위성체는 지상에서 우주환경시험을 거쳐 기능 및 작동상태를 점검해야 하며, 이를 위해서는 우주환경을 모사 할 수 있는 우주환경 모사장비가 필요하다. 위성체 및 위성체의 부품 성능을 검증하기 위해 사용되는 열진공 챔버는 진공용기, 진공시스템, 열제어 시스템 등으로 구성이 된다. 특히, 고온 및 극저온의 열환경을 모사하는 열제어 시스템이 열진공 챔버의 핵심이라고 할 수 있으며, 열제어 시스템의 성능은 극저온 블로워의 성능에 의해 결정된다. 본 논문에서는 극저온 블로워의 유동 해석과 블레이드의 구조해석을 통해 원심팬을 설계 하였으며, 구동부와 유체부의 열전달 방지를 위한 열장벽, 모터의 과열 방지를 위한 냉각 시스템 등이 설계되었으며, 이는 열해석을 통해 검증 되었다. 최종적으로 성능실험을 수행하여 극저온 블로워의 성능을 확인하였다.
위성체는 지상에서 우주환경시험을 거쳐 기능 및 작동상태를 점검해야 하며, 이를 위해서는 우주환경을 모사 할 수 있는 우주환경 모사장비가 필요하다. 위성체 및 위성체의 부품 성능을 검증하기 위해 사용되는 열진공 챔버는 진공용기, 진공시스템, 열제어 시스템 등으로 구성이 된다. 특히, 고온 및 극저온의 열환경을 모사하는 열제어 시스템이 열진공 챔버의 핵심이라고 할 수 있으며, 열제어 시스템의 성능은 극저온 블로워의 성능에 의해 결정된다. 본 논문에서는 극저온 블로워의 유동 해석과 블레이드의 구조해석을 통해 원심팬을 설계 하였으며, 구동부와 유체부의 열전달 방지를 위한 열장벽, 모터의 과열 방지를 위한 냉각 시스템 등이 설계되었으며, 이는 열해석을 통해 검증 되었다. 최종적으로 성능실험을 수행하여 극저온 블로워의 성능을 확인하였다.
Thermal vacuum test should be performed prior to launch to verify satellites' functionality in a harsh space environment which is represented by extremely cold temperatures and vacuum conditions. A thermal vacuum chamber which consists of a vacuum vessel, a pumping system, and a thermal control syst...
Thermal vacuum test should be performed prior to launch to verify satellites' functionality in a harsh space environment which is represented by extremely cold temperatures and vacuum conditions. A thermal vacuum chamber which consists of a vacuum vessel, a pumping system, and a thermal control system are used to perform thermal vacuum tests of a satellite system and its components. A cryogenic blower is a core component of the closed loop thermal control system for thermal vacuum chambers. This paper describes the fan design of the cryogenic blower, the design of the thermal protection interface between the driving part and the fluid part, which were verified by thermal and structural analyses. The performance of the cryogenic blower is confirmed by similarity test on the test bench.
Thermal vacuum test should be performed prior to launch to verify satellites' functionality in a harsh space environment which is represented by extremely cold temperatures and vacuum conditions. A thermal vacuum chamber which consists of a vacuum vessel, a pumping system, and a thermal control system are used to perform thermal vacuum tests of a satellite system and its components. A cryogenic blower is a core component of the closed loop thermal control system for thermal vacuum chambers. This paper describes the fan design of the cryogenic blower, the design of the thermal protection interface between the driving part and the fluid part, which were verified by thermal and structural analyses. The performance of the cryogenic blower is confirmed by similarity test on the test bench.
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문제 정의
특히 질소를 이용한 열제어 시스템은 냉매를 이용한 시스템에 비해 모사할 수 있는 온도 범위가 넓은 장점이 있으며, 질소를 이용한 폐회로 열제어 시스템은 극저온 블로워의 성능에 따라 성능이 결정된다[2]. 본 논문에는 개회로 및 냉매를 이용한 열제어 시스템에 비해 온도 범위가 넓은 장점을 갖는 폐회로 열제어 시스템의 핵심 부품인 극저온 블로워의 설계시 고려되어야할 팬형상, 모터 냉각 방식, 디스크 및 블레이드 구조설계 및 성능 시험결과가 포함되어 있다.
