[논문]지구 정지궤도 위성의 열해석 모델 보정

전형열; 김정훈

doi:10.6112/kscfe.2011.16.3.059

지구 정지궤도 위성의 열해석 모델 보정
THERMAL MODEL CORRELATION OF A GEOSTATIONARY SATELLITE 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.16 no.3 = no.54, 2011년, pp.59 - 65

전형열 (한국항공우주연구원 위성 열) , 김정훈 (한국항공우주연구원 위성 열)

Abstract ▼ AI-Helper

COMS (Communication, Ocean and Meteorological Satellite) is a geostationary satellite and was developed by KARI for communication, ocean and meteorological observations. COMS was tested under vacuum and very low temperature conditions in order to correlate thermal model and to verify thermal design. The test was performed by using KARI large thermal vacuum chamber. The COMS S/C thermal model was successfully correlated versus the 2 thermal balance test phases. After model correlation, temperatures deviation of all individual units were less than $5^{\circ}C$ and global deviation and standard deviation also satisfied the requirements, less than $2^{\circ}C$ and $3^{\circ}C$. The final flight prediction was performed by using the correlated thermal model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 통신해양기상위성의 열평형 시험 예측, 시험 절차, 시험 결과 및 열해석 모델 보정에 관해 다루고 있다
통신해양기상위성은 한국항공우주연구원에서 개발한 대형 열진공 챔버를 이용하여 열평형 및 열진공 시험을 성공적으로 수행하였다. 열평형 시험의 주 목적은 위성 열해석 모델을 보정하고 열제어 설계를 검증하는데 있다. 특히 보정된 열해석 모델은 위성의 실제 비행 성능을 예측하는데 매우 중요하며, 특히 비정상 운영에서도 열제어계 성능을 예측할 수 있다.

