차세대 대형위성에 대한 우주환경모사를 위한 대형열진공챔버가 한국항공우주연구원에 의해 성공적으로 국산화 구축되었다. 유효직경 8미터, 유효깊이 10미터의 대형열진공챔버는 크게 진공계와 열제어계, 방진계로 구분되며, $3.7{\times}10^{-5}Pa$($5{\times}10^{-7}torr$) 이하의 진공 환경에서 액체질소를 이용해 위성을 감싸는 쉬라우드의 온도를 $-190^{\circ}C$ 이하로 유지할 수 있고, $10^{-5}g_{rms}$ 이하의 진동레벨을 갖는 방진시스템을 갖추어 우주환경에서의 광학시험을 가능하게 한다. 또한 챔버내에 설치된 할로겐램프를 이용하여 쉬라우드의 온도를 섭씨 123도까지 상승시켜 베이크아웃 시험을 수행할 수 있으며, PLC(Programmable Logic Controller)를 기반으로 한 제어프로그램을 이용하여 대형열진공챔버의 자동화 제어를 수행할 수 있다.
차세대 대형위성에 대한 우주환경모사를 위한 대형열진공챔버가 한국항공우주연구원에 의해 성공적으로 국산화 구축되었다. 유효직경 8미터, 유효깊이 10미터의 대형열진공챔버는 크게 진공계와 열제어계, 방진계로 구분되며, $3.7{\times}10^{-5}Pa$($5{\times}10^{-7}torr$) 이하의 진공 환경에서 액체질소를 이용해 위성을 감싸는 쉬라우드의 온도를 $-190^{\circ}C$ 이하로 유지할 수 있고, $10^{-5}g_{rms}$ 이하의 진동레벨을 갖는 방진시스템을 갖추어 우주환경에서의 광학시험을 가능하게 한다. 또한 챔버내에 설치된 할로겐램프를 이용하여 쉬라우드의 온도를 섭씨 123도까지 상승시켜 베이크아웃 시험을 수행할 수 있으며, PLC(Programmable Logic Controller)를 기반으로 한 제어프로그램을 이용하여 대형열진공챔버의 자동화 제어를 수행할 수 있다.
A Large thermal vacuum chamber (LTVC) for space environment simulation on large satellites was successfully developed and constructed by KARI (Korea Aerospace Research Institute) in Korea with a local company. This chamber has an effective diameter of 8 meters and depth of 10 meters, and is composed...
A Large thermal vacuum chamber (LTVC) for space environment simulation on large satellites was successfully developed and constructed by KARI (Korea Aerospace Research Institute) in Korea with a local company. This chamber has an effective diameter of 8 meters and depth of 10 meters, and is composed of vacuum system, thermal control system, and anti-vibration system. Temperature below $-190^{\circ}C$ is maintained over the thermal shroud wrapping a satellite under $3.7{\times}10^{-5}Pa$ ($5{\times}10^{-7}torr$) vacuum level, and optical test can be done in this chamber by seismic mass with $10^{-5}g_{rms}$ or lower vibration level. In addition, the shroud temperature can be increased up to $123^{\circ}C$ using halogen lamps. Chamber control program based on PLC (Programmable Logic Controller) could control this large thermal vacuum chamber automatically.
A Large thermal vacuum chamber (LTVC) for space environment simulation on large satellites was successfully developed and constructed by KARI (Korea Aerospace Research Institute) in Korea with a local company. This chamber has an effective diameter of 8 meters and depth of 10 meters, and is composed of vacuum system, thermal control system, and anti-vibration system. Temperature below $-190^{\circ}C$ is maintained over the thermal shroud wrapping a satellite under $3.7{\times}10^{-5}Pa$ ($5{\times}10^{-7}torr$) vacuum level, and optical test can be done in this chamber by seismic mass with $10^{-5}g_{rms}$ or lower vibration level. In addition, the shroud temperature can be increased up to $123^{\circ}C$ using halogen lamps. Chamber control program based on PLC (Programmable Logic Controller) could control this large thermal vacuum chamber automatically.
