2.1 슬립링로터리조인트

슬립링로터리조인트는 그림2와 같이 Top rotor housing, X-band rotary joint, L-band rotary joint, Slip-ring으로 구성되어 있다. 그림 2의 X-band rotary joint 형상 중 붉은색 선으로 표시한 부분이 4장 개선내용에서 언급될 방열구조개선 관련된 하우징 부분이다. 레이더 내 송신세트의 구성품인 슬립링로터리조인트는 송신세트와 안테나군 사이의 연동신호(전원/제어/RF신호 등)를 전송하며, 레이더 회전모드 운용 시 연동신호를 고정부에서 회전부로 전송하는 역할을 수행한다.

Figure 2.

The figuration and composition of slip-ring rotary joint

2.2 고출력 송신기 송신선로의 전압정재파비(VSWR)

고출력 송신기 송신선로의 정상동작유무 판단을 위한 파라미터로 전압정재파비(VSWR : Voltage Standing Wave Ratio)를 사용한다. VSWR은 송신기 출력계통의 부하 임피던스 정합(Impedance matching) 특성을 나타내는 파라미터로서 출력 장치의 출력 임피던스와 부하의 임피던스가 일치(정합) 하지 않으면 반사파가 발생한다. 이 반사파는 출력(입사파)신호와 합해져 제자리에서 진동하는 정재파(Standing Wave)를 형성하게 되는데, 이 정재파비(VSWR)는 반사계수(반사파 전압과 입사파 전압의 비)의 함수로 표시된다. VSWR 값은 1에서 ∞ 사이로 표시되며, 임피던스 매칭이 완벽하여 반사 신호가 없으면 VSWR 값은 1이 되고, 반사정도가 클수록 VSWR 값은 커진다. VSWR이 허용치 이상 커지면 송신기(특히 TWT)가 손상을 입을 수 있다. 본 논문에서 언급되는 레이더의 고출력 송신기는 VSWR이 1.5 이하인 경우 별다른 보호장치 없어도 정상동작하도록 설계되었다. 전압 정재파비(VSWR) 계산식은 아래 수식 (1)을 참고바라며, 정재파비를 전력(Power) 값으로 환산한 수식은 아래 수식 (2)를 참고하기 바란다.

2.3 레이더 RF 송수신 경로 구성

파형발생장치에서 생성된 레이더 RF신호는 진행파관(TWT : Traveling Wave Tube)에서 고출력 RF신호로 증폭되어 도파관 선로를 통하여 안테나/부하 스위치(Ant/Load SW), 방향성결합기(Directional Coupler) 및 슬립링로터리조인트(SRJA)를 경유하여 안테나로 공급되어, 최종적으로 빔방사를 하게된다. 만일 출력 도파관 선로와 안테나를 포함하는 연결 선로의 고장(기계적, 전기적 손상 등)으로 임피던스 매칭이 적절하지 않으면 출력의 일부가 반사되어 되돌아오게 된다. 이렇게 반사된 RF 에너지는 출력 도파관 선로를 역행하여 TWT 출력단으로 진행하게 되나, TWT 보호를 위해 설치된 페라이트 분리기(Ferrite Isolator)에 의해 TWT로 진행하지 못하고 부하기(Load)로 입력되어 모두 열에너지로 소모된다.

VSWR 감지기 다음단에 연결된 고출력 송신기 제어장치에는 VSWR 정격 초과시 송신기 동작을 차단하기 위해 VSWR 감지기와 보호로직 기능을 수행하는 제어장치가 구현되어 있다. VSWR 감지기는 송신 출력과 반사 에너지 신호 샘플을 입력받아 실시간으로 VSWR을 모니터링하여 제어장치로 전달하며 제어장치는 VSWR이 정격을 초과할 경우 송신기 동작을 차단시킨다.

