진공이란 공간의 기체압력이 대기압보다 낮은 상태, 즉 분자밀도가 약 $2.5{\times}10^{19}$분자/$cm^3$ 보다 적은 상태를 의미하며, 극청정환경 제공, 단열효과, 입자의 장거리 비행가능, 증발과 승화작용, 안정된 플라즈마를 유지, 생화학 반응 억제, 우주환경 제공 등의 특성으로 인해 오늘날 전 산업분야 및 과학기술 분야에 응용이 되고 있다. 우주환경은 이러한 고진공 환경과 태양 복사열에 의한 고온 환경 및 극저온이 반복되는 가혹한 환경으로 특징지어지는데, 위성체는 지상에서 발사되어 우주궤도에 진입한 순간부터는 계속해서 우주환경에 노출된다. 위성체가 이러한 가혹한 우주환경에 노출될 경우 주요부품에 기능장애가 초래되기도 하며 이는 결국 임무의 실패로 이어지기도 한다. 따라서 위성체는 지상에서 우주환경시험을 거쳐 기능 및 작동상태를 점검해야 하며, 이를 위해서는 우주환경을 모사 할 수 있는 우주환경 모사장비가 필요하다. 우주환경모사장비라 함은 우주환경의 주특징인 고진공상태와 극저온 환경을 모사할 수 있는 지상장비를 말하며, 장비의 설계 및 제작에는 기본적으로 진공기술이 응용되게 된다. 본 논문에서는 한국항공우주연구원이 보유하고 있는 인공위성의 개발에 필수 장비인 우주환경모사장치들을 소개하고, 최근 발달된 국내 진공기술로 국산화 제작에 성공한 유효제원 ${\varphi}8m{\times}L10\;m$ 급의 대형열진공챔버를 통하여 우주개발에 응용되는 진공기술을 소개하고자 한다.
진공이란 공간의 기체압력이 대기압보다 낮은 상태, 즉 분자밀도가 약 $2.5{\times}10^{19}$분자/$cm^3$ 보다 적은 상태를 의미하며, 극청정환경 제공, 단열효과, 입자의 장거리 비행가능, 증발과 승화작용, 안정된 플라즈마를 유지, 생화학 반응 억제, 우주환경 제공 등의 특성으로 인해 오늘날 전 산업분야 및 과학기술 분야에 응용이 되고 있다. 우주환경은 이러한 고진공 환경과 태양 복사열에 의한 고온 환경 및 극저온이 반복되는 가혹한 환경으로 특징지어지는데, 위성체는 지상에서 발사되어 우주궤도에 진입한 순간부터는 계속해서 우주환경에 노출된다. 위성체가 이러한 가혹한 우주환경에 노출될 경우 주요부품에 기능장애가 초래되기도 하며 이는 결국 임무의 실패로 이어지기도 한다. 따라서 위성체는 지상에서 우주환경시험을 거쳐 기능 및 작동상태를 점검해야 하며, 이를 위해서는 우주환경을 모사 할 수 있는 우주환경 모사장비가 필요하다. 우주환경모사장비라 함은 우주환경의 주특징인 고진공상태와 극저온 환경을 모사할 수 있는 지상장비를 말하며, 장비의 설계 및 제작에는 기본적으로 진공기술이 응용되게 된다. 본 논문에서는 한국항공우주연구원이 보유하고 있는 인공위성의 개발에 필수 장비인 우주환경모사장치들을 소개하고, 최근 발달된 국내 진공기술로 국산화 제작에 성공한 유효제원 ${\varphi}8m{\times}L10\;m$ 급의 대형열진공챔버를 통하여 우주개발에 응용되는 진공기술을 소개하고자 한다.
Vacuum is any air or gas pressure less than a prevailing pressure in an environmental or, specifically, any pressure lower than the atmospheric pressure and is used by a wide variety of scientists and engineering - including clean environment, thermal insulation, very long mean free path, plasma, sp...
Vacuum is any air or gas pressure less than a prevailing pressure in an environmental or, specifically, any pressure lower than the atmospheric pressure and is used by a wide variety of scientists and engineering - including clean environment, thermal insulation, very long mean free path, plasma, space simulation[1]. The space environment is characterized by such a severe condition as high vacuum, and very low and high temperature. Since a satellite will be exposed to such a space environment as soon as it goes into its orbit, space environmental test should be carried out to verify the performance of the satellite on the ground under the space environmental conditions. A general and widely used method to simulate the space environment is using a thermal vacuum chamber which consists of vacuum vessel and thermally controlled shroud. As indicated by name of vacuum chamber, the vacuum technology is applied to design and manufacture of the thermal vacuum chamber. This paper describe the vacuum technology which is applied to space business.
