우주선 랑데부를 위한 신규 도킹 시스템

유럽 우주국(ESA)은 두 우주선이 쉽게 도킹할 수 있는 새로운 시스템 개발에 착수했습니다. maxon 사는 이런 목적으로 두 개의 특별한 드라이브 시스템을 개발했습니다.

SENER / maxon / Sierra Nevada Corp.
Hard capture system을 위해 maxon 사는 2개의 와인딩 및 GPX 22 UP 플래너터리 기어(위)를 갖춘 EC 32 플랫 모터를 개발했습니다.
잠금 후크에 동력을 공급하는 maxon 사의 드라이브 시스템은 열 두 종류입니다. 각각은 2개의 브러시리스 EC-4pole 30 모터와 GPX 42 UP 기어(아래)로 구성됩니다.

이와 같은 임무는 이전에 여러 번 수행되었지만 우주에서 두 물체 간의 도킹 조종은 언제나 섬세하면서 위험이 잠재되어 있는 과정입니니다. 속도가 대단히 빨라(ISS의 경우 대략 28,000km/h) 수정 작업이 어렵습니다. 한 예로, 두 우주선이 거의 만나는 시점에서는 반동 추진 엔진을 조정하는 것이 더 이상 가능하지 않은데, 이는 그들의 배기 플룸에 손상을 입힐 수 있기 때문입니다. 손상을 방지하기 위해 화물 수송기는 국제 우주 정거장(ISS)에 설치된 로봇 암에 의해 고정되고 수동으로 정박됩니다. 다른 한편으로 유인 우주선은 직접 컴퓨터가 제어하는 프로세스에 의해 도킹합니다.

도킹 조종의 형태가 미래에는 더 간편해지고 안전해질 것으로 보이는데, 이에 따라 유럽 우주국(ESA)은 산업기술적 파트너에게 IBDM (International Berthing and Docking Mechanism)이라 불리는 새로운 도킹 시스템 설계를 의뢰했습니다. 이는 국제 도킹 시스템 표준(IDSS)을 따르고, 이 표준은 세계적으로 선도하는 항공 우주국들이 동의한 것입니다. 따라서 이 시스템은 ISS 이외에도 대부분의 다른 우주선들과 호환될 것입니다. 이 장치의 첫번 째 임무는 우주 왕복선의 소형 버전 우주선인 드림 체이서(Dream Chaser)와 함께 하여 곧 ISS로 화물 운송 비행을 하게 될 겁니다. 이 우주선은 시에라 네바다(Sierra Nevada Corporation) 사에 의해 개발되었습니다.

도킹 에너지가 흡수됩니다

IBDM은 엔드로지너스 커플링(androgynous coupling) 시스템입니다. 이것이 의미하는 것은 커넥터가 양쪽 면에서 같다는 것입니다. 이는 6개의 자유도와 역각 센서를 갖는 이너 링(Hard Capture System)과 부드러운 아우터 링(Soft Capture System)으로 구성됩니다. 아우터 링은 우선 도킹 에너지를 흡수합니다. 이렇게 하면 최종 밀폐 결합은 이뤄지고 두 우주선을 서로 바짝 당기는 기계 고리에 의해 고정됩니다.
SENER는 Hard Capture System을 개발하고 설치합니다. 이 회사는 최근 인증 모델을 준비 중인데, 이는 2020년에 테스트할 예정입니다. “그리고나서 IBDM은 가능한 한 빨리 ISS를 위한 공급 항공기에 사용될 필요가 있습니다”라고 SENER의 Gabriel Ybarra 씨는 말합니다. 다음 단계 중의 하나는 NASA의 달 우주 정거장에서 이를 사용하는 것인데, 이는 미래에 달의 궤도에 들어가서 화성 유인 탐사 임무의 발사점으로써 지원하게 될 수 있는 것입니다.

최대의 안전을 위한 이중 시스템

이것은 SENER 사의 엔지니어에게 도전적인 프로젝트입니다: “우리는 먼저 ESA와 NASA로부터의 모든 요구사항을 완전히 이해할 필요가 있었고 어떻게하면 이 요구사항들을 충족시킬 수 있을까 생각해내야 했습니다. 특별히 안정성에 관련해서요. 왜냐하면 도킹 장치는 또한 유인 우주선과도 관련될 수 있기 때문입니다." 가벼워야 되는 것과 필요한 토크를 제공하는 것 이외에도, 사용되는 전기 드라이브는 또한 절대적으로 신뢰할 수 있는 것이어야 합니다. 이것이 바로 SENER가 드라이브 전문 업체인 저희 maxon 사와 지난 몇 년간 함께 일을 해 온 이유입니다.

maxon 사의 엔지니어들은 SENER를 위해 기능의 상당한 다양성을 실행하기 위해 사용될 수 있는 두 가지 드라이브를 개발했습니다. 첫번 째 드라이브는 2개의 브러시리스 EC-4pole 모터와 GPX UP 기어로 구성되었습니다. 이 12개의 구동장치는 IBDM 도킹 장치에서 잠금 후크에 동력을 공급합니다. 두번 째 드라이브는 플랫 모터를 플래너터리 기어에 연결합니다. 이것은 열 한곳에서 플러그로 연결하는 접속과 리테이닝 아이를 처리하기 위해서, 또한 다른 부수적인 기능을 위해서 사용됩니다.

IBDM 도킹 장치는 비행에 필수적인 애플리케이션이므로 중복의 드라이브 시스템이 요구됩니다. 백업은 주 드라이브 작동이 안 되더라도 기능을 해야 합니다. 이는 비상 상황에서 대체할 수 있는 백업 모터에 의해 자주 해결됩니다. 이것이 잠금 후크 구동장치에 사용되는 접근법입니다. 하지만 다른 드라이브 시스템에 대해 maxon 사의 엔지니어들은 색다르고 독특한 솔루션을 찾아 내었습니다: 추가적인 스테이터는 여분의 모터 대신에 사용됩니다. 플랫 모터는 그래서 2개의 스테이터와 이에 따른 2개의 와인딩을 가지고 있는데, 각각의 것은 독립적으로 로터를 작동할 수 있습니다 - 순수한 솔루션으로, 이는 공간을 절약하고 안전을 보장합니다.

Gabriel Ybarra 씨는 maxon 사와의 협업을 다음과 같이 높이 평가합니다: “여기 팀은 우리의 요구사항을 잘 이해하고 매우 신속하게 디자인 변경을 해 줍니다.” 더 나아가 이 두 동반자는 메카트로닉스 시스템에 대해 열정을 갖고 있습니다. “디자인부터 생산 및 검사까지 전체적인 단계에 포함되어 관여하는 것은 대단한 일입니다. 따라서 이러한 일은 정말로 흥미롭습니다. 또한 시스템이 처음으로 가동할 때, 이는 마치 당신의 아이가 첫 발을 내딛는 것을 보는 것과 같습니다.