2.4 고장현상

레이더 운용 중 불특정 다수의 레이더에서 고장코드 "C9"이 발생하여 레이더 빔송신이 중단되는 현상이 반복적으로 발생했다. 고장코드 ”C9"은 본 논문에서 소개하는 유도무기체계에서만 사용하는 고장코드이며, 해당 고장코드는 정재파비 과다 발생(Overload VSWR)을 의미한다. 즉, 레이더 고출력 송신신호를 안테나를 통해 방사 시 송신 경로상의 반사전력(정재파비)이 과다 발생하여 정해진 규격을 초과했을 경우 발생하는 고장코드이며, 해당 고장코드 발생 시 레이더 장비 보호를 위해 자동으로 고출력 송신을 중단하게 되어, 레이더 운용이 중단된다.

고장코드 "C9" 발생에 따라 그림3의 레이더 RF 송수신 경로상의 모든 장비에 대한 점검 결과, 슬립링로터리조인트에서 다양한 문제가 발생됨을 확인하였고, 확인된 문제는 크게 3가지로 분리할 수 있다. 첫 번째는, 그림2의 슬립링로터리조인트 구성 중 X-band rotary joint의 하부도파관 휨 현상, 두 번째는 고출력 송신신호 송신 시 발생하는 열을 흡수해주는 흡수체(attenuator) 손상, 마지막은 중심전도체 단선 현상이다. 각각의 고장현상에 대한 원인분석을 통해 적절한 개선대책이 필요하다.

Figure 3.

RF High power transmission and VSWR detection path of radar

3.1 도파관 휨 현상

고장난 슬립링로터리조인트를 분해하여 점검 결과, 그림 4와 같이 X-band rotary joint 하부도파관이 휘어져 있음과 그림 5와 같이 상단부 하우징 내부 베어링에 기구적 손상이 있음을 확인하였다. 하부도파관의 휨 현상과 베어링 손상과의 연관관계에 대한 검토 결과 도파관이 휨으로 인해 로터리조인트 회전 시 편심이 발생하였고, 편심으로 인해 베어링에 물리적인 외력이 가해져 베어링에 마모가 발생했다고 추정했다.

Figure 4.

Bent waveguide of the X-band rotary joint

Figure 5.

Damaged bearing

Figure 6.

The internal structure of X-band rotary joint

추정한 내용 검증을 위해 도파관 휨의 정도(run-out)를 5mm, 10mm, 15mm로 다르게 구성하여 200시간 회전 시 베어링에 가해지는 손상의 정도를 확인하는 실험을 해보았다. 5mm의 경우 기구적 손상이 없음을 확인할 수 있었고, 10mm의 경우 경미한 긁힘이 발생하였다. 15mm의 경우 베어링 및 베어링 하우징에 긁힘이 발생함을 알 수 있었다. 본 실험을 통해 하부도파관이 휨에 따라 베어링에 손상이 갈 수 있음을 확인하였다. 또한, 베어링 손상에 따라 발생한 미세입자가 고출력 송신경로로 들어갈 경우 아킹이 발생할 수 있고, 아킹 발생 시 VSWR이 규격을 초과하여 고장코드 "C9"이 출력됨을 알 수 있다.

하부도파관이 휜 이유에 대한 검토결과, X-band rotary joint 생산 업체에서 SJRA 조립업체로 운송 시 충격 및 조립 시 취급부주의에 의해 휨 현상이 발생했다고 판단된다. 그 이유는 먼저 X-band rotary joint 생산 업체는 스웨덴이며, SRJA 조립 및 완성품을 생산하는 체계업체는 프랑스에 있다. 따라서 운송 시, 차량과 항공을 이용하게 되며 충격을 받을 요소가 다분함에도 불구하고, 기존 운송상자에는 X-band rotary joint 하부도파관 지지 및 충격 흡수를 위한 그 어떤 치구도 없었다. 실제로 X-band rotary joint 하부도파관을 손으로 잡고 움직이면 너무나도 쉽게 움직임을 알 수 있다. 따라서, 운송 중 충격으로 인해 휘어질 수 있다고 판단된다. 두 번째로, X-band rotary joint가 SRJA 체계업체에 도착 후 조립 시 하부도파관과 SRJA간 축정렬을 하지 않고 조립 할 경우 휘어진 상태에서 조립될 수 있다. 휘어진 상태에서 조립이 되면 SRJA 회전 시 위 실험을 통해 얻은 결과와 같이 베어링에 손상을 가하게 된다. 또한, SRJA 국내 입고 후 run-out을 별도로 측정하여 규격 이내의 품목만 사용한 레이더의 경우 한번도 고장이 발생하지 않은점을 고려하면, 운송 시 충격 및 조립 시 취급부주의에 의해 휨 현상이 발생했다고 판단 할 수 있다.

