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문제 정의
- 그러나 시험에는 각 모듈에 해당하는 실제 보드 가 장착되지 않음으로 더미 보드(dummy board) 를 명령 및 데이터 처리계(C&DH; Control &Data Handling) 모듈에 장착하여 보드의 열전달 특성을 파악하고자 하였다. 그림 5는 C&DH 더 미 보드에 ITH를 장착한 형상이다.
- HAUSAT-2의 열진공/평형 시험은 2005년 4월 (주)KoSPACE 내의 열진공 챔버 내에서 수행하였다. 본 논문에서는 열진공/ 평형 시험 결과 및 열 모델링 수정과 수정된 모델 링 검증에 대하여 고찰하고자 한다.
- 일반적으로 열평형 시험은 열 해석 모델의 유효성을 검증하는데 목적이 있으며, 시험 결과에 따라 열해석에 이용한 경계 조건들을 수정하게 된다. 열진공 시험은 우주 환경인 진공상태에서 위성체와 열 제어 서브 시스템이 요구 조건을 만족시키는지 확인하는데 목적이 있으나, HAUSAT-2 STM은 실제 기능을 하는 부품이나 전장 보드가 탑재되지 않음으로 열적 변형이나 진공과 관련된 현상에 대한 결함을 미리 발견하는데 목적을 두었다[1]. 일반적으로 초소형위성은 개발비용을 최소화하기 위하여 열 해 석 만을 수행하는 경우가 많아, 동급의 위성에 대한 인증 수준의 열 시험에 대한 데이터는 거의 없었다.
제안 방법
- 를 통해 온도를 하강시킴과 동시에 시험용 히터를 발열이 가장 적은 경우(cold turn on)로 조절하였다. Cold Soak의 시간을 마친 후에도 열평형을 이룰 때까지 관찰하여 저온 평형을 수행하였다. 고온 평형 시험 수행 시 기저판을 작동시키지 않고 내, 외부의 시험용 히터만을 사용하기로 하였으나, 빠른 온도상승을 위하여 상온인 20℃까지 기저판도 함께 작동 시켜 빠른 온도상승을 유도하였으며, 내부의 시험용 히터 또한 발열이 가장 큰 상태로 조절하여 함께 온도를 상승시키는데 이용하였다.
- HAUSAT-2 STM의 열진공/평형 시험은 표면 히터를 사용한 시험 방법을 택하였고 초소형위성과 소형 열진공 챔버에서의 시험에 따른 독자적인 방법을 수립하였다. 이는 태양광 모사나 적외선 모사 방법에 비해 부정확한 열평형 결과를 가 져올 수 있으며 히터의 접착/분리로 인한 위성체의 손상을 가져올 수도 있다.
- HAUSAT-2 STM의 열진공/평형 시험을 위해 시험용 히터와 히터제어시스템 (HCS; Heater Control System)을 구성하였고, 시험용 열전대 (TTC; Test Thermo Couple)를 장착하였다. 또한, 시험용 열전대의 온도 데이터를 획득하기 위한 데이터 획득시스템 (DAS; Data Acquisition System)을 구성하였다.
- HAUSAT-2의 STM의 시험은 인증 수준으로 수행하였다. HAUSAT-2의 인증시험 수준은 4주 기(열진공 3주기, 열평형 1주기)를 기본으로 하고 있으나 STM의 경우 내부에 전장품을 장착하지 않고, 더미 모델에 히터를 붙여 모사함으로, 기능 시험을 주로 하는 열진공 시험의 주기를 1주기로 줄이고, 열진공 시험 1주기를 마친 후 바로 열 평 형 시험을 수행하였다. 표 3은 HAUSAT-2의 열진 공/평형 시험의 시험 수준을 보여주고 있다.
