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문제 정의
- 0의 열제어계 개발을 위해 수행된 설계와 해석, STM 개발과 열 진공 시험 준비 및 수행, 그리고 열진공 시험 결과 분석과 이를 이용한 열-수치 모델의 검증 과정에 대해 살펴보고자 한다. 그리고 이를 통해 전자광학카메라 시스템의 열제어계 설계, 제작, 시험 및 검증으로 이어지는 개발 전 과정에 대해 살펴보고자 한다.
- 본 논문에서는 EOS-C Ver.3.0의 열제어계 개발을 위해 수행된 설계와 해석, STM 개발과 열 진공 시험 준비 및 수행, 그리고 열진공 시험 결과 분석과 이를 이용한 열-수치 모델의 검증 과정에 대해 살펴보고자 한다. 그리고 이를 통해 전자광학카메라 시스템의 열제어계 설계, 제작, 시험 및 검증으로 이어지는 개발 전 과정에 대해 살펴보고자 한다.
- 시험치구 설계를 마친 후, STM 열진공 시험에 대해 사전 열해석을 수행하였다. 사전 열해석은 열진공 시험 기간 중에 시험물 및 시험치구, 시험용 하니스(harness) 등이 겪을 것으로 예상되는 온도를 검토해보고, 예상 온도가 요구 조건을 만족시키지 못할 경우에는 시험용 히터나 MLI를 장착하는 등의 필요한 조치를 취하기 위해 수행한다. EOS-C Ver.
- 지금까지 지구관측소형위성의 주 탑재체로 사용될 고해상도 전자광학카메라, EOS-C Ver.3.0의 열제어계 설계 및 개발, 시험 준비 및 시험, 그리고 시험 결과를 이용한 해석 모델 분석 및 검증 과정에 대해 살펴보았다. EOS-C Ver.
제안 방법
- 0을 개발하고 있다. 700km 운용고도에서 흑백 2.5m, 다중 5.0m의 해상도를 갖는 EOS-C Ver.3.0은 현재 운용중인 DubaiSat-1 주 탑재체인 EOS-C Ver.2.0의 개발 경험을 바탕으로 능동 및 수동 열제어 방식을 적절하게 혼용하여 보다 향상된 열적 성능을 갖도록 설계되었다. 설계를 바탕으로 구조-열 모델(Structural-Thermal Model, STM)을 개발하여인증(qualification) 수준의 환경시험을 수행하였으며, 이를 통해 충분한 설계 여유(design margin)가 있음을 확인하였다.
- 0의 열제어계 설계 및 개발, 시험 준비 및 시험, 그리고 시험 결과를 이용한 해석 모델 분석 및 검증 과정에 대해 살펴보았다. EOS-C Ver.3.0의 열제어계는 EOS-C Ver.2.0의 개발 경험을 보다 향상된 열적 성능을 갖도록 능동 및 수동 열제어 방식을 적절하게 혼용하여 설계되었다. 그리고 해석 모델에 대한 검증 결과의 신뢰성 향상을 위해 통상적인 검증 방안 뿐 아니라 통계학적 관점의 검증 조건을 추가로 검토하여 해석 모델 검증을수행하였으며, 검증 결과 작성된 해석 모델이 실제 모델의 열적 특성을 잘 모사하고 있음을 확인 하였다.
- PTTM 작성 후, STM과 EMS 온도 보상용 시험용 히터의 발열 용량 결정을 위한 열해석을 수행하였다. 또한 개별 soak에서의 STM과 EMS의 시험 온도 조건 만족 및 시험 기간 최소화를 위한 개별 천이 구간에서의 온도 제어용 히터와 시험용 히터의 운용 방안에 대한 검토 작업을 진행, 그림 10과 같이 개별 히터들의 운용 방안을 도출하였다.
- STM 개발 후, 설계 여유 확인을 위해 인증 수준의 열진공 시험을 진행하였다. EOS-C Ver.