3.2 흡수체 손상

흡수체(attenuator)는 그림7과 같이 X-Band Rotary Joint 내부 베어링 하부에 장착되어 있으며, 레이더 안테나 회전 시 로터리조인트 특성상 생기게 되는 회전부와 고정부 사이의 틈으로 누설되는 고출력 송신 신호를 흡수하여 열에너지로 방출시키는 역할을 한다. 고장난 슬립링로터리조인트를 분해하여 점검한 결과, 흡수체가 손상되어 있음을 확인 할 수 있었고, 또한 고출력 RF 송신선로인 도파관 내부에 아킹의 흔적이 있음을 확인하였다. 해당 현상에 대한 분석 결과, 흡수체가 흡수체 온도규격을 초과한 고온에 의해 녹았으며, 흡수체가 녹음에 따라 발생한 미세입자가 고출력 송신경로로 유입되어 아킹이 발생하였음을 알 수 있다. 또한, 흡수체가 녹음에 따라 흡수체 기능을 상실하였고, 이로인해 흡수체에서 흡수되지 못한 열이 베어링으로 전달되었다고 판단된다. 이 열은 도파관 휨에 따라 발생한 편심현상과 합쳐져 베어링을 마모시켰다고 판단된다.

Figure 7.

Shape and position of the attenuator

흡수체에 규격을 초과하는 열이 발생한 이유에 대한 검토결과 두 가지 문제가 있음을 확인하였다. 첫 번째는 위에서 언급한 하부도파관이 휨에 따라 발생한 편심이 흡수체의 온도를 높이는데 기여했음을 확인하기 위해 유한요소분석법(Finite Element Method)을 사용하였다.

유한요소분석법은 공학, 수리, 물리 등 다양한 영역의 현상들을 해석하기 위한 수치 기법 중 하나로, 이론해를 직접 구하기 어려운 모델을 유한개의 요소로 분한 한 후 개별 요소의 특성을 계산하여 전체요소의 특성을 모두 조합하여 전체 모델의 특성을 근사적으로 계산하는 방법이다. 열전달, 유체역학, 전자기학, 기계시스템 등에서 컴퓨터 모델링을 통해 그 현상을 모사하여 주로 사용한다.

요한요소분석에 사용한 툴은 CST Microwave Studio를 사용하였고, 적용 기준 방정식은 Maxwell 방정식(RF 에너지 유동 및 열전달 해석)을 사용하였다. 분석에 사용한 입력 조건은 그림 8과 같이 1:1 스케일의 X-Band 고출력 이동 경로 3D 모델링 및 MESH GRID화, 적용 전재질에 대한 특성치 입력 및 계산치(재질, 열전도, 손실 등), RF E/H FIELD 유동 및 삽입량 산정 등 이다.

Figure 8.

Input parameter of Finite Element Analysis

표 1 및 그림 9의 분석결과를 보면 중심전도체 편심이 발생하지 않았을 경우 흡수체의 온도는 80℃임을 알 수 있으며, 중심전도체에 편심을 0.2mm를 인위적으로 만들어 실험했을 경우 흡수체의 온도가 약 120℃까지 올라감을 알 수 있다. 편심을 0.2mm로 둔 이유는 중심전도체와 흡수체간의 실제 간격이 0.2mm 이기 때문이다. 흡수체 허용 온도는 120℃로 설계되었고, 본 분석을 통해 중심전도체 편심이 발생 할 경우 흡수체 온도가 설계 상한치까지 올라감을 알 수 있다.