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문제 정의
대형 열진공챔 버의 극저온계는 액체 질소(상압에서의 끓는점 : 77 K)를 사용하여 위성을 둘러싼 직경 8 m의 쉬라우드 온도를 -190 °C 이하로 유지시키는 것을 목적으로 한다. 기본적으로 극저온 계는 대기압에 노출된 개방회로로써(그림 12), 작동 모드는 초기 냉각 모드와 -190 C 도달 후의 냉각 유지 모드로 나뉜다.
대형열진공챔버의 열제어계는 액체질소를 이용한 극저온 환경 구현 및 할로겐램프를 이용한 고온 베이크아웃 시험 수행을 그 목적으로 한다. 극저온계는 열교환쉬라우드, 극저온 펌프 및 밸브, 상분리기, 액체질소탱크, 극저온 이중 진공 배관(그림 20) 등으로 구성되어 있으며, 고온(100 °C 이상) 베이크아웃 시험을 위해 총 336개의 할로겐램프 및 공급 전력 제어기를 갖추고 있다.
본 논문에서는 한국항공우주연구원에서 개발 중인 차세대대형위성에 대한 우주환경시험 수행을 위해 2006년 11월에 국산화 개발을 성공시킨, 대형열진공챔버(유효직경 8 m, 유효깊이 10 m) 의 구성 및 성능에 대해 상세히 기술하고자 한다.
제안 방법
3.7x10-5 Pa(5x10-7 torr) 이하의 진공환경과 -190 °C 이하의 온도조건, 10-5 grms 이하로의 방진 조건구현이 가능한 대형열진공챔버는, 진공환경 모사를 위한 진공계, 온도조건 구현을 위한 열제어겨〕, 방진 조건 구현을 위한 방진계로 구성되어 있으며, 모든 시스템을 통합 관리하기 위한 제어프로그램을 갖추고 있다.
방진대는 강성을 가지며 isolator를 설치하기 위해 “T” 자 형태를 갖도록 하였고, 1차 고유진동수는 100 Hz 이상이 되도록 설계하였다. 방진대와 isolator 의 강체모드에 대한 고유진동수를 0.
나타낸다. 액체질소 증발량의 예측 결과를 바탕으로, 각쉬라우드로의 액체질소 공급 배관의 내경은 1인치, 배출 배관의 내경은 4인치, 쉬라우드의 내부 틈 길이는 10 mm, 상분리기의 용량은 2, 500리터로 결정하였다.
액체질소를 이용한 극저온 유지를 안정적으로 구현하기 위해 엠보싱, 코일, 딤플의 총 세 가지 쉬라우드 형태가 제안되었으며, 각각의 슈라우드에 대한 액체질소 흐름시험을 통하여 표면의 온도 분포 및 냉각특성이 평가되었고, 이 중 가장 균일한 온도 분포 및 빠른 냉각 특성을 보인 딤플 (dimple) 형태의 슈라우드가 최종적으로 선택되었다.(그림 11)
열 교환 쉬라우드는 부식방지 및 구조적 안정성을 위해 스테인리스스틸(SUS 304L)로 제작되었으며, 열 교환 쉬라우드의 챔버 중심을 향하는 내부 표면에는 위성으로부터의 복사에 너지를 최대한 받아들여, 위성과 쉬라우드 간의 복사열전달을 최대화하기 위하여 표면에 검정 페인트를 칠하였다.(그림 10)
제어 프로그램은 명령을 주는 메뉴, 진공계에 관련된 메뉴, 열제어계에 관련된 메뉴, 압축공기, 냉각수, 질소 가스 공급에 관련된 유틸리티 메뉴, 액체질소 탱크의 수위 및 압력, 실험실 내의 산소 분압, 온도, 습도, 차압, 청정도를 나타내 주는 메뉴로 구성되어 있다.
