본 논문에서 제안한 우주기반기술 검증용 극초소형 위성의 명칭은 STEP Cube Lab.(Cube Laboratory for Space Technology Experimental Project)이며, 주요임무는 가변 방사율 열제어기, 형상기억합금진동 절연기, 진동형 히트파이프, MEMS 기반 고체 추력기와 같이 국내 산학연에서 기 수행된 우주핵심기술을 발굴 및 탑재하여 궤도검증을 실시하는 것이다. 또한, 배열형 집광렌즈가 적용된 고효율 집광형 태양전력시스템과 열선절단방식이 적용되어 높은 체결력과 적용방법에 따라 복수구조물의 구속 및 분리가 가능한 무충격 구속분리장치를 주요 탑재체로 개발하여 궤도 검증을 실시예정이다. 본 논문에서는 상기 탑재체의 궤도 검증을 임무목적으로 하는 STEP Cube Lab.의 체계 및 부체계 개념설계를 통해 임무의 구현 가능성을 검토하였다.
본 논문에서 제안한 우주기반기술 검증용 극초소형 위성의 명칭은 STEP Cube Lab.(Cube Laboratory for Space Technology Experimental Project)이며, 주요임무는 가변 방사율 열제어기, 형상기억합금 진동 절연기, 진동형 히트파이프, MEMS 기반 고체 추력기와 같이 국내 산학연에서 기 수행된 우주핵심기술을 발굴 및 탑재하여 궤도검증을 실시하는 것이다. 또한, 배열형 집광렌즈가 적용된 고효율 집광형 태양전력시스템과 열선절단방식이 적용되어 높은 체결력과 적용방법에 따라 복수구조물의 구속 및 분리가 가능한 무충격 구속분리장치를 주요 탑재체로 개발하여 궤도 검증을 실시예정이다. 본 논문에서는 상기 탑재체의 궤도 검증을 임무목적으로 하는 STEP Cube Lab.의 체계 및 부체계 개념설계를 통해 임무의 구현 가능성을 검토하였다.
The mission objective of STEP Cube Lab. (Cube Laboratory for Space Technology Experimental Project) classified as a pico-class satellite is to verify the technical effectiveness of payloads such as variable emittance radiator, SMA washer, oscillating heat pipe and MEMS based solid propellant thruste...
The mission objective of STEP Cube Lab. (Cube Laboratory for Space Technology Experimental Project) classified as a pico-class satellite is to verify the technical effectiveness of payloads such as variable emittance radiator, SMA washer, oscillating heat pipe and MEMS based solid propellant thruster researched at domestic universities. In addition, the MEMS concentrating photovoltaic power system and the non-explosive holding and separation mechanism with the advantages of high constraint force and low shock level will be developed as the primary payloads for on-orbit verification. In this study, the feasibility of the mission actualization has been confirmed by the preliminary system design.
The mission objective of STEP Cube Lab. (Cube Laboratory for Space Technology Experimental Project) classified as a pico-class satellite is to verify the technical effectiveness of payloads such as variable emittance radiator, SMA washer, oscillating heat pipe and MEMS based solid propellant thruster researched at domestic universities. In addition, the MEMS concentrating photovoltaic power system and the non-explosive holding and separation mechanism with the advantages of high constraint force and low shock level will be developed as the primary payloads for on-orbit verification. In this study, the feasibility of the mission actualization has been confirmed by the preliminary system design.
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문제 정의
본 큐브위성의 주요임무는 논문 연구실적으로만 그친 국내 산학연 기 수행 미래우주 핵심기술을 발굴 및 탑재하고, 무충격 구속분리장치와 MEMS 집광형 태양전력 시스템을 개발하여 본 위성을 통해 궤도검증 하는 것이다. 이를 위해 Fig.
제안 방법
본 논문에서 제안한 큐브위성의 주요 임무는 논문 연구실적으로만 그친 국내 산학연 기 수행 우주 핵심기술을 발굴 및 탑재하고, 자체개발 탑재체를 궤도상 검증하는 것이다. 궤도검증을 위해 선정된 탑재체는 다음과 같다.
본 논문에서는 상기 선정 및 개발된 탑재체의 궤도 검증을 위한 큐브위성의 시스템 설계를 진행하였으며, 각 서브시스템과의 Trade-off Study를 통해 시스템 요구조건을 충족하는 서브시스템 요구조건, 기능 구성도와 설계치를 도출하였다. 향후 개발 탑재체를 대상으로 설계에 대한 유효성을 입증하기 위해 EM(Engineering Model)과 QM(Qualification Model)의 제작 및 시험을 수행할 예정이다.
본 위성의 임무수행을 위해 수동적 열제어 방식을 기초로 열설계를 진행하였으며 궤도 열해석을 통해 설계의 타당성을 입증하였다. 열해석은 Table 4와 같은 Worst Cold Case와 Worst Hot Case의 온도 조건에서 수행하였다.