- 계산에 사용된 총 태양에너지는 HAUSAT-2의 궤도에서 태양에너지가 가장 큰 겨울의 태양상수를 적용하였고, 패널 표면 흡수율은 블랙아노다 이징 처리된 위성 표면과 HAUSAT-2 태양전지판 면적을 비율로 계산하여 얻은 값을 사용하였다. 계산 결과인 91W를 시험에 적용할 경우 우주에서 위성이 한 면에 91W를 받는 경우와 유사한 결과가 나타나는지에 대한 열해석을 수행한 결과 우주에서 91W를 받는 위성의 온도인 31℃(worst case)보다 훨씬 높은 온도인 73℃로 평형을 이루게 됨을 확인하였다.
- Cold Soak의 시간을 마친 후에도 열평형을 이룰 때까지 관찰하여 저온 평형을 수행하였다. 고온 평형 시험 수행 시 기저판을 작동시키지 않고 내, 외부의 시험용 히터만을 사용하기로 하였으나, 빠른 온도상승을 위하여 상온인 20℃까지 기저판도 함께 작동 시켜 빠른 온도상승을 유도하였으며, 내부의 시험용 히터 또한 발열이 가장 큰 상태로 조절하여 함께 온도를 상승시키는데 이용하였다.
- 데이터 획득 유닛은 20개의 채널을 가지고 있으며 1초에 한번 씩 데이터를 얻는 것이 가능하다. 그러나 이번 시험에 있어서는 TTC의 13개의 채널만을 사용하고 긴 시험 시간을 고려하여 50초에 한 번씩 온도 데이터를 얻고 저장하도록 하였다.
- 그리고 모델링 한 기저판에 시험 시 적용한 온도 변화를 시간 테이블로 작성하여 적용한 후 재해석을 수행하였고, 내부의 발열은 실제 시험의 히터 위치와 발열량을 적용하였다. 이렇게 재수행된 해석 결과 중 시험의 온도 데이터를 얻은 TTC와 같은 위치에서 온도 데이터를 획득하여 그 결과를 비교하였다.
- 그림 12에서 보이는 바와 같이 Hot Soak의 시작과 동시에 시험용 히터를 발열이 가장 큰 상태 (hot turn on)로 조절하고, Hot Soak의 시험을 마친 후 기저판(baseplate)의 LN2를 통해 온도를 하강시킴과 동시에 시험용 히터를 발열이 가장 적은 경우(cold turn on)로 조절하였다. Cold Soak의 시간을 마친 후에도 열평형을 이룰 때까지 관찰하여 저온 평형을 수행하였다.
- 나노 위성인 HAUSAT-2의 STM을 표면 히터를 이용한 방법으로 열진공/평형 시험을 수행하였고, 결과를 통해 열해석에 사용된 모델링을 검증하였다. 뿐만 아니라, 열 해석 시 불명확한 경계 조건들을 보정할 수 있는 근거를 마련하고 보정된 모델을 통한 해석으로 만족할 만한 결과를 얻었다.
- 내부의 발열 모사량은 HAUSAT-2의 운용 중 발 열이 가장 클 때와 적을 때로 나누어 모사하였다. 그에 따른 전력 공급 사항은 표 1과 같다.
- 일반적으로 초소형위성은 개발비용을 최소화하기 위하여 열 해 석 만을 수행하는 경우가 많아, 동급의 위성에 대한 인증 수준의 열 시험에 대한 데이터는 거의 없었다. 따라서 HAUSAT-2 STM의 열진공/평형 시험은 중대형위성의 많은 데이터를 검토 후에 자체적인 방법을 수립한 후 시험을 수행하였다. HAUSAT-2의 열진공/평형 시험은 2005년 4월 (주)KoSPACE 내의 열진공 챔버 내에서 수행하였다.
- 먼저 시험환경에 있어서 열진공 챔버 내에 적외선이나 태양광을 모사할 수 있는 환경이 갖추어져 있지 않았으며, STM의 경우 내부에 전장 박스 나 부품들이 장착되지 않음으로 외부 열 유입 및 내부 발열에 대한 모사가 필요하였다. 따라서 HAUSAT-2의 열진공/평형 시험에는 표면 히터를 통하여 외부 열 유입을 모사하였고, 내부 발열 또한 히터를 붙여 모사하였다. 시험용 히터는 사용 경험(heritage)이 많은 MINCO사의 제품을 선정하였고, 탈부착이 용이한 B타입(스티커를 떼어내어 부착하는 형식)을 선정하였다.