진공용기의 내용적은 약 750 m3이며, 이를 배기하기 위해 저진공 형성을 위한 건식펌프와 고진공 형성을 위한 터보분자펌프 및 저온펌프 시스템을 구축하였다.
대상 데이터
쉬라우드에 흡착된 오염물질의 탈착을 위한 베이크아웃 시험을 수행하기 위해 총 336개(42개 그룹)의 할로겐램프가 쉬라우드 표면에 설치되었다.(그림 21)
진공용기의 실린더부 제작을 위해 두께 22 mm 의 스테인리스스틸 후판(厚板)이 사용되었으며 도어 및 후면 파트에는 28 mm 두께의 스테인리스스틸 후판이 사용되었다. 큰 규모로 인해 일단 여러 개로 나누어진 각각의 파트들은 대형크레인(50 ton) 2대와 정반을 이용해 서로 용접되었으며, 이후 최종 형상의 진공용기가 완성되었다.
성능/효과
내경 9 m, 깊이 10 m의 스테인리스스틸 (SUS304L) 재질의 실린더 형상 진공용기는 움직임이 가능한 도어시스템을 갖추고 있으며, 진공 형성 시 도어와의 접착면에 설치된 직경 9 m 이상의 일체형 2단 오링과 자동 공압 클램핑 시스템을 이용해 밀폐를 가능하게 한다. 또한 진공용기의 양쪽 끝은 타원형 형상으로 제작하여 단위 두께당 압력저항력을 최대화 하였으며, 이를 통해 제작비용의 효율성을 극대화 하였다.(그림 1, 2)
설계된 1차 고유진동수는 100 Hz이나, 최종측정된 1차 고유진동수는 73 Hz에서 나타났다. 측정된 결과를 바탕으로 계산된 grms 값은 방진블럭 위 가장자리에서 최대값, 8.
액체질소의 증발은 쉬라우드 자체의 냉각(식 (3)), 쉬라우드와 진공 용기와의 복사열전달(식 (4)), 쉬라우드 지지대를 통한 열전도(식 (5)), 시험 대상체의 열소산, 극저온상태에서 누설로 인한 챔버 내부로의 상온 공기 유입에 의해 발생된다. 쉬라우드 온도 감소가 선형적이고, 냉각목표시간(TimeT)을 2시간이라 가정하면, 예측 결과 초기 냉각시 시간당 3, 700 리터, 안정상태에서 시간당 1, 000 리터, 누설 방생시 최대 시간당 11, 230 리터의 액체질소 증발이 발생할 수 있음을 확인하였다.
에너지를 쉬라우드에 전달한다. 쉬라우드 자체의 온도 상승을 위한 에너지 소모 및 쉬라우드에서 상온의 진공용기로의 복사열전달을 고려하여 상온에서 123 °C 까지의 온도 상승 시간을 예측한 결과 약 2시간이 소요됨을 알 수 있었다.
적절한 진공펌프의 선정을 위해 진공 배기 시간에 대한 예측이 수행되었으며, 그 결과 총 4시간 이내에 목표진공도에 도달할 수 있음을 확인하였다. [3] 저진공 배기시간의 경우 식 ⑴을, 고진공 배기 시간의 경우 식 (2)를 이용해 그 값을 도출하였다.
총 8차례에 걸친 승인시험을 통하여, 제어 프로그램의 성능을 검증하였으며, 그 결과 모든 하드웨어가 정상적으로 정확히 제어됨을 확인하였다.
설계된 1차 고유진동수는 100 Hz이나, 최종측정된 1차 고유진동수는 73 Hz에서 나타났다. 측정된 결과를 바탕으로 계산된 grms 값은 방진블럭 위 가장자리에서 최대값, 8.41X10-6 을 가졌으며, 모두 10-5grms 이하의 진동레벨을 나타내었다.
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