일반기술

무중력 환경에서의 질량측정 시스템

본 기술의 목적은 우주와 같은 무중력환경에서 물체의 무게를 측정하는 장비로써 우주에서 사용되는 저울이라고 할 수 있다. 장비의 기술은 선형 가속 운동 장치에 의해 동시에 선형 가속되는 시료와 이미 알고 있는 표준 시료에서 측정되는 관성력을 측정하여, 오차 발생의 원인이 되는 가속도 성분이 제거된 상태에서 질량을 측정함으로서, 우주 실험을 위한 소질량의 시료를 정밀하고도 정확하게 측정할 수 있는 무중력 환경에서의 관성력과 표준 질량을 이용한 질량 측정 시스템 및 방법 이다.종래 기술의 단점 - 기존 우주에서 소질량 물체의 무게를 측정하는 시스템은 존재하지 않았으며, 우주인의 몸무게 측정용으로는 존재하였다. 하지만, 이 장비는 정확도가 수백 그램으로 오차가 상당히 컸다.기술의 우수성 - 본 기술은 무중력 환경에서의 관성력과 표준 질량을 이용한 질량 측정 시스템 및 방법은 다음과 같은 기술특징이 있다. - 첫째, 시료와 표준 시료에 동일한 선형 가속 운동을 동시에 작용시키고, 동일한 선형 가속 운동에 의한 시료와 표준 시료의 관성력을 측정하여 이를 기초로 시료의 질량을 연산함으로써, 가속도를 측정하지 않고도 시료의 질량을 측정할 수 있게 됨으로써 오차 발생 요인이 제거되어 질량 측정의 정확성이 높아지는 효과가 있다. - 둘째, 시료와 표준 시료에 동일 가속 운동을 작용시키고 이로 인한 시료와 표준 시료의 관성력을 측정하여 시료의 질량을 측정할 수 있으므로, 신속하게 시료의 질량을 측정할 수 있는 효과가 있다. - 셋째, 신뢰성 있고 단순한 소형의 무중력 상태에서의 질량 측정 장치를 개발함으로써, 지금까지 우주 실험에서 시료와 실험 결과물을 지상에서 주로 측정하였던 것과는 달리 우주선 내에서 현장(In Situation) 측정을 가능하게 함으로써 우주 실험의 정확성과 효율성을 증대시키는 효과가 있다.기술 요약 - 선형가속형우주저울의 측정 원리는 다음과 같다. 물체의 무게나 힘을 측정하는 두개의 로드셀 위에 각각 무개를 측정하고자 하는 시료와 이미 그 무게를 알고 있는 표준 질량을 설치한다. 이 두 로드셀을 같은 가속판위에 설치한다. 그런 후 그 가속판을 가속장치를 이용하여 위로 운동 시키면, 공통 가속판, 로드셀, 시료 및 표준질량은 동일한 관성계에 있으므로 동일한 가속 운동을 하게 된다. 이때, 가속장치의 가속도가 a라고 할 때, 시료와 표준 질량에는 아래와 같은 관성력이 로드셀을 통해서 측정된다. 표준 질량에 발생하는 관성력을 F1 이라 하고, 시료에 발생하는 관성력을 F2 라고 하면, F1= k1*{m1(a+g)+m0(a+g)} F2= k2*{m2(a+g)+m0(a+g)} 여기에서 k1은 로드셀#1의 특성 상수이고, k2는 로드셀#2의 특성 상수이며, g는 중력가속도이다. 지상에서 측정하는 것이므로 물체에 대한 중력값도 같이 측정될 것이다. 그리고 m1 는 표준 질량의 질량이고, m2 는 시료의 질량을 나타낸다. 여기서 m0는 로드셀 위의 표준 질량 및 시료를 제외한 이 두 물체를 고정하기 위한 고정장치 무게가 될 것이다. 로드셀 위에는 고정장치와 물체가 같이 설치되어 있으므로 이것에 대한 고려가 반드시 필요하다. 기술 요약 - 위에서 측정되는 관성력과 이미 알고 있는 표준 질량의 비에 의해서 아래와 같이 시료의 질량은 계산된다. 이 식은 앞의 두식의 가속도 성분 a+g를 상쇄하여 계산하면 얻을 수 있다. 표준 질량 m2와 고정 장치 m0는 이미 알고 있는 값이고, F1, F2는 측정값이며 로드셀의 특성상수 (k1k2)들도 알고 있는 값들이다. 이 방법은 가속도 성분에 관계없이 무게를 측정할 수 있는 것으로, 우주에서도 위와 같이 강제로 가속을 가해서 위의 측정원리를 이용하여 미소중력에서도 질량을 측정 할 수 있을 것이다.국내외 시장 규모 : 현 이러한 장비에 대한 시장 규모는 없으나, 향후 발전될 것임. 사업성 - 운동중인 물체의 무게 측정에 사용 - 우주에서 무게 측정 시스템에 사용 - 중력에 관계없이 무게를 측정할 수 있는 시스템에 사용