Vacuum is any air or gas pressure less than a prevailing pressure in an environmental or, specifically, any pressure lower than the atmospheric pressure and is used by a wide variety of scientists and engineering - including clean environment, thermal insulation, very long mean free path, plasma, space simulation[1]. The space environment is characterized by such a severe condition as high vacuum, and very low and high temperature. Since a satellite will be exposed to such a space environment as soon as it goes into its orbit, space environmental test should be carried out to verify the performance of the satellite on the ground under the space environmental conditions. A general and widely used method to simulate the space environment is using a thermal vacuum chamber which consists of vacuum vessel and thermally controlled shroud. As indicated by name of vacuum chamber, the vacuum technology is applied to design and manufacture of the thermal vacuum chamber. This paper describe the vacuum technology which is applied to space business.
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문제 정의
대형열진공챔버의 주요 목적은 진공의 형성 외에 우주공간의 극저온 온도환경을 모사하여야 한다. 대형열진공챔버의 열제어계는 액체질소를 이용한 우주 극저온 환경 구현 및 할로겐램프를 이용한 고온 베이크아웃 시험 수행을 그 목적으로 설계 및 제작되었다. 극저온계는 열교환쉬라우드, 극저온 펌프 및 밸브, 상분리기, 액체질소탱크, 극저온이중진공배관 등으로 구성되어 있으며, 고온(100 ℃ 이상) 베이크아웃 시험을 위해 총 336개의 할로겐램프 및 공급 전력 제어기를 갖추고 있다[5].
본 논문에서는 인공위성의 개발에 필수 장비인 우주환경 모사장치를 통하여 우주개발에 응용되는 진공기술에 대하여 살펴보고자 한다.
우주공간의 극저온 환경을 모사하기위한 극저온계는 액체질소(상압에서의 끓는점 : 77 K)를 사용하여 위성을 둘러싼 직경 8 m의 쉬라우드 온도를 -190 ℃ 이하로 유지시키는 것을 목적으로 한다. 기본적으로 극저온계는 대기압에 노출된 개방회로로써(Figure 12), 작동 모드는 초기 냉각 모드와 -190 ℃ 도달 후의 냉각 유지 모드로 나뉜다.
제안 방법
대형열진공 챔버의 저진공시스템에 대한 검증 시험을 수행한 후, 터보 펌프시스템을 이용하여 고진공에 대한 검증을 수행하였다. 고진공에 대한 검증은 진공도 유지 및 He을 이용한 누설시험을 수행하게 된다. He은 가장 가벼운 불활성 기체로서 작음 틈새로도 쉽게 빠져나가며 다른 기체나 용기 재료와 반응하지 않고, 질량이 4이므로 근처에 다른 기체에 의한 피크가 없어 판별이 명확하여 감도를 충분히 높일 수 있다.
대형열진공 챔버의 고진공 검증시험에서는 먼저 터보 펌프로 2×10-3 Pa 까지 배기하였으며, Figure 4에 나타난 바와 같이 터보 펌프 후단에 부착된 헬륨 누출검출기를 이용하여 모든 용접부위 및 플랜지에 대한 누설을 확인하였다.
대형열진공 챔버의 저진공시스템에 대한 검증 시험을 수행한 후, 터보 펌프시스템을 이용하여 고진공에 대한 검증을 수행하였다. 고진공에 대한 검증은 진공도 유지 및 He을 이용한 누설시험을 수행하게 된다.
또한 고온을 모사하기위해 세라믹 재질로 된 히터를 30°간격으로 총 48개를 설치하였다.
따라서 진공 검증시험 시에는 진공용기의 안정화 및 누설 시험을 반드시 수행하여야 한다. 또한 최초의 진공시스템에 대한 진공 시험의 경우 용접부위, 플랜지등의 결합부위가 진공환경에서 안정화 될 수 있도록 정해진 진공도에서 1시간 이상 유지 후 다음 진공도로 진행하였다. 대형열진공 챔버의 진공시스템의 경우 약 4구간에서 1시간씩 유지한 후 최종 1 Pa 이하로 펌핑하였다.
또한 고온을 모사하기위해 세라믹 재질로 된 히터를 30°간격으로 총 48개를 설치하였다. 온도 측정을 위하여 Omega사의 T형 열전대를 사용하였고, 챔버 내의 진공은 피라니 게이지와 역 마그네트론 게이지를 사용하여 각각 저진공과 고진공을 측정한다. 또한 탈기체에 대한 정량적인 측정을 수행하는 TQCM(Thermoelectric Quartz Crystal Microbalance)과 오염물질의 종류 및 각종류에 대한 분압을 측정하는 잔류기체분석기(RGA)가 장착되어 있다.
