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멀티 탑재체를 가진 6 U 초소형위성의 열설계 검증을 위한 궤도 열해석
On-orbit Thermal Analysis for Verification of Thermal Design of 6 U Nano-Satellite with Multiple Payloads 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.6, 2020년, pp.455 - 466  

김지석 (Department of Aerospace System Engineering, University of Science & Technology) ,  김희경 (Department of Aerospace System Engineering, University of Science & Technology) ,  김민기 (Korea Aerospace Research Institute) ,  김해동 (Department of Aerospace System Engineering, University of Science & Technology)

초록
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본 연구에서는 다수의 우주 환경 관측용 탑재체를 장착한 6U급 초소형위성에 대한 열모델을 구축하여 이를 기반으로 수행된 열설계에 대해 기술하였으며, 궤도 열해석을 통해 적용된 열설계의 유효성을 입증하였다. 초소형위성의 특성을 고려하여 표면 처리 및 절연체, 열전도체 등의 수동 열제어 기법 위주로 열설계를 진행하였지만, 배터리 및 추력기 등과 같이 작동 온도의 범위가 좁고 궤도 열환경에 직접적으로 노출되는 부품들에 대해서는 능동 열제어 기법 중 하나인 히터를 적용하였다. 궤도 열해석 조건은 기본적으로 위성의 궤도 조건을 바탕으로 하며, 임무 시나리오에 따른 발열량 및 위성의 자세에 따라 임무 모드, 초기 운용 모드, 비상운용 모드, 편대 비행 모드로 분류하여 궤도 열해석을 수행하였다. 각 모드 별 해석 결과를 통해 모든 부품들이 작동 온도 조건을 만족하는 것을 확인하였고, 비상운용 모드의 해석 결과를 통해 배터리 및 추력기의 히터 용량과 작동 주기를 산출하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we built a thermal model for SNIPE 6U nano-satellite which has scientific mission for measuring science data in near Earth space environment and described thermal design based on the thermal model. And the validity of the thermal design was verified through the on-orbit thermal analys...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • SNIPE 위성은 히터가 적용되어 있는 배터리 및 추력기를 제외하고 모든 부품들에 대해 작동 온도 범위에서 10℃ 이상의 마진을 확보하는 것을 목표로 열설계를 진행하였다.
  • 본 논문에서는 다수의 과학 탑재체를 적용한 6U급 초소형위성이 저궤도 상에서 임무를 성공적으로 수행할 수 있도록 열적 안정성을 확보하기 위해 적용한 열제어 기법을 기술하였으며, 이에 대한 유효성을 입증하기 위해 궤도 열해석을 진행하여 각 부품의 온도 분포를 확인하였다. 또한, 최악 저온 조건(Worst Cold Case)에 대한 해석을 통해 추력기 및 배터리에 적용된 히터의 작동 주기(Duty Cycle)와 이에 따른 적절한 히터 용량을 산출하였다.
  • 본 논문에서는 우주 과학 임무를 위해 다수의 임무 탑재체를 장착한 SNIPE 초소형위성에 탑재되는 부품들을 소개하고, 각 부품들의 허용 온도 조건을 기준으로 열설계를 실시하였다. 또한, 이를 검증하기 위해 열모델을 구축하여 궤도 열해석을 수행한 결과를 기술하였다.
  • 8W 용량을 가지며, 배터리의 온도가 0℃ 이하로 떨어지면 작동하고 5℃ 이상으로 상승하면 작동을 중지한다. 이는 추력기 히터와 마찬가지로 80% 미만의 작동 주기 조건을 고려하여 위성의 온도가 최저로 도출되는 비상운용 모드(Safehold Mode)에서 배터리의 온도와 히터의 작동 주기 조건을 만족하는지 확인하였다. 배터리와 추력기에 적용된 히터의 용량 및 작동 조건을 Table 6에 정리하였다[12].
  • 고온 조건을 기준으로 해석한 임무 수행모드 및 LEOP에 대한 각 부품의 온도를 Worst Hot Case로 나타내었으며, 비상운용 모드와 편대 비행 모드에서 계산된 각 부품의 저온 해석 결과는 Worst Cold Case로 표에 정리하였다. 이를 통해 위성이 임무 모드에 따라 도출되는 최악의 온도가 각 부품의 작동 온도 조건을 충족시키는지 확인하였으며, 각 모드 및 자세에 따라 위성의 온도 분포가 어떠한 경향성을 갖는지 확인하였다.