제안 방법

특히 보정된 열해석 모델은 위성의 실제 비행 성능을 예측하는데 매우 중요하며, 특히 비정상 운영에서도 열제어계 성능을 예측할 수 있다. 고온 및 저온의 두 열평형 시험에 대하여 통신해양기상위성의 열해석 모델 보정을 수행하였다.
한국항공우주연구원에서는 기상탑재체, 해양탑재체 및 통신탑재체를 탑재한 정지궤도(고도 : 36000km) 위성인 통신해양기상위성을 개발하였다. 궤도 환경에서 위성의 온도를 적절하게 제어하기 위해 위성에 대한 열제어 설계를 수행하고, 이 열제어 설계를 검증하기 위해 지상에서 만든 고진공 및 극저온의 열진공 챔버내에서 궤도 환경시험을 수행하게 된다. 통신해양기상위성은 한국항공우주연구원에서 개발한 대형 열진공 챔버를 이용하여 열평형 및 열진공 시험을 성공적으로 수행하였다.
이 히팅플레이트는 방열판이 부착된 위성의 북쪽과 남쪽패널(-Y wall/+Y wall)에 약 50cm의 거리를 두고 장착되었으며, 히팅플레이트 뒷면에 부착된 배관으로 액체질소 및 기체질소를 흐르게 하여 원하는 외부 열환경을 만들 수 있었다. 또한 위성의 방열판과 히팅플레이트 사이는 다층박막단열재(MLI : Multi-layer Insulation)를 사용하여 열진공 챔버의 차가운 쉬라우드와의 시야각을 없애 위성패널과 열적으로 분리하였다. 열해석 모델 보정의 정확한 결과를 얻기 위해 고온과 저온, 두 경우에 대한 열평형 시험을 수행하였다.
열평형 고온 및 저온 시험을 통하여 통신해양기상위성의열 해석 모델 보정을 성공적으로 수행하였다. 열모델 보정 후, 모든 전장부품 온도가 측정 열전대(Thermocouple)와 5°C 이내로 보정되었으며, 전체편차(Global deviation) 및 표준편차(Standard deviation) 역시 2°C 와 3°C 이내의 기준을 만족 시켰다.
열평형 고온 시험 시 남쪽패널 위에 장착된 히팅플레이트의 온도는 비행히터의 작동이 없고, 부품의 온도가 상세설계 예측의 부품 온도와 유사한 분포를 갖도록 남쪽과 북쪽의 히팅플레이트 온도를 변화시켜가며 민감도 해석을 통하여 결정하였다. +Y 패널 히팅플레이트의 온도는 비행히터의 작동이 없고 부품의 온도가 상세설계 예측 보다는 조금 높은 -13℃로 결정하였다.
열평형 시험 온도 예측을 위한 네트워크 해석법을 풀기 위해서는 상용코드인 THERMICA[3]를 이용하여 열진공 챔버내에서의 복사열교환 계수(GR_ij)를 구한 후에 SOLVER[4]를 사용하여, 온도 및 히터 전력 소모량을 예측하였다.
또한 위성의 방열판과 히팅플레이트 사이는 다층박막단열재(MLI : Multi-layer Insulation)를 사용하여 열진공 챔버의 차가운 쉬라우드와의 시야각을 없애 위성패널과 열적으로 분리하였다. 열해석 모델 보정의 정확한 결과를 얻기 위해 고온과 저온, 두 경우에 대한 열평형 시험을 수행하였다. 저온 열평형에서 위성의 온도를 원하는 목표 온도로 유지하기 위해, 히팅플레이트와 함께 추가적으로 비행 히터를 사용하였다.
열해석 모델 보정의 정확한 결과를 얻기 위해 고온과 저온, 두 경우에 대한 열평형 시험을 수행하였다. 저온 열평형에서 위성의 온도를 원하는 목표 온도로 유지하기 위해, 히팅플레이트와 함께 추가적으로 비행 히터를 사용하였다. 일부 비행 히터는 열평형 시험 동안 주기적으로 작동하는 히터가 아니라 열평형 시작 시 켜진 상태를 계속 유지하기 위해 써모스탯(Thermostat)을 우회하도록 전기적으로 회로를 변경시켰다.
• 실제 위성의 내부 MLI 모습과 일치하게 변경하였다. 전체적인 모델 변경에 따른 온도 영향은 매우 적으나 실제 모습과 일치하게 유지하기 위해 변경하였다.
남쪽 패널에 장착된 배터리 모듈 역시 다층박막단열재를 이용하여 위성과 열적으로 분리 시켰으며, 모듈의 열제어를 위해 히트파이프와 히터가 사용된다. 통신 탑제체가 장착된 남쪽 패널은 방열판을 최적화하고 열 방출 능력을 최대화하기 위해 몇 개의 영역으로 나누어 열제어를 수행한다.
궤도 환경에서 위성의 온도를 적절하게 제어하기 위해 위성에 대한 열제어 설계를 수행하고, 이 열제어 설계를 검증하기 위해 지상에서 만든 고진공 및 극저온의 열진공 챔버내에서 궤도 환경시험을 수행하게 된다. 통신해양기상위성은 한국항공우주연구원에서 개발한 대형 열진공 챔버를 이용하여 열평형 및 열진공 시험을 성공적으로 수행하였다. 열평형 시험의 주 목적은 위성 열해석 모델을 보정하고 열제어 설계를 검증하는데 있다.
통신해양기상위성의 궤도 환경시험은 대형 열진공 챔버(지름: 8m, 길이: 10m)를 이용하였으며, 챔버의 온도는 액체질소를 이용하여 극저온으로 유지하였다. 또한 외부 열유입량을 모사하기위해 온도 제어가 가능한 히팅플레이트, 즉 일종의 쉬라우드(Shroud)를 사용하였다.

대상 데이터

앞에서도 언급했듯이 이와 같은 발열량의 차이로 인해 열평형 사전 예측 온도가 실제 측정 온도보다 높았다. 열해석 모델 보정에는 위성에 부착된 500개의 열전대 중 부품 및 접속 부분에 설치된 334개의 열전대가 사용되었다.
5˚C이하의 변화를 가질 때 열평형에 도달했다고 판단하였다. 열해석 모델 보정을 위한 온도 데이터를 얻기 위해서, 또한 위성에 장착된 온도 센서(Thermistor)의 정확성을 검증하기 위해 통신해양기상위성에 약 500개의 열전대가 사용되었다.
열진공 챔버 및 통신해양기상위성의 모델 작성을 위해 인공위성 열해석 전용 상용 코드인 THERMICA[3]가 사용되었으며, 열진공 챔버의 경우 3차원 CAD(Computer Aided Design) 모델을 기반으로 작성하였다. 통신해양기상위성, 열진공 챔버 및 열진공 시험을 위한 기타 시험 장치는 Fig. 4와 같이 모델링되었으며 총 3968개의 격자(노드)로 구성된다.

