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.
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.
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 ...
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 in its initial design phase. In this study, thermal model of lunar regolith that can simulate lunar surface temperature was constructed for analyzing thermal characteristics according to the potential landing sites of lunar lander. The heat flux analyses were performed various latitudes of equator, mid-latitude, polar regions, lunar mare and highland. In addition, we also investigated the heat flux of lunar lander when it is landed on adjacent area to hill.
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 in its initial design phase. In this study, thermal model of lunar regolith that can simulate lunar surface temperature was constructed for analyzing thermal characteristics according to the potential landing sites of lunar lander. The heat flux analyses were performed various latitudes of equator, mid-latitude, polar regions, lunar mare and highland. In addition, we also investigated the heat flux of lunar lander when it is landed on adjacent area to hill.
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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.
제안 방법
그리고 달착륙선의 열 유입량에 영향을 미치지 않도록 100m×100m로 면적을 충분히 크게 하였다. 그리고 컨택터(Contactor)를 이용하여 먼지층과 표토층간의 열전도를 모사하였다.
달 착륙선에 의한 그림자 효과를 효과적으로 모사하기 위해 착륙선이 배치되는 표토층 중앙의 9.9m×9.9m 면적은 절점 간격을 0.3m로 하고, 그 외의 면적은 절점 수를 최소화하기 위해 10m 간격으로 모델링하였다.
달 착륙선의 착륙지점에 따라 월면의 계곡, 바위 및 언덕과 같은 다양한 지형조건에 의한 열적 영향에 노출될 수 있기 때문에 열해석을 통해 상기지형에 대한 영향성을 검토하였다. 계곡의 경우, 실제적으로 착륙선에 열적 영향이 발생할 만큼 계곡에 가깝게 착륙하지 않으며, 계곡에 가깝게 착륙한다 하여도 달 착륙선에 미치는 열적 영향은 미소할 것으로 판단된다.
97의 동일한 값으로 고려하였다. 또한 발열조건의 경우, 달 내부의 지각활동에 의한 열 유입량인 0.031W/m2를 깊이 0.62m 지점에 적용하였다. 본 연구에서는 후보 착륙지에 따른 열 유입량의 상대비교가 목적이기에 Fig.
대표적으로 미국 NASA의 아폴로 11호, 14호, 15호 및 17호 착륙선들의 임무를 통해 달 표면 및 표면 아래의 온도 측정 데이터를 획득한 바 있다. 또한 이와 함께 각 착륙지점 별 표토층의 흡수율, 방사율과 표토층의 깊이에 따라 달라지는 열전도율 및 밀도 등의 열 물성치를 측정하였다[8]. 이후 NASA에서 개발된 탐사선인 Lunar Reconnaissance Orbiter(LRO)의 Diviner Lunar Radiometer Experiment(DLRE) 탑재체를 이용한 원격 측정을 통해 달의 극지방 및 크레이터(Crater)의 온도분포를 비롯해 달 위도 및 경도에 따른 달 표면의 전체적인 온도분포가 분석되었다[9].
본 연구에서는 달 착륙선의 상세 열설계에 앞서 상술한 위도 별, 지역 별 열환경 조건을 고려하여 Fig. 1과 같이 총 5군데의 후보 착륙지점을 선정하였으며, 착륙선 판넬별 열 유입량 분석을 실시하였다. 그림에 과거 미국의 아폴로 및 서베이어, 소련의 루나 프로젝트에서 개발된 달 착륙선들의 착륙지점 또한 표시하였다.
상기 열모델은 단일 절점을 갖는 총 6개의 1m×1m 면적의 정사각형 알루미늄구조체 판넬로 이루어진 정육면체로 단순화시켜 구현하였다.
과거 실제 착륙선들의 착륙지점이 주로 적도~중위도 사이의 지역에 분포되어 있는 것을 알 수 있으며, 이는 극지방에서 상술한 열환경 조건들로 인해 밤 구간에서의 생존에 어려움이 있기 때문인 것으로 사료된다. 상기 자료를 토대로 선정한 착륙지 Case 1과 2는 각각 위도 0˚의 적도에서의 달의 고지와 바다 지역, 그리고 Case 2와 3은 각각 위도 45˚의 중위도에서의 달의 고지와 바다 지역을 정의하였다. 그리고 마지막으로 위도 90˚의 극지방을 Case 5로 정의하였다.
Table 2는 먼지층 및 표토층에 각각 적용된 열물성치를 나타낸다. 실제 표토층은 열전도율, 비열및 밀도가 깊이와 온도에 대한 의존성이 있으나[10], 본 연구에서는 달 표면의 최저온도에 있어서지배적인 영향을 미치는 열전도율의 온도 의존성만을 고려하였다. 따라서 Fig.
전도율을 제외한 비열과 밀도는 Table 2와 같이 온도 및 깊이에 따른 의존성과 무관한 고정값으로 부여하였다. 열광학 물성치의 경우, 우주공간에 노출되어 외부와 복사 열교환이 발생하는 먼지층 표면에만 적용하였으며, 열 유입량 해석시 고지대와 바다의 상이한 흡수율과 알베도를 고려하였다. 그리고 방사율은 지역에 따른 차이가 비교적 적으며 바다와 고지대 간의 물성치 차이를 알기 어렵기 때문에 두 지역 모두 0.
[12]의 연구에서 제안된 모델링 방법을 참고하여 구축하였다. 열모델은 Thermal Desktop[13]으로 구축하고 SINDA/FLUINT[14]를 이용하여 열해석을 실시하였다.
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.
대상 데이터
3m로 하고, 그 외의 면적은 절점 수를 최소화하기 위해 10m 간격으로 모델링하였다. 해석에 사용된 총 절점 개수는 9,096개이다.
