1. 서 론

달 탐사시 탐사 로버의 역할 및 이에 따른 성능은 매우 중요하다. 특히 탐사 로버의 주행 성능은 로버 휠의 형상과 휠 및 지반의 상호작용과 밀접한 관계가 있다. 달에서의 극한 조건 및 거친 지형 조건 등으로 인해, 변형이 심한 달 지형 조건에서는 크기가 작고 강성체인 로버 휠이 탐사 로버에 적합한 것으로 알려져 있다.

일반적으로 차량 휠의 거동 성능은 운동 저항력을 극복하고 견인력을 발현할 수 있는 능력으로 평가된다(Wong, 2010). 또한 변형이 심한 흙에서의 차량 주행은 휠과 지반의 상호작용에 의해 발생하는 추진력에 의해 이루어진다. 차량 주행 성능 및 추진력을 증가시키기 위해 휠에 그라우저를 부착하고 이에 대한 성능을 평가하고자 하는 다양한 연구가 수행되어 왔다. 특히 농기계 분야에서는 강성 휠에 그라우저를 부착한 형태가 널리 사용되어 왔다(Tanaka et al., 1957; Masuda et al., 1964; Salokhe et al., 1987). Gee et al. (1976)은 점토에서 케이지휠의 그라우저에서 발현되는 견인력을 측정하여, 그라우저 각도와 그라우저 폭, 그리고 그라우저 형상이 견인력에 영향을 미치는 것을 확인하였다.

최근에는 행성탐사에 대한 연구가 늘어나는 만큼, 많은 연구자들이 탐사선의 그라우저에 대한 연구를 수행하고 있다. Parbatani et al. (2012)은 달탐사 로버 휠의 그라우저의 신뢰도에 대한 연구를 수행하여, 그라우저를 설계할 때 경사면에서의 슬립을 방지하기 위하여 앞과 옆방향으로 그립을 설치해야 하며, 그라우저 측벽부의 모서리 변형을 방지하기 위해 모서리를 완만하게 해야 한다는 결론을 도출하였다.

그라우저 연구와 더불어 달탐사 로버의 휠-지반 상호작용을 연구하기 위하여 단일 휠 실험장비가 널리 이용되고 있다(Iagnemma, 2005; Ding et al., 2011; Wang and Han, 2016). 단일 휠 실험장비에서는 휠의 속도와 각속도를 변화시켜가며 슬립율에 따른 토크와 견인력, 침하량의 관계를 측정한다. Ding et al. (2011)은 느슨한 건조토에서 휠의 견인성능은 휠의 크기, 그라우저의 형상, 그리고 연직하중에 다라 크게 영향을 받는다는 것을 확인하였으며, Wang and Han (2016)은 휠의 슬립율을 변화시킬 수 있는 단일 휠 실험장비를 개발하여, 인공월면토에서 휠에 그라우저가 있는 경우와 그라우저가 없는 경우에 대해 견인성능을 비교한 바 있다.

위에 서술한 바와 같이 휠의 형상이 로버의 주행성에 미치는 영향에 대하여 다양한 연구자들이 연구를 수행하였으나, 지반조건이 주행성에 미치는 영향 역시 중요함에도 불구하고 이에 대한 연구는 활발히 수행되지 않았다. 달의 극한조건 때문에 월면토의 물성치는 지구의 지반과는 확연히 차이가 있다(Heiken et al., 1991). Deng et al. (2011)은 실험과 수치해석을 통해 인공월면토의 물성치가 휠의 침하와 저항에 영향을 미치는 것을 확인한 바 있다. 이 연구에서는 휠-지반 상호작용이 지반물성치에 영향을 받으며, 로버가 월면 위를 지나갈 때 침하와 전단력을 유발하는 것을 확인하였다. Bekker (1960)는 연약한 지형에서 휠의 압력-침하 공식을 제안하였으며, Janosi et al. (1961)은 더 나아가 지반에서의 전단응력-침하 관계를 도출하였다. 국내에서는 일부 연구자들에 의해 달탐사 로버 휠의 주행성능을 평가하고자 하는 시도가 있었으나(Kim, 2016; Kim, 2017), 아직까지 달탐사 로버 휠의 주행성능을 지반조건에 따라 명확히 규명하고자 하는 연구가 없었다.