이론/모형

열평형 예측을 위해 열진공 챔버, 위성 및 기타 필요한 시험 장치 등의 모델을 작성해야 한다. 열진공 챔버 및 통신해양기상위성의 모델 작성을 위해 인공위성 열해석 전용 상용 코드인 THERMICA[3]가 사용되었으며, 열진공 챔버의 경우 3차원 CAD(Computer Aided Design) 모델을 기반으로 작성하였다. 통신해양기상위성, 열진공 챔버 및 열진공 시험을 위한 기타 시험 장치는 Fig.
위성의 온도를 예측하기 위해, 널리 사용되는 네트웨크 해석법을 사용하였다[1][2]. 열전달이 일어나는 격자(노드)를 집중 열용량법으로 모사하고 격자(노드)간 열저항으로 연결시켜 온도를 구하는, 식 (1)을 이용하여 비정상 상태의 절점 i온도를 구할 수 있다.
위성의 외부 열 환경은 태양 복사 에너지, 지구의 복사 에 너지, 지구에 의한 태양 반사 에너지 (알베도) 등이 있으며, 추가로 위성 내부 부품 등의 발열량 및 우주로의 복사에너지 등이 있다[1][2]. 이 외부 열유입량 및 복사열교환계수를 구하기 위해 몬테카를로법이 사용 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온도 제어가 가능한 히팅플레이트를 이용해 외부 열환경을 만드는 방법은 무엇인가?	또한 외부 열유입량을 모사하기위해 온도 제어가 가능한 히팅플레이트, 즉 일종의 쉬라우드(Shroud)를 사용하였다. 이 히팅플레이트는 방열판이 부착된 위성의 북쪽과 남쪽패널(-Y wall/+Y wall)에 약 50cm의 거리를 두고 장착되었으며, 히팅플레이트 뒷면에 부착된 배관으로 액체질소 및 기체질소를 흐르게 하여 원하는 외부 열환경을 만들 수 있었다. 또한 위성의 방열판과 히팅플레이트 사이는 다층박막단열재(MLI : Multi-layer Insulation)를 사용하여 열진공 챔버의 차가운 쉬라우드와의 시야각을 없애 위성패널과 열적으로 분리하였다.
	한국항공우주연구원은 무엇을 개발했는가?	한국항공우주연구원에서는 기상탑재체, 해양탑재체 및 통신탑재체를 탑재한 정지궤도(고도 : 36000km) 위성인 통신해양기상위성을 개발하였다. 궤도 환경에서 위성의 온도를 적절하게 제어하기 위해 위성에 대한 열제어 설계를 수행하고, 이 열제어 설계를 검증하기 위해 지상에서 만든 고진공 및 극저온의 열진공 챔버내에서 궤도 환경시험을 수행하게 된다.
	보정된 열해석 모델은 무엇을 예측하는데 중요한가?	열평형 시험의 주 목적은 위성 열해석 모델을 보정하고 열제어 설계를 검증하는데 있다. 특히 보정된 열해석 모델은 위성의 실제 비행 성능을 예측하는데 매우 중요하며, 특히 비정상 운영에서도 열제어계 성능을 예측할 수 있다. 고온 및 저온의 두 열평형 시험에 대하여 통신해양기상위성의 열해석 모델 보정을 수행하였다.

참고문헌 (4)

1986, Agrawl, B. N., Design of Geosynchronous Spacecraft, Prentice-Hall Inc., Washinton D. C.
1998, Karam. R.D., Satellite Thermal Control for System Engineers, AIAA., Virgina.
2003, Jacquiqau, Marc. and Noel, P., THERMICA v3.2 User's Manual, EADS Astrium, Toulouse.
2005, Jacquiqau, Marc., Temperature Solver v4.0.29, EADS Astrium, Toulouse.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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