Table 1.

The results of Finite-Element Analysis

Figure 9.

The results of Finite-Element Analysis

두 번째는 흡수체가 흡수한 열을 방출하는 경로상에 생긴 문제이다. 흡수체는 흡수한 열을 흡수체 외경에 부착된 하우징을 통해 외부로 방출하게 된다. 즉, 흡수체 외경에 부착된 하우징이 방열판 역할을 하게 되는 것이다. 문제가 발생한 로터리조인트의 흡수체는 흡수체와 하우징간의 접착이 일부에만 되어 있음을 확인하였다. 이로인해 흡수체가 흡수한 열이 외부 하우징으로 정상적으로 전달되지 못하여 열 방출이 잘 이루어지지 않아 흡수체가 버틸수 있는 온도 규격을 초과했다고 판단된다. 증명을 위해 흡수체와 하우징의 접착이 균일하게 잘 이루어진 케이스와, 불균일하게 접착된 케이스를 가지고 실험을 한 결과, 불균일하게 접착된 흡수체에만 손상이 있음을 확인하였다.

흡수체와 하우징간 접착이 불균일하게 이루어진 부분에 대한 검토 결과, 접착공정을 X-band rotary joint 생산업체 직접 수행에서 외주공정으로 변경하였고, 이 때 기존 작업자가 접착을 위해 사용한 전용 치구 및 노하우 등의 정보가 전달이 되지 않음에 따라 발생하였음을 알 수 있었다. 전용 치구 및 작업 방법에 대한 내용이 외주업체 작업자에게 전달 되지 못한 이유에 대한 검토 결과, 흡수체 도면 주기란에 해당 정보가 반영이 되어 있지 않음을 확인하였다. 흡수체 조립공정은 흡수체에 접착제를 도포한 뒤 흡수체 내경으로 축이 들어가는 형태로 제작된다. 이 때 전용치구를 사용하지 않으면, 접착제가 내경으로 들어가는 축에 묻게 되어 균일한 접착이 되지 않게되며, 흡수체 외경과 하우징 접착과정도 유사하다. 따라서, 전용 치구 사용과 작업시 주의사항 및 노하우 등의 정보는 해당 공정 품질에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.

3.3 중심전도체 단선

X-band rotary joint의 중심전도체는 3개 채널이 그림 10과 같이 구성되어 있다. 채널 1은 고출력 송신을 위한 채널, 채널 2는 1차 국부발진신호 전송을 위한 채널, 마지막으로 채널 3는 2차 국부발진신호 전송을 위한 채널이다. 여기서 단선이 발생한 채널은 채널 3이며, 단선이 발생한 원인에 대한 검토 결과 채널 1을 구성하는 중심전도체의 재질이 잘못 사용되었다는 것을 알 수 있었다. 정상제품의 재질은 은합금(Silver Alloy)이나, 단선이 발생한 중심전도체의 채널 1 재질은 내식강(STS) 재질이었다. 아래 표 2를 참조하면 두 재질의 특성을 알 수 있다. 가장 큰 차이점은 전기 저항률이다. 내식강의 경우 은합금 대비 높은 전기 저항률을 가지고 있다. 따라서, 고출력 송신신호가 채널 1 을 통해 전송될 때 높은 전기 저항률로 인해 고열이 발생하였다. 이 열에 의해 그림 11과 같이 직경이 가장 얇은 채널 3에 단선 현상이 발생하였고, 상대적으로 직경이 조금 더 큰 채널 2의 경우 약간의 변형이 발생하였으며, 직경이 가장 큰 채널 1의 경우 높은 열에 의해 그을림이 생겼음을 확인하였다.

Figure 10.