따라서 본 연구에서는 월면과 지구 지반에서의 휠의 주행성능의 차이를 평가하고 지반 물성치가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 한국건설기술연구원에서 제작한 한국형 인공월면토와 국내 대표 사질토인 주문진 표준사를 이용하여 실험을 수행하였다. 또한, 개발된 한국형 인공월면토에서 자동차부품연구원에서 개발중인 한국형 달탐사 로버 휠 기본 형상을 바탕으로 그라우저의 높이 변화에 따른 휠의 추진 성능을 비교하여, 추후 국내 달탐사 연구에서 로버 휠의 최적 형상 도출 연구에 기초 자료를 제공하고자 하였다.

2. 달 탐사 로버 휠 특성 및 이론적 배경

2.1 달 탐사 로버 휠 특성

우주개발 선진국에서는 서로 다른 달 탐사 임무를 수행하기 위하여 다양한 종류의 달탐사 로버가 개발되어 사용되고 있다. 러시아, 미국, 중국에서 각각 루노호트(Lunokhod), LRV (Lunar Rover Vehicle), 위투(Yutu)라는 이름의 탐사 로버를 이용하여 달탐사 프로젝트를 수행하였다. 루노호트의 총 중량은 2.7kg이고, 휠의 직경과 폭은 각각 51cm, 20cm이다. 휠과 그라우저의 재질은 티타늄, 스파이크의 재질은 강철로 제작되었다. LRV는 4휠 로버로, 직경과 폭은 각각 81cm, 23cm이다. 휠 허브의 재질은 알루미늄, 타이어는 아연코팅우븐(zinc coated woven)으로 제작되었으며, 타이어 표면의 50%에는 티타늄 셰브런(titanium chevrons)으로 처리하였다. 위투의 정보는 많이 알려진 바가 없으나, 루노호트를 참고하여 제작되었다고 알려져 있다(Chen, 2013).

루노호트의 휠은 냉간용접을 통해 접착면을 없애 열팽창이 적고 월면에서의 주행성을 개선한 것이 특징이다. 하지만 장애물에 의한 변형이나 균열이 쉽고 과도한 하중을 받을 때 스파이크가 쉽게 파괴된다는 점에서 적재 하중이 크지 않다는 단점이 있다. 반면, LRV는 장애물을 지날 때나 적재하중이 큰 경우에도 탄성 메쉬가 휠의 파괴를 방지한다. 하지만, 타이어 위에 둘러진 티타늄 셰브런의 파괴에 의해 주행성이 저하될 수 있다. 온도 변동에 따른 알루미늄 허브의 팽창에 따른 주행성 저하나 휠 파괴에 대한 위험도 존재하는 것으로 알려져 있다(Karim, 2011). 각 달 탐사 로버의 휠 특성은 Table 1에 정리하였다(Asnani et al., 2009; Chen, 2013). 또한, Ding et al. (2011)은 Fig. 1과 같이 그라우저 높이, 개수, 두께, 각도, 폭, 직경을 변화시켜 휠의 성능 평가를 수행한 바 있으며, 휠의 그라우저 높이, 폭, 직경이 증가함에 따라 견인 성능이 증가하는 것으로 나타났다.

Table 1. Configuration of Used Wheel for Lunar Exploration (Asnani, 2009; Chen, 2013)

Fig. 1.

The Tested Wheel (Ding et al., 2011)

2.2 휠 주행 성능 평가를 위한 지반 및 휠-지반 상호작용 모델

Wong (2010)에 의하면, 탐사로버가 연약지반과 같이 무른 구동환경을 갖는 경우, 휠과 지반 사이의 상호작용에 따라 로버의 구동면과 지반 사이에 수직 및 전단방향 응력이 발생되어 지형파괴를 일으킨다. 그 결과 로버의 선속도와 휠의 접선방향 속도의 차이가 발생하며 이를 슬립율이라고 정의한다. 또한, 탐사로버의 주행성능을 결정하기 위해서는 휠의 침하나 견인성능 뿐만 아니라 슬립율을 반드시 고려하여야 한다. 특히, Zhou et al. (2013)이 제시한 바와 같이 다양한 슬립율 조건에서 주행성능을 평가하기 위하여 슬립율을 제어할 수 있으며, 슬립율의 정의 및 전단변위와 슬립율 사이의 관계를 표현하면 다음과 같다.