가설 설정

  • 임무 궤도 조건 및 임무 궤도의 열 환경에 대한 정보를 Table 9에 정리하였으며, 위성의 각 모드에 따른 부품들의 소비전력을 Table 10에 나타내었다. 본 연구에서는 각 부품의 소비전력량을 발열량으로 가정하여 열해석을 진행하였고, 특히 S-band TRX 및 RWA, 추력기, SST 등의 부품은 각 모드에서 항시 작동하는 것이 아니기 때문에 임무에 따른 작동 시간을 가정하여 괄호 안에 명시하였다.
  • 10에 나타내었다. 실제로 SNIPE 위성은 비상운용 모드에서 추력기가 동작하지 않지만, 추력기 탱크 내 추진제 온도의 큰 불확실성 및 편대 비행 임무 시나리오에 대한 최악의 경우를 가정하여 열설계를 실시하였다. 따라서 추력기의 온도가 가장 낮게 도출되는 비상운용 모드에서 추력기의 허용 온도 조건을 만족할 수 있도록 히터를 적용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초소형위성 부품들의 작동 온도 범위를 유지하기 위한 열제어 기법은 주로 무엇이 사용되는가? 초소형위성 부품들의 작동 온도 범위를 유지하기 위한 열제어 기법은 주로 전력을 소비하지 않고 공간적으로 유리한 수동형 열제어 기법이 사용되며, SNIPE 위성에는 표면 처리, Thermal Isolator, 히트 싱크(Heat Sink) 등이 적용되었다. 하지만, 배터리 및 추력기는 작동 온도 범위가 다른 부품들에 비해 좁고, 특히 추력기의 경우 외부 열환경에 직접적인 영향을 받기 때문에 저온에서의 온도 조건을 충족시키기 위해 능동형 열제어 기법 중 하나인 히터를 적용하였다[8].
항공우주연구원에서 진행 중인 초소형위성의 개발은 어떤 것이 있는가? 초소형위성의 개발은 해외뿐만 아니라 국내에서도 활발하게 진행되고 있으며, 한국항공우주연구원에서는 지구 관측 목적으로 90mm 광학 카메라를 탑재한 6U급 초소형위성 A-HiREV (Advanced High REsolution Video and image)와 두 기의 6U급 초소형위성을 통해 랑데부/도킹 기술 검증 임무를 수행할 KARDSAT (Kari Rendezvous & Docking demonstration SATellite)프로젝트를 진행하고 있다[3,4]. 특히, 한국항공우주연구원은 2017년부터 근지구의 우주 환경 관측을 위한 핵심 기술 개발 목적으로 한국천문연구원과 공동으로 개발하는 SNIPE (Small scale magNetosphere and Ionosphere Plasma Experiment) Mission의 초소형위성 본체를 개발하고 있다. SNIPE Mission은 4기의 6U급 초소형위성으로 구성되고, 각 위성에는 VACCO 사의 소형 추력기(Micro Propulsion System; MiPS)가 탑재되어 편대 비행 임무를 수행하게 된다.
SNIPE mission의 6U 초소형위성의 적절한 열 설계가 필요한 까닭은 무엇인가? 일반적인 초소형위성은 주로 단일 기술 검증 임무를 수행하는데 비해 SNIPE Mission의 6U 초소형위성은 5가지의 독립적인 임무 탑재체를 통해 우주 과학 임무를 수행하며, 동시에 4기의 위성을 편대 비행하는 기술 검증 임무도 수행하게 된다. 이로 인해 임무 수행 시 위성 내부에서 높은 발열이 발생하고, 초소형위성의 특성상 내부 공간이 매우 협소하기 때문에 태양 복사 및 지구 복사, 알베도(Albedo) 등의 외부 열원이 위성 부품들의 온도에 큰 영향을 미친다. 특히, 편대 비행을 위해 탑재되는 MiPS 추력기는 초소형위성의 전형적인 1U 크기를 초과하기 때문에 우주 환경에 직접적으로 노출되며, 추진제의 특성에 의해 온도 변화에 매우 취약하다. 또한, 위성의 초기 운용 시에는 추가적인 전력 공급을 위해 전개형 태양 전지판(Deployable Solar Panel)과 함께 위성 측면 패널(Radiation Shield Panel)에 태양 셀(Solar Cell)을 부착하였기 때문에 내부 열원에 대한 방열이 제한되는 상황이다. 이러한 문제들에 대해 각 부품들의 온도가 작동 조건을 만족할 수 있도록 적절한 열 설계가 요구된다.
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참고문헌 (15)

