소형경량 모듈형 텔레메트리를 위한 초장나사 개발 및 검증
Development and Verification of the Long Length Screw for Lightweight Modular Telemetry
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Trans Abstract
Telemetry is an essential component in the development of various guided weapons and aircraft. To achieve miniaturization and weight reduction of telemetry, we referenced Integrated Modular Avionics. The currently developed modular telemetry utilizes Long Length Screws, which are longer than standard specifications, to assemble its modules. Ensuring the structural integrity of these Long Length Screws is crucial for the overall safety of the telemetry. This study performs a structural analysis to identify vulnerabilities in the Long Length Screws and evaluates their stiffness characteristics. Several tests are conducted considering the operational environment and mechanical properties. Through these analyses and experiments, the structural safety of the Long Length Screw is verified.
기 호 설 명
MoS: Margin of Safety
σvon-Mises: von-Mises Stress
ΔL: Displacement
SFY: Safety Factor
σLoad: Design Stress
1. 서 론
텔레메트리(Telemetry)란 원격을 의미하는 tele와 측정을 의미하는 metron에서 유래한 용어로 원격측정을 수행하여 운용하는 장치의 다양한 데이터를 수집하고 실시간으로 송신 및 수신할 수 있는 시스템을 말한다. 이러한 장점을 바탕으로 현대 산업의 다양한 분야에서 사용하고 있으며 특히 유도탄이나 우주발사체, 항공기 등 시험 시 실시간으로 많은 데이터 측정이 가능하여 중요한 요소로 사용되고 있다.
이러한 텔레메트리를 비롯하여 탑재전자장비의 소형경량화에 대한 요구는 지속적으로 제기되었다. 게다가 최근 무인기나 큐브위성, 군집위성 등 저궤도 위성의 수요가 더욱 증가하기에 소형경량화의 수요는 더욱 필요하다고 볼 수 있다[1]. 이를 위해 다양한 모듈을 결합하여 사용하는 모듈형 에비오닉스 구조를 적용하여 개발을 수행하였다. 이러한 구조는 많은 신호를 계측하는데 있어 유리한 장점이 많아 해외에서도 지속적으로 개발이 이루어지고 있다[2]. 모듈형 텔레메트리에서 구조적으로 가장 중요한 부분은 모듈 및 제품을 조립하기 위한 기계요소로 구조적 안전성과 정비성을 모두 갖추어야 한다. 만약 진동이나 충격과 같은 운용 환경에서 모듈 간 결합에 대해 구조적 안전성을 보장하지 못하면 장치의 안정적인 운용이 불가능할 것이다. 이를 위해 나사를 이용하여 조립하는 구조를 채택하였으나, 일반적으로 사용하는 KS, NAS, MS 규격 등 나사들은 제작공정 특성상 길이가 제한되어 다수의 모듈들을 결합하는 경우 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서 본 연구에서는 모듈형 텔레메트리에 적용 가능한 초장나사(Long Length Screw)를 개발하고 구조적 안전성을 검증하는 절차를 거쳤다. 먼저 초장나사의 운용환경을 고려해 재질을 선정하고 다양한 형상을 검토하여 설계를 진행하였다. 운용 환경에 대해서는 구조적으로 가장 강건한 설계조건을 요구하는 우주발사체 기준으로 정의하였다. 또한 기존 제작 방법으로는 길이 문제로 인해 제작이 어려워 가공방법에 대해 검토 후 선정하였다. 그리고 구조적 안전성의 평가를 위해 구조해석을 수행하여 안전성에 대해 평가하였다. 그리고 실제 제작한 제품을 기준으로 신뢰성 시험을 수행하고 기계적인 성질을 확인한 결과 초장나사의 구조적 안전성에 문제가 없다는 것을 확인할 수 있었다.