                                 (1)

이때 는 차량의 실제 주행속도, 은 휠의 속도로 각속도 와 휠 반경 의 곱이다.

차량 주행시 휠을 통해 지표면에 전단력이 가해지고, 이로부터 추진력과 슬립이 발생하게 된다(Wong, 2010). 따라서, 차량의 견인 성능을 예측하기 위해서는 전단응력-전단변위 관계를 이해하는 것이 필수적이다.

휠이 지형에서 거동할 때 침하량이 발생한다. Fig. 2와 같이 휠과 지형사이의 접촉각도에 대하여 휠의 슬립침하량 과 동적침하량 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

                            (2)

                         (3)

Fig. 2.

Force Distribution of Moving Rigid Wheel on Soft Soil

휠과 지반 사이의 접촉면에서 발생하는 전단거동특성은 Janosi 전단모델(Janosi, 1961)을 통해 평가할 수 있다. 이 모델에 따르면 흙과 휠 사이의 접촉면의 전단응력은 다음과 같이 나타낸다.

                        (4)

                          (5)

여기서, c는 흙의 점착력, 는 흙의 최대전단강도, 는 흙의 내부마찰각, k는 전단변형계수, 그리고 는 접촉면의 전단변형을 의미한다.

는 접촉면의 슬립 속도 에 의하여 유도될 수 있다.

          (6)

          (7)

여기서, 는 접촉면의 전단 슬립 속도, 는 수평방향의 슬립 속도이다.

오프로드 차량에서의 추진력은 운동저항을 극복하는데 이용하고 남은 힘을 가속이나 경사지 등판을 위한 견인력으로 사용한다. 이 비율에 따라 차량의 주행성능이 달라진다(Wong, 2010). Fig. 2에 연약지반에 놓인 휠의 주행시 힘 분포를 정리하였다. Fig. 2에서 은 휠 반경, 은 휠의 침하, 는 슬립침하, 는 휠-지반 상호작용 각도, 은 진입각, 는 출구각, 는 최대응력에서의 각도, 는 휠 각속도, 는 휠 주행속도, 는 연직하중, 는 주행 토크, DP는 견인력, 와 는 각각 휠-지반접촉면에서의 연직응력과 전단응력을 의미한다.

견인력(DP)은 차량의 견인성능을 평가하는 중요한 지표이다. 견인력(DP)은 주행시 휠의 하부 지반을 밀어내며 발생하는 힘이다. 견인력은 밀어내는 힘  F와 저항력  R의 합력으로 정의하며, Wong의 모델에서는 견인력을 다음과 같이 정의한다.

 (8)

이때 b는 휠의 폭을 의미한다.

Eq. (8)에서와 같이 견인력은 전단력의 함수로 나타낼 수 있고, 전단력은 Eq. (4)에서와 같이 전단변위의 함수로 정의할 수 있으며, 전단변위는 Eq. (7)에서와 같이 슬립율과 관계가 있기 때문에, 견인력 역시 슬립율의 함수로 나타낼 수 있다.

Fig. 2와 같이 접촉면에서의 전단응력 성분을 이용하여 휠의 토크 T를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

                           (9)

3. 실험 조건 및 실험 방법

3.1 휠의 형상

본 연구에서는  Fig. 3에 나타낸 것과 같이 세 종류의 원형 휠을 사용하여 실험을 수행하였다. 휠의 재질은 고강도 알루미늄으로 제작하였으며, 휠 직경 및 폭은 각각 170mm, 80mm 이다. 휠의 직경 및 폭은 자동차부품연구원(Korea Automotive Technology Institute)에서 한국형 달탐사 로버 개발 연구를 통해 제안한 크기를 바탕으로 결정하였다(Wang and Han, 2016). 실제 휠의 무게는 달탐사 로버 개발시에 중요한 인자이나 본 연구에서는 휠의 형상에 따른 주행 성능을 파악하고자 하였기 때문에 자동차부품연구원의 휠 재질과는 다른 재질로 제작하였다.

Fig. 3.