The cross section of the center conductor

Table 2.

Comparison of properties between materials

Figure 11.

Damaged center conductor

재질 오사용에 대한 원인분석을 위해 기 납품된 모든 SRJA 및 국내 입고되어 조립 대기중인 SRJA 전체에 대한 중심전도체 재질 확인 결과, 특정 시점 이후에 생산된 모든 중심전도체에 재질이 오사용 되었음을 알게 되었고, 해당 시점 조사결과, 그 시점에 중심전도체 생산업체가 변경 되었음을 확인하였다. 따라서, 변경된 생산업체의 과실로 재질을 오사용 했음을 알 수 있었다.

4.1 도파관 휨 현상

X-band rotary joint 하부도파관 휨 현상은 X-band rotary joint 생산 업체에서 슬립링로터리조인트 완성품 조립업체로 운송 시 충격 및 취급부주의에 의해 휨 현상이 발생했다고 3장에서 분석하였다. 따라서, 품질개선을 위해 3가지 개선사항을 도출하였다. 첫 번째로, X-band rotary joint 운송과정에서 진동 및 충격으로 인판 도파관 휨 방지를 위해 전용 치구를 제작하여 그림 12와 같이 적용하였다. 개선전 운송방법은 하부도파관 지지를 위한 어떤 장치도 없었으나, 개선된 운송방법은 하부도파관 지지를 위한 금속 치구를 별도 제작하였으며, 하드케이스 포장재를 이용하여 충격에 의한 영향을 개선하였다. 두 번째로, X-band rotary joint 조립 시 도파관 휨 방지를 위해 하부도파관 정렬용 전용치구를 제작하여 적용하였다. 마지막으로, 초기고장배제를 위해 X-band rotary joint 200시간 회전을 하는 ESS시험을 추가하였고, ESS 후 도파관 run-out 측정, peak power test, L-Band 채널과 도파관의 상호작용 정상여부 점검을 하도록 시험항목을 추가하여, 품질신뢰성을 확보하였다. 도파관 휨 현상에 대한 개선사항은 4M 관점에서 Method, Machine에 해당된다.

Figure 12.

Improved transport packaging

4.2 흡수체 손상 및 중심전도체 단선

흡수체 손상의 경우 도파관 휨에 따라 발생한 중심전도체 편심 및 흡수체와 하우징간 불균일 접착에 의해 발생한 고온에 의해 발생되었다. 해당 문제를 개선하기 위해 3가지 개선사항을 도출하였다. 첫 번째로, 흡수체 접착공정 수행 시 동일한 품질을 유지할 수 있도록, 작업지도서 및 도면에 전용치구 및 작업방법을 추가하였으며, 외주업체 공정에서 다시 자체제작 공정으로 변경하여 추가적인 품질을 확보하였다. 두 번째로, 외부 하우징 변경을 통해 흡수체 방열구조를 개선하였다. 그림 13은 개선 전, 후의 하우징을 나타낸다. 마지막으로, CH1 도파관 방열 효과를 개선하기 위해 기구 접촉부에 Thermal Compound를 적용하였다. 방열관련 개선사항 적용 후 온도 측정 결과, 개선 전 대비 약 10℃정도 내려감을 알 수 있었다. 흡수체 손상에 대한 개선사항은 4M 관점에서 Man, Method, Material에 해당된다.

Figure 13.

Improved heating system

중심전도체 단선의 경우 재질 오사용에 따라 발생한 현상이므로, 입고검사를 강화하는 방안의 개선대책을 마련하였다. 은합금과 내식강의 저항값이 다르므로, 입고검사에서 전수 저항값을 측정하여 동일한 실수를 방지하도록 작업지도서를 개선하였다. 중심전도체 단선에 대한 개선사항은 4M 관점에서 Method에 해당된다.

