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초록
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달 탐사를 위한 착륙선이 운용되는 열환경은 태양에 대한 달의 자전주기가 약 28일인 것에 기인하여 낮 시간과 밤 시간이 지구에 비하여 매우 장기간 지속 되는 등 지표나 지구 저궤도 환경에 비해 더욱 극단적이다. 달 착륙선의 초기 설계 단계에서는 착륙지 선정을 위해 각각의 후보 지역에서의 착륙선으로의 열 유입량 분석이 중요하다. 본 논문에서는 달 착륙선의 후보 착륙지에 따른 열적특성을 분석하고자 달의 표면온도를 모사할 수 있는 표토층의 열모델을 구축하였다. 그리고 상기 표토층에 착륙선을 적용하여 착륙지가 달의 적도, 중위도, 극지방에 위치한 경우, 바다 및 고지대에 위치한 조건에서의 열 유입량을 분석하였다. 또한 언덕의 경사진 지형조건이 착륙선의 열 유입량에 미치는 영향성 분석을 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The thermal environment on lunar surface is more severe than that of earth's surface or low earth orbit because of the long daytime and nighttime due to 28 days of rotation cycle of moon. Thus, analyzing heat flux on lunar lander at potential landing sites is important to determine the landing site ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 달의 자전과 함께 태양에 대한 달의 상세한 궤도변화가 해석상에 반영됨에 따른 영향도 있다. 그러나 본 연구에서의 열해석은 후보 착륙지의 위도 및 지역에 따른 열 유입량이 상대비교를 위해 수행되었다. 따라서 상기의 비대칭성이 달의 위도 및 지역에 따른 열 유입량의 경향성에 변화를 야기할 정도는 아니기에 Table 3의 분석결과를 그대로 제시하였다.
  • 실제 월면에 존재하는 언덕은 대부분 수십~수백 km의 규모이기에 이를 그대로 열모델로 구축하는 것은 해석시간이 과도해질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 언덕 존재에 따른 경향성 검토를 위해 언덕의 일부 경사면만을 모델링 하였다. 경사면의 높이는 약 22m이며, 착륙선이 위치한 평지와 경사면 간의 각도는 45°이다.
  • 계곡의 경우, 실제적으로 착륙선에 열적 영향이 발생할 만큼 계곡에 가깝게 착륙하지 않으며, 계곡에 가깝게 착륙한다 하여도 달 착륙선에 미치는 열적 영향은 미소할 것으로 판단된다. 또한 바위는 사이즈에 따라 열 유입량이 상이할 것이기에 본 연구에서는 언덕 지형에 의한 열적 영향만을 검토하였다.
  • 본 논문에서는 달 표면온도 조건을 모사가 가능한 달 표토층의 열모델을 구축하였으며, 열해석을 통해 예측된 달의 자전에 따른 온도변화를 실제 아폴로 17호 측정 데이터와의 비교함으로서 열모델의 유효성을 검증하였다. 이를 기반으로 표토층 위에 착륙선을 적용하여 착륙선이 달의적도, 중위도, 극지방의 다양한 위도조건을 비롯해 달의 바다 및 고지대에 위치한 경우, 그리고 언덕 부근에 위치한 조건에서의 각 판넬에 입사되는 열 유입량 분석을 통해 착륙선의 열적특성을 비교분석하였다.
  • 본 연구에서는 극한의 열환경에 노출되는 달 착륙선의 열적 특성을 분석하고자 달 표토층의 열모델을 구축하고 아폴로 17호의 온도 실측결과와의 비교를 통해 그 유효성을 입증하였다. 이를 토대로 표토층위에 달 착륙선을 배치하고 수행한 착륙 후보지의위도 및 지역에 따른 열 유입량 분석 결과로부터 방열판이 주로 배치되는 +Z 판넬에 대한 열 유입량이비교적 적은 중위도의 고지대 지역이 방열 효율 측면에서 가장 호조건임을 알 수 있었다.