Test Wheels

실험에서 사용한 휠 중 하나는 그라우저가 없는 매끈한 휠(Fig. 3(a))이고, 나머지 2개는 그라우저 높이가 각각 10mm, 15mm (Fig. 3(b) and (c))인 휠이다. 그라우저의 두께는 3mm, 간격은 36°로 총 16개의 그라우저가 부착되었다.

3.2 지반 조건

지반조건이 로버 휠의 주행성능에 미치는 영향으로 조사하기 위하여, Ryu et al. (2015)이 제작한 한국형 인공월면토(이하, KLS-1) 및 주문진 표준사를 이용하여 실험을 수행하였다. KLS-1의 원재료는 강원도 철원의 현무암이며, 지반물성치는 직접전단실험, 체분석실험, 비중실험 등 다수의 실내실험을 통해 측정하였다. 측정 결과 KLS-1의 물성치는 시판되는 여타의 인공월면토 뿐만 아니라 실제월면토의 특성과 유사한 것으로 나타났다(Ryu et al., 2015). 주문진 표준사는 국내 대표 사질토이며, KLS-1과 주문진 표준사의 물성치를 Table 2에 정리하였다. 달표면 0~15cm 깊이에서의 월면토의 상대밀도는 65 ± 3%로 알려져 있기 때문에, 본 연구의 실험시 지반의 상대밀도를 약 60%로 결정하였다(Mitchell et al., 1974).

Table 2. Soil Properties of KLS-1 and Jumunjin Sand

3.3 휠 성능 평가 실험장비

본 연구에서는 Fig. 4와 같이 한국건설기술연구원에서 제작한 단일 휠 성능 평가 실험장비를 이용하여 실험을 수행하였다(Wang and Han, 2016). 본 실험장비의 성능은 Wang and Han (2016)의 선행연구에서 검증 결과를 제시한 바 있다. 실험에 사용되는 토조의 크기는 이며, 휠 성능 평가 실험장비는 주행모터와 바퀴모터, LVDT, 반력시스템, 토크센서 그리고 로드셀로 구성되어 있다. 본 장비를 활용하여 다양한 슬립율에서의 견인력, 토크, 그리고 침하를 측정하며, 슬립율은 상부의 주행모터와 하부 바퀴모터의 속도를 변경시켜가며 조정할 수 있다.

Fig. 4.

Single Wheel Testbed

3.4 실험 방법 및 순서

본 연구에서는 휠의 주행성능을 실험적으로 평가하기 위하여, 2.2절에서 설명한 바와 같이 슬립율에 따른 견인력, 토크, 그리고 침하를 측정하여 각 조건별로 결과를 비교하였다. 실험 조건은 Wang and Han (2016)의 선행연구를 참고하여 결정하였다. 슬립율은 Eq. (4)에 나타낸 것처럼 휠의 각속도와 실제 주행속도의 함수로 정의할 수 있으며, 본 연구의 실험시 휠의 주행속도, 즉 상부 주행 모터의 속도는 10mm/s로 유지하고 휠의 각속도를 변화시켜 슬립율을 0.1부터 0.4까지 변경시켰다. 또한, 실험시 휠에 작용하는 연직하중은 현재 국내에서 개발중인 달 탐사 로버의 목표 중량을 약 20kgf로 정하고 있으므로 한 개의 휠이 받는 하중을 고려하여 6kgf으로 유지하였다.

실험시 지반의 상대밀도가 일정하게 유지될 수 있도록 지반을 4개 층으로 나누어 조성하였다. 견인력, 토크, 침하는 시간독립적인 변수로 고려하였으며, 한 케이스의 실험이 종료된 후, 슬립율을 변경하여 실험을 반복하였다. 또한 각 실험 결과의 신뢰도를 확보하기 위하여 각 실험 조건별로 최소 3번 이상의 실험을 수행하였다. Table 3와 Table 4에 각각 실험에 사용한 휠의 형상과 실험 조건을 정리하였다.

Table 3. Wheel Parameters

Table 4. Test Cases

4. 실험 결과 및 분석

4.1 지반조건에 따른 휠 주행 성능 평가

지반조건에 따른 로버 휠의 주행 성능 평가를 위해 Table 4와 같이 높이 15mm, 간격은 36°, 두께 3mm인 그라우저가 장착된 휠(Fig. 2(c))을 이용하여 KLS-1과 주문진 표준사 지반에서 실험을 수행하였다.