- TMM 작성 후, 개별 히터 및 열제어 코팅 설계의 최적화를 위해 정상 상태 열해석을 수행하였다. 먼저 EOS-C Ver.
- TMM의 검증을 위해 PTTM을 가지고 정상 상태 열해석을 수행하였다. 열적 경계 조건의 경우, 열평형 시험 기간 중에 HVT40의 제어 온도, 즉 고온/저온 열평형 시험 각각의 시험 온도를 기준으로 하였다.
- 시험 준비 완료 후, 한국항공우주연구원 우주 시험동에 있는 HVT40 열진공 챔버에서 시험 수행을 위한 test setup을 진행하였다. Test setup은 STM T/V Test Jig에 EMS와 STM을 조립한 후, 열진공 챔버 내부에서 사용되는 시험용 하니스에 대해 MLI covering을 수행한 후에 STM과 EMS, 그리고 열진공 챔버 내부에 연결하는 순으로 진행되었다[10]. 이어서 시험물의 온도 측정 및 기록을 위해 STM과 STM T/V Test Jig의 열전달 경로(thermal path) 상의 주요 지점에 그림 12와 같이 열전대(thermocouple)를 부착한 후, 그림 13과 같이 열진공 챔버 안에 STM T/V Test Jig 를 삽입 및 고정하였다.
- 0의 개발 경험을 바탕으로 능동 및 수동 열제어 방식을 적절하게 혼용하여 열제어계 설계를 수행하였다. 그림 1과 같이 열적 안정성의 극대화를 위해 광개구부(optical aperture)를 제외한 모든 부분에 MLI(Multi-Layer Insulation)를 적용하였으며, 위 성과의 기계적 접속에 사용되는 부품을 열전도성이 낮은 Ti6-AL-4V 재질로 설계함으로써 주위와의 열적 단열을 극대화하였다. 또한 광학 정렬 온도인 +20℃를 기준으로 +/-1℃ 이내로 주구조물이 유지될 수 있도록 히터(heater)와 온도 센서를 이용한 능동 열제어 설계를 수행하였으며, 히터 소모 전력의 최소화를 위해 적정한 표면 처리및 열제어 코팅을 수행하였다[3-4].
- PTTM 작성 후, STM과 EMS 온도 보상용 시험용 히터의 발열 용량 결정을 위한 열해석을 수행하였다. 또한 개별 soak에서의 STM과 EMS의 시험 온도 조건 만족 및 시험 기간 최소화를 위한 개별 천이 구간에서의 온도 제어용 히터와 시험용 히터의 운용 방안에 대한 검토 작업을 진행, 그림 10과 같이 개별 히터들의 운용 방안을 도출하였다. 그리고 이를 반영하여 STM 열진공 시험 전체에 대한 사전 열해석을 수행, 그림 11과 같이 요구되는 시험 조건들을 모두 만족시키는 것을 확인하였다.
- 그림 1과 같이 열적 안정성의 극대화를 위해 광개구부(optical aperture)를 제외한 모든 부분에 MLI(Multi-Layer Insulation)를 적용하였으며, 위 성과의 기계적 접속에 사용되는 부품을 열전도성이 낮은 Ti6-AL-4V 재질로 설계함으로써 주위와의 열적 단열을 극대화하였다. 또한 광학 정렬 온도인 +20℃를 기준으로 +/-1℃ 이내로 주구조물이 유지될 수 있도록 히터(heater)와 온도 센서를 이용한 능동 열제어 설계를 수행하였으며, 히터 소모 전력의 최소화를 위해 적정한 표면 처리및 열제어 코팅을 수행하였다[3-4].
- 또한 동일한 열적 특성을 나타낼 수 있도록 FM과 동일하게 온도 제어용 히터 부착, 열제어 코팅 및 MLI 장착을 수행하였다. 그림 5는 히터 부착 후, 작업 결과 검증을 위해 전압을 인가하고 시간에 따른 온도 변화를 측정한 결과를 나타내며, 그림 6은 EOS-C Ver.