가설 설정

  • 경사면의 높이는 약 22m이며, 착륙선이 위치한 평지와 경사면 간의 각도는 45°이다. 그리고 착륙선은 언덕이 시작되는 지점으로부터 약 1.5m거리에 위치하고 +Y 판넬이 언덕 경사면을 바라보는 것으로 가정하였다.
  • 달의 적도면과 태양 사이의 경사각이 최대 약 1.5°까지 나타나는 점을 고려하여 90°가 아닌 88.5° 지점에 착륙한 것으로 가정하여 열 유입량을 계산하였다.
  • 상기 열모델은 단일 절점을 갖는 총 6개의 1m×1m 면적의 정사각형 알루미늄구조체 판넬로 이루어진 정육면체로 단순화시켜 구현하였다. 착륙선 외부 표면의 열광학 물성치는 후보 착륙지의 열환경 조건에 따른 열 유입량계산을 목적으로 흡수율 및 방사율이 각각 1.0인 흑체로 가정하였다. 달 착륙선에 의한 그림자 효과를 효과적으로 모사하기 위해 착륙선이 배치되는 표토층 중앙의 9.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
달 탐사의 목적은? 냉전시대였던 1960년대에 미국과 소련의 우주개발 경쟁에서 시작된 달 탐사는 과학적, 기술적 임무 및 미래 우주기지 구축, 또는 헬륨-3과 희토류와 같은 자원 발굴의 목적을 갖고 유럽, 중국 및 일본 등의 우주개발 선진국에 의해서 지속되고 있다[1]. 2000년대에 들어서는 일본의 SELENE 유럽의 SMART-1, 인도의 찬드라얀 1호 등의 달 궤도선이 개발되어 성공적으로 달 탐사 임무를 마쳤다[2-3].
달 착륙선의 특징은? 달 착륙선의 경우, 약 28일에 이르는 달의 자전 속도로 인해 낮과 밤 구간의 길이가 각각 14일로 지구에 비해 현저하게 느리며, 또한 열을 흡수하는 대기의 부재 및 달 표토층의 높은 열흡수율 및 방사율로 인해 표면온도가 최대 300˚C의 높은 온도차를 나타내는 극한의 열환경에 노출된다[6-7]. 이와 같은 극단적인 열환경에서 탑재 임무장비의 작동 시 소자의 발열에 따른 온도상승 또는 장비의 비 작동 시 과도한 냉각이 이루어질 경우 정상적인 작동을 기대할 수 없게 된다.
극단적인 열환경에 대비하여 달 착륙선의 설계시 고려할 점은? 이와 같은 극단적인 열환경에서 탑재 임무장비의 작동 시 소자의 발열에 따른 온도상승 또는 장비의 비 작동 시 과도한 냉각이 이루어질 경우 정상적인 작동을 기대할 수 없게 된다. 따라서 달 표면의 가혹한 열환경 하에서 착륙선의 모든 임무장비의 생존을 비롯해 안정적인 작동성능 보장을 위해서는 허용온도 범위를 벗어나지 않도록 설계되어야 하며, 이를 위해 초기설계 단계에서 달 표면의 열환경을 비롯하여 달 착륙선의 열적 특성에 대한 분석이 중요하다.
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참고문헌 (14)

  1. Schmitt, H., "Return to the Moon: Exploration, Enterprise and Energy in the Human Settlement of Space", Springer Science & Business Media, New York, 2007. 

  2. Jin, S., Arivazhagan, S., and Araki, H., "New Results and Questions of Lunar Exploration from SELENE, Chang'E-1, Chandrayaan-1 and LRO/LCROSS", Advances in Space Research, Vol. 52, 2013, pp. 285-305. 

  3. Burchell, M. J., Robin-Williams, R., and Foing, B. H., "The SMART-1 Lunar Impact", Icarus, Vol. 207, No. 1, 2010, pp. 28-38. 

  4. ZeZhou, S., Yang, J., and He, Z., "Technological Advancements and Promotion Roles of Chang'e-3 Lunar Probe Mission", Science China Technological Sciences, Vol. 56, 2013, pp. 2702-2708. 

  5. Tanaka, S., Mitani, T., Otake, H., Ogawa, K., Kobayashi, N., Hashimoto, T., Hoshino, T., Otsuki, M., Wakabayashi, S., Kimura, J., and Kuramoto, K., "Present Status of the Lunar Lander Project SELENE-2", 44 th Lunar and Planetary Science Conference, Vol. 44, 2013, pp. 1838. 

  6. Heiken, G., Vaniman, D., and French, B. M., "Lunar Sourcebook: A User's Guide to the Moon", CUP Archive, Texas, 1991. 

  7. Zuliani, H., Oikawa, T., and Yoshida, K., "Thermal based Path Planning using Solar Orientation for a Lunar Micro Rover", 31 th International Symposium on Space Technology and Science, 2017-i-10, June 2017, pp. 1-6. 

  8. Grott, M., Knollenberg, J., and Krause, C., "Apollo Lunar Heat Flow Experiment Revisited: A Critical Reassessment of the In Situ Thermal Conductivity Determination", Journal of Geophysical Research: Planets, Vol. 115, 2010, pp. 1-11. 

  9. Vasavada, A. R., Bandfield, J. L., Greenhagen, B. T., Hayne, P. O., Siegler, M. A., Williams J. P., and Paige, D. A., "Lunar Equatorial Surface Temperatures and Regolith Properties from the Diviner Lunar Radiometer Experiment", Journal of Geophysical Research, Vol. 112, 2012, pp. 1-12. 

  10. Hager, P. B., "Dynamic Thermal Modeling for Moving Objects on the Moon", Dissertation, Technische Universitat Munchen, Munchen, 2013, pp. 1-206. 

  11. https://www.bobthealien.co.uk/moon/landingsites.htm 

  12. Christie, R. J., Plachta, D. W. and Hasan, M. M., "Transient Thermal Model and Analysis of the Lunar Surface and Regolith for Cryogenic Fluid Storage", NASA, 2007, pp. 1-19. 

  13. Thermal Desktop User's Manual, Ver 5.8, C&R Technologies, Inc., Colorado, 2017. 

  14. SINDA/FLUINT User's Manual, Ver 5.8, C&R Technologies, Inc., Colorado, 2015. 

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