Fig. 5는 슬립율 0.1부터 0.4까지 지반 표면에서의 휠의 자취를 보여주고 있다. Fig. 5를 보면 KLS-1과 주문진 표준사 지반에서 상대밀도가 동일하게 조성되었음에도 불구하고, 그라우저에 의한 휠 자취 간격이 주문진 표준사보다 KLS-1에서 더 좁게 나타났다. KLS-1에서 휠이 지나간 부분의 흙이 주문진 표준사보다 더 응집되었으며, 또한 슬립율이 0.1에서 0.4로 증가함에 따라 흙이 더욱 응집되는 현상이 나타나 휠 자취의 간격이 좁아지는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5.

Tracks of Wheel 3 (Grouser Height 15mm, Spacing 36∘, Thickness 3mm) Moving on the KLS-1 and Jumunjin Sand

 Fig. 6는 각 지반 조건에서 시간에 따른 견인력을 나타낸 결과이다. 슬립율에 따른 명확한 결과 비교를 위해 변화량이 큰 측정데이터에 대해 smoothing method 중 average filter를 이용하여 Fig. 6와 같이 표현하였다(Wang and Han, 2016). 실험 결과 KLS-1과 주문진 표준사 지반 모두에서 슬립율이 증가함에 따라 견인력 역시 증가하는 경향을 보였으며, 최대 견인력을 비교한 결과 KLS-1에서는 약 17N, 주문진 표준사에서는 약 8N으로 KLS-1에서 약 두 배 정도 최대 견인력이 크게 발생한 것을 확인할 수 있었다. Eq. (8)에 정의된 것과 같이 견인력은 지반에 작용하는 전단력에 의해 발생하며, 전단력은 지반의 점착력과 마찰각 같은 물성치에 따라 결정된다. Table 1에 정리된 바와 같이 상대밀도 60% 조건에서 KLS-1의 경우 점착력이 약 1.72kPa, 마찰각이 40.6°로 측정되었으며, 주문진 표준사의 경우 점착력과 마찰각이 각각 0kPa, 37°로 측정되었다. 따라서, KLS-1의 상대적으로 큰 점착력과 마찰각으로 인해 휠의 견인력이 우수한 것으로 나타났다. 또한, Fig. 6(b)에서는 주문진 표준사에서의 휠의 거동이 슬립율 0.1일 때 견인력이 음의 결과를 나타냈는데, 이는 Eq. (8)의 식에 따라 저항력이 추력보다 크게 발생하였음을 의미한다.

Fig. 6.

Smoothing Data of Drawbar Pull Time Histories with Slip Ratio

Fig. 7은 KLS-1과 주문진 표준사에서 슬립율에 따른 토크, 견인력 그리고 침하량을 정리한 결과이다. 본 결과는 각 실험 조건 별로 3번 이상 수행한 실험으로부터 구한 시간에 따른 토크, 견인력, 침하량 결과의 최대값을 평균하여 도시한 후, 회귀분석을 통해 나타낸 결과이다. 실험결과에 따르면, Fig. 7(c)와 같이 슬립율 0.3 이하인 경우에는 KLS-1에서의 침하가 주문진 표준사에서의 결과보다 작게 발생하였다. 반면, 토크와 견인력은 KLS-1 조건에서 더 크게 발생하였으며, 슬립율 0.3일 때 견인력은 약 24%, 토크는 약 21%의 차이가 발생하였다. 이러한 결과 역시 휠과 지반접촉면 사이의 전단력에 영향을 미치는 점착력과 마찰각에 기인하는 것으로 판단된다. 또한 그 영향은 슬립율이 증가함에 따라 더욱 뚜렷해진다. 점착력과 마찰각이 증가함에 따라 흙의 전단강도가 증가하여 견인력과 토크가 증가한다. 하지만, 주문진 표준사의 경우 점착력이 없기 때문에 KLS-1에 비해 침하가 많이 발생하는 것으로 판단된다. 반면 슬립율 0.4에서는 주문진 표준사에서의 토크와 견인력이 크게 감소하여 KLS-1에서의 결과의 절반 수준으로 감소하였다. 또한, 침하량의 경우 주문진 표준사 조건에서 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이는 주문진 표준사 조건에서 슬립율이 커짐에 따라 점착력이 없는 주문진 표준사 지반에서 그라우저에 의한 지반교란이 심해져서 휠의 주행성능 자체가 크게 감소하였기 때문으로 판단된다.