국산화 개발된 대형열진공챔버는 유효직경 8 m, 유효길이 10 m의 대형 우주환경 모사장비로써, 세계적으로도 미국, 러시아, 중국, 일본, 프랑스, 네덜란드, 캐나다 등 총 7개국 정도만이 보유한 첨단 장비이다. 이는 우리나라가 위성개발 기술 수준과 더불어 우주환경 시험장비 분야에서도 세계적 기술 수준을 갖추게 되었음을 의미하며, 이번 대형열진공챔버의 구축을 통해 다목적실용위성 3호, 5호 열구조 모델의 열평형시험을 성공적으로 수행하였다. 아울러, 국내 최초의 통신해양기상위성 비행모델의 열진공 시험을 준비 중에 있다.
저진공 펌프시스템은 420 m3/hr 용량의 드라이 펌프와 각 2,600 m3/hr 및 4,200 m3/hr의 용량을 갖는 두 대의 부스터 펌프가 한 세트로 구성되어 있고, 총 두 세트의 저진공시스템이 장착되어 총 14,400 m3/hr의 용량을 갖도록 설계하였다. 이를 식 (1)에 따라 계산을 하면 대기압에서 1.
적절한 진공펌프의 선정을 위해 진공배기시간에 대한 예측이 수행되었다. 먼저 저진공 배기시간의 예측을 위하여 식 (1)을 사용하였으며, 대기압에서부터 약 1 Pa 까지 배기하는데 4시간 이내가 될 수 있도록 하였다.
진공시스템의 진공환경 검증시험은 앞서 소개한 저진공 펌프시스템과 터보 펌프시스템을 이용하여 수행하였다. 진공의 측정은 Granville-Philips 사의 370 컨벡트론 게이지와 이온 게이지가 사용되었다.
대상 데이터
진공용기의 실린더부 제작을 위해 두께 22 mm의 스테인리스스틸 후판(厚板)이 사용되었으며 도어 및 후면 파트에는 28 mm 두께의 스테인리스스틸 후판이 사용되었다. 큰 규모로 인해 여러 개로 나누어진 각각의 파트들은 공장에서 제작되어 사이트로 이동되었으며, 현지에서 대형크레인(50 ton) 2대와 정반을 이용해 서로 조립되어 최종 형상의 진공용기가 완성되었다.
후속연구
국가 우주개발 진흥 기본계획(2007)에 따르면 2007년부터 2015년 까지 다목적실용위성 3기, 과학위성 3기, 통신해양기상위성을 포함한 정지궤도 위성 1기 등 총 7기의 위성 개발 계획을 갖고 있다. 이러한 위성들은 지구의 대기, 해양, 기상 등을 관측하고, 우주환경의 측정 및 각종 실험 등을 수행하며, 안정적인 통신 서비스를 제공하는 역할을 하게 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위성의 역할은 무엇인가?
국가 우주개발 진흥 기본계획(2007)에 따르면 2007년부터 2015년 까지 다목적실용위성 3기, 과학위성 3기, 통신해양기상위성을 포함한 정지궤도 위성 1기 등 총 7기의 위성 개발 계획을 갖고 있다. 이러한 위성들은 지구의 대기, 해양, 기상 등을 관측하고, 우주환경의 측정 및 각종 실험 등을 수행하며, 안정적인 통신 서비스를 제공하는 역할을 하게 될 것이다.
우주환경의 특징은 무엇인가?
우주환경은 고진공 환경과 태양 복사열에 의한 고온 환경 및 극저온이 반복되는 가혹한 환경으로 특징지어진다. 위성체는 지상에서 발사되어 우주궤도에 진입한 순간부터는 계속해서 우주환경에 노출되며, 이러한 가혹한 우주환경에 의해서 위성체의 주요부품에 기능장애가 초래되기도 하며 이는 결국 임무의 실패로 이어지기도 한다.
우주환경을 모사할 수 있는 우주환경모사장비가 요구되는 이유는 무엇인가?
우주환경은 고진공 환경과 태양 복사열에 의한 고온 환경 및 극저온이 반복되는 가혹한 환경으로 특징지어진다. 위성체는 지상에서 발사되어 우주궤도에 진입한 순간부터는 계속해서 우주환경에 노출되며, 이러한 가혹한 우주환경에 의해서 위성체의 주요부품에 기능장애가 초래되기도 하며 이는 결국 임무의 실패로 이어지기도 한다. 따라서 위성체는 지상에서 우주환경시험을 거쳐 기능 및 작동상태를 점검해야 하며, 이를 위해서는 우주환경을 모사 할 수 있는 우주환경모사장비가 필요하다.
Sang-Hoon Lee, Hee-Jun Seo, Hyokjin Cho, Guee-Won Moon, Seok-Weon Choi, Seong-Yeon Yoo "Development of Large Thermal Vacuum Chamber (8 m $\times$ L10 m)", 6th International Symposium on Environmental Testing for Space Programmes, 2007
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