초소형 위성 큐브셋(Cubesat)을 대상으로 태양-지구간 하전 입자(charged particle)들에 의한 누적 방사선 효과 해석을 수행하였다. 본 연구는 하전입자 분포의 수치화 및 수송 계산, ...
초소형 위성 큐브셋(Cubesat)을 대상으로 태양-지구간 하전 입자(charged particle)들에 의한 누적 방사선 효과 해석을 수행하였다. 본 연구는 하전입자 분포의 수치화 및 수송 계산, 차폐 구조물의 수치화, 차폐 구조체의 두께 분포 계산, 누적 방사선 효과 계산의 순서로 수행하였으며, SPace ENVironment Information System(SPENVIS), Sector Shielding Analysis Tool(SSAT), GEANT4(GEometry ANd Tracking)등의 상용 툴이 사용되었다. 표준화된 규격에 기반 하여 유사한 차폐 분포 및 두께를 가지게 되는 큐브셋의 특징을 주목하여, 궤도 경사각 0°, 30°, 60°, 90°의 지구 저궤도(Low Earth Orbit, LEO), 정지궤도천이궤도(Geostationary Transfer Orbit, GTO), 지구 정지궤도(geostationary orbit), 달 천이궤도(Lunar Transfer Orbit, LTO)에 분포하는 하전 입자들에 의한 누적 방사선 효과 해석을 위성 내 전자 부품의 배치가 유력한 위치들을 선정하여 수행하였다. 해석의 결과로서, 더 두꺼운 차폐 두께를 갖는 위성 내곽의 계산점이 상대적으로 얇은 차폐 두께를 갖는 외곽의 계산점에 비해 적은 총 이온화 선량(Total Ionizing Dose, TID)이 도출되었으며, 알루미늄 박스로 모사한 가상의 탑재체의 경우 차폐 두께가 두꺼울수록 낮은 총 이온화 선량이 도출됨을 알 수 있었다. 0°와 30° 궤도경사각의 지구 저궤도의 경우 지자기차폐 효과로 인하여 총 이온화 선량의 영향에 대해 안전한 임무궤도임을 알 수 있었으며, 60°와 90° 경사각의 지구 저궤도의 경우 하전 입자의 선속(flux)이 높은 극지방을 통과하게 되어 저 경사각 궤도에 비해 상대적으로 높은 총 이온화 선량이 도출 되었다. 정지궤도의 경우, 지속적인 구속 전자(trapped electron)들의 영향으로 높은 총 이온화 선량이 도출 되었으며, 정지궤도 천이궤도의 경우 내 방사선대(inner radiation belt)와 외 방사선대(outer radiation belt)를 모두 통과하게 되어, 지구 정지궤도보다 높은 총 이온화 선량이 도출 되었다. 달 천이궤도의 경우 내, 외 방사선대를 모두 통과하는 열악한 궤도 환경을 갖지만, 짧은 천이 기간으로 적은 총 이온화 선량이 도출 되었다. 본 해석을 통해 계산된 총 이온화 선량은 향후 운용될 큐브셋의 임무 설계 시 반영 될 것으로 기대된다.
초소형 위성 큐브셋(Cubesat)을 대상으로 태양-지구간 하전 입자(charged particle)들에 의한 누적 방사선 효과 해석을 수행하였다. 본 연구는 하전입자 분포의 수치화 및 수송 계산, 차폐 구조물의 수치화, 차폐 구조체의 두께 분포 계산, 누적 방사선 효과 계산의 순서로 수행하였으며, SPace ENVironment Information System(SPENVIS), Sector Shielding Analysis Tool(SSAT), GEANT4(GEometry ANd Tracking)등의 상용 툴이 사용되었다. 표준화된 규격에 기반 하여 유사한 차폐 분포 및 두께를 가지게 되는 큐브셋의 특징을 주목하여, 궤도 경사각 0°, 30°, 60°, 90°의 지구 저궤도(Low Earth Orbit, LEO), 정지궤도 천이궤도(Geostationary Transfer Orbit, GTO), 지구 정지궤도(geostationary orbit), 달 천이궤도(Lunar Transfer Orbit, LTO)에 분포하는 하전 입자들에 의한 누적 방사선 효과 해석을 위성 내 전자 부품의 배치가 유력한 위치들을 선정하여 수행하였다. 해석의 결과로서, 더 두꺼운 차폐 두께를 갖는 위성 내곽의 계산점이 상대적으로 얇은 차폐 두께를 갖는 외곽의 계산점에 비해 적은 총 이온화 선량(Total Ionizing Dose, TID)이 도출되었으며, 알루미늄 박스로 모사한 가상의 탑재체의 경우 차폐 두께가 두꺼울수록 낮은 총 이온화 선량이 도출됨을 알 수 있었다. 0°와 30° 궤도경사각의 지구 저궤도의 경우 지자기 차폐 효과로 인하여 총 이온화 선량의 영향에 대해 안전한 임무궤도임을 알 수 있었으며, 60°와 90° 경사각의 지구 저궤도의 경우 하전 입자의 선속(flux)이 높은 극지방을 통과하게 되어 저 경사각 궤도에 비해 상대적으로 높은 총 이온화 선량이 도출 되었다. 정지궤도의 경우, 지속적인 구속 전자(trapped electron)들의 영향으로 높은 총 이온화 선량이 도출 되었으며, 정지궤도 천이궤도의 경우 내 방사선대(inner radiation belt)와 외 방사선대(outer radiation belt)를 모두 통과하게 되어, 지구 정지궤도보다 높은 총 이온화 선량이 도출 되었다. 달 천이궤도의 경우 내, 외 방사선대를 모두 통과하는 열악한 궤도 환경을 갖지만, 짧은 천이 기간으로 적은 총 이온화 선량이 도출 되었다. 본 해석을 통해 계산된 총 이온화 선량은 향후 운용될 큐브셋의 임무 설계 시 반영 될 것으로 기대된다.
Computational results for the cumulative effect of ionizing radiation is presented for cubesats taking into account the presence of the trapped charged particles in the Earth’s magnetosphere, protons and heavy ions from the Sun, and the cosmic rays. Because the cubesats are often launched with minim...
