인공위성의 효율적인 열제어를 위해 알루미늄으로 만들어진 하니콤 패널과 OSR로 구성된 방열판을 사용한다. 또한 추가적으로 발열량이 많은 부품의 경우, 알루미늄으로 만들어진 더블러와 히트파이프 등을 이용하여 열제어를 수행한다. 최근 위성 전장 부품의 발열량의 증가로 정해진 위성의 크기, 발사 중량 및 비용으로 더 많은 열을 외부로 효율적으로 방출할 수 있는 방열 능력향상에 대한 필요성으로 새로운 열제어 물질에 대한 연구가 진행 중이다. 특히, 탄소 복합재는 일반적으로 열전도가 매우 높고, 가볍고, 기계적 강성에 좋은 특성이 있어 차세대 열제어를 위한 물질로 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 차세대 탄소 복합재인, APG(Annealed Pyrolytic Graphite)와 탄소-탄소 복합재(carbon-carbon composites)를 이용하여 통신패널의 열제어를 수행하는 경우와 기존의 열제어 방식과의 차이를 수치적으로 비교하였다.
인공위성의 효율적인 열제어를 위해 알루미늄으로 만들어진 하니콤 패널과 OSR로 구성된 방열판을 사용한다. 또한 추가적으로 발열량이 많은 부품의 경우, 알루미늄으로 만들어진 더블러와 히트파이프 등을 이용하여 열제어를 수행한다. 최근 위성 전장 부품의 발열량의 증가로 정해진 위성의 크기, 발사 중량 및 비용으로 더 많은 열을 외부로 효율적으로 방출할 수 있는 방열 능력향상에 대한 필요성으로 새로운 열제어 물질에 대한 연구가 진행 중이다. 특히, 탄소 복합재는 일반적으로 열전도가 매우 높고, 가볍고, 기계적 강성에 좋은 특성이 있어 차세대 열제어를 위한 물질로 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 차세대 탄소 복합재인, APG(Annealed Pyrolytic Graphite)와 탄소-탄소 복합재(carbon-carbon composites)를 이용하여 통신패널의 열제어를 수행하는 경우와 기존의 열제어 방식과의 차이를 수치적으로 비교하였다.
Thermal control of satellite is mainly based on passive ways, such as the radiator made of aluminum honeycomb core with aluminum skins and OSR (Optical Solar Reflector). Additionally, for the thermal control of high dissipation unit, the aluminum doubler and heat pipe are utilized. Recently, efforts...
Thermal control of satellite is mainly based on passive ways, such as the radiator made of aluminum honeycomb core with aluminum skins and OSR (Optical Solar Reflector). Additionally, for the thermal control of high dissipation unit, the aluminum doubler and heat pipe are utilized. Recently, efforts to find advanced thermal materials have been carried out to enhance heat rejection capability without increasing satellite size, weight and cost. This paper handles the carbon composites have high thermal conductivity with light weigh and have been considered as future thermal control materials to replace aluminum based radiator and doubler. Thermal analysis of satellite panel using APG(Annealed Pyrolytic Graphite) and carbon-carbon composites were performed and temperature contours were compared with the conventional thermal control methods.
Thermal control of satellite is mainly based on passive ways, such as the radiator made of aluminum honeycomb core with aluminum skins and OSR (Optical Solar Reflector). Additionally, for the thermal control of high dissipation unit, the aluminum doubler and heat pipe are utilized. Recently, efforts to find advanced thermal materials have been carried out to enhance heat rejection capability without increasing satellite size, weight and cost. This paper handles the carbon composites have high thermal conductivity with light weigh and have been considered as future thermal control materials to replace aluminum based radiator and doubler. Thermal analysis of satellite panel using APG(Annealed Pyrolytic Graphite) and carbon-carbon composites were performed and temperature contours were compared with the conventional thermal control methods.
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문제 정의
열제어 서브시스템(TCS: Thermal Control Subsystem)은 모든 구조체 및 부품의 온도를 외부 열환경으로부터 정해진 범위 안에 유지하는데 그 목적이 있다. 정지궤도 위성은 효율적인 열제어를 위해 남쪽과 북쪽 패널을 주 방열판으로 사용한다.