- 또한 온도 제어용 히터의 운용 및 성능 검증을 위해 EMS(EOS-C Management Subsystem)를 함께 시험하기로 하였다. EMS는 EOS-C Ver.
- TMM 작성 후, 개별 히터 및 열제어 코팅 설계의 최적화를 위해 정상 상태 열해석을 수행하였다. 먼저 EOS-C Ver.3.0 주구조물의 궤도 평균 온도가 어떤 경우에도 제어 온도인 +20℃를 초과하지 않도록 worst hot을 바탕으로 열해석을 수행, 해석 결과를 바탕으로 열제어 코팅 설계의 최적화를 수행하였으며 그림 3과 같다.
- 5℃/2hrs의 온도 평형 조건을 만족시킬 때까지 시험을 진행하였다. 먼저 사전 열해석 결과를 바탕으로 예상되는 평형 온도를 온도 제어용 히터의 제어 온도로 설정하여 STM의 온도를 빠르게 올린 후, 예상 온도에 도달하면 duty cycle로 전환하는 방식으로 진행하였으며, 시험 결과는 그림 15와 같다[11-12].
- 0의 구조적, 열적 특성 파악을 위해 제작한 모델로써 FM(Flight Model)과 동일한 기계적 특성을 갖도록 개발되었다. 반사경(mirror) 및 전자모듈(electronics)은 동일한 구조적 특성을 갖는 dummy mass로 대체하였으며, 그 외의 구조물들은 FM과 동일하게 제작하였다.
- 시험 준비 완료 후, 한국항공우주연구원 우주 시험동에 있는 HVT40 열진공 챔버에서 시험 수행을 위한 test setup을 진행하였다. Test setup은 STM T/V Test Jig에 EMS와 STM을 조립한 후, 열진공 챔버 내부에서 사용되는 시험용 하니스에 대해 MLI covering을 수행한 후에 STM과 EMS, 그리고 열진공 챔버 내부에 연결하는 순으로 진행되었다[10].
- 시험치구 설계를 마친 후, STM 열진공 시험에 대해 사전 열해석을 수행하였다. 사전 열해석은 열진공 시험 기간 중에 시험물 및 시험치구, 시험용 하니스(harness) 등이 겪을 것으로 예상되는 온도를 검토해보고, 예상 온도가 요구 조건을 만족시키지 못할 경우에는 시험용 히터나 MLI를 장착하는 등의 필요한 조치를 취하기 위해 수행한다.
- 다음으로 주위 열환경과 관계없이 온도 제어가 가능하도록 worst cold를 바탕으로 히터의 발열량을 검토, 그림 4와 같이 궤도 평균 16W가 필요한 것을 확인하였다. 여기에 해석 수행 시의 불확실성을 고려, 설계 여유(design margin)를 반영하여 표 1과 같이 설계를 완료하였다.
- TMM의 검증을 위해 PTTM을 가지고 정상 상태 열해석을 수행하였다. 열적 경계 조건의 경우, 열평형 시험 기간 중에 HVT40의 제어 온도, 즉 고온/저온 열평형 시험 각각의 시험 온도를 기준으로 하였다. 열해석 수행 후, 열전대의 부착 위치에 상응하는 TMM의 요소(element) 온도를 바탕으로 해석 결과를 정리하였으며, 고온/저온에 대한 결과를 각각 표 5와 표 6에, 그리고 검증 조건에 따른 검토 결과를 표 7에 정리하였다.
- 열주기 시험에 이어 진행된 열평형 시험의 경우, STM에 부착된 온도 제어용 히터를 EMS를 이용하여 10% duty cycle로 운용하며 시험 요구 조건인 0.5℃/2hrs의 온도 평형 조건을 만족시킬 때까지 시험을 진행하였다. 먼저 사전 열해석 결과를 바탕으로 예상되는 평형 온도를 온도 제어용 히터의 제어 온도로 설정하여 STM의 온도를 빠르게 올린 후, 예상 온도에 도달하면 duty cycle로 전환하는 방식으로 진행하였으며, 시험 결과는 그림 15와 같다[11-12].
