지하는 부피 사이의 최적의 절충안을 얻을 수 있다.

짐벌의 각 위치(angular position)는, 받침대(10)에 단단하게 고정되어 있는 부분을 가지는 코더(coder)와 지지 구조물에 연결되어 있는 회전자 부분에 의해서 순간마다 정해진다.

특히, 미세 지시 모드(fine pointing mode)에서 작동할 수 있는 근접 전자장치(proximity electronics)에 의해서 처리될 수 있는 구형(quadrature) 신호 형태의 증가하는 출력과 함께 광학 코더를 사용할 수 있다.

광학 코더는 리졸버(resolver)와 같은 전기 코더에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 광학 코더는 높은 정확도를 얻을 수 있다. 각도의 플러스 또는 마이너스 3초보다 더 나은 정확도를 얻을 수 있으며, 이는 각 운동량의 만족스러운 배치에 충분하다.

외부에서 제어되는 측정 신호와 전력 공급을 전달하는 수단은 적어도 제한된 각 범위(angular domain) 내에서 짐벌의 회전을 견딜 수 있어야 한다.

전술한 바와 같이, 링과 브러쉬를 구비한 회전 커넥터(rotating connector)를 사용할 수 있다. 그것은 짐벌의 회전을 제한하지 않는다는 장점이 있지만, 전달되어야 하는 신호의 숫자가 많을 때 마찰 토크가 커질 수 있다는 단점이 있다. 링과 브러쉬에 의한 전달의 또 하나의 장점은 발사 단계에서 휠이 자유롭게 회전할 수 있다는 것이다.

다중 도체(multiconductor)의 유연한 케이블과 케이블 권선기에 의해 신호를 전달하는 수단을 사용할 수도 있다. 종래의 케이블 권선기는 서로에 대하여 회전할 수 있는 두 개의 드럼(drum)을 연결시키고 도체들의 묶음을 내장하는 유연한 케이블을 포함한다. 케이블의 각 단부는 드럼들 중 하나에 고정되고, 케이블은 드럼들이 서로에 대하여 회전할 때 감기거나 풀린다. 그러한 권선기의 마찰 토크는 회전 커넥터의 마찰 토크보다 훨씬 작으며 접촉이 더 양호하다.

도시된 예에서, 플랜지(20)는 복잡한 형상을 나타낸다. 플랜지는 강성(rigidity)과 강건성(robustness)을 위해서 단일체로 구성되어 있다. 그 외부 표면은 회전 표면의 일정각 섹터(angular sector)의 형태를 취한다. 플랜지는 관형 요소에 고정하기 위한 림(23)에서 끝나는 원뿔대형 부분과, 보강 림(51)을 구비한 반원통형 부분을 포함한다.

플랜지(20)에 작은 무게에 비한 높은 강성을 제공하기 위하여, 플랜지의 측벽은 리브에 의하여 보강된다. 이러한 리브는 플랜지의 모서리들을 연결하는 격벽(52), 상기 격벽과 수직이고 플랜의 중간 평면에 위치하는 격벽(54)을 포함한다. 플랜지는 일렬의 규칙적으로 배열된 나사(56)에 의해 관형 요소에 고정된다.

휠(40)의 케이싱은 보강 리브에 가깝게 하기 위해 플랜지의 중간 평면으로부터 떨어진 4개의 나사(58)에 의하여 플랜지에 고정된다. 휠은 공지된 형태의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 휠은 누설이 없는 케이싱과 스피너를 포함한다. 케이싱은 베어링을 받치는 지지판, 스피너 구동 모터의 고정자, 그리고 타코미터(tachometer)를 구비하며, 스피너는 상기 베어링 상에서 회전한다. 휠의 내부 구조는 공지된 형태로 할 수 있으므로 상세하게 설명하지 않는다.

일반적으로, 스피너는 고속으로 대개는 일정한 속도로 회전된다. 스피너 구동 모터는, 예를 들어 브러쉬와 철이 없고 일반적으로 전자적으로 개폐되는 토크 모터를 포함하며, 그 토크 모터의 토크는 마찰 에너지의 소산을 보상한다.

작동 중에는, 특히 모터들에 의하여 그리고 마찰에 의하여 소산된 열을, 과도한 가열없이 또한 과도한 열 구배(gradient)에 취약한 구성 요소에서 열 구배가 과도하지 않게 하면서 제거할 필요가 있다. 또한, 다양한 구성 부품의 열팽창계수가 잘 조화되도록 하는 것이 바람직하다.

위성에서, 열소산은 위성 본체의 차가운 벽으로의 복사나 전도에 의해서만 발생할 수 있다. 플랜지(20)는 휠과 상기 벽의 사이에 위치한다. 플랜지는 알루미늄과 같은 열전달 특성이 좋은 재료로 구성될 수 있고, 그 외부 표면은 발산을 향상시키기 위하여 검게 할 수 있다. 짐벌의 베어링에서의 온도 구배를 줄이기 위해, 원뿔은 티타늄과 같은 전도성이 낮은 재료로 제조하는 것이 바람직하다.