따라서 위성 부품의 많은 발열량과 경량화에 대한 요구 등으로 인해 새로운 열제어 물질 등에 대한 연구가 진행 중이다. 본 논문에서는, 이 중 최근에 개발된 열전도도(Thermal conductivity)가 높은 APG(Annealed Pyrolytic Graphite)와 탄소-탄소 복합재(Carbon-carbon composites)를 이용하여 위성 통신패널의 열제어를 수행하는 경우와 히트파이프 및 방열판을 사용하는 기존의 열제어 방식과의 차이를 수치적으로 비교하였으며, 이 새로운 열제어 물질의 활용 방안에 대하여 고찰하였다.
K1100(Carbon fiber polymer)은 1990년대 Aura와 Aqua EOS의 더블러(Doubler)로 사용되기도 하였다. 전자부품의 발열량이 증가함에 따라 XY 방향으로 열전도도가 더 높고, Carbon fiber polymer의 단점인 Z 방향의 열전도를 향상시킨 물질 개발에 대한 연구 진행 되었다.
가설 설정
56 mm 이다. 이때 APG 더블러의 열전도도는 XY방향은 1300 W/m/K, Z 방향은 5 W/m/K로 가정하였다. 히트파이프를 사용했을 경우와 비교했을 때, 그림 8에서와 같이 전체적인 온도 구배가 큼을 알 수 있다.
탄소-탄소 복합재 패널의 경우는, 히트 파이프나 더블러를 사용하지 않고, 패널 자체를 알루미늄 하니콤에서 순수 탄소 복합재로 가정하여 열 해석을 수행하였다. 이때 탄소 복합재 패널의 두께는 2.
탄소-탄소 복합재 패널의 경우는, 히트 파이프나 더블러를 사용하지 않고, 패널 자체를 알루미늄 하니콤에서 순수 탄소 복합재로 가정하여 열 해석을 수행하였다. 이때 탄소 복합재 패널의 두께는 2.54 mm, 열전도도는 XY방향은 230 W/m/K, Z 방향은 20 W/m/K 로 가정하였다. 그림 10은 통신해양기상위성의 MODCS 패널에서 히트파이프가 제거된 탄소-탄소 복합재 패널의 격자를 보여준다.
제안 방법
APG와 탄소-탄소 복합재를 이용하는 경우의 위성 전장 패널의 온도 분포를 계산하여, 기존의 열제어 방법을 사용하는 경우와 비교하고자 한다. 통신해양기상위성의 MODCS(Meteorological and Ocean Data Communication Subsystem) 패널(1022 mm x 1092 mm, 그림 3)을 이용하여, 열해석을 수행하였다.
APG와 탄소-탄소 복합재를 이용하는 경우의 위성 전장 패널의 온도 분포를 계산하여, 기존의 열제어 방법을 사용하는 경우와 비교하고자 한다. 통신해양기상위성의 MODCS(Meteorological and Ocean Data Communication Subsystem) 패널(1022 mm x 1092 mm, 그림 3)을 이용하여, 열해석을 수행하였다. MODCS 패널에서는 두개의 고발열량 부품과 네 개의 외장형 히트파이프가 장착되어 있으며, 위성 내부의 열은 방열판의 OSR(그림 4)를 통해 우주공간으로 방출된다.
MODCS 패널의 열제어를 위해 comp1과 comp2로 구성된 발열량이 많은 부품들을 외장형 히트파이프 위에 장착하였으며, 이 영역을 내부 MLI(다층박막단열재)를 사용하여 위성체의 다른 부분과 열적으로 분리시켰다. MODCS 패널에 장착된 주요 부품의 온도 요구 조건은 표 2와 같다.
MODCS 패널의 열해석을 수행한 결과는 그림 5와 같다. MODCS 패널은 위성의 북쪽 패널에 위치하므로 계절상으로 하지(Summer solstice)가 최고 고온 조건이 되며, 정상상태 계산을 통해, 임무 말 하지 경우에 대한, 각 부품의 온도를 계산하였다. 그림 5에서 알 수 있듯이 히트파이프의 온도가 약 47°C로 매우 균일하게 유지됨을 알 수 있다.
히트파이프 대신에 APG 더블러를 이용하는 경우(그림 7)에 대한 열해석을 수행하였다. 나머지 조건은 히트파이프를 사용할 때와 동일하며, APG 더블러의 크기는 228 mm x 1067 mm x 3.
통신해양기상위성의 MODCS 패널에 현재의 외장형 히트파이프를 사용하는 열제어 설계와 다른, APG 더블러와 탄소-탄소 복합재 패널을 이용한 경우에 대한 열해석을 수행하였다. 해석 결과에서 알 수 있듯이 열적인면에서만 고려한다면, 탄소-탄소 복합재를 사용하는 경우가 패널 두께도 작아지고, 전체적인 온도가 균일하여 많은 장점이 있다고 판단된다.