Shape of modular telemetry and long length screw
2. 개발 배경
텔레메트리는 비행 중 다양한 데이터를 수집 및 측정하여 지상국과 송수신하기 위해 사용되는 장치로 다양한 측정 센서와 송신기, 수신기를 포함하여 구성된다. 텔레메트리는 실시간으로 비행시험 중 데이터 측정을 수행하고 상태를 파악할 수 있어 미사일이나 발사체, 항공기 등 개발 중 시험 평가 과정에서 핵심적인 역할을 수행하게 된다[3,4].
텔레메트리의 소형경량화에 대한 필요성은 1960년대부터 꾸준히 있었다[5]. 만약 텔레메트리와 같은 탑재전자장비를 소형 경량화 시킬 수 있으면 페이로드나 항속거리, 운용고도, 속도 등 다양한 장점을 가질 수 있다[5]. 예를 들어 발사체의 경우 더 많은 위성을 탑재할 수 있거나 높은 궤도까지 사용이 가능하고 무인기의 경우 더욱 긴 항속거리를 가지거나 빠른 속도로 비행할 수 있을 것이다. 특히 유도무기는 Fig. 2와 같이 내부 공간이 협소하여 소형경량화가 매우 중요하며, 그중에서도 5세대 기체들은 Fig. 3과 같이 스텔스를 위해 모든 무장을 내부 무장창으로 수납하기에 그 중요성이 더 크다.
이와 같이 유도무기와 발사체, 무인기 등 다양한 플랫폼에서 소형경량 텔레메트리의 필요성을 인식하여 통합형 모듈화 에비오닉스(Integrated Modular Avionics)의 설계 개념을 참고하여 개발을 진행하였다. 통합형 모듈화 에비오닉스는 유사한 크기와 형상을 가진 모듈을 기준으로 다양한 임무를 수행할 수 있게 공통되게 설계 후 조합하여 불필요한 공간 낭비를 줄이고 공통된 하드웨어와 소프트웨어를 최대한 적용하여 설계를 진행한다. 또한 고속으로 대용량 데이터를 전달할 수 있어 통합적인 제어와 상황파악이 가능해 더욱 효율적인 운용이 가능하면서 유지보수 및 성능개량 역시 상대적으로 쉽게 가능한 점 등 다양한 장점을 가지고 있다[8-10].
그 결과 Fig. 4와 같이 모듈형 텔레메트리의 설계를 수행하였다. 기존 텔레메트리와 유사하게 비행 중 다양한 신호를 계측하고 측정을 수행한다. 여기에 데이터링크나 GPS 수신부 등 모듈을 추가로 결합하여 기존 텔레메트리보다 더욱 다양한 임무를 수행할 수 있다. 또한 모듈끼리 직접 결합하는 구조를 적용하여 더욱 소형경량화한 설계를 수행할 수 있었다. Fig. 5는 기존 텔레메트리와 비교한 예시로 (A) 모델의 경우 113.0 × 115.5 × 337.0 mm의 크기이나 현재 개발을 진행 중인 (B) 모델의 경우 68.0 × 68.0 × 275.0 mm의 크기로 체적 기준 28.91 % 수준으로 소형경량화 시키는데 성공하였다.
Operation concept of modular telemetry
Comparison of avionics, (A) Normal type, (B) lightweight modular avionics
위와 같은 구조에서는 운용 시 모듈 간 조립을 안정적으로 유지하는 것이 매우 중요하다. 만약 구조적으로 불안정하면 운용 중 모듈이 분리되거나 연결부가 파손되는 등 정상적인 작동이 불가능해 치명적인 문제로 이어질 수 있다. 이와 같이 구조적 안전성에 더불어 조립성 및 정비성 등을 고려하였을 때 나사를 이용하는 것이 가장 적합할 것으로 판단된다. 이때 나사의 길이는 모듈화 텔레메트리에 필요한 모듈들을 모두 조립할 수 있도록 충분한 길이를 가질 필요가 있다. 그러나 대부분의 나사는 제작 공정상의 문제로 길이에 제한이 있어 긴 길이를 반영하기 어렵다는 문제가 있었다. 따라서 모듈화 텔레메트리에 적합한 초장나사의 개발을 함께 수행하였다.