가설 설정
그러므로 극저온 블로워는 점선의 경계 이내에서 작동한다고 예상할 수 있다. 또한 점선의 작동 경계를 따라서 모든 점에서의 요구 유량이 400 CFM (11.33 m3/min)이라고 가정하고 이를 표준대기조건(20 ℃, 1 atm)으로 환산한 결과를 기준으로 설계를 수행하였다. 온도와 압력이 낮을 때 이를 표준조건으로 환산한 경우가 최대 유량 조건에 해당하며, 이때의 유량은 약 17.
작동조건 및 설계요구조건은 Table 1에 나타낸 바와 같다. 질소는 공기와의 물성치 차이가 거의 없으므로 공기로 가정하여 설계요구조건을 설정하였으며, 시험 평가를 통하여 요구 성능을 만족하는지 확인하여야 한다.
제안 방법
고온 및 극저온에서 사용되는 블로워의 성능 요구조건을 만족하기 위해 팬의 1차원 해석을 통해 12개의 블레이드를 갖는 원심팬이 적용되었으며, 열차폐를 위한 열차단막 등이 적용되었다. 블레이드의 구조해석을 통해 블레이드의 두께가 선정되었으며, 모터 냉각을 위해 냉각수의 유량은 냉각시스템의 열해석을 통해 결정되었다.
고온 및 극저온의 질소가스를 작동 유체로 하는 극저온 블로워는 내부의 기밀성을 유지하여야 하기 때문에 대기를 흡입하는 팬 방식을 적용하는 데 어려움이 있다. 따라서 블로워 내부와 외부를 완전히 차단하면서 모터를 냉각하는 냉각방법을 적용하였다. Fig.
이에 따라 기체 누출을 방지하기 위해 라비런스 씰(Labyrinth seal)이 설치가 되었으며, 유동부와 구동부 사이의 열전달 차단을 위해 열장벽(thermal barrier)이 적용되었다. 모터와 베어링 등으로 구성된 구동부의 냉각을 위해서는 모터 하우징 및 베어링 외부에 냉각수 유로를 설치하여 모터의 과열을 방지할 수 있는 냉각 시스템이 적용되었다.
7-Water3)를 통해 냉각된다. 모터의 냉각방법은 해석을 통해 냉각효과를 예측하였다. In-house 프로그램인 Cool-sys를 사용하여 해석을 수행 하였으며, 해석조건은 Table 2와 같다[4].
고온 및 극저온에서 사용되는 블로워의 성능 요구조건을 만족하기 위해 팬의 1차원 해석을 통해 12개의 블레이드를 갖는 원심팬이 적용되었으며, 열차폐를 위한 열차단막 등이 적용되었다. 블레이드의 구조해석을 통해 블레이드의 두께가 선정되었으며, 모터 냉각을 위해 냉각수의 유량은 냉각시스템의 열해석을 통해 결정되었다.
측정된 유량에 대한 각 물리량의 기여도 및 측정 불확도를 평가하였다. 차압식 유량계의 유량계산 방법은 식(3)과 같으며, 보통 종형 흡입구의 유출계수(Discharge coefficient, Cd)는 0.
대상 데이터
극저온 블로워의 디스크와 블레이드는 고온 및 저온 특성이 우수한 알루미늄 70 계열이 적용되었다. 디스크와 블레이드의 구조해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS가 사용되었다.
원심팬은 원심식 송풍기 중에서도 형상이 간단하며 설계기법을 통하여 비교적 정확한 예상 성능을 확보할 수 있는 장점이 있다[3]. 설계된 원심팬의 직경은 120 mm이며, 12개의 블레이드가 부착되는 형상으로, 블레이드의 두께는 2mm로 설계되었다. Fig.
데이터처리
모터의 냉각방법은 해석을 통해 냉각효과를 예측하였다. In-house 프로그램인 Cool-sys를 사용하여 해석을 수행 하였으며, 해석조건은 Table 2와 같다[4].
극저온 블로워의 디스크와 블레이드는 고온 및 저온 특성이 우수한 알루미늄 70 계열이 적용되었다. 디스크와 블레이드의 구조해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS가 사용되었다. 디스크 응력해석 결과 19,000 RPM의 회전조건을 주었을때 상온에서 안전계수는 1.
