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[국내논문] 인공위성의 고효율 열제어 구현을 위한 액체금속형 가변 전도율 방열판에 관한 연구
A Study on Variable Conductance Radiator using Liquid Metal for Highly Efficient Satellite Thermal Control 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.2, 2019년, pp.66 - 72  

박귀중 (조선대학교 항공우주공학과) ,  고지성 (조선대학교 항공우주공학과) ,  오현웅 (조선대학교 항공우주공학과)

초록
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SAR(Synthetic Aperture Radar) 관측위성과 같이 고 발열 임무장비가 다수 적용되는 경우 전장품의 발열을 효과적으로 우주공간으로 방출하기 위한 방열판의 적용이 요구된다. 그러나 위성의 식 구간에서 임무장비의 비작동 시, 방열판을 통해 지속적인 방열이 이루어짐에 따라 장비의 최소허용 온도유지를 위한 히터 적용이 불가피하게 된다. 본 연구에서는 기존 방열판에 비해 보다 효율적인 열제어를 위하여 높은 전도율액체금속을 이용한 우주용 가변 전도율 방열판을 제안하였다. 제안된 방열판은 탑재장비의 온도조건에 따라 두 개의 저장소 사이에서 기계식 펌프로 액체금속을 이동함으로서 열전도 특성을 가변하는 원리이다. 따라서 저온 조건에서는 방열판으로의 열전도를 차단하여 임무장비에 대한 히터 전력소모를 최소화하고, 반대로 고온 조건에서는 기존 방열판과 같이 효과적인 방열이 가능하도록 한다. 본 연구에서는 제안한 가변 전도율 방열판의 실현 가능성 입증을 위한 열해석을 실시하여 기존의 전도율이 고정된 방열판과 열적 성능을 비교 분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The observation satellites which uses high heat-dissipating equipment such as synthetic aperture radar (SAR) satellites require a radiator to transmit heat from the equipment into outer space. However, during cold conditions it requires a heater to maintain the temperature of equipment within the al...

Keyword

표/그림 (15)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 액체금속의 높은 열전도 특성을 활용한 가변 전도율 방열판(VCR: Variable Conductance Radiator)을 제안하였다. 제안된 방열판은 탑재장비의온도조건에 따라 두 개의 저장소 사이에서 기계식 펌프로 액체금속이 이동함으로서 열전도 특성이 가변되는 원리로 작동된다.
  • 본 연구에서는 액체금속인 갈린스탄을 이용하여 임무장비와 방열판 사이의 열전도율을 조절함으로서 고효율 열제어가 가능한 가변 전도율 방열판을 제안하였다. 제안된 방열판의 실현 가능성을 입증하기 위해 열해석을 수행하였다.