본 큐브위성은 공간상의 제약과 임무 특성으로부터 수동적 자세제어 구현을 위해 히스테리시스 댐퍼(Hymu80)를 조합한 영구자석(AlNiCo)이 지자기의 자력선에 따라 토크를 발생하는 영구자석 안정화 수동형 제어방식을 적용하였다. 영구자석 안정화 방식을 적용할 경우, 예측되는 위성의 궤도 프로파일은 Fig.
아울러 UHF/VHF 두 대역을 사용하여 한쪽 패널을 모두 사용하는 타 큐브위성과 달리 본 큐브위성의 경우 다수의 탑재체로 인한 공간의 협소로 인해 송/수신을 Buck Convert로 스위칭 하여 UHF(435MHz) 한 대역으로만 통신하게 되는 Fig. 13의 모노폴 안테나[9]를 채택하여 타 임무 장비를 위한 여유 공간을 확보하였다.
본 논문에서는 상기 탑재체의 궤도 검증을 주요 임무목적으로 하는 STEP Cube Lab.의 체계/부체계 개념설계 및 일부 탑재체의 설계 타당성 입증을 위한 EM (Engineering Model)의 기능시험을 통해 임무의 구현 가능성을 검토하였다.
본 큐브위성의 주요임무는 논문 연구실적으로만 그친 국내 산학연 기 수행 미래우주 핵심기술을 발굴 및 탑재하고, 무충격 구속분리장치와 MEMS 집광형 태양전력 시스템을 개발하여 본 위성을 통해 궤도검증 하는 것이다. 이를 위해 Fig. 1과 같이 탑재체를 선정하였으며 주요 탑재체에 대한 소개 및 내용은 2장에서 상세히 기술하고자 한다.
대상 데이터
지상국은 UHF Yagi Antenna와 Data음성신호를 변조하는 TNC(Terminal Node Controller) 그리고 안테나로 출력신호를 송출해주는 Transceiver로 이루어져 있고, 위치를 추적하는 Tracking & Rotator System으로 구성되어 있다.
성능/효과
9%마진으로 전력계 요구조건을 충족함을 확인하였다. 또한 주요 임무 탑제체인 MEMS 집광형 렌즈를 배 치하여 태양광 사각지대에서의 생성효율이 증가함에 따라 전력버짓이 상기 34.9%보다 증가될 것으로 예상된다.
본 큐브위성의 궤도당 생성전력은 1.34W이며 각 임무장비별 소모 전력량 추정 결과, 궤도조건을 바탕으로 추정된 평균요구 전력량은 최대 0.78W이고 이로부터 전력계효율을 고려하여 Table 6의 전력버짓을 산출한 결과 34.9%마진으로 전력계 요구조건을 충족함을 확인하였다. 또한 주요 임무 탑제체인 MEMS 집광형 렌즈를 배 치하여 태양광 사각지대에서의 생성효율이 증가함에 따라 전력버짓이 상기 34.
열해석 결과 각 임무장비의 허용온도에 대해 5°C 이상의 마진을 확인하였다.
후속연구
향후 개발 탑재체를 대상으로 설계에 대한 유효성을 입증하기 위해 EM(Engineering Model)과 QM(Qualification Model)의 제작 및 시험을 수행할 예정이다. 또한 본 큐브위성의 개발을 통해 산학연 기술의 궤도 검증과 이를 통한 학문적 기술적 교류 및 이를 토대로 미래 우주핵심 원천기술로의 발전을 위한 지적기반 구축에 공헌할 수 있을 것으로 판단된다.
MEMS 기반 고체 추력기[7]는 총 9개의 고체추진제로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기와 같이 국내 산학연에서 기 수행된 우주핵심기술을 발굴 및 탑재하여 궤도검증을 실시예정이며, 태양광과 태양전지판이 이루는 각도가 평행인 상태에서도 전력생성효율 향상이 가능한 MEMS 집광형 태양 전력 시스템 및 열선절단방식이 적용되어 높은 체결력과 적용방법에 따라 복수구조물의 구속 및 분리가 가능한 무충격 구속분리장치를 주요 탑재체로 개발하여 본 위성을 통해 궤도 검증을 실시예정이다.
본 논문에서는 상기 선정 및 개발된 탑재체의 궤도 검증을 위한 큐브위성의 시스템 설계를 진행하였으며, 각 서브시스템과의 Trade-off Study를 통해 시스템 요구조건을 충족하는 서브시스템 요구조건, 기능 구성도와 설계치를 도출하였다. 향후 개발 탑재체를 대상으로 설계에 대한 유효성을 입증하기 위해 EM(Engineering Model)과 QM(Qualification Model)의 제작 및 시험을 수행할 예정이다. 또한 본 큐브위성의 개발을 통해 산학연 기술의 궤도 검증과 이를 통한 학문적 기술적 교류 및 이를 토대로 미래 우주핵심 원천기술로의 발전을 위한 지적기반 구축에 공헌할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
STEP Cube Lab의 주요 임무는 무엇인가?