이를 위해 설계변수 및 제한조건 등을 FF-S-86F, ECSS-Q-ST-70-46C, NASA RP-1228 등 여러 규격을 기준으로 재질, 형상, 내부 공간, 가공 방법, 운용환경에 대해 검토하였고 그 결과 Fig. 6과 같이 초장나사의 설계를 수행하였으며, 세부적은 내용은 다음과 같다.
Shape of long length screw
2.1 규격 및 형상
먼저 초장나사의 규격과 형상에 대해 검토하였다. 일반적으로 사용되는 나사들은 KS, JIS 규격 등으로 대표되는 미터 단위 규격과 AN, NAS, MS, NASM 등 인치 단위 규격의 나사로 분류된다. 이러한 규격 중 초장나사에는 기존 체결류와 공구류 등의 호환성을 고려하여 KS 규격 기준의 미터 계열 나사를 선정하였다. 여기서 지나치게 작은 규격의 나사를 적용하면 조립 또는 운용 중 파손이 쉽게 일어날 수 있고 종합적으로 구조적 안전성이 떨어지는 문제가 있을 것이다. 반대로 지나치게 큰 규격의 나사를 선정하면 그 크기로 인해 모듈 내부 인쇄회로판의 크기가 부족하고 소형 경량화가 어렵다는 문제가 있었다. 이러한 점을 고려하여 M4 규격을 선정하여 적용하였다.
다음으로 초장나사의 세부 형상을 검토하였다. 나사는 Fig. 7과 같이 용도와 사용 목적에 따라 다양한 형상을 가진다.
이렇게 다양한 형상의 나사 중에서 육각 머리나사는 사용 시 쉽게 마모되지 않고 공간을 크게 차지하지 않다는 장점이 있어 해당 형상을 기준으로 적용하였다. 세부 치수는 호환성 등을 고려하여 KS B 1003 육각 머리나사 규격을 참고하여 설계를 진행하였다.
2.2 재질
재질은 나사의 성능에 직접적인 영향을 미치는 요소로 인장강도 등 기계적인 성질과 제작성 등을 함께 고려하여 선정하게 된다. 초장나사의 경우 일반적인 나사들에서 사용하는 고장력강(High Strength Steel), 스테인레스 강(Stainless Steel), 그리고 우수한 기계적 성질을 나타내는 티타늄 합금(Titanium)을 선정하여 Table 1과 같이 비교하였다.
Comparison results by materials
기계적 성질 및 경도 등 성질은 티타늄 합금이 가장 우수하였고 고장력강과 스테인레스 강이 유사한 성능을 나타내었다. 그러나 고장력강의 경우 높은 강도를 위해 열처리를 수행하는데 열처리가 제대로 진행되지 않으면 취성이 지나치게 강해져 강한 힘이 가해지는 경우 제품이 깨져버리는 문제가 있었다.
가공성의 경우 스테인레스 강이 가장 우수하였고 열처리가 필요한 고장력강이나 강도가 높은 티타늄 합금은 훨씬 떨어지는 것으로 확인하였다.
내부식성의 경우 스테인레스 강과 티타늄 합금 모두 고장력강보다 우수할 것으로 예상할 수 있었다.
따라서 전체적으로 기계적 성질에서는 티타늄 합금이나 고장력강이 더 우수한 부분이 있으나 가공성 및 비용문제로 인한 단점이 큰 것으로 확인하였다. 반면 스테인레스 강의 경우 실제 나사 제작에도 사용하는 재질이고 기계적 성질과 가공성에 큰 문제가 없어 최종적으로 STS304 재질을 적용하였다.