- 시험을 수행한 소형 챔버는 챔버벽의 온도를 조절할 수 없음으로 실제 우주 환경에 비해 위성은 높은 온도가 나타날 수 밖에 없다. 따라서 우주에서와 근사한 열평형 온도를 나타내는 30W로 열 유입을 모사하기로 결정하였다. 이러한 결정은 열평형 시험 시간을 줄이는 효과도 기대할 수 있다.
- 또한 그림 6에서와같이 커버에 모사된 BEU 의 발열은 BEU의 가장 윗부분의 전력계(EPS; Electrical Power Subsystem) 모듈과 가장 아랫부분의 통신계 (CS; Communication Subsystem) 모듈에 TTC를 장착함으로써 BEU 모듈 간의 열전 달 특성을 파악할 수 있도록 하였다.
- HAUSAT-2 STM의 열진공/평형 시험을 위해 시험용 히터와 히터제어시스템 (HCS; Heater Control System)을 구성하였고, 시험용 열전대 (TTC; Test Thermo Couple)를 장착하였다. 또한, 시험용 열전대의 온도 데이터를 획득하기 위한 데이터 획득시스템 (DAS; Data Acquisition System)을 구성하였다.
- 그에 따른 전력 공급 사항은 표 1과 같다. 모드에 따른 시험용 히터의 전력 공급 조절은 히터제어 시스템을 구성하여 조절하였다. 표 1에서 OTH-01은 고온 평형(hot balance) 시에만 전원을 공급하여 열평형을 외부 열 유입을 통해서 이루도록 모 사하였다.
- 반복적인 분석을 통해 BEU 각 모듈 간의 접촉저항을 추가, 조정하고 기저판과 고정치구 간의 접촉저항도 조정하였다. 이러한 조정을 통해 얻은 결과 중 BEU 모듈 간 열저항 수정에 대한 비교 그래프는 그림 16과 같다.
- 배터리 박스와 모멘텀 휠은 더미 질량 모델 (dummy mass model)을 사용함으로 그림 3과 같이 내부 발열을 모사하기 위해 히터를 장착할 수 있는 면을 고려하여 ITH와 TTC의 장착이 편리하도록 제작하였다[3].
- 시험 결과와 열 해석 결과를 비교 하기위한 기존 열 해석 모델을 실제 시험환경과 유사하도록 수정하여 재해석을 수행하였다.
- 시험 중 시험용 히터의 전력공급을 조절하기 위해 HCS를 구성하였다. 이러한 HCS는 제작한 스위치와 전력 공급기로 그림 9와 같이 구성하였다.
- 그러나 이러한 계산을 통한 추정치는 부정확한 값으로 결과상의 오차를 가져왔고 시험 결과를 통해 보정할 수 있었다. 시험 후 고려하지 않았던 BEU 모듈 간의 접촉저항 등을 새로이 적용하고 시험 결과와 비교분석 과정을 반복하여 불확실한 열해석의 경계조건을 수정해 나갔다. 결과로 표 5와 같이 커플링값이 수정되었다.
- 열진공/평형 시험은 HAUSAT-2 STM의 (주)KoSPACE의 열진공 챔버에서 이루어졌다. 그림 8은 열진공 챔버 내에 장착된 HAUSAT-2의 모습을 보여주고 있다.
- ) 에서 개발 중인 25Kg급 나노 위성이다. 위성 시스템 예비설계 후 구조 및 열 설계에 대한 인증(qualification) 수준의 우주 환경시험을 위해 구조-열모델(SIM Structural- Thermal Model)을 개발하고, 진동시험을 마친 후 열진공/평형 시험을 수행하였다. 그림 1은 HAUSAT-2 형상 및 좌표계를 보여주고 있다.