도 5에서는 도 2 내지 도 4b의 구성 요소에 대응하는 구성요소가 동일한 도면 부호로 표시되며, 다른 실시예가 도시된다. 이 실시예는 두꺼운 휠, 즉 두께/직경 비가 증가된 휠을 채용하는 데에 있어서 이전 실시예보다 적합하다.

이 경우, 휠(14)이 관형 요소(19)의 원뿔 속으로 통과하는 것이 감소되고, 받침대(10) 속으로는 아예 통과하지 않는다.

도 5에 도시된 배열에서는 도 2에 도시된 구조의 액추에이터의 경우보다 필요한 수직 공간을 작게 할 수 있다. 베어링(18)과 모터(30)는 서로 동축으로 그리고 본질적으로 동일한 높이에 배치된다. 신호와 전력을 외부로 전달하는 수단은 관형 요소(19)의 스팬(24, 26) 내부에 배치된, 링이 있는 회전 정류기(34)를 포함한다. 광학 센서가 스팬(26) 아래에 배치된다.

또 다른 실시예에서, 모터(30)와 베어링(18)의 상대적인 배열은 도 1에 도시된 경우에 비하여 반대로 된다. 기계적인 관점에서, 직경이 큰 베어링이 모터의 외측에 방사상으로 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 한편으로 이러한 배열은 액추에이터가 차가운 작동 개시 시점에 높은 초기 마찰을 유발한다.

또 다른 실시예에서, 회전 정류기는 모터 및 베어링과 동일한 축 높이에서 그것들 내부에 방사상으로 배치된다.

또 다른 실시예도 가능하다. 특히 비교적 작은 크기와 작은 무게(수백 kg)의 위성의 경우, 도 5의 경우보다 더욱 두꺼운 휠을 사용하여 통과의 가능성을 줄이는 것이 적절할 수 있다.

일반적으로, 액추에이터는 다음의 조건을 따르는 것이 바람직하다:

- 휠의 회전 축에 가장 가까운 구역에서 짐벌의 최대 직경은, 짐벌의 회전 중에 휠이 쓸고 지나가는 실린더의 직경보다 작거나 그와 같지만, 동시에 휠의 두께보다는 크도록 해야 한다.

- 받침대가 위성의 플랫폼에 고정되는 곳에서 받침대의 직경은 지지 구조물의 최대 직경보다 작거나 기껏해야 그와 같도록 해야 한다.

Claims (10)

1. 제1 축 주위로 회전할 수 있게 하는 수단에 의하여 받침대(plinth) 상에 장착되고, 휠(14)의 스피너(spinner)를 상기 제1 축에 수직인 제2 축 주위로 고속으로 구동시킬 수 있게 하는 수단을 구비한 휠을 지지하는 휠 지지 구조물을 포함하는 자이로 액추에이터(gyroscopic actuator)에 있어서,

   상기 지지 구조물(12)은 상기 받침대 상에서 회전하는 관형 요소와, 상기 휠의 일측에 위치하고 한편으로 상기 휠에 고정되고 다른 한편으로 상기 관형 요소에 고정되는 플랜지(20)를 포함하고,

   상기 휠의 직경과 상기 휠이 플랜지에 고정되는 위치는, 상기 휠이 상기 관형 요소 속으로 축방향으로 통과하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 관형 요소는 원뿔대형 부분을 포함하고, 상기 원뿔대의 넓은 저부가 상기 플랜지에 고정되고, 상기 원뿔대의 큰 직경 부분은 상기 지지 구조물을 배향시키기 위한 모터의 회전자를 지지하는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.
3. 제2항에 있어서, 상기 원뿔대는, 상기 받침대 상에 장착하기 위한 베어링의 회전 부분, 각 코더(angular coder)의 회전 부분, 그리고 상기 지지 구조물과 상기받침대 사이에서 전력과 신호를 전달하기 위한 수단의 일부를 연이어서 지지하는 관형 부분에 의하여 연장되는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.
4. 제3항에 있어서, 상기 원뿔대를 연장하는 상기 관형 부분은 베어링의 높이로부터 직경이 감소하는 원통형 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랜지는, 더 넓은 단부가 상기 관형 요소에 고정되고 더 좁은 단부가 상기 휠을 지지하는 일반적으로 원뿔대의 일정각 부분(angular fraction)의 형상으로 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랜지는 원뿔대의 외부 형상을 가진 부분의 양측에, 상기 휠을 고정하기 위한 반원통형(semicylindrical) 부분과 상기 관형 요소에 고정하기 위한 림(rim)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랜지는 서로 90°로 배치되는 두 개 이상의 격벽을 포함하는 내부 리브(rib)를 구비하고, 상기 격벽들 중 하나는 상기 휠에 면하고 다른 하나는 상기 첫 번째 격벽에 수직을 이루는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 관형 요소는 서로 접촉하는 두 개의 저널(journal)을 포함하는 베어링에 의하여 상기 받침대 상에서 회전하고, 상기 저널은 반대로 향하는 접촉각을 가지는 볼 베어링 또는 롤러 베어링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 관형 요소는 티타늄과 같이 열전도율이 낮은 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 휠이 상기 받침대 속으로도 축방향으로 통과하는 것을 특징으로 하는 자이로 액추에이터.