성능/효과
표 1은 탄소 폴리머에 기초해서 만들어진 탄소-탄소 복합재의 물성치를 나타낸다[1][2][3][4]. 표 1에서 알 수 있듯이 XY 방향뿐만 아니라 Z 방향으로도 열전도가 많이 향상되었음을 알 수 있다.
해석 결과에서 알 수 있듯이 열적인면에서만 고려한다면, 탄소-탄소 복합재를 사용하는 경우가 패널 두께도 작아지고, 전체적인 온도가 균일하여 많은 장점이 있다고 판단된다. 또한 APG 더블러와 히트파이프를 비교한 결과, APG 더블러가 AL 더블러에 비해 열전도도가 높으나, 패널의 온도 분포가 히트파이프를 이용하는 경우에 비해 균일하지 않기 때문에, MODCS 패널의 열제어 설계를 대체할만하다고는 생각되지 않는다. 하지만, 제한된 경우에 한해, AL 더블러보다 가볍고, 열전도도가 좋은 APG 더블러의 사용은 고려할만하다고 판단된다.
후속연구
또한 APG 더블러와 히트파이프를 비교한 결과, APG 더블러가 AL 더블러에 비해 열전도도가 높으나, 패널의 온도 분포가 히트파이프를 이용하는 경우에 비해 균일하지 않기 때문에, MODCS 패널의 열제어 설계를 대체할만하다고는 생각되지 않는다. 하지만, 제한된 경우에 한해, AL 더블러보다 가볍고, 열전도도가 좋은 APG 더블러의 사용은 고려할만하다고 판단된다. 구조 및 열적으로 장점이 많고, 비용면에서도 유리한, 탄소-탄소 복합재가 개발된다면, 열 방출 능력을 향상을 통해, 방열판 면적을 줄일 수 있으며, 히트파이프 사용 없이도 고 발열 부품의 열제어가 가능하다고 판단된다.
구조 및 열적으로 장점이 많고, 비용면에서도 유리한, 탄소-탄소 복합재가 개발된다면, 열 방출 능력을 향상을 통해, 방열판 면적을 줄일 수 있으며, 히트파이프 사용 없이도 고 발열 부품의 열제어가 가능하다고 판단된다. 또한 구조적으로 탄소-탄소 복합재의 응용에 대한 연구도 추후 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인공위성의 효율적인 열제어를 위해 사용되는 것은?
인공위성의 효율적인 열제어를 위해 알루미늄으로 만들어진 하니콤 패널과 OSR로 구성된 방열판을 사용한다. 또한 추가적으로 발열량이 많은 부품의 경우, 알루미늄으로 만들어진 더블러와 히트파이프 등을 이용하여 열제어를 수행한다. 최근 위성 전장 부품의 발열량의 증가로 정해진 위성의 크기, 발사 중량 및 비용으로 더 많은 열을 외부로 효율적으로 방출할 수 있는 방열 능력향상에 대한 필요성으로 새로운 열제어 물질에 대한 연구가 진행 중이다.
차세대 열제어 물질 개발 및 선정에 있어서 주요 고려사항은?
• 현재 사용하는 열제어 물질의 성질과 차세대 열제어 물질에 대한 요구 사항
• 물질의 기계적 및 열적 특성
• 발사시 하중 및 진동에 견딜 수 있는 특성, 제조 특성 및 제조 기간, 제조 비용, 재생산성
탄소 복합재의 특성은?
최근 위성 전장 부품의 발열량의 증가로 정해진 위성의 크기, 발사 중량 및 비용으로 더 많은 열을 외부로 효율적으로 방출할 수 있는 방열 능력향상에 대한 필요성으로 새로운 열제어 물질에 대한 연구가 진행 중이다. 특히, 탄소 복합재는 일반적으로 열전도가 매우 높고, 가볍고, 기계적 강성에 좋은 특성이 있어 차세대 열제어를 위한 물질로 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 차세대 탄소 복합재인, APG(Annealed Pyrolytic Graphite)와 탄소-탄소 복합재(carbon-carbon composites)를 이용하여 통신패널의 열제어를 수행하는 경우와 기존의 열제어 방식과의 차이를 수치적으로 비교하였다.
참고문헌 (7)
Silverman, E., "Product Development of Engineered Thermal Composites for Cooling Spacecraft Electronics", Technology Review Journal, Fall/Winter 2005
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