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지구궤도 인공위성의 임무기간 중 궤도 열 환경 분석
Analysis of On-orbit Thermal Environment of Earth Orbit Satellite during Mission Lifetime 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.14 no.1, 2020년, pp.36 - 43  

강수진 (LIGNex1) ,  윤지현 (LIGNex1) ,  정창훈 (LIGNex1) ,  박성우 (LIGNex1)

초록
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위성 열 설계의 시작은 운용궤도의 열 환경 분석을 통한 최악의 운용 환경을 예측하는 것이다. 위성은 주어진 임무에 맞는 다양한 형태의 운용궤도를 가지기 때문에 노출되는 열 환경 또한 다르다. 따라서, 위성의 궤도조건을 고려한 외부 열 환경 분석이 필수이며, 이를 통해 선정된 위성의 최악의 조건에 대해 열적 안정성을 보장하는 설계를 수행하게 된다. 궤도 열 환경 분석을 위해서는 궤도역학은 물론 우주 열 환경과 위성체 사이의 열 교환 관계에 대한 이해가 필요하다. 이에 본 논문에서는 지구궤도 내 우주 열 환경에 관한 기초자료를 제공하고, 위성체에 유입되는 우주 열 유입량을 계산하는 열 관계식을 서술함으로써 궤도 열 환경 분석의 이해를 돕고자 하였다. 또한, 가상의 위성 예제를 통해 임무기간 중 궤도 열 환경을 분석하는 전반적인 과정을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The start of satellite thermal design was to predict the worst operating environment through analysis of the thermal environment of the operation orbit. Because the satellites have different types of operating trajectories for their mission, the exposed thermal environment also varies. Thus, it is n...

주제어

#우주 열 환경   #태양 열   #알베도   #지구 적외복사  

표/그림 (17)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 위성의 외부 열 환경 분석에 필요한 우주 열 환경의 기본자료와 계산방법에 대한 기초 이론을 기술하였다. 이를 바탕으로 서로 다른 임무궤도를 가지는 위성의 연중, 궤도주기 중 위성의 우주 열 입사량을 계산하여, 외부 열 환경에 대한 분석을 수행하였다.
  • 이에 본 논문에서는 지구궤도 위성의 외부 열 환경을 분석하는 방법과 그 이해에 대해 서술하고자 한다. 먼저, 우주 열 환경의 이해를 돕기 위해 지구궤도 내 우주 열 환경에 관한 기초자료와 활용도 높은 참고자료를 제공하였다.
  • 우주 열 환경의 대표적인 특징은 5500 °C의 흑체 온도를 갖는 태양과 -270 °C의 심우주가 조성하는 극심한 온도편차이다. 이에 위성 열 제어계는 임무기간 중 노출될 수 있는 최고/최저 환경에 대해 열적 안정성을 제공하면서, 더 나아가 열 제어에 소비되는 전력을 최소화 하기 위한 최적화를 수행한다. 왜냐하면, 고온에서 도출된 방열면적은 저온에서 과도 한 열 손실을 야기시켜 이는 곧 위성의 전력자원을 소비하는 전기히터의 사용량 증가로 이어지기 때문이다.