2.3 가공방법
나사는 절삭가공이나 냉간전조(Cold Forming)를 통해 제작한다. 일반적으로 사용하는 나사는 냉간전조를 통해 제작한다. 냉간전조는 소재의 머리를 성형하고 Fig. 8과 같이 나사산 형상이 파여 있는 다이(Die) 사이에 강한 힘으로 소성 변형시켜 가공을 한다. 이러한 방법은 대량생산에 유리하고 나사산 표면에 강한 압력을 가해 높은 강도를 가지게 할 수 있으며, 대량생산에 매우 적합하고 경제성도 우수하다는 장점이 있다. 그러나 나사의 길이가 다이보다 길어지는 경우 제작이 불가능한 문제점이 있어, 일반적인 나사들보다 더욱 긴 길이를 가지는 초장나사에서는 적용할 수 없었다.
따라서 초장나사는 절삭가공을 이용하여 제작을 수행하는 것으로 검토하였다. 절삭가공은 Fig. 9와 같이 자동선반을 이용해 원소재를 필요한 길이만큼 자동으로 절단하고 이후 머리와 원통부, 나사산 순으로 가공을 수행하게 된다. 또한 제작 시 품질 유지가 가능한 최대 가공길이도 함께 확인하였다.
CNC automatic lathes
그 결과 기존 냉간전조 방법은 M4 나사 기준 최대 40 mm까지 제작이 가능했으나 자동선반을 이용한 절삭가공을 적용 시 최대 250 mm까지 제작이 가능하여 KS 규격 나사 대비 6배 이상 긴 길이를 적용할 수 있었다. 그리고 냉간전조로 생산한 KS 규격 나사와 가공방법의 차이로 인한 기계적 성질도 비교하였다.
2.4 운용환경
텔레메트리는 운용 중 플랫폼에서 발생하는 다양한 소음진동과 충격환경에 노출된다. 이러한 환경에 대해 적절하게 고려하지 못하면 안정적인 운용을 할 수 없을 것이다. 따라서 영향이 가장 큰 랜덤 진동과 충격 환경에 대해 검토하였고, MIL-STD-810등과 같은 시험 규격과 실제 연구개발 활동 중 수행한 다양한 시험규격 중 가장 높은 요구조건을 필요로 하는 우주발사체 기준으로 적용하였다. 랜덤 진동 시험은 20 ∼ 2,000 Hz 구간에서 20 G rms로 축 당 30분씩 수행하는 방법으로 정의하였고 충격 환경은 파이로충격 시험을 100 ∼ 10,000 Hz 구간에서 3,000 G씩 축당 3회 이상 수행하는 것으로 정의하였다.
다음으로 예상 운용수명에 대해서도 함께 검토하였다. 실제 에비오닉스 운용 중 정비나 성능개량, 고장수리를 위해 반복적인 분해조립과정은 필수적이다. 이와 같은 환경에서도 초장나사가 모듈을 안정적으로 고정할 수 있는지를 확인하였다. 이를 위해 조립 토크에 따라 인가되는 축력 138 MPa을 기준으로 10 Hz로 인가 시 65,000 Cycles 이상 운용이 가능하도록 목표 수명을 설정하였다[14,15].
마지막으로 기계적 성질의 검증을 위한 시험을 수행하였다. 먼저 소형경량 모듈화 텔레메트리 조립 시 초장나사에 가장 크게 인가되는 하중은 체결할 때 비틀림 하중과 축력으로 인한 하중이다. 전단하중의 경우 Fig. 10의 “F” 부와 같이 텔레메트리가 외부의 4개 고정부를 통해 플랫폼에 고정되는 구조인 점을 감안할 때 큰 영향을 끼치기 어렵다. 따라서 KS B 0241 규격을 참고하여 축 하중에 대해서는 인장강도 시험을, 비틀림 하중에 대해서는 파단토크 시험을 수행하는 것으로 설정하였다. 특히 앞서 가공방법의 차이와 신뢰성 시험의 수행 유무에 따른 기계적 성질도 확인하기 위해 필요한 시험으로 판단하였다. 이상을 종합한 신뢰성 시험규격은 Fig. 11과 같다.
