위성 미세 진동 저감으로 임무 성능 극대화

우주 기술 분야에서 CSEM(스위스 전자·마이크로기술 센터)은 수년간 유럽우주국(ESA) 파트너로 활동해왔습니다. 공동 연구 초점 중 하나는 위성 탑재 부품에서 발생하는 진동 방출 제거입니다. 이 미세 진동은 위성 자세 제어 정밀도 제한뿐 아니라 에너지 소비 증가, (영상 임무 시) 화질 저하를 초래합니다.

진동 대책: 소스·페이로드 양쪽 접근, 자기부상 기술 도입

원치 않는 진동은 소스 또는 페이로드 쪽에서 대처할 수 있습니다. 다양한 접근법 탐색 일환으로 CSEM은 수치 모델, 능동-수동 완화, 알고리즘 기반 노칭(notching) 프로젝트를 진행 중입니다. 이 중 하나로 자기부상 기반 혁신 기술 연구를 수행합니다.

"키슬러(Kistler) 측정 기술 지원으로 자기 베어링 적용 반응 휠 프로토타입을 검토했습니다." CSEM 미세 진동 시설 책임자 레오폴도 로시니(Leopoldo Rossini)가 말했습니다. "스위스 기업 셀레로톤(Celeroton) 기술로 마찰 없음, 사실상 무한 수명, 제어로 원치 않는 진동 능동 억제 가능, 더 높은 속도에서 더 높은 성능 달성 등 많은 이점이 있습니다."

키슬러 측정 체인으로 미세 진동 정밀 계측

CSEM 엔지니어들은 키슬러 측정 체인으로 반응 휠 프로토타입 진동을 검사합니다. 맞춤형 다이내모미터는 두 강판 사이에 샌드위치 마운트된 4개 3성분 힘 센서로 구성돼 최대 기계적 강성을 달성합니다. 이 측정기는 4개 공압 아이솔레이터 위에 떠 있는 화강암 블록에 장착돼 환경 영향을 최대한 배제합니다.

미세 진동이 밀리뉴턴 범위에서 발생하므로 매우 낮은 노이즈의 고감도 측정 체인이 필요합니다. 스테퍼 모터, 크라이오쿨러 같은 액추에이터를 계측 테이블에 올려 원하는 측정을 수행합니다.

자기부상 반응 휠: ±20,000 rpm 범위에서 다중 고조파 힘 제거 알고리즘 검증

자기부상 반응 휠 프로토타입으로 -20,000~20,000 rpm 속도 범위를 커버했습니다. 이로써 운전 중 발생하는 주 진동을 억제하는 다중 고조파 힘 제거 알고리즘 효과를 완전 특성화할 수 있었습니다. CSEM R&D 엔지니어 구즈만 보르케 갈레고(Guzmán Borque Gallego)는 "물리적 접촉 없는 자기부상은 매우 흥미로운 기회를 연다. 로터를 관성 주축 중심으로 회전시켜 로터 언밸런스 관련 진동을 억제해 배출을 거의 제로로 줄이는 등 로터 위치를 거의 자유롭게 설정해 진동을 최소화할 수 있다"고 말했습니다.

키슬러 장비로 고품질 데이터 확보, 향후 프로젝트에도 활용 예정

"키슬러 장비는 이상적이며 매우 고품질 결과를 제공했습니다." 보르케 갈레고가 말했습니다. "밀리뉴턴 범위 작은 힘을 측정하지만 마이크로뉴턴에서도 차이를 볼 수 있어 모든 측정을 편안하게 판단해 고품질 데이터로 이어집니다."

데이터 수집은 20kHz 래피드 프로토타이핑 시스템으로 처리되며 정확한 측정으로 제어 알고리즘 효과를 명확히 식별할 수 있습니다.

연구진은 처음에 디지털 출력 최신 LabAmp 5167A를 쓰려 했으나, 아날로그 신호 전송으로 더 정확한 측정과 높은 실시간 성능을 가진 5080A 차지 앰프를 최종 선택했습니다.

"새 키슬러 기술이 들어와 기쁩니다. ESA와 독일 파트너들도 인증용으로 쓰기 때문입니다." 로시니가 덧붙였습니다. "이 장비는 매우 견고해 주어진 제약을 넘어 스트레스받아도 고장 나지 않았습니다. 능력을 입증했으니 진동 특성화 분야 미래 프로젝트(이미 키슬러 가속도계 운용 중)에도 확실히 쓸 것입니다."

자기 베어링 반응 휠: 낮은 진동·고속·무마찰·무한 수명으로 위성 성능 향상

"자기 베어링 반응 휠의 이점은 명확합니다: 기존 휠보다 훨씬 낮은 진동과 더 빠른 회전으로 성능 향상과 크기·중량 감소. 마찰 없음으로 마모 없고 수명 사실상 무한." 보르케 갈레고가 말했습니다. "매혹적인 프로젝트입니다. 다음 단계인 실용화, 테스트, 파트너들과 검증까지 나아가길 희망합니다."