[논문]단순화 된 열 저항 해석을 이용한 우주용 FPA 열제어 설계 방안 연구

장진수; 양승욱; 김종운; 김이을

doi:10.5139/jksas.2015.43.2.179

[국내논문] 단순화 된 열 저항 해석을 이용한 우주용 FPA 열제어 설계 방안 연구
Study on Methodology of Trade-Off for Space-borne FPA Thermal Design by Simplified Thermal Node Analysis 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.2, 2015년, pp.179 - 185

장진수 (Satrec initiative) , 양승욱 (Satrec initiative) , 김종운 (Satrec initiative) , 김이을 (Satrec initiative)

초록
AI-Helper

우주용 고해상도 전자광학카메라의 개발에 있어 초점면 배열 장치(Focal Plane Assembly, FPA)의 열제어 설계는 영상품질을 결정하는 중요한 요소이다. FPA 열제어 설계의 목표는 영상 촬영 기간 중 안정적인 열 환경을 제공하는 것으로, 촬영 기간 동안 운용 온도를 주어진 범위 내로 유지해야 하며 후속 촬영에 문제가 없도록 빠른 시간 내에 온도 초기화를 완료해야 한다. 상기의 두 항목인 온도 유지와 온도 초기화 중에서 FPA 구조 설계에 따른 영향을 가장 많이 받으며, 설계 변경의 자유도가 상대적으로 낮은 온도 유지 항목에 대하여 FPA 구조설계 초기 단계부터 검토 및 반영이 가능한 단순화 된 열 저항 해석 기반의 온도 예측 방안을 정의하였다. 또한 열해석 결과와의 비교를 통해 온도 예측 방안을 검증, FPA 설계를 위한 trade-off에 효과적으로 사용할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The main objective of thermal design for a space-borne FPA(Focal Plane Assembly) is to provide stable thermal environment during imaging operation and thus maintain the image quality. An FPA must be maintained within its operating temperature range and cooled down to its initial temperature soon enough for the next imaging operation. This paper describes the study result on performing trade-off studies for FPA thermal design by using simplified thermal node analysis about FPA preliminary design. It also describes the verification results of the study by comparing thermal analysis results and trade-off study results. According to results, we can conclude that this approach is useful for simple and quick trade-off studies without thermal analysis based on thermal math models.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

광학계는 기존의 EOS-D와 설계 개념이 동일하기 때문에 특이 사항이 없을 것으로 판단되었으나, FPA의 경우 전자부/기계부의 설계에 상당 부분 변경이 발생, 설계 변경에 따른 영향 검토가 필요하게 되었다. 그러나 각각의 설계안에 대해 열해석 모델들을 작성하여 영향 검토를 수행하는 것은 한계가 있기 때문에 보다 효율적인 검토 방안을 모색하였다.
FPA의 열제어계는 영상 촬영 기간 중에 운용 범위 내로 온도를 유지하고 후속 영상 촬영에 문제가 없도록 빠른 시간 내에 온도 초기화를 완료하여 안정적인 열 환경을 제공하는 것을 목표로 한다[1-2]. 이 중에서 FPA 구조 설계의 영향을 가장 많이 받으며 설계 변경의 자유도는 상대적으로 낮은 온도 유지 항목에 대해 유용한 검토 방안이 있는지를 모색하였다.
FPA의 열제어계는 영상 촬영 기간 중에 운용 범위 내로 온도를 유지하고 후속 영상 촬영에 문제가 없도록 빠른 시간 내에 온도 초기화를 완료하여 안정적인 열 환경을 제공하는 것을 목표로 한다[1-2]. 이 중에서 FPA 구조 설계의 영향을 가장 많이 받으며 설계 변경의 자유도는 상대적으로 낮은 온도 유지 항목에 대해 유용한 검토 방안이 있는지를 모색하였다. 그 결과, FPA 구조 설계에 따른 열 특성 기반의 온도 예측 방안을 도출하게 되었다.
본 논문에서는 단순화 된 열 저항 해석 기반의 온도 예측 방안의 도출 과정 및 검증 결과, 그리고 이를 바탕으로 한 FPA 설계의 trade-of 및 최적화 방안에 대해 논하고자 한다.
이와 별도로, 임의의 설계 요구 조건에 의해 검출기를 FMB에 직접 조립하는, 즉 Fig. 9와 같은 2 절점(two-thermal nodes) 시스템에 대하여 단순화 된 열 저항식의 적용 가능성에 대해 검토해 보았다.
단순화 된 열 저항식은 FPA 설계 초기에, FPA 설계에 있어 주요 구속 조건 중에 하나인 검출기의 운용 온도를 열해석 모델의 작성 및 검토 과정 없이 확인, 보다 빠르고 효과적으로 trade-of 를 수행할 수 있게 하기 위해 고안한 방안이다. 본 방안을 이용함으로써, 검출기의 온도를 빠르고 쉽게, 그리고 비교적 정확하게 예측할수 있었다.

