달 주위를 공전하는 탐사위성이나 달착륙선 및 월면차의 열설계에 필요한 환경 인자로써 달 표면온도가 중요하며, 본 연구에서는 에너지방정식을 단순화한 집중계 해석모델을 통하여 온도를 예측하였다. 에너지방정식의 해석에 필요한 물리적 값들은 기하학적 형상을 고려하여 유도하고, 기존의 연구결과에 제시된 값들을 사용하였다. 달 표토층의 가장 중요한 열적 물성치인 면적비열은 LRO에 탑재된 Diviner의 측정온도 분석을 통하여 추출하였으며, 해석모델에 적용함으로써 값을 추정하였다. 수치적분을 통하여 예측한 달 표면온도 분포는 달탐사위성 등의 열설계에 적용할 수 있을 정도의 충분한 정확도를 갖으며, 본 연구에서 제시한 방법을 심화시킨다면 더욱 정확한 온도예측이 가능할 것이다.
달 주위를 공전하는 탐사위성이나 달착륙선 및 월면차의 열설계에 필요한 환경 인자로써 달 표면온도가 중요하며, 본 연구에서는 에너지방정식을 단순화한 집중계 해석모델을 통하여 온도를 예측하였다. 에너지방정식의 해석에 필요한 물리적 값들은 기하학적 형상을 고려하여 유도하고, 기존의 연구결과에 제시된 값들을 사용하였다. 달 표토층의 가장 중요한 열적 물성치인 면적비열은 LRO에 탑재된 Diviner의 측정온도 분석을 통하여 추출하였으며, 해석모델에 적용함으로써 값을 추정하였다. 수치적분을 통하여 예측한 달 표면온도 분포는 달탐사위성 등의 열설계에 적용할 수 있을 정도의 충분한 정확도를 갖으며, 본 연구에서 제시한 방법을 심화시킨다면 더욱 정확한 온도예측이 가능할 것이다.
The lunar surface temperature is important as a environmental parameter for the thermal design of the lunar exploration vehicles such as orbital spacecraft, lander, and rovers. In this study, the temperature is numerically predicted through a simplified lumped system model for the energy conservatio...
The lunar surface temperature is important as a environmental parameter for the thermal design of the lunar exploration vehicles such as orbital spacecraft, lander, and rovers. In this study, the temperature is numerically predicted through a simplified lumped system model for the energy conservation. The physical values required for the analysis of the energy equation are derived by considering the geometric shape, and the values presented in the previous research results. The areal specific heat, which is the most important thermo-physical property of the lumped system model, was extracted from the temperature measurements by the Diviner loaded on the LRO, and the value was predicted by calibration of the analytical model to the measurements. The predicted temperature distribution obtained through numerical integration has sufficient accuracy to be applied to the thermal design of the lunar exploration vehicles.
The lunar surface temperature is important as a environmental parameter for the thermal design of the lunar exploration vehicles such as orbital spacecraft, lander, and rovers. In this study, the temperature is numerically predicted through a simplified lumped system model for the energy conservation. The physical values required for the analysis of the energy equation are derived by considering the geometric shape, and the values presented in the previous research results. The areal specific heat, which is the most important thermo-physical property of the lumped system model, was extracted from the temperature measurements by the Diviner loaded on the LRO, and the value was predicted by calibration of the analytical model to the measurements. The predicted temperature distribution obtained through numerical integration has sufficient accuracy to be applied to the thermal design of the lunar exploration vehicles.
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문제 정의
그러나 이들 값은 Apollo 착륙 지점의 표토층 분석을 통하여 추출된 값으로 달 표토층 전체를 대표한다고 볼 수 없다. 본 연구에서는 Diviner의 계측온도를 기준으로 면적비열을 추정하였으며, 이정도 예측으로도 달탐사위성 설계 시 적절한 표면온도를 제시할 수 있음을 검증하였다.