이론/모형
입/출구 압력 및 온도 측정을 위해서 적절한 길이의 직관이 요구되며, 유량/압력 조절을 위한 밸브가 장착되어야 한다. 온도와 압력의 측정은 ISO, AMCA 및 ASME 등의 요구규격에 따라 측정되었다.
성능/효과
10), 전체 유량 범위에 대하여 부하 변동이 크지 않은 원심팬의 특성을 나타내고 있다. 극저온인 -150 ℃에서 운전시에는 약 6,220 RPM에서 운전하면 설계점으로 선정한 요구 유량을 만족할 것으로 보이며, 150 ℃ 의 고온 조건에서는 약 11,530 RPM에서 운전시 요구 유량을 만족할 것으로 예상된다.
디스크와 블레이드의 구조해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS가 사용되었다. 디스크 응력해석 결과 19,000 RPM의 회전조건을 주었을때 상온에서 안전계수는 1.7로 응력에 여유가 있으며, 200 ℃의 온도 조건에서는 0.96으로 허용응력을 초과하였으나, 운용 예상 회전수인 14,000 RPM 이하, 200 ℃ 온도 조건하에서 안전계수(safety factor)는 1.8로 응력 여유가 있는 것으로 나타났다.
성능시험을 실시한 결과 표준대기조건을 기준으로 약 9,600 RPM으로 운전시 요구 성능을 만족하며(Fig. 10), 전체 유량 범위에 대하여 부하 변동이 크지 않은 원심팬의 특성을 나타내고 있다. 극저온인 -150 ℃에서 운전시에는 약 6,220 RPM에서 운전하면 설계점으로 선정한 요구 유량을 만족할 것으로 보이며, 150 ℃ 의 고온 조건에서는 약 11,530 RPM에서 운전시 요구 유량을 만족할 것으로 예상된다.
표준대기에서의 성능 검증시험을 통해 극저온 블로워는 9,600 RPM으로 가동시 요구된 유량조건을 만족함을 확인 하였다. 측정된 유량의 확장불확도는 신뢰수준 95%에서 0.58 %로 요구조건에 부합하다고 판단할 수 있다.
표준대기에서의 성능 검증시험을 통해 극저온 블로워는 9,600 RPM으로 가동시 요구된 유량조건을 만족함을 확인 하였다. 측정된 유량의 확장불확도는 신뢰수준 95%에서 0.
후속연구
향후, 본 연구에서 개발된 극저온 블로워는 열진공 챔버에 설치되어 고온 및 극저온의 환경 하에서 성능이 검증될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우주환경은 어떠한 특징을 가지고 있는가?
우주환경은 고진공 환경이며 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 하고 이는 결국 임무의 실패로 이어지기도 한다.
열진공 챔버용 열제어 시스템은 무엇인가?
열진공 챔버용 열제어 시스템은 열진공 챔버내에서 시편, 특히 위성체 부품에 대한 열환경에서의 성능검증을 위한 시스템으로 고온 및 극저온 환경 모사에 사용된다. 열제어 시스템은 유체의 종류, 시스템의 개/폐 유무에 따라 구분이 된다.
열제어 시스템은 유체의 종류에 따라 어떻게 구분되는가?
열제어 시스템은 유체의 종류, 시스템의 개/폐 유무에 따라 구분이 된다. 유체의 종류에 따라서는 질소를 사용하는 방법과 냉매를 이용하는 방법으로 구분이 된다. 질소를 사용하는 시스템은 극저온 및 고온 환경과 같이 넓은 온도범위의 열환경 모사가 가능하나, 극저온 블로워, 질소 공급장치 및 극저온 밸브등이 필요하다.
참고문헌 (6)
David G. Gilmore, Satellite Thermal Control Handbook, thermal testing, 9-17, 1994.
H.J Seo, H.J Cho, S.H Lee, G.W Moon, "Analysis of Close loop thermal control system and review of test result", KSSS Conference, 2011.
C.J Kim, K.B Lim, Fluid machinery, 2004.
S.M Ahn, "Development report of Cryogenic blower for thermal environment simulation", 2012
B.J Lim, C.W Hong, J.H Kim, "Air Similarity Performance Test of Turbopump Turbine", The Korean Society of Propulsion Engineers, Vol 10, 2006, pp. 39-45.
HUGH W. COLEMAN, W. GLENN STEELE, JR, Experimentation and Uncertainty Analysis for Engineers, 1998.
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