가설 설정

즉, FPA-1/2 FMB와 FPA Housing 간의 열적 결합에 의해 실제로는 FPA Housing으로 전도 열 전달/냉각이 발생되고 있으나, 본 단순화된 열 저항식은 이 부분을 단열로 가정하였고, 따라서 전도 열 전달/냉각으로 소산되는 발열량만큼 FMB의 온도 증분이 과도하게 예측되었다. 또한 FMB의 경우, 검출기나 SMB와 달리 겉면적이 상당하기 때문에 복사 열전달/냉각 효과도 일정 수준 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.

제안 방법

상기의 검토 결과를 바탕으로 FPA 전체가 아닌 FPA-1에 대해 열 저항 선도(thermal node network)를 검토하였으며, 이를 정리하면 Fig. 2와 같다.
단순화 된 열 저항식을 이용한 온도 예측의 신뢰성을 확인하기 위해 검토 대상에 대해 열-수치 모델(Thermal Math Model, TMM)을 작성, 비교하기로 하였다.
이를 위해 NX I-DEAS 6.0 TMG 프로그램을 이용하여 Fig. 5와 같이 검토 대상에 대한 열-수치 모델을 작성하였다.
열-수치 모델의 경우, FPA의 실제 열 특성 모사 및 확인이 목적이므로 앞서 단순화 된 열 저항식에서 단열로 간주한 FPA-1/2와 FPA 간의 열적 결합(thermal coupling)을 포함, FPA 전체에 대해 모델링하였으며, 또한 실제 현상인 복사 열 전달/냉각 효과도 모델링에 포함시켰다.
지금까지 FPA 열 특성을 기반으로 단순화 된열 저항식의 유도 과정 및 검증 결과, 그리고 이를 이용한 trade-of 과정 및 효용성에 대해 살펴보았다.
설계 특성을 기반으로 광학계(Telescope)와 초점면 배열 장치(Focal Plane As embly, FPA)로 나눠 열제어계 예비 설계(preliminary design)를 진행하였다. 광학계는 기존의 EOS-D와 설계 개념이 동일하기 때문에 특이 사항이 없을 것으로 판단되었으나, FPA의 경우 전자부/기계부의 설계에 상당 부분 변경이 발생, 설계 변경에 따른 영향 검토가 필요하게 되었다.

대상 데이터

검토 대상인 FPA는 Fig. 1과 같이 접속 구조물(interface bracket)을 이용하여 주 구조물인 FPA Housing의 위/아래에 FPA-1과 FPA-2가 각각 조립되는 구조이다. 이 부분에 대해 열적 관점에서 검토하자면, 약 10 W/m-K 정도의 상당히 작은 열전도율(thermal conductivity)을 갖는 Super Invar 재질의 접속 구조물과 약 0.

데이터처리

이를 확인하기 위해 몇몇 설계 검토 대상에 대해 열해석 모델을 작성하여 열해석 결과와 단순화 된 열 저항식의 예측값 비교를 수행하였으며, Fig. 7에 열해석 결과에 따른 온도 추세를, 그리고 Table 3에 비교 결과를 정리해 놓았다.

이론/모형

목표로 하는 영상 촬영 기간에 대하여 검토 대상의 열-수치 모델을 이용하여 열해석을 수행, 온도 추세를 정리하면 Fig. 6과 같다. 또한 단순화 된 열 저항식을 이용하여 예측한 값과 열해석 결과를 비교, Table 1에 정리하였다.