대상 데이터
- HAUSAT-2 STM의 열진공/평형 시험에서 사용한 시험용 열전대는 T타입(구리와 콘스탄탄 와 이어 재질을 사용)을 사용하였으며, 열진공 챔버 에서 지원할 수 있는 열전대 채널이 제한되어 부득이하게 열전대의 개수를 줄여 총 13개를 장착하였고, 장착 위치는 표 2와 같다. 장착 위치는 열전달 특성을 알고자 하는 위치와 위성의 평균적 온도를 알기 위한 패널 등에 부착하였다 [4].
- 따라서 HAUSAT-2 STM의 열진공/평형 시험은 중대형위성의 많은 데이터를 검토 후에 자체적인 방법을 수립한 후 시험을 수행하였다. HAUSAT-2의 열진공/평형 시험은 2005년 4월 (주)KoSPACE 내의 열진공 챔버 내에서 수행하였다. 본 논문에서는 열진공/ 평형 시험 결과 및 열 모델링 수정과 수정된 모델 링 검증에 대하여 고찰하고자 한다.
- ITH는 더미 질량 모델, 버스 전장 박스(BEU; Bus Electronic Unit) 등 1W 이상의 내부 발열을 모 사하는데 사용되었다.
- 따라서 HAUSAT-2의 열진공/평형 시험에는 표면 히터를 통하여 외부 열 유입을 모사하였고, 내부 발열 또한 히터를 붙여 모사하였다. 시험용 히터는 사용 경험(heritage)이 많은 MINCO사의 제품을 선정하였고, 탈부착이 용이한 B타입(스티커를 떼어내어 부착하는 형식)을 선정하였다. 히터 선정은 전력 사항과 장착 면보다 작은 사이즈를 충족시킬 수 있는 요구 조건을 고려하였다.
데이터처리
- 그리고 모델링 한 기저판에 시험 시 적용한 온도 변화를 시간 테이블로 작성하여 적용한 후 재해석을 수행하였고, 내부의 발열은 실제 시험의 히터 위치와 발열량을 적용하였다. 이렇게 재수행된 해석 결과 중 시험의 온도 데이터를 얻은 TTC와 같은 위치에서 온도 데이터를 획득하여 그 결과를 비교하였다. 전체적인 온도 그래프의 추세는 열 해석 결과와 비슷하나 온도 차이가 가장 큰 부분은 10℃ 이상의 온도 차가 나타났다.
이론/모형
- HAUSAT-2의 열해석은 모두 I-DEAS를 사용하였으며, 시험환경과 같이 기저판, 고정치구 및 열진공 챔버를 모델링하였다[6]. 그 결과는 그림 14에서 확인할 수 있다.
- 그리고 고온 평형 및 저온 평형(cold balance) 시험은 모든 TTC의 온도 변화가 3℃/hr 이하일 때까지 수행하였다. 이러한 기준은 MIL-STD-1540B를 준수하였다[5].
성능/효과
- 계산에 사용된 총 태양에너지는 HAUSAT-2의 궤도에서 태양에너지가 가장 큰 겨울의 태양상수를 적용하였고, 패널 표면 흡수율은 블랙아노다 이징 처리된 위성 표면과 HAUSAT-2 태양전지판 면적을 비율로 계산하여 얻은 값을 사용하였다. 계산 결과인 91W를 시험에 적용할 경우 우주에서 위성이 한 면에 91W를 받는 경우와 유사한 결과가 나타나는지에 대한 열해석을 수행한 결과 우주에서 91W를 받는 위성의 온도인 31℃(worst case)보다 훨씬 높은 온도인 73℃로 평형을 이루게 됨을 확인하였다. 이러한 현상은 챔버에 대한 영향을 들 수 있다.