Fig. 7.

Torque, Drawbar Pull and Sinkage vs. Slip Ratio for Wheel 3 on KLS-1 and Jumunjin Sand

4.2 휠 형상에 따른 주행 성능 평가

휠 형상에 따른 로버 휠의 주행 성능 평가를 위해 Table 3 및 Table 4와 같이 그라우저의 높이를 변화시켜 KLS-1 지반에서 실험을 수행하였다.

Figs. 8 and 9에 그라우저 높이별 슬립율에 따른 침하-시간 관계와 견인력-시간 관계를 도시하였다. Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 그라우저가 없는 휠에 비해 그라우저가 있는 휠에서의 침하량이 더욱 크게 발생하였으며, 슬립율이 증가함에 따라 침하 역시 증가하였다. 또한 대부분의 경우 침하는 0~10초 구간에서 증가하다가 이후에는 일정하게 수렴하는 것으로 나타났다. 반면, Fig. 9의 견인력-시간 관계에서는 견인력이 초반에 증가하다가 최대값 이후에는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 경향은 특히 높은 슬립율 조건에서 더욱 뚜렷이 나타났는데, 이는 슬립율이 큰 경우 시간에 따라 침하가 많이 발생하여 견인력이 감소하기 때문이다. 따라서, 본 연구에서는 Apostolopoulos (2003)의 연구에서와 같이 상대적으로 명확한 비교를 위하여 발생한 견인력의 최대값을 이용하여 연구를 수행하였다.

Fig. 8.

Sinkage Time Histories with Slip Ratio for 3 Kinds of Wheels

Fig. 9.

Drawbar Pull Time Histories with Slip Ratio for 3 Kinds of Wheels

Fig. 10에 KLS-1에서 그라우저의 높이에 따른 토크, 견인력, 그리고 침하 결과를 도시하였다. 본 결과는 4.1절에서 설명한 바와 같이 시간에 따른 토크, 견인력, 침하량 결과의 최대값을 평균하여 도시한 후, 회귀분석을 통해 나타낸 결과이다. Fig. 10에 따르면 그라우저의 높이와 슬립율이 증가함에 따라 토크와 견인력, 그리고 침하가 증가하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 10(a)에 나타낸 토크의 경우, 그라우저가 있는 휠에서의 토크가 그라우저가 없는 휠에서의 토크보다 크게 측정되었으며, 그라우저 높이가 길 경우에 토크가 더 크게 측정되었다. 이러한 경향은 슬립율이 0.3 이하일 때 보다 확실하게 나타났다. 슬립율이 0.3일 때, 그라우저 높이가 15mm일 때의 토크가 그라우저 높이가 10mm일 때보다 약 33% 크게 측정되었다. 그러나 슬립율이 0.3 이상일 때에는 그라우저 높이에 따른 영향이 줄어 토크가 일정하게 수렴하였다. Fig. 10(c)의 슬립율에 따른 침하 그래프를 보면, 침하 역시 슬립율이 증가함에 따라 함께 증가하였다. 또한, 슬립율이 0.3 이하일 때에는 그라우저 높이가 15mm일 때의 침하가 그라우저가 10mm일 때보다 크게 발생하였으나, 슬립율이 0.3 이상일 때에는 그라우저 높이에 따른 영향이 줄어 침하가 비슷하게 발생하였다. 최대 침하는 그라우저 유무에 따라 최대 65% 이상 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, Fig. 10(b)에 보여주고 있는 견인력의 경우, 그라우저의 유무에 따라 견인력의 차이는 확실하게 발생하였으나, 그라우저 높이에 따른 영향이 크지 않았다. 슬립율이 0.3일 때, 그라우저가 없는 경우, 그라우저 높이가 10mm 및 15mm인 경우의 견인력은 각각 3.7N, 13.7N 및 15.1N로 그라우저 유무에 따라 최대 4배 정도까지 차이가 발생하는 것으로 측정되었다. 그러나, 그라우저 높이에 따른 영향은 크지 않아 견인력이 비슷한 경향으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 슬립율 0.4에서는 그라우저 높이 10mm 일 때 측정된 견인력이 그라우저 높이 15mm 일 때의 견인력보다 크게 측정되었다. 이는 슬립율이 클 경우 그라우저의 높이가 증가하게 되면, 그라우저에 의해 지반이 더욱 교란되고, 지반이 교란되면서 전단력이 감소하게 되어 견인력이 감소한 것으로 판단된다.