성능/효과

이 중에서 FPA 구조 설계의 영향을 가장 많이 받으며 설계 변경의 자유도는 상대적으로 낮은 온도 유지 항목에 대해 유용한 검토 방안이 있는지를 모색하였다. 그 결과, FPA 구조 설계에 따른 열 특성 기반의 온도 예측 방안을 도출하게 되었다. 도출한 온도 예측 방안에 대해 신뢰성 확인을 위해 열해석 결과와 비교해 보았으며, 비교적 정확한 온도 예측이 가능함을 확인할 수 있었다.
그 결과, FPA 구조 설계에 따른 열 특성 기반의 온도 예측 방안을 도출하게 되었다. 도출한 온도 예측 방안에 대해 신뢰성 확인을 위해 열해석 결과와 비교해 보았으며, 비교적 정확한 온도 예측이 가능함을 확인할 수 있었다.
또한 FPA-1/2와 FPA Housing 간의 열적 결합의 경우, 열 저항 해석(thermal resistance analysis) 결과 약 29 K/W로 앞서 단순화 된 열 저항식 유도를 위해 절연 상태로 가정했던 것이 크게 벗어난 것이 아님을 확인할 수 있었다.
Table 1을 보면, FPA 개별 부품들의 열해석 결과와 단순화 된 열 저항식을 이용한 예측값 간의 오차는 각각 1.7 %, 0.9 %, 6.2 %로 열해석 모델을 이용하지 않더라도 상당히 정확한 예측이 가능함을 알 수 있다.
즉, FPA의 초기 설계 단계에서 열해석 모델의 작성 및 이를 통한 열해석 수행, 결과 검토 과정이 없더라도 검출기의 온도를 쉽게 예측할 수 있다. 따라서 FPA 설계에 있어 주요 구속 조건 중에 하나인 검출기의 운용 온도를 만족시키는 설계안을 찾기 위한 trade-of 를 열해석 모델을 작성하지 않더라도 본 단순화된 열 저항식을 이용하여 보다 쉽고, 빠르게 수행할 수 있다.
검토 결과, Table 3과 같이 단순화 된 열 저항식을 이용하여 예측한 검출기의 온도와 열해석 결과 사이에 큰 차이가 없는 것을 알 수 있으며, 따라서 단순화 된 열 저항식을 이용한 검출기 온도 예측 및 이를 바탕으로 한 FPA 설계의 trade-of 수행은 기술적으로 의미가 있다고 할 수 있다.
비교, 정리하면 Table 4와 같다. 2 절점 시스템의경우, 앞서 검토한 3 절점 시스템에 비해 온도 증분의 오차가 상당한 것을 알 수 있는데, 이는 앞서 검토한 바와 같이 FMB의 온도 증분이 과도하게 산출되었고, 이에 따라 FMB에 직접 연결 되는 검출기의 온도도 실제보다 과도하게 예측됨에 기인된 것이다.
단순화 된 열 저항식은 FPA 설계 초기에, FPA 설계에 있어 주요 구속 조건 중에 하나인 검출기의 운용 온도를 열해석 모델의 작성 및 검토 과정 없이 확인, 보다 빠르고 효과적으로 trade-of 를 수행할 수 있게 하기 위해 고안한 방안이다. 본 방안을 이용함으로써, 검출기의 온도를 빠르고 쉽게, 그리고 비교적 정확하게 예측할수 있었다. 물론, 유도 과정에서의 가정 및 조건 들로 인해 일부 오차도 있으나, 해당 부분이 FPA의 설계에 미치는 영향이 미비하기 때문에 실제 단순화 된 열 저항식을 활용한 FPA 설계 trade-of 에는 큰 영향이 없다.
온도 증분에 대해 단순화 된 열 저항식의 예측값과 열해석 결과 비교 시, 검출기와 SMB의 오차는 5 % 이내로 단순화 된 열 저항식을 이용한 온도 예측이 유효함을 알 수 있다. 이와 달리 FMB의 경우, 약 30 %에 달하는 상당한 양의 오차가 발생한 것을 볼 수 있는데, 이는 단순화 된 열 저항식을 유도하는 과정에서의 가정과 실제 현상의 차이 때문으로 판단된다.