Telemetry mounting position
Specification of reliability test
3. 구조 해석
초장나사를 소형경량 모듈형 텔레메트리에 조립 후 운용 시 안전성을 확인하기 위해 구조해석을 수행하였다. 구조해석은 ANSYS를 이용하여 수행하였고 초장나사의 최대 길이 250 mm 기준으로 모듈을 조합하는 경우를 가정하여 유한요소모델을 Fig. 12와 같이 생성하였다.
Shape of finite element model
요소는 정사면체 형상을 기준으로 생성하였고 절점 개수는 497,894 개, 요소 개수는 289,836 개였다. 모듈 간 접촉부와 초장나사의 머리 및 나사산부는 Bonded 접촉을 적용하였고 모듈 내부 조립 홀과 초장나사의 원통부 사이는 No Separation 조건을 부여하여 실제 조립상태와 유사하게 반영하였다. 구속조건은 소형경량 모듈형 텔레메트리를 플랫폼에 조립하는 상태로 가정하여 외부 플랜지 장착부 기준으로 고정구속을 인가하였다. 물성치는 Table 2와 같이 반영하여 수행하였으며 예상중량은 1288.5 g이였다.
Material properties
3.1 모드 해석
모드해석이란 진동이 인가되는 상황에서 모드 형상과 고유진동수, 질량참여율 등을 확인하여 동특성을 확인하기 위한 해석이다. 질량참여율은 구조물에서 복합적인 모드형상이 발생할 때 전체 질량 중 얼마나 진동에 참여하는지를 나타내는 계수이다. 일반적으로 질량참여율을 90 % 이상 확인하도록 해석을 수행한다.
모드해석 결과 먼저 X 방향에서는 1차 모드가 가장 큰 질량참여율을 가졌고 이때 고유진동수는 1080.0 Hz 였다. Y 방향에서는 2차 모드가 가장 큰 질량참여율을 가졌으며 고유진동수는 1529.9 Hz였다. 마지막으로 Z 방향은 4차 모드가 가장 큰 질량참여율을 가졌고 이때 고유진동수는 2500.9 Hz인 것을 확인할 수 있었다. 모드해석 결과를 정리하면 Table 3과 같다.
Results of modal analysis
3.2 랜덤 진동 해석
모드해석 결과를 기준으로 랜덤 진동 해석을 수행하였다. 시험 규격은 앞서 정의한 것과 같이 20 ∼ 2,000 Hz 영역에서 20 G rms를 X, Y, Z 3축 방향으로 인가하는 조건을 기준으로 진행하였다. 해석 결과 Table 4와 같이 3σ 기준으로 최대 변위는 X축 방향으로 0.0829 mm, Y축 방향으로 0.0283 mm, Z축 방향으로 0.0078 mm 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 최대 von-Mises 응력은 X축 방향에서 9.57 MPa, Y축 방향에서 1.13 MPa, Z축 방향에서 6.26 MPa으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
Results of random vibration analysis
해석 결과를 평가하기 위해 수식 (1)과 같이 MoSy 를 검토하였다. 초장나사의 σvon-Mises는 STS304를 참고하여 205 MPa, 금속재질의 SFy는 1.5를 적용하여 계산하였다. 그 결과 MoSy는 X축 방향으로 13.28, Y축 방향으로 119.90, Z축 방향으로 20.80으로 확인할 수 있었으며 모든 방향에서 충분한 안전성을 보유한 것으로 예상할 수 있었다.