가설 설정

  • 궤도 조건에 따른 위성의 외부 열 환경 차이를 비교해보기 위해, 가상위성은 Table 1과 같이 단순한 형상과 자세로 설정하였다. 가상위성은 표면이 흑체(α=1, ε=1)인 정육면체로 가정하였으며, 계산이 편리하도록 면적은 1 m × 1 m의 정육면체로 설정하였다.
  • 위성체계기술 중 위성체 열 설계 기술은 특히 중요한 기술 중 하나이다. 인공위성은 초 진공 및 극한의 온도변화를 겪는 우주 열 환경에서 생존하기 위해, 임무기간 내내 모든 탑재장비들이 허용온도를 벗어나지 않도록 열적 안정성을 유지하여야 하기 때문이다. 위성의 외부 열 환경은 운용궤도에 따라 임무기간 내내 온도가 일정하게 유지되기도, 식 구간과 태양 구간을 오가며 극한의 온도변화를 겪기도 한다.
  • ) 한다. 지구를 둘러싼 대기가 지구의 자전에 의해 회전 하면서 열을 이동시켜 지구 전체가 열적 균형을 이뤘 다고 가정하는 것이다. 태양 열의 입사(#)는 지구에 투영 면적인 지구의 단면적((= πre2), 지구복사의 방출(#)은 지구의 겉넓이(= 4πr2)에 해당하며, 이를 스테판 볼츠만 법칙(Stefan Boltzmann’s Law, #) 적용하면 식 (11)로 정리된다.
  • 지구복사 에너지는 지구에 입사된 태양 열과 지구에 서 방출되는 열이 균형을 이룬 상태로 가정(#) 한다. 지구를 둘러싼 대기가 지구의 자전에 의해 회전 하면서 열을 이동시켜 지구 전체가 열적 균형을 이뤘 다고 가정하는 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
알베도는 무엇인가? 지구로 입사되는 태양열 중 일부는 지구 표면에 반사되며, 입사 대비 반사되는 비율을 알베도라 한다. 알베도는 구름, 눈, 얼음이 덮인 표면에서 더 높아지고, 태양 고도에 따라 달라진다.
우주 열 환경의 대표적인 특징은? Figure 1은 위성에 입사되는 우주 열 환경을 도식화하여 보여준다. 우주 열 환경의 대표적인 특징은 5500 °C의 흑체 온도를 갖는 태양과 -270 °C의 심우주가 조성하는 극심한 온도편차이다. 이에 위성 열 제어계는 임무기간 중 노출될 수 있는 최고/최저 환경에 대해 열적 안정성을 제공하면서, 더 나아가 열 제어에 소비되는 전력을 최소화 하기 위한 최적화를 수행한다.
위성체계기술 중 위성체 열 설계 기술이 특히 중요한 기술 중 하나인 이유는? 위성체계기술 중 위성체 열 설계 기술은 특히 중요한 기술 중 하나이다. 인공위성은 초 진공 및 극한의 온도변화를 겪는 우주 열 환경에서 생존하기 위해, 임무기간 내내 모든 탑재장비들이 허용온도를 벗어나지 않도록 열적 안정성을 유지하여야 하기 때문이다. 위성의 외부 열 환경은 운용궤도에 따라 임무기간 내내 온도가 일정하게 유지되기도, 식 구간과 태양 구간을 오가며 극한의 온도변화를 겪기도 한다.
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참고문헌 (9)

  1. B. S. Hyun, H. K. Kim and J. J. Lee, "Development Trend of Satellite Thermal Control System", Current Industrial and Technological Trends in Aerospace, vol. 4, no. 1, pp. 32-38, September 2007, page.32-38. 

  2. J. J. Lee, H. K. Kim, B. S. Hyun and J. M. Choi, "Study of thermal analysis case for satellite in Dawn-Dusk Orbit", 2016 Spring Conference of The Korean Society for aeronautical and space sciences, pp. 876-879, April 2006.. 

  3. C. G. Justus, G. W. Batts, B. J. Anderson and B. F. James, "Simple thermal environment Model(STEM) user's guide", National Aeronautics and Space Administration, Marshall Space Flight Center, October 2007. 

  4. P. L. Romain, "Using real Earth Albedo and Earth IR Flux for Spacecraft Thermal Analysis", International Conference on the 47th Environmental Systems, July 2017. 

  5. B. J. Anderson, C. G. Justus, and W. Batts, "Guidelines for the Selection of Near-Earth Thermal Environment parameters for Spacecraft Design", NASA Technical memo-randum TM-2001-211211, October 2001. 

  6. C. Frohlich and R. W. Brusa, "Solar Radiation and Its Variation in Time", Vol. Phy. 74 , 1981, pp. 209-215. 

    상세보기 crossref

  7. C. Frohlich and C. Wehrli, "Spectral Distribution of Solar Irradiance form 25000nm to 250nm", World Radiation Center, Davos, witzeland, 1981. 

  8. T. D. Bess and G. L. Smith, "Earth Radiation Budget: Results of Outgoing Longwave Radiation from Nimbus-7, NOAA-9, and ERBS Satellites", Journal of Applied meteorology, vol. 32, pp.813-824, May 1993. 

    상세보기 crossref

  9. D. G. Gilmore, Spacecraft Thermal Control Handbook, 2nd Ed., The Aerospace Press, California, 2002. 

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