  1. Heidt, H., Puig-Suari, A. S., Moore, S. N. and Twiggs, R. J., "CubeSat: a new Generation of Picosatellite for Education and Industry Low-Cost Space Experimentation," Proceeding of the 14th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Vol. 32, August 2000. 

  2. Thyrso, V., Cesar A, C., Alessandra M, B., Fernando T, B. and Rodrigo, L., "Towards the Thousandth CubeSat: A Statistical Overview," International Journal of Aerospace Engineering, 2019. 

  3. Cho, D. H., Choi, W. S., Kim, M. K., Kim, J. H., Sim, E. and Kim H. D., "High-Resolution Image and Video CubeSat (HiREV): Development of Space Technology Test Platform Using a Low-Cost CubeSat Platform," International Journal of Aerospace Engineering, 2019. 

  4. Kim, H. D., Choi, W. S., Cho, D. H., Kim, M. K., Kim, J. H., Sim, E. S., Lim, S. M., Kim, J. S. and Jeong, M. R., "Introduction to Development of a Rendezvous/Docking Demonstration Satellite," Proceeding of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, April 2019, pp. 417-418. 

  5. Kang, S. J., Ha, H. W., Han, S. H., Seo, J. K. and Oh, H. W., "Thermal Vacuum Test and Thermal Analysis for a Qualification Model of Cube-satellite STEP Cube Lab," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 44, No. 2, 2016, pp. 156-164. 

  6. Yoo, J. G., "Thermal Analysis, Design and Test for CubeSat: TRIO-CINEMA Mission," Masters dissertation, Kyung Hee University, Seoul, South Korea, 2012. 

  7. Shin, H. S., Kim, M. K., Kim, H. K. and Kim, H. D., "On-Orbit Thermal Analysis and Design of 6U HiREV Nano-Satellite," The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, April 2018, pp. 331-332. 

  8. Gilmore, D., Spacecraft Thermal Control Handbook, 2th Ed., The Aerospace Press, USA, 2002 

  9. Kang, S. J., "Design and Analysis of Formation Flying Scenario of SNIPE Mission," Masters dissertation, Yonsei University, Seoul, South Korea, 2018. 

  10. Chang, Y. K., Park, M. Y., Park, J. H. and Choi, Y. J. "A Study on Thermal Modeling and Heat Load Mitigation for Satellite Electronic Components," Proceeding of the 15th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2001. 

  11. Karam, R., Satellite Thermal Control for System Engineers, AIAA, USA, 1998. 

  12. Kim, M. J., Huh, H. I., Kim, S. H., Chang, S. Y., Lee, D. G., Lee, S. H. and Choi, H. J., "Thermal Model Correlation and Heater Design Verification for LEO Satellite Optical Payload's Thermal Analysis Model Verification," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 11, 2011, pp. 1069-1076. 

  13. Timothy, D. P., Steven, G. R., Mark, J. W., David, J., Brent A. C. and Douglas, P. B., Thermal Desktop User's Manual, 6th Ver., USA, 2017. 

  14. Cullimore, B. A., Ring, S. G. and Johnson, D. A., SINDA/FLUINT User's Manual, 6th Ver., USA, 2017. 

  15. Kim, J. S., Kim, M. K., Kim, H. K., Lim, S. and Kim, H. D., "Thermal Design and On-orbit Analysis of SNIPE Nano-Satellite," Proceeding of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Fall Conference, November 2018, pp. 355-356. 

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