4. 신뢰성 시험
초장나사의 운용환경에서 안전성을 확인검증하고 구조해석 결과의 타당성을 확인하기 위해 신뢰성 시험을 수행하였다. 시험은 Fig. 13과 같이 비행환경에서 운용조건을 고려한 랜덤 진동 시험과 파이로 충격 시험에 대해 수행하였고 운용 수명에 대한 평가를 위해 피로시험을 함께 수행하였다.
Test procedure diagram
또한 조립 시 인가되는 하중의 영향과 가공방법에 대한 차이, 시험 전-후 영향성을 검토하기 위해 기계적 성질 인장시험과 파단 토크에 대한 시험을 수행하여 평가하였다.
신뢰성 시험 수행 시 초장나사의 외관 검사를 수행하고 각각 길이를 측정하였다. 또한 조립 후 풀림여부를 확인하기 위해 머리와 시험용 제품 조립부에 유성잉크를 마킹하고 확인 후 시험을 수행하였다. 시험 종료 후 마킹된 부분을 검사하여 풀림여부를 확인하였다. 그리고 시험 전과 동일하게 외관의 손상 및 파손여부를 확인 후 길이 측정 결과를 비교하였다.
랜덤 진동 시험은 Fig. 14와 같이 진행하였다. 먼저 장치를 X, Y, Z축 방향에 맞게 지그와 함께 가진기에 조립을 하였으며 이후 축당 30분씩 시험을 진행하였다. 시험 결과 모든 축에서 초장나사가 풀리지 않는 것을 확인 할 수 있었고 외형적으로 변형이나 손상도 확인할 수 없었다. 시험 전-후 길이를 측정 후 비교한 결과는 Fig. 15와 같이 나타났다. 길이 변화는 평균 0.0087 mm이었으며 변형률은 0.0034 %로 나타났다. 또한 최대 변화는 #1에서 최대 0.070 mm로 나타났으며 이때 변형률은 0.0276 %로 확인할 수 있었다.
Random vibration test
Length difference after random vibration test
다음으로 파이로 충격 환경에 대한 검증시험을 수행하였다. 해당 시험의 경우 일반적인 시험장에서 진행이 불가능하여 항공우주연구원의 시험 장비를 대여하여 사용하였으며, Fig. 16과 같이 파이로 시험 장치에 X, Y, Z축에 방향에 맞게 장치와 지그를 함께 조립 후 진행하였다. 시험 결과 랜덤 진동 시험과 동일하게 초장나사가 풀리지 않은 것을 확인 할 수 있었으며 별도의 변형이나 파손 역시 없었다. 또한 Fig. 17과 같이 길이 측정 결과 시험 전-후 평균 0.0019 mm, 변형률 0.0027 % 이하의 변화를 나타내었고 최대 변화는 #16에서 0.0030 mm, 변형률은 0.0118 %로 나타났다.
Pyroshock test
Length difference after pyroshock test
랜덤 진동과 파이로 충격 시험 결과를 종합할 때 초장나사는 운용 중 풀리거나 파손, 변형이 발생하지 않았으며 각 모듈 간 고정 역시 안정적으로 유지할 수 있었다. 그리고 해석으로 예측한 것과 같이 구조적으로 이상이 없다는 것도 함께 확인할 수 있었다.
다음으로 운용수명에 대한 영향을 확인하기 위해 피로시험도 함께 수행하였다. 시험 구성은 Fig. 18과 같이 시편을 조립용 지그에 설치하고 만능시험기를 통해 반복적으로 인장력을 가하여 목표 수명을 만족하는지 확인하였다. 시험 결과 모든 시편이 목표 수명인 65,000 회를 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
Fatigue test and length difference
피로시험 전-후 외형적인 손상 등은 없었으며 길이변화를 확인한 결과 Fig. 19와 같이 평균 0.0025 mm, 변화율 0.0049 % 이하의 변화를 나타내어 거의 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. 최대 차이는 #4에서 0.0300 mm, 변화율 0.0118 %로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 랜덤진동 및 파이로 충격시험을 수행 후 피로시험을 진행한 #1, #2 시편의 결과를 살펴 볼 때 다른 시편과 크게 차이나지 않는 결과를 나타내어 실제 운용한 제품들에 대해서도 운용수명이 크게 차이가 없을 것으로 예상할 수 있었다.