본 논문에서 제안한 우주기반기술 검증용 극초소형 위성의 명칭은 STEP Cube Lab.(Cube Laboratory for Space Technology Experimental Project)이며, 주요임무는 가변 방사율 열제어기, 형상기억합금 진동 절연기, 진동형 히트파이프, MEMS 기반 고체 추력기와 같이 국내 산학연에서 기 수행된 우주핵심기술을 발굴 및 탑재하여 궤도검증을 실시하는 것이다. 또한, 배열형 집광렌즈가 적용된 고효율 집광형 태양전력시스템과 열선절단방식이 적용되어 높은 체결력과 적용방법에 따라 복수구조물의 구속 및 분리가 가능한 무충격 구속분리장치를 주요 탑재체로 개발하여 궤도 검증을 실시예정이다.
큐브위성이란 무엇인가?
극초소형 위성으로 분류되는 큐브위성은 1U(10cm x 10cm x 10cm)크기를 기준으로 1kg 이하의 정육면체 형상을 갖는 극초소형 위성이며, 1U큐브위성은 2U, 3U로의 확장이 가능하다[1]. 큐브위성은 극초소형임에도 불구하고 성능에는 차이가 존재하나 개발기간이 짧고, 저비용으로 개발이 가능하다는 강점이 있어 임무실패에 따른 위험부담이 큰 중·대형급 위성에 비해 개발이 용이하여 지구관측, 과학실험 또는 첨단기술이나 개발부품의 사전 궤도검증 등의 임무수행이 가능하다.
위성분리로부터 궤도운용에 이르는 STEP Cube Lab의 각 운용모드별 정의는 무엇인가?
의 운용모드를 나타내고 있으며 각 운용모드별 정의는 다음과 같다. Post Ejection Stand-by Mode는 발사체의 P-POD에서 큐브위성 분리 후 Kill Switch 작동과 동시에 자동 대기모드로 전환하는 모드, Upper Panel Assembly Deploy Mode는 무충격 구속분리장치를 구동하여 하부 주구조체 및 상부패널 조립체, 안테나를 분리하는 모드, MEMS CPV System Test Mode 에서는 MEMS CPV System의 적용으로 인한 각 판넬에서 생성된 전력데이터를 획득하는 모드, MEMS Thruster Test Mode에서는 MEMS 추력기 작동과 이에따른 위성의 위치정보데이터를 수집하는 모드, Variable Emittance Radiator Test Mode에서는 가변방사 라디에이터와 방사율이 고정된 라디에이터의 온도 정보 데이터를 수집하는 모드, Oscillating Heat Pipe Test Mode에서는 히트파이프의 기화부 열인가에 따른 기화부 및 응축부의 온도정보 데이터를 수집하는 모드를 나타낸다.
참고문헌 (9)
Kitts, C. A., Twiggs, R. J., "Initial Developments in The Stanford SQUIRT Program", Progress in Biomedical Optics and Imaging, No. 2317, 1994, pp. 178-185
M. Komatsu, N. Shinichi, "University of Tokyo Nano Satellite Project PRISM", Proceedings of The 26th International Symposium on Space Technology and Science, Vol. 7, 2009, pp. 19-24
S. M. W., Seager, S., Pong, C. M., Villasenor, J. S., Ricker, G. R. Miller, D. W., Knapp, M. E., Farmer, G. T., J. Clem, R. "ExoplanetSat: Detecting Transiting Exoplanets Using a Low-cost CubeSat Platform", Proceedings of The SPIE, Vol. 7731, No. 2, 2010, pp. 66-78
J. W. Jang, J. S Kim, S. J. Ha, "High Power LED Thermal Spreaders Design Using Pulsating Heat Pipe", Proceedings of The SACRE Spring Conference, Jun. 2009, pp. 1379-1384
S. W. Han, B. S. Choi, T. H. Song, S. J. Kim, B. J. Lee "Experimental Investigation of Variable Emittance Material Based on (La, Sr) $MnO_3$ ", Transactions of The KSME B, Vol. 37, No. 6, 2013, pp. 583-590
S. H. Youn, H. K. Jeong, J. H. Han "Comparisons of Isolation Performances for The SMA Mesh Washer Isolator with The Variation of Pre-compressed Displacement" Transactions of The KSNVE, Vol. 21, No. 2, 2011, pp. 162-168
H. W. Ha, H. U. Oh "Performance Investigation of Attitude Determination Control for Cube Satellite Using Permanent Magnet Stabilization Method" Journal of ASE, Vol. 7, No. 1, 2013, pp. 44-49
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