- 이를 해결하기 위해 STM 과 EMS 각각에 시험용 히터(test heater)를 적용 하여 열진공 챔버의 설정 온도와 시험물(test article)의 시험 온도 간의 차이를 보상하기로 하였다[7-8]. 이를 위해 그림 8과 같이 열진공 챔버 및 STM, EMS와의 기계적/전기적 인터페이스를 바탕으로 고정치구 설계 후, STM 열진공 시험에 대한 사전 열해석 결과를 바탕으로 개별 시험용 히터를 결정, 적용하는 방식으로 열진공 시험치 구인 STM T/V Test Jig의 설계를 완료하였다[9].
- STM 열진공 시험의 경우, STM과 EMS의 시험 온도 범위가 다르기 때문에 이를 보상해줄 수 있는 방안이 필요하다. 이를 해결하기 위해 STM 과 EMS 각각에 시험용 히터(test heater)를 적용 하여 열진공 챔버의 설정 온도와 시험물(test article)의 시험 온도 간의 차이를 보상하기로 하였다[7-8]. 이를 위해 그림 8과 같이 열진공 챔버 및 STM, EMS와의 기계적/전기적 인터페이스를 바탕으로 고정치구 설계 후, STM 열진공 시험에 대한 사전 열해석 결과를 바탕으로 개별 시험용 히터를 결정, 적용하는 방식으로 열진공 시험치 구인 STM T/V Test Jig의 설계를 완료하였다[9].
- Test setup은 STM T/V Test Jig에 EMS와 STM을 조립한 후, 열진공 챔버 내부에서 사용되는 시험용 하니스에 대해 MLI covering을 수행한 후에 STM과 EMS, 그리고 열진공 챔버 내부에 연결하는 순으로 진행되었다[10]. 이어서 시험물의 온도 측정 및 기록을 위해 STM과 STM T/V Test Jig의 열전달 경로(thermal path) 상의 주요 지점에 그림 12와 같이 열전대(thermocouple)를 부착한 후, 그림 13과 같이 열진공 챔버 안에 STM T/V Test Jig 를 삽입 및 고정하였다. 이어서 시험용 외부 하 니스로 열진공 챔버와 기능시험 지원장비를 연결하고 기능시험(Function Test, FT)을 수행하여 test setup이 정상적으로 완료되었는지를 검토, 이상 없음을 확인하고 열진공 챔버 문을 닫음으로써 모든 test setup을 완료하였다.
- 이어서 시험물의 온도 측정 및 기록을 위해 STM과 STM T/V Test Jig의 열전달 경로(thermal path) 상의 주요 지점에 그림 12와 같이 열전대(thermocouple)를 부착한 후, 그림 13과 같이 열진공 챔버 안에 STM T/V Test Jig 를 삽입 및 고정하였다. 이어서 시험용 외부 하 니스로 열진공 챔버와 기능시험 지원장비를 연결하고 기능시험(Function Test, FT)을 수행하여 test setup이 정상적으로 완료되었는지를 검토, 이상 없음을 확인하고 열진공 챔버 문을 닫음으로써 모든 test setup을 완료하였다.
- 0 STM 열진공 시험은 약 일주일동안 진행되었으며, 시험 결과는 그림 14와 같다. 표 2에 기술된 바와 같이 STM과 EMS의 열주기 시험 온도가 다르기 때문에, 그림 10의 히터 운용 방안에 따라 STM에 부착된 온도 제어용 히터와 시험용 히터를 운용, 개별 soak에서의 시험 온도 조건을 만족시켰다. 또한 개별 천이 구간의 소요 시간도 단축시킬 수 있었다.