Length difference after fatigue test
마지막으로 초장나사의 가공방법 및 신뢰성 시험 전-후 기계적 성질 변화를 확인하기 위해 인장강도와 파단토크 시험을 수행하였다. 먼저 인장강도시험은 Fig. 20과 같이 시편을 만능시험기에 설치하여 파손될 때 까지 일정한 힘을 가하여 수행하였다. 시험 결과 Fig. 21과 같이 초장나사의 인장강도는 최대 725.07 MPa, 평균 722.67 MPa을 나타났다. 이때 KS 규격 나사의 인장강도는 평균 645.00 MPa 이였으며 약 12 % 더 높은 값을 나타내는 것으로 확인할 수 있었다. 또한 시험 전 시편인 #1, #2와 시험 수 시편인 #3, #4의 결과는 0.3000 %로 거의 차이가 없는 것을 확인할 수 있었으며 가공방법으로 인한 영향도 거의 없었다.
Tensile test
Result of tensile test
파단토크 시험은 Fig. 22와 같이 시편을 토크렌치를 이용하여 파단 되는 순간의 토크를 측정하여 진행하였다. 이때 파단강도는 Fig. 23과와 같이 최대 4.5 N·m, 평균 4.4 N·m로 측정되었다. 그리고 인장강도 시험과 유사하게 KS 규격 나사보다 10 % 더 높은 결과를 나타났으며 신뢰성 시험으로 인한 영향이나 가공방법으로 인한 차이는 역시 거의 없는 것으로 확인할 수 있었다.
Break away torque test
Result of break away torque test
5. 결 론
본 연구는 소형경량 모듈형 텔레메트리에 적용 가능한 초장나사의 개발 및 검증에 대해 진행하였다. 이를 위해 재질, 형상, 제작성 등 다양한 변수와 운용환경을 고려하여 초장나사의 설계를 수행하였다. 이후 구조적 안전성을 검증하기 위해 구조해석과 신뢰성 시험 등 다양한 분석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 초장나사의 구조해석 결과 소형 경량 모듈형 텔레메트리의 예상 운용환경에서 구조적인 문제는 없을 것으로 예상할 수 있었다. X, Y, Z축 방향 모두 충분한 MoSy를 가지고 있는 것을 확인할 수 있었으며 운용환경에서 별도 파손은 예상되지 않았다.
2) 신뢰성 시험 결과 랜덤 진동, 파이로 충격 등 구조적으로 영향이 큰 환경에서도 초장나사의 풀림이나 파손이 없었고, 시험 전-후 길이 변화량은 Fig. 15와 같이 최대 0.070 mm, 변형률 0.0276 %로 거의 없는 것을 확인할 수 있었다. 또한 반복적인 운용환경에 대해서도 신뢰성 시험 수행 유무와 관계없이 모두 목표 수명을 충분히 만족시키는 것을 확인할 수 있었다.
3) 기계적 성질을 확인하기 위해 인장강도, 파단토크 시험을 수행한 결과 신뢰성 시험 유무와 관계없이 유사한 결과를 가짐을 확인할 수 있었다. 또한 일반적인 KS 규격 나사 대비 인장강도와 파단토크 모두 10 % 정도 우수한 성능을 가지는 것을 확인하였고 가공방법에 따른 문제도 없을 것으로 예상할 수 있었다.
4) 향후 본 연구를 기반으로 소형경량 모듈형 텔레메트리 개발 시 큰 도움이 될 것으로 기대한다.
후 기
이 논문은 2021년도 정부(방위사업청)의 재원으로 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 수행된 연구임.(KRIT-CT-21-001, 초소형 스마트 TLM 기술)