후속연구

그러나 앞서 2차 시스템 형태에서 살펴보았듯이, 1차 시스템 형태에 대한 단순화 된 열 저항식 또한 FPA 설계안을 찾기 위한 trade-of 에 일정 수준 이상/이하의 설계는 바로 배제할 수 있도록 해 줌으로써 상당 부분 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
별도로, 향후로도 단순화 된 열 저항식의 신뢰성 향상 및 오차 최소화를 위해 앞서 검토한 오차 발생 원인들을 바탕으로 오차 최소화를 위한 추가의 고민 및 노력을 계속 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주용 고해상도 전자광학카메라의 FPA 열제어 설계의 목표는 무엇인가?	우주용 고해상도 전자광학카메라의 개발에 있어 초점면 배열 장치(Focal Plane Assembly, FPA)의 열제어 설계는 영상품질을 결정하는 중요한 요소이다. FPA 열제어 설계의 목표는 영상 촬영 기간 중 안정적인 열 환경을 제공하는 것으로, 촬영 기간 동안 운용 온도를 주어진 범위 내로 유지해야 하며 후속 촬영에 문제가 없도록 빠른 시간 내에 온도 초기화를 완료해야 한다. 상기의 두 항목인 온도 유지와 온도 초기화 중에서 FPA 구조 설계에 따른 영향을 가장 많이 받으며, 설계 변경의 자유도가 상대적으로 낮은 온도 유지 항목에 대하여 FPA 구조설계 초기 단계부터 검토 및 반영이 가능한 단순화 된 열 저항 해석 기반의 온도 예측 방안을 정의하였다.
	FPA-1/2와 FPA가 열적으로 절연상태라고 간주할 수 있는 이유는 무엇인가?	1과 같이 접속 구조물(interface bracket)을 이용하여 주 구조물인 FPA Housing의 위/아래에 FPA-1과 FPA-2가 각각 조립되는 구조이다. 이 부분에 대해 열적 관점에서 검토하자면, 약 10 W/m-K 정도의 상당히 작은 열전도율(thermal conductivity)을 갖는 Super Invar 재질의 접속 구조물과 약 0.4 W/m-K 정도의 매우 작은 열전도율을 갖는 접착제(adhesive)로 연결되므로, FPA-1/2와 FPA은 열적으로 절연(thermal decoupling) 상태라고 간주할 수 있다.
	우주용 고해상도 전자광학카메라의 개발에서 영상품질을 결정하는 중요한 요소는 무엇인가?	우주용 고해상도 전자광학카메라의 개발에 있어 초점면 배열 장치(Focal Plane Assembly, FPA)의 열제어 설계는 영상품질을 결정하는 중요한 요소이다. FPA 열제어 설계의 목표는 영상 촬영 기간 중 안정적인 열 환경을 제공하는 것으로, 촬영 기간 동안 운용 온도를 주어진 범위 내로 유지해야 하며 후속 촬영에 문제가 없도록 빠른 시간 내에 온도 초기화를 완료해야 한다.

참고문헌 (5)

Jin-Soo Chang, Jong-Un Kim, Myung-Seok Kang, Seung-Uk Yang, Ee-Eul Kim, "Development and Verification of Thermal Control Subsystem for High Resolution Electro-Optical Camera System, EOS-D Ver.1.0",Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 41, No. 11, 2013, pp. 921-930.

원문보기 상세보기
Jin-Soo Chang, Seung-Uk Yang, Yun-Hwang Jeong, Ee-Eul Kim, "Design and Development of Thermal Control Subsystem for an Electro-Optical Camera System",Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 37, No. 8, 2009, pp. 798-804.

원문보기 상세보기
David G. Gilmore, Spacecraft Thermal Control Handbook Second Ed., The Aerospace Press, 2002.
Frank P. Incropera, David P. Witt, Fundamental of Heat and Mass Transfer Fifth Ed., WILEY, 2002.
Methodology of Trade-Off and Optimization for FPA Thermal Design by Derivation of Thermally Theoretical Approach, Satrec Initiative, SI-TEM-ST7-2014-001, Rev. 1.0, 2014.

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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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