Fig. 10.

Influence of Grouser Height to Torque, Drawbar Pull and Sinkage with Slip Ratio

위의 결과를 정리하면, 그라우저가 휠의 주행성능에 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 휠이 월면토 위에서 주행할 때, 그라우저가 흙에 근입되었다가 나오는 과정에서 휠-지반 접촉면의 전단력을 증가시킨다. 그라우저의 높이를 증가시켜 전단력을 크게 함으로써 견인력을 증가시킬 수 있다. 그러나, 그라우저 높이가 증가하게 되면 운동 저항력과 에너지 손실이 증가하게 되므로, 토크와 침하가 증가하게 된다. 견인효율은 휠의 자중 대비 얼마만큼의 견인력을 발휘하는 지에 대한 주행성능 관련 성능지표이다. 본 실험에서는 휠의 자중이 동일하므로 휠의 견인효율은 견인력에 의해 좌우된다(Bekker and Butterworth, 1965). 따라서, 견인력이 최대가 되면서 토크와 침하가 상대적으로 유사한 그라우저 최적 높이가 있을 것으로 판단되며, 이러한 이유로 본 연구에서는 그라우저 높이가 15mm인 경우에 비해 그라우저 높이가 10mm 인 휠의 견인 효율이 더 우수한 것으로 나타났다. 향후 추가적인 매개변수 연구 및 수치해석적 연구를 통해 한국형 달 탐사 로버에 적합한 최적 휠의 형상을 결정할 필요가 있다.

또한, 휠 형상 변화에 따른 실험 결과에서 모두 슬립율이 증가함에 따라 토크, 견인력, 침하량 모두 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 지반조건이 주문진 표준사일 경우 슬립율 0.3까지는 증가하다가 이후 감소하는 현상이 나타났으므로, 추후 달 탐사 로버 휠의 침하와 에너지손실을 최소화하면서 최고 견인 효율을 보이는 최적 슬립율 도출에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는, 개발된 단일 휠 실험장비를 이용하여 지반조건 및 휠 형상에 따른 달탐사 로버 휠의 주행성능을 평가하였다. 지반조건과 휠의 형상에 따라 슬립율을 변화시키면서 토크, 견인력 및 침하량을 측정하여 각 조건별로 휠의 주행성능을 비교하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 주문진 표준사와 한국형 인공월면토 위에서 휠의 주행성능을 평가한 결과 점착력과 마찰각과 같은 지반물성치가 휠의 주행성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 점착력의 영향으로 주문진 표준사에 비해 한국형 인공월면토에서 토크와 견인력으로 표현되는 휠의 주행성능이 우수하였으며, 침하량 또한 역시 주문진 표준사에 비해 한국형 인공월면토에서 작게 발생하였다.

(2) 휠 그라우저의 높이를 변화시켜 휠 형상에 따른 주행성능을 평가한 결과, 그라우저 높이가 증가할수록 전반적으로 휠의 견인성능이 증가하였으나, 그라우저 높이가 한계 높이에 도달하면 운동 저항력과 에너지손실이 증가하여 견인력이 감소할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 그라우저 높이가 10mm인 휠이 15mm인 휠 보다 주행성능이 우수한 것으로 나타났다.

(3) 실험 결과 슬립율 0.2까지 휠의 견인력과 토크가 급격히 증가하였으며, 이후 휠의 토크는 유지 또는 약간 증가되었고, 휠의 견인력은 전반적으로 슬립율 0.2 이전에 비해 증가율이 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 따라서 추후 월면 지반 조건에서 슬립율에 따른 로버 휠의 견인 효율과 토크로 표현되는 에너지 효율을 종합적으로 평가하여 휠의 최적 슬립율 및 속도를 도출할 필요가 있을 것으로 판단된다.