이에 따라 달 표면 온도를 예측한 수학적 열모델 해석결과[5,6]에 대한 오차보정 문제가 제기되고 있다. 본 연구에서는 달 표면을 덮고 있는 표토층 열적 물성치의 불확실성을 고려하여, 상세한 물성치를 사용하지 않고 해석할 수 있는 집중계(Lumped System) 해석 모델을 제시하고, 이를 실계측 값에 일치하도록 보정하기 위한 물리적 근거에 대하여 논하고자 한다. 이와 같은 달 표면온도의 예측은 상세모델에 비하여 오차가 클 수 있지만 달 궤도위성의 IR 복사 영향을 평가함에 있어 충분한 정확도를 갖는다고 판단되므로 유용하며, 달 표면 온도분포의 전반적인 경향을 분석함에 부족함이 없다고 사료 된다.
본 연구의 기본적인 목적은 달 주위 궤도에서 임무를 수행하는 위성의 열설계에 적절히 사용할 수 있는 달 전구의 표면온도분포를 제시하는 것이다. 위성 열설계에 필요한 달 표면으로부터 방출되는 IR 복사는 ∊IRσT4으로 표면온도의 4승에 비례한다.
집중계 모델의 지배방정식 (1)에서 태양복사를 제외하면 위 도에 따라 변하는 항이 없으며, 태양복사가 없는 밤에는 위도와 무관하게 냉각되는 경향을 나타낸다. 수치해석 온도가 위도와 상관없이 밤에 동일한 냉각 그래프로 수렴하는 것은 이에 기인한다. 이러한 문제의 원인은 qM을 지열로 일정하게 가 정하였기 때문이다.
가설 설정
4) 일몰 이후 온도가 적도인 위도 0°일 때 온도를 초과한다.
2에는 면적비열의 변화에 따른 온도의 평균 오차를 도시하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 면적 비열이 50kJ/m2K일 때 최소오차를 나타내므로 본 연구에서는 이 값을 달 표면의 적분 열물성치로 가정하여 온도를 구하고 분석하였다. 면적비열이 추정치보다 작은 30kJ/m2K일 때와 큰 경우인 80kJ/m2K일 때를 포함하여 온도변화의 경향을 Figs.
태양상수 S는 평균값인 1360W/m2로 가정하였으며, 표면의 IR 방사율 ∊IR은 0.95로 설정하였다 [8]. 표토층 내부로부터의 지열 qM은 0.
95로 설정하였다 [8]. 표토층 내부로부터의 지열 qM은 0.016W/m2 으로 가정하였다[7].
제안 방법
달 주위를 공전하는 탐사위성과 착륙선 및 월 면차의 열설계에 필요한 정도의 오차한계를 만족하는 달 표면온도를 해석적으로 예측하기 위하여, 표토층을 집중계로 단순화시킨 에너지방정식을 제시하였다. 에너지방정식에 적용된 태양입사각, 일몰/일출 시간 등을 기하학적으로 구하였으며, 표면 방사율과 albedo는 기존의 연구에서 제안한 값을 사용하였다.
Order Runge-Kutta 방법으로 시간적분을 함으로써 해를 구하였다. 달의 자전으로 인한 주기조건인 T(0)=T(tm)을 만족할 때까지 반복적분을 수행하였다.
달 주위를 공전하는 탐사위성과 착륙선 및 월 면차의 열설계에 필요한 정도의 오차한계를 만족하는 달 표면온도를 해석적으로 예측하기 위하여, 표토층을 집중계로 단순화시킨 에너지방정식을 제시하였다. 에너지방정식에 적용된 태양입사각, 일몰/일출 시간 등을 기하학적으로 구하였으며, 표면 방사율과 albedo는 기존의 연구에서 제안한 값을 사용하였다. 지배방정식에서 표토층의 열물성치는 면적비열로 단일화하였으며, LRO 위성에 탑재된 Diviner의 측정온도와 평균오차가 최소화되는 값을 추출하여 해석모델에 적용하였다.
에너지방정식에 적용된 태양입사각, 일몰/일출 시간 등을 기하학적으로 구하였으며, 표면 방사율과 albedo는 기존의 연구에서 제안한 값을 사용하였다. 지배방정식에서 표토층의 열물성치는 면적비열로 단일화하였으며, LRO 위성에 탑재된 Diviner의 측정온도와 평균오차가 최소화되는 값을 추출하여 해석모델에 적용하였다. 제시한 해석모델은 4th Order Runge-Kutta 방법으로 적분하여 온도를 구하였다.