4.3 개선사항 유효성 검증

4.1 및 4.2장에서 개선한 내용에 대한 검증을 위해 고출력송신시험을 하였다. 고출력송신시험을 하는 이유는, 고출력의 RF에너지 방사를 해야지만, 흡수체 온도 변화의 정도(온도 포화 여부)를 확인 할 수 있으며, 흡수체 및 베어링 손상에 따라 발생한 미세입자로 인해 아킹발생 여부, 아킹으로 인한 VSWR 규격 만족 여부를 확인 할 수 있다. 실제 군 운용중인 장비에서 고장현상이 발생한 경우도 모두 레이더에서 빔 방사중 고장이 발생하였다.

해당 시험은 실환경과 동일한 조건으로 시험 환경(최대 출력, 평균 출력, 듀티비, 펄스폭, 회전 RPM 등)을 설정하였다. 시험 시 혹서기 기준으로 가혹한 시험을 위해 히터를 이용하여 SRJA 표면온도는 40~45℃로 유지하였으며, 송신출력은 7.7kW Avg를 유지하였다. 해당조건으로 24시간동안 고출력 RF를 송신하였다. 24시간 동안 고출력 RF를 송신하는 이유는, 유도무기체계가 군에 납품 후 소요군 수락시험 최종 단계에서 레이더 24시간 무중단 시험이 있고, 그 시험 중 SRJA 고장이 가장 많이 발생했다. 또한 SRJA입장에서 해당 시험 조건이 가장 가혹한 조건이므로, 24시간 동안 고출력 RF를 송신했다. RF 송신 중 SRJA 온도 변화를 측정하기 위해 총 9개의 온도센서를 부착하였다. 각각의 센서 부착위치는 그림 14와 같으며, 시험 장비 구성은 그림 15와 같다.

Figure 14.

The position of internal temperature sensors

Figure 15.

High power test configuration

고출력송신시험 결과 그림 16과 같다. 그림 16은 온도센서가 부착된 9개의 위치에 RF가 방사되는 24시간 동안 어떻게 변했는지가 기록되어있는 결과이다. 본 시험에서 가장중요한 부분은 흡수체 내부 온도이며, 그림 16에서 가장위에 위치한 붉은선에 해당된다. 시험 결과를 보면 흡수체 내부의 온도는 최대 96℃까지 올라감을 알 수 있다. 흡수체 온도 규격은 110℃이므로, 설계 규격치를 만족함을 알 수 있다. 또한, 24시간 고출력송신시험 이후 SRJA를 모두 분해하여, 베어링 긁힘, X-band rotary joint 휨 현상, 도파관 아킹 현상, VSWR 등에 대하여 점검결과 모두 이상 없음을 확인하였다. 해당 시험을 통해 개선사항이 모두 적용된 SRJA는 가장 가혹한 시험조건에서도 이상없이 규격요구조건을 모두 만족하였음을 확인 하였으므로, 본 연구에서 도출된 개선사항이 유효함을 검증하였다.

Figure 16.

The results of high power test

4.4 추가 개선사항

슬립링로터리조인트 고장 유형별 원인분석을 보면 4M(Man, Machine, Material, Method) 변경에 따라 발생한 문제들이 대부분임을 알 수 있다. 국내 업체의 경우 4M 변경 사항 발생 시 마다 관리하도록 품질경영시스템이 구성되어 있어, 본 논문에서 언급된 문제점 중 대부분이 사전 예방이 가능하도록 시스템이 구축되어있다. 하지만 본 논문에서 소개한 슬립링로터리조인트의 경우 해외도입품이므로, 품질관리의 한계가 있다. 그럼에도 불구하고, 재발방지를 위해 해외 원제작사 생산공정 중 4M 변경 사항 발생 시 국내 레이더 체계업체로 통보하여 품질문제가 재발되지 않도록 사전 검토 단계를 추가하였다. 해당 개선사항 적용 후 4M 변경 사항 발생 시 레이더 체계업체와 사전 검토를 하였고, 그 결과 현재까지 특별한 문제없이 품질시스템 관리가 잘 되고 있음을 확인하였다.