이론/모형
2의 표토층 열모델은Christie et al.[12]의 연구에서 제안된 모델링 방법을 참고하여 구축하였다. 열모델은 Thermal Desktop[13]으로 구축하고 SINDA/FLUINT[14]를 이용하여 열해석을 실시하였다.
성능/효과
(a)와 같이 착륙선과의 거리가 충분히 이격되어 있어 영향을 받지 않은 표면은 약 103.1˚C를 나타내고 있는 반면, 태양광이 입사되는 –Y 판넬 근방에서는 착륙선과의 복사 열교환에 의해 표면온도가 부분적으로 116.8˚C까지 증가함을 알 수 있다.
Figure 9는 상기의 언덕 지형에서의 달 착륙선의 판넬별 열 유입량을 나타낸다. 경사면에 의한 알베도 및 복사 영향으로 모든 판넬에서 전반적으로 열 유입량이 증가하며, 특히 경사면을 바라보는 +Y 판넬은 200.7W/m2를 나타내어 평지에서 84.5W/m2인 것에 비해 약 2.38배 증가하였다. 따라서 착륙선 설계 시 탑재 임무장비 및 방열면 배치에 따라서 언덕 등의 지형조건에 의한 장비온도상승이 우려된다.
이에 따라 X, Y 방향 측면 판넬들에 방열판을 배치할 경우, 표토 입자가 방열판표면에 흡착되어 방열면의 흡수율이 상승하여 방열 성능이 감소하는 주된 원인이 되므로, 먼지에 의한 영향이 최소화되는 +Z 판넬에 방열판을 배치하게 된다. 따라서 고지대에서의 Fig. 6(a)의결과로부터 +Z 판넬은 적도에서의 열 유입량에 비해 약 40.9% 감소한 998.1W/m2를 나타내기 때문에 여기에 방열판 적용 시 적도와 비교하여 비교적 적은 에너지가 방열판에 입사되어 비교적 효과적인 방열이 이루어질 것으로 판단된다.
우선, 방열판이 주로 배치되는 +Z 판넬 관점에서는 Case 1과 2의 적도 지역이 다른 지역보다 열 유입량이 높아 방열효율이 감소하기에 비교적 악조건에 있음을 알 수 있다. 또한 상기 적도에서의 두 Case는 서로 유사한 수준의 열 유입량이 나타나지만, 평균 열 유입량의 합계가 2126.7W/m2로 Case 2의 바다지역보다 약 20.2% 높게 나타나는 Case 1의 고지대에서 착륙선에 대해 열적으로 최악조건임을 예상할 수 있다. 이를 통해 착륙선에 미치는 열적 영향이 위도나 지역별로 상이하므로 후보 착륙지 분석에 있어서 고려되어야 하는 인자임을 알 수 있다.
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. 또한 상기지역을 기준으로 착륙선 주변에 언덕 지형이 존재할 경우에 대한 분석을 통해 착륙선의 일부 판넬의 열유입량이 증가하는 영향성이 있음을 알 수 있었다.
그리고 태양광은달의 자전에 따라 +X→+Y→-X 판넬 순으로 입사되는 조건이다. 분석 결과, 적도나 중위도 지역과 달리 표토층이 태양광을 거의 받지 못함에도 알베도의 영향으로 인해 -Y 판넬에서 약 1,500.3W/m2의 열 유입량을 나타내게 된다. 이 때 +Z 판넬의 경우, 모든 시간동안 태양이 아닌 우주공간만을 바라보고 있어 외부로부터의 열 유입량이 거의 없기에 여기에 방열판 적용 시 모든 위도 조건 중에서 가장 효율적으로 방열이 이루어질 것으로 판단된다.
분석결과로부터 아폴로 17호의 착륙지인 위도 20˚에서의 표토층 표면의 온도 경향성은 거의 유사하며, 최저/최고온도는 약 –180.93˚C 및 107.2˚C로, 실측결과 대비 각각 약 4.3°C 및 7.54°C의 차이가 나타난다.
8˚C로 수렴되며, 균등한 표면 온도분포를 나타낸다. 상기의 분석결과들로부터 구축된 열모델이 열적 분석을 수행함에 있어서 충분한 유효성을 갖는 것으로 판단된다.
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. 또한 상기지역을 기준으로 착륙선 주변에 언덕 지형이 존재할 경우에 대한 분석을 통해 착륙선의 일부 판넬의 열유입량이 증가하는 영향성이 있음을 알 수 있었다.
후속연구
이 때 +Z 판넬의 경우, 모든 시간동안 태양이 아닌 우주공간만을 바라보고 있어 외부로부터의 열 유입량이 거의 없기에 여기에 방열판 적용 시 모든 위도 조건 중에서 가장 효율적으로 방열이 이루어질 것으로 판단된다. 그러나 계절변화에 따른 극지방에서의 불규칙적인 낮 구간으로 인해 다른 착륙지와 비교하여 전력생성을 비롯해 착륙선의 온도 유지 측면에서 불리하며, 이러한 점들로 인해 Fig. 1에서도 과거 해외 착륙선들이 극지방에 착륙한 사례가 없기에 후보 착륙지로서는 열 유입량 뿐만이 아닌 다양한 측면에서의 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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.
참고문헌 (14)
Schmitt, H., "Return to the Moon: Exploration, Enterprise and Energy in the Human Settlement of Space", Springer Science & Business Media, New York, 2007.
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.
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.
Heiken, G., Vaniman, D., and French, B. M., "Lunar Sourcebook: A User's Guide to the Moon", CUP Archive, Texas, 1991.
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.
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.
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.
Hager, P. B., "Dynamic Thermal Modeling for Moving Objects on the Moon", Dissertation, Technische Universitat Munchen, Munchen, 2013, pp. 1-206.
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.
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