이론/모형
- 설계 후, 설계의 검증 및 확정을 위한 열해석 수행을 위해 NX I-DEAS 12를 이용하여 열-수치 모델(Thermal Mathematical Model, TMM)을 작성하였으며, 그림 2와 같다.
성능/효과
- 또한 개별 soak에서의 STM과 EMS의 시험 온도 조건 만족 및 시험 기간 최소화를 위한 개별 천이 구간에서의 온도 제어용 히터와 시험용 히터의 운용 방안에 대한 검토 작업을 진행, 그림 10과 같이 개별 히터들의 운용 방안을 도출하였다. 그리고 이를 반영하여 STM 열진공 시험 전체에 대한 사전 열해석을 수행, 그림 11과 같이 요구되는 시험 조건들을 모두 만족시키는 것을 확인하였다.
- 0의 개발 경험을 보다 향상된 열적 성능을 갖도록 능동 및 수동 열제어 방식을 적절하게 혼용하여 설계되었다. 그리고 해석 모델에 대한 검증 결과의 신뢰성 향상을 위해 통상적인 검증 방안 뿐 아니라 통계학적 관점의 검증 조건을 추가로 검토하여 해석 모델 검증을수행하였으며, 검증 결과 작성된 해석 모델이 실제 모델의 열적 특성을 잘 모사하고 있음을 확인 하였다.
- 다음으로 주위 열환경과 관계없이 온도 제어가 가능하도록 worst cold를 바탕으로 히터의 발열량을 검토, 그림 4와 같이 궤도 평균 16W가 필요한 것을 확인하였다. 여기에 해석 수행 시의 불확실성을 고려, 설계 여유(design margin)를 반영하여 표 1과 같이 설계를 완료하였다.
- 0의 개발 경험을 바탕으로 능동 및 수동 열제어 방식을 적절하게 혼용하여 보다 향상된 열적 성능을 갖도록 설계되었다. 설계를 바탕으로 구조-열 모델(Structural-Thermal Model, STM)을 개발하여인증(qualification) 수준의 환경시험을 수행하였으며, 이를 통해 충분한 설계 여유(design margin)가 있음을 확인하였다.
- 그러나 저온 열평형 시험의 경우, 앞서 진행된 저온 열주기 시험 및 FT#03 기간 동안에도 열적 평형 온도에 거의 근접한 5℃로 유지되었기 때문에, 실제적으로 저온 열평형 시험은 거의 20시간동안 진행되었다고 볼수 있다. 즉, 고온 열평형 시험에 비해 상대적으로 충분한 시간을 보장해줌으로써 저온 열평형 시험 결과가 보다 더 열적 평형 상태의 결과에 근접하였고, 이에 따라 해석 결과와의 편차도 고온 열평형에 비해 작게 나온 것이다. 따라서 보다 양질의 시험 결과를 얻기 위해서는 열평형 시험 조건으로 온도 변화율 뿐 아니라, 최소 시험 기간도 함께 고려해야할 필요성을 확인하였다.
- 표 7을 보면 작성된 TMM이 요구되는 검증 조건들을 모두 만족시키는 것을 확인하였으며, 이를 통해 EOS-C Ver.3.0의 열제어계 개발을 위해 작성된 TMM에 대한 검증을 완료하였다[17].
후속연구
- 즉, 고온 열평형 시험에 비해 상대적으로 충분한 시간을 보장해줌으로써 저온 열평형 시험 결과가 보다 더 열적 평형 상태의 결과에 근접하였고, 이에 따라 해석 결과와의 편차도 고온 열평형에 비해 작게 나온 것이다. 따라서 보다 양질의 시험 결과를 얻기 위해서는 열평형 시험 조건으로 온도 변화율 뿐 아니라, 최소 시험 기간도 함께 고려해야할 필요성을 확인하였다.
- 또한 해석 모델 검증 과정에서 열평형 시험 조건으로 최소 시험 기간도 함께 고려해야 함을 확인하였으며, 향후로는 열평형 시험 수행 시, 이를 함께 고려하여 수행할 예정이다.
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