저궤도 지구관측위성 주탑재체 냉각유닛 설계와 열해석

Design and Thermal Analysis of Focal Plane Assembly Cooling Unit of Earth Observation Camera

본 논문은 항우연에서 개발 중인 위성 탑재카메라 FPA-CU(Focal Plane Assembly Cooling Unit) 의 개념설계 및 열설계에 대한 개략적인 내용을 기술하고 있다. FPA-CU은 국내 기술로 설계/제작되는 최초의 우주용 냉각유닛이다. FPA-CU에는 일반적인 히트파이프와 방열판을 이용한 냉각유닛과는 다르게 TBM(Thermal Buffer Mass)이 부착되어 있으므로 열적거동이 기존의 냉각유닛과 다르며, 설계에 있어 천이열전달 해석이 반드시 필요하다. 본 논문에서는 TBM의 용량산출 및 형상적 영향을 포함한 전체 냉각유닛 설계방법을 제시하고 전체 냉각유닛에 대한 열해석 결과를 기술하고 있다. 열해석 결과 냉각유닛의 요구조건을 잘 만족시킴을 알 수 있었으며, 최상단부 히트파이프가 비정상 작동하는 경우 FPA의 온도가 $3{\sim}4^{\circ}C$ 정도 상승함을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 위성용 열제어 유닛 설계에 대한 국내 기술적 자립 가능성을 확인할 수 있었다.

Thermal analysis and design of FPA(Focal Plane Assembly)-CU(Cooling Unit) for Earth observation camera is performed. FPA-CU is the first cooling device for a spacecraft which is designed and manufactured by its own technology in Korea. FPA-CU has a special feature, TBM(Thermal Buffer Mass) which is discriminated from typical cooling devices using heat pipes and radiator. TBM can be regarded as a thermal energy reservoir and it shows thermally transient characteristics, which make it difficult to design the size and shape of TBM. In current study, a method to determine the volume and the size of TBM is proposed and validated. The transient thermal analysis for FPA-CU for 5 operational scenarios is performed and validates the final design of FPA-CU (Radiator,TBM, Heat pipe I/F). In case of an abnormal operation of a heat pipe among three radiator heat pipes, the temperature of FPA can be increased $3{\sim}4^{\circ}C$ according to the numerical simulation.