Computational results for the cumulative effect of ionizing radiation is presented for cubesats taking into account the presence of the trapped charged particles in the Earth’s magnetosphere, protons and heavy ions from the Sun, and the cosmic rays. Because the cubesats are often launched with minimal shielding structures contrary to relatively larger satellites, detailed modeling of cubesats is performed based on currently available standard platforms. The geometrical modeling is then used for estimation of the ionizing doses for various locations within the spacecraft. The calculation is reiterated and extended for more exotic orbits such as geostationary orbits and lunar orbits for potential application of cubesats in challenging space missions. The calculation is made with a combination of existing calculation routines such as SPace ENVironment Information System(SPENVIS) and Sector Shielding Analysis Tool(SSAT) operating based on GEANT4(GEometry ANd Tracking). Combination of these tools allows complicated and elaborate calculation of radiation analysis taking into account the real mechanical structure of the spacecraft together with convenience of calculating the energy deposition from the charged particles at various locations within the spacecraft. For the analysis of cumulative ionizing effect for the cubesats, 1U, 2U and 3U size of cubesats are considered. Based on the Cubesat structural modeling, computation of TID is conducted for the various locations within the cubesat. The locations are selected based on the prospective locations where active semiconductor devices supposed to be settled. The TID values drawn as a result of this analysis are expected to be reflected to other Cubesat mission design.
Computational results for the cumulative effect of ionizing radiation is presented for cubesats taking into account the presence of the trapped charged particles in the Earth’s magnetosphere, protons and heavy ions from the Sun, and the cosmic rays. Because the cubesats are often launched with minimal shielding structures contrary to relatively larger satellites, detailed modeling of cubesats is performed based on currently available standard platforms. The geometrical modeling is then used for estimation of the ionizing doses for various locations within the spacecraft. The calculation is reiterated and extended for more exotic orbits such as geostationary orbits and lunar orbits for potential application of cubesats in challenging space missions. The calculation is made with a combination of existing calculation routines such as SPace ENVironment Information System(SPENVIS) and Sector Shielding Analysis Tool(SSAT) operating based on GEANT4(GEometry ANd Tracking). Combination of these tools allows complicated and elaborate calculation of radiation analysis taking into account the real mechanical structure of the spacecraft together with convenience of calculating the energy deposition from the charged particles at various locations within the spacecraft. For the analysis of cumulative ionizing effect for the cubesats, 1U, 2U and 3U size of cubesats are considered. Based on the Cubesat structural modeling, computation of TID is conducted for the various locations within the cubesat. The locations are selected based on the prospective locations where active semiconductor devices supposed to be settled. The TID values drawn as a result of this analysis are expected to be reflected to other Cubesat mission design.
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