가설 설정

  • 또한 박스 외부는 우주공간으로 가정하여 주변온도를 –270˚C로 설정하였다.
  • 열해석을 위한 경계조건의 경우, 해석하고자 하는 방열판이 위성에 장착되어 있다는 가정 하에 위성 구조체를 모사하기 위해 Shell로 박스형태의 모델링을 하였다. 그리고 상기 박스에 대해 저온/고온에 대한 경계 온도조건은 각각 9˚C 및 33˚C로 가정하였다.
  • 열해석을 위한 경계조건의 경우, 해석하고자 하는 방열판이 위성에 장착되어 있다는 가정 하에 위성 구조체를 모사하기 위해 Shell로 박스형태의 모델링을 하였다. 그리고 상기 박스에 대해 저온/고온에 대한 경계 온도조건은 각각 9˚C 및 33˚C로 가정하였다. 또한 박스 외부는 우주공간으로 가정하여 주변온도를 –270˚C로 설정하였다.
  • 또한 박스 외부는 우주공간으로 가정하여 주변온도를 –270˚C로 설정하였다. 지구로부터 반사되는 알베도, 태양복사에너지 및 위성 자체의 열량 등을 고려한 열 유입량 계산은 위성시스템 수준의 해석에서 수행되므로, 본 연구에서는 방열판에 대한 궤도당 평균값인 9W로 가정하여 해석을 수행하였다. 상기의 조건에서 상용 S/W인 SINDA/FLUINT를 이용하여 우주에서의 전도와 복사만을 고려하여 해석을 수행하였다.
  • 반면, 고정 전도율 방열판 적용 시에는 히터 온도 설정치에 따라 –10˚C ~ -5˚C 범위에서 On/Off를 반복하며 열제어가 이루어지고 있는 것을 알 수 있다. 이때의 히터 Duty Cycle을 일반적인 저궤도 위성의 고도인 550km로 가정하여 도출된 궤도주기인 약 94.57분 중에서 히터가 작동한 시간을 백분율로 계산하였다. 계산 결과, 고정 전도율 방열판 적용 시에는 전장품 온도 유지를 위한 히터 Duty Cycle은 55%인 반면, 가변 전도율 방열판 적용 시에는 Duty Cycle이 0%이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
위성의 열제어계의 설계의 전제조건은? 위성의 열제어계는 극한의 우주궤도 열환경에서도 상기의 임무장비들을 허용온도범위 내로 유지할 수 있도록 설계되어야 한다. 이를 위해 임무장비 운용에 따라 발생하는 폐열을 우주공간으로 방출하기 위해 방열판을 적용하게 된다.
액체금속은 무엇입니까? Figure 1(a)과 같은 액체금속은 알루미늄, 철과 같은 금속에 비해 녹는점이 낮아 상온에서 액체 상태로 있는 금속을 말한다. 액체금속의 열적특성은 일반적인 액체에 비해 높은 열용량, 열전도성, 밀도를 갖기에 냉각물질로 폭넓게 이용되고 있다.
가변 전도율 방열판(VCR)의 작동원리는? 본 논문에서는 액체금속의 높은 열전도 특성을 활용한 가변 전도율 방열판(VCR: Variable Conductance Radiator)을 제안하였다. 제안된 방열판은 탑재장비의온도조건에 따라 두 개의 저장소 사이에서 기계식 펌프로 액체금속이 이동함으로서 열전도 특성이 가변되는 원리로 작동된다. 이에 따라 저온에서 임무장비가 발열하지 않는 조건에서는 다른 저장소로 액체금속을 이동시켜 장비에서 방열판으로의 열전도를 차단하여 장비의 열손실 및 히터 전력을 최소화할 수 있다.
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참고문헌 (12)

  1. http://news.heraldcorp.co m/view.php?ud20170825000648. 

  2. http://www.newsis.com/ar_detail/view.html/?ar_idNISX20140401_0012826896&cID10104&pID10100. 

  3. R. Osiander, S.L. Firebaugh, J.L. Champion, D. Farra, and M.A.G. Darrin, "Microelectromechanical Device for Satellite Thermal Control", IEEE Sensors Journal, Vol. 4, No. 4, pp. 525-530, Aug. 2004 

  4. S. Tachikawa, K. Shimazaki, A. Ohnishi, H. Hirosawa, Y. Shimakawa, A. Ochi, A. Okamoto, and Y. Nakamura, "Smart Radiation Device based on a Perovskite Manganese Oxide", Proceedings of the 9th International Symposium on Materials in a Space Environment, Noordwijk, Netherlands, pp. 16-20 Jun. 2003 

  5. D. Paganini, C. Cacco, F. Cipriani, F. Cocco, R.D. Vecchia, M. Zorzan, F. Branz, L. Olivieri, F. Sansone and A. Francesconi, "A New Concept Variable Resistance Radiator", 65th International Astronautical Congress, Jerusalem, Israel, pp. 12 - 16 Oct. 2015. 

  6. SINDA/FLUINT User's Guide, Ver. 5.8, Network Analysis Associates, Tempe, Az, 2006. 

  7. http: //nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id20140924601006 

  8. https://www.amazon.com/Gallium-99-99-Metal-Melting-Liquid/dp/B00Z418HE6. 

  9. Geratherm Medical AG, Galinstan Safety Data Sheet, 2011, http://www.rgmd.com/msds/msds.pdf 

  10. Thermal Desktop User's Guide, Ver. 5.8, Network Analysis Associates, Tempe, Az, 2006. 

  11. https://en.wikipedia.org/wiki/Galinstan 

  12. G.J Park, T.Y Park, B.G Chae and H.Y Oh, "Analytical Study of Variable Conductivity using Liquid Metal for Radiator", The Society for Aerospace System Engineering 2017 Fall Conference, page 263-264, 2017 

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