信頼性の高い試験:韓国の宇宙技術開発をサポート

韓国航空宇宙研究院は、キスラーの測定技術を使用して人工衛星のフォースリミット振動試験を実施しました。24個の力センサをリング状に配置し、LabAmp(ラボアンプ)チャージアンプとデータ収集装置に接続しました。これが、過負荷による損傷を防ぐための加速度制御の基礎となります。

韓国は世界の宇宙探査事業では後発組に位置付けられます。韓国で宇宙探査事業が始まったのは、1989年の韓国航空宇宙研究院(KARI)の設立時にさかのぼります。テジョン市の中心部に位置するKARIは、20,000人以上の研究者が働くデドク研究開発特区にある研究所の1つです。1990年代に宇宙船用の最初のロケットを開発した後、KARIは現在、スマート無人航空機(UAV)の開発、人工衛星プログラム、さらにNASAと共同での月面探査に集中的に取り組んでいます。

2018年6月に開始され現在も継続中のプロジェクトで、KARIのエンジニアは、大型ペイロード向け振動試験を実施するためのインフラストラクチャ整備という目標を掲げています。フォースリミット振動試験(FLVT)は、打ち上げ時と飛行時の振動により生じる機械応力をシミュレーションするための実証プロセスです。UUT(試験体)を所定の制御で励起する加振機上に置きます。 UUTの深刻な損傷や破壊を引き起こすおそれがあるため、過負荷を防ぐことが重要になります。このため、加速度レベルを力センサで制御します。「この方法は、加速度のみでモニタするよりも、感度が高く、信頼でき、実用的であることが実証されています」と、KARIの宇宙環境試験部門のディレクター兼主任研究員であるSung-Hyun Woo氏は語ります。「私たちの目標は、力センサからのフィードバック応答で、自動的に励起をノッチングする制御機構を作ることでした。」ノッチングとは、狭い周波数帯域での加速度入力の低減を指す技術用語であり、通常は試験体が共振する周波数帯域で適用されます。

高精度の力とモーメントの測定

この目標を達成するため、KARIのエンジニアは3成分フォースリンク(9377C)を24個使用することを決定しました。これらの圧電センサで、最大150 kNまでの3軸の力(Fx、Fy、Fz)を正確に測定します。KARIの主任研究員であり、このプロジェクトのチームリーダーであるJong-Min Im氏は、「キスラーのプリロード済みの3軸力センサを選択した理由は、実装しやすく、設置後に校正が不要であるためです」と語ります。スリップテーブル(3.25 x 3.25 m)に取り付けて測定を行うため、24個の力センサを、底部に大きな円板1つ(加振機に接続)、上部にもう1つ(UUTに接続)を備えたリング状に配置しました。「スイスを訪問した際に、キスラーのエンジニアが同様のプロジェクトの経験を私たちと共有し、リング構造を構築する最適な方法を教えてくれました。それが非常に役に立ちました」と、Im氏は続けます。「24個の力センサ間に距離があるため、最大精度を達成するには直径2.3 mの上下のリングを正確に位置合わせする必要がありました」

効率的データ収集と伝送をできるようにするため、KARIのエンジニアはLabAmpチャージアンプ(5165A)20台を使用しました。そのうちの18台(各4チャンネル)は力センサからのセンサ信号処理に使用し、残り2台は必要に応じて加速度測定に使用しました。「こうした低ノイズ、DAQ機能により、センサからのデータ収集が容易になりました」と、Im氏は当時を振り返ります。「測定システムの部分は迅速に実現しましたが、私たちが本当の課題に直面したのはこの後でした。72のチャンネルを同時処理することになるため、モーメントを得る計算時間に気を配る必要がありました。信号遅延を最小限に抑えるためのハードウェアとソフトウェア全体を最適化することは困難でした。信号遅延が長くなると、励起の減衰が遅れるという危険性が増えるためです」。

信頼できるデータと高速処理でオートメーションを実現

KARIのエンジニアの努力は最終的に実を結びました。彼らは、計算処理を同時に、動作数に関係なく行えるFPGAを実装したのです。Im氏が語ります「この結果、完全な力-モーメント計算にかかる時間はわずか0.12ミリ秒(0.04ミリ秒を3回ループ)となりました。力測定と加速度制御の間のインタフェースを確立するまで、多くのパラメータや変数を考慮しなければなりませんでした。しかし最終的に私たちはやり遂げたのです」

次のステップは、新しい制御機構の比較試験を実施することでした。Im氏は語ります。「私たちのシステムが本当に手動よりも優れているかを検証する必要がありました。そこで、ダミー衛星のベース部分に高いモーメントをかける構造体を伴う横振動試験を実行しました」この試験から、システムが良好に機能したことが明白に示されました。自動ノッチングにより共振周波数帯域の加速度入力が0.15Gから0.03Gに減少し、60 kNmのモーメント制限値を超えることがありませんでした。一方、手動制御では、最大71 kNmの高いモーメント値が発生し、試験時の著しい過負荷を招きました。KARIのエンジニアは次に、自動ノッチングを組み込みこんだ最大300 kNm制限値を設定したフォースリミット振動試験に着手しました。その結果は納得のいくものであったため、新しいシステムを実際の人工衛星に適用する準備が整いました。

「キスラーはプロジェクト全体を通じて、製品品質、データの信頼性、コンサルティングにて素晴らしいサポートを提供してくれました。圧電式測定システムの知識を共有し、すべてスムーズに進むように支援してくれました」と、Sung-Hyun Woo氏は総括しました。「キスラーは将来のプロジェクトでも私たちの大切なパートナーとなるでしょう。今後予定されているプロジェクトでは、力センサやDAQシステムだけでなく、加速度計も活用できそうです。最後になりましたが、特に重要なメリットとなったのは、キスラー韓国の現地社員が、必要なときにいつでもテクニカルサポートを提供してくれたことでした」

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