태양입사각이 π/2보다 커지면 이는 일식기간에 있음을 의미하므로 ψ(t)=π/2로 설정하여 태양입사를 배제토록 하였다.
데이터처리
밤 동안의 측정온도 기울기를 이용하여 면적 비열의 평균값을 구하면 약 200kJ/m2K 정도의 크기를 갖는다. 면적비열에 따라 온도분포는 크게 변하며, 온도를 가장 잘 예측하는 면적비열을 결정하기 위하여 다음 식과 같이 Diviner 측정온도와의 평균오차를 정의하였다.
이론/모형
기술한 지배방정식은 4차항을 갖는 비선형 방정식이며 해석해를 구할 수 없으므로, 컴퓨터를 이용하여 4th Order Runge-Kutta 방법으로 시간적분을 함으로써 해를 구하였다. 달의 자전으로 인한 주기조건인 T(0)=T(
지배방정식에서 표토층의 열물성치는 면적비열로 단일화하였으며, LRO 위성에 탑재된 Diviner의 측정온도와 평균오차가 최소화되는 값을 추출하여 해석모델에 적용하였다. 제시한 해석모델은 4th Order Runge-Kutta 방법으로 적분하여 온도를 구하였다. 수치적으로 예측된 온도는 위도가 낮을 때는 매우 잘 일치하지만, 위도가 높거나 밤 시간에는 오차가 발생한다.
성능/효과
3) 상대적으로 작으면, 밤 동안 온도변화는 높은 위도인 80°의 측정온도 변화에 수렴하고, 면적비열이 커지면 예측온도도 증가하며 80kJ/m2K이면(Fig.
후속연구
그러나 이러한 오차의 정도는 달 표면에서 방사되는 IR 복사로 환산하면 열설계에 적용할 수 있을 정도로 충분한 정확도를 갖는다. 본 연구에서 제시한 방법에 대하여 면적비열과 달 표 토층 내부로부터의 지열을 위도와 경도의 함수로 확장함으로써 좀 더 정확한 온도예측이 가능할 것이다.
일출 직후의 복사열 오차가 가장 크지만, 이 기간이 짧아서 위성 열설계에 미치는 영향은 제한적일 것으로 사료된다. 전반적으로 본 연구에서 제시한 표면온도를 사용할 때 발생할 수 있는 오 차가 상대적으로 작아서 열설계의 적절성을 유지 할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
달에서 대류열전달과 대 기층에 의한 태양복사 감쇄를 무시할 수 있는 이유는?
달의 대기는 진공상태이므로 대류열전달과 대 기층에 의한 태양복사 감쇄는 무시할 수 있다. 다공질인 표토층의 열전도도가 매우 작다고 알려져 있으므로 전도열전달을 무시한다면, 두께 δR인 표토층에 대한 집중계 에너지보존식을 수립하면 다음과 같다.
달 표면의 물리적인 환경은 지구와 많은 차이가 있는데 어떤 차이가 있는가?
태양에 대한 달 궤도의 특성뿐 아니라 달 표면의 물리적인 환경도 지구와는 많은 차이를 나타낸다. 달 대기권은 거의 진공상태이므로, 대류에 의한 열전달효과를 기대할 수 없을 뿐 아니라, 태양광 흡수에 의한 입사열 감소효과도 나타나지 않는다. 또한, 달 지표를 이루는 표토층은 일종의 다공성 매질이며, 매질 입자의 크기가 매우 작고 기공부는 진공이므로 열전도도가 매우 작다. 이에 따라 표토층을 통한 열 분산이 제한되므로 급격하고 빠른 온도차 발생의 또 다른 주요한 원인이다.
달의 극한적인 온도분포의 중요한 원인은?
이 와 같이 극단적인 온도분포를 나타내는 것은 달 주위의 환경 영향에 기인한다. 달은 태양에 대한 자전주기가 약 28일이며, 이에 따라 표면이 태양열을 받는 낮 시간과 암영지역에 잔존하는 밤 시간이 지구에 비하여 상대적으로 매우 길고, 이는 극한적인 온도분포의 중요한 원인이 된다. 반면, 태양광에 대한 적도면의 기울기는 1.
참고문헌 (8)
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