- 이는 태양광 모사나 적외선 모사 방법에 비해 부정확한 열평형 결과를 가 져올 수 있으며 히터의 접착/분리로 인한 위성체의 손상을 가져올 수도 있다. 그러나 STM의 경우 표면에 손상을 우려할 만한 실제 부품들이 없어 문제가 되지 않았으며, 시험을 거쳐 열모델 링의 불확실한 경계 조건들을 수정하는데 만족할 만한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 저비용의 시험을 수행할 수 있는 장점이 있다.
- 또한 저비용의 시험을 수행할 수 있는 장점이 있다. 따라서 저비용 위성의 STM 시험에서 표면 히터를 사용한 방법으로 열 모델링을 검증하는데 충분한 결과를 얻을 수 있었다. 제안사항이 있다면 HAUSAT-2의 STM은 한 면에 직선으로 유입되는 열만을 모사하였지만 위성이 태양에 가장 많이 노출되는 경우인 위 성의 3면에 적당한 차등을 주어 태양의 노출을 모사하여 준다면 더욱더 신뢰할 만한 결과를 얻을 수 있을 것이다.
- 나노 위성인 HAUSAT-2의 STM을 표면 히터를 이용한 방법으로 열진공/평형 시험을 수행하였고, 결과를 통해 열해석에 사용된 모델링을 검증하였다. 뿐만 아니라, 열 해석 시 불명확한 경계 조건들을 보정할 수 있는 근거를 마련하고 보정된 모델을 통한 해석으로 만족할 만한 결과를 얻었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 앞으로의 비행 모델 열 해석 시에 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 수정 전인 그림 15와 달리 열 해석 결과인 (a)와 시험 결과인 (b) 의 데이터가 아주 흡사한 것을 알 수 있다. 수정된 모델링을 통해 얻은 값의 해석 오차는 가장 큰 값이 1.5℃로 시험 결과와 아주 근사한 값을 얻었다. BEU 뿐만 아니라 배터리 박스의 더미 모델은 그림 17과 같이 오차가 거의 없는 결과를 얻었다.
- 이와 같은 결과로 열 해석 시 적용한 열저항이 실제보다 작다는 것을 알 수 있었다. 따라서 열 저항 값의 보정이 필요하였고 열저항 값의 보정을 위해서는 보다 정확한 커플링 값을 얻어야 한다.
- 이렇게 재수행된 해석 결과 중 시험의 온도 데이터를 얻은 TTC와 같은 위치에서 온도 데이터를 획득하여 그 결과를 비교하였다. 전체적인 온도 그래프의 추세는 열 해석 결과와 비슷하나 온도 차이가 가장 큰 부분은 10℃ 이상의 온도 차가 나타났다. 그림 15 에서 BEU의 열전달 특성을 알기 위해 EPS 모듈과 CS 모듈에 장착한 TTC의 온도 차를 나타낸 그래프가 (b) 이고 해석 결과에서 TTC위치와 같.
후속연구
- 뿐만 아니라, 열 해석 시 불명확한 경계 조건들을 보정할 수 있는 근거를 마련하고 보정된 모델을 통한 해석으로 만족할 만한 결과를 얻었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 앞으로의 비행 모델 열 해석 시에 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 국내 최초로 나노 위성과 같은 초소형위성의 STM에 대한 우주 모사시험 방법을 제시하고 검증 자료를 제공할 수 있게 되었다.
- 따라서 저비용 위성의 STM 시험에서 표면 히터를 사용한 방법으로 열 모델링을 검증하는데 충분한 결과를 얻을 수 있었다. 제안사항이 있다면 HAUSAT-2의 STM은 한 면에 직선으로 유입되는 열만을 모사하였지만 위성이 태양에 가장 많이 노출되는 경우인 위 성의 3면에 적당한 차등을 주어 태양의 노출을 모사하여 준다면 더욱더 신뢰할 만한 결과를 얻을 수 있을 것이다. 그러나 이러한 표면 히터의 사용은 준비행모델(PFM; Proto Flight Model)이 나 비행모델(FM; Flight Model)에 있어서는 위성체에 직접적인 손상을 줄 수 있음으로 유의하여야 한다.
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