HYVRID 큐브위성의 열 설계 및 최적화 기반 구조 모델 보정 = Thermal design and optimization-based structural model correction for HYVRID cube satellites

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 우주 물체의 정밀 추적을 위한 기술 검증을 주요 목적으로 하는 3U 크기의 HYVRID 큐브위성에 대한 열 설계 및 구조 모델 보정에 대한 연구를 수행하였다.
큐브위성은 크기가 작고 가벼운 구조이기 때문에 발사환경에서 발생하는 진동, 충격과 같은 물리적 하중에 취약하고 한정된 구조적 강성으로 인해 구조적인 제약이 많다. 이에 정밀한 구조해석이 필수적이며, 구조해석의 신뢰도를 높이기 위해서는 유한요소모델에 적용되는 구조 물성치의 정확도가 중요하다. 또한, 주로 저궤도에 배치되는 경우가 많으며 이는 태양 복사에 의한 고온과 지구의 그늘에 의한 저온을 반복적으로 경험하게 된다. 따라서 급격한 온도 변화로 인한 안정적인 열 설계가 필요하다.
HYVRID 큐브위성은 박막전개장치인 PAYR, 레이저 감지기 시스템인 PAYS, 카메라인 PAYC를 탑재하고 있다. 특히 박막전개장치의 박막에 의해 태양열을 더 많이 받고 열이 전도되는 경로가 증가함에 따라 HYVRID 큐브위성의 전체 온도가 증가하고 UHF 안테나의 위치에 따라 PAYC가 위치한 PART1과 나머지 부품간의 전도 경로가 사라지게 되어, PAYC CMOS의 온도가 허용온도범위 내에 들어오지 못하는 문제가 발생하였다. 따라서, PAYC CMOS 온도를 상온으로 유지하기 위하여 능동/수동 열 설계를 통해 PART1과 카메라 구조체의 표면에 Kapton 재질의 다층박막단열재(Multi-Layer Insulation, MLI)를 부착하였으며 수동 열 설계의 효과를 검증하기 위해 열 해석 수행 결과, PAYC CMOS 온도는 기존 -11.6℃에서 4.7℃로 약 15℃ 증가하여 최소 허용온도범위를 만족하여 열적 안정성을 확보하였다.
구조 모델 보정은 피크 선택 방법(Peak-picking method)을 통해 주파수 응답 함수를 모드 형상으로 변환하고, 민감도 분석을 통해 각 구조 물성치의 가중치를 설정해주었다. 이를 토대로 유전 알고리즘으로 최적화를 수행하여 실제 HYVRID 큐브위성에 사용된 구조 물성치를 추정하였다. 구조 모델 보정 결과, 전개형 태양전지판은 1차 고유진동수 오차가5.4%에서 0.3%, 2차 고유진동수 오차가 3.0%에서 0.03%로 줄었다. HYVRID 큐브위성은 1차 고유진동수 오차가 3.4%에서 0.03%, 2차 고유진동수 오차가 2.6%에서 0.08%로 낮아졌다. 이는 기존 연구와 비교했을 시, 유사하거나 더 낮은 오차를 보여 구조 모델 보정에 대한 타당성을 입증하였다.
이러한 과정을 통해 HYVRID 큐브위성의 허용온도범위 불만족에 대응할 수 있는 전략을 제시하고, HYVRID 큐브위성에 사용된 실제 구조 물성치를 추정할 수 있는 방법을 제시하였다. 이는 HYVRID 큐브위성의 임무를 안정적으로 수행하는 기반이 될 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 그 림 차 례 ................................................................. v
• 표 차 례 ................................................................. viii
• 제 1 장 서론 ............................................................ 1
• 1.1연구 배경 ........................................................... 1
• 1.2 연구 목적 및 의의 ................................................... 5
• 1.2.1 연구 목적 ..................................................... 5
• 1.2.2 연구 의의 ..................................................... 5
• 1.3 연구 내용 및 방법 ................................................... 6
• 1.3.1 물성치 조사 ................................................... 6
• 1.3.2 큐브위성 모델 작성 및 시뮬레이션 ............................... 6
• 1.4 논문 개요 ........................................................... 7
• 제 2 장 HYVRID 큐브위성 ............................................... 8
• 2.1 HYVRID 큐브위성의 임무 ............................................ 8
• 2.1.1 시운전 모드(Commissioning Mode) ............................ 9
• 2.1.2 임무 모드(Mission Mode) ..................................... 9
• 2.1.3 통신 모드(Communication Mode) .............................. 9
• 2.2 HYVRID 큐브위성의 구성 ............................................ 9
• 2.2.1 박막전개장치 탑재체 (PAYR, Payload – Reflectometry) ......... 11
• 2.2.2 SLR 레이저 감지기 탑재체 (PAYS, Payload – Sensor) .......... 12
• 2.2.3 능동 대응 시험 카메라 탑재체 (PAYC, Payload – Camera) ....... 13
• 제 3 장 이론적 배경 .................................................... 14
• 3.1 열 해석 ............................................................ 14
• 3.1.1 열전도 ...................................................... 14
• 3.1.2 열복사 ...................................................... 15
• 3.2 우주 열 환경 ....................................................... 16
• 3.2.1 태양 복사(Solar Radiation) ................................... 17
• 3.2.2 지구 적외선 복사(Earth IR) ................................... 17
• 3.2.3 반사율(Albedo) .............................................. 17
• 3.3 열 수치 해석 기법 .................................................. 18
• 3.3.1 노드 (Node) ................................................. 18
• 3.3.2 전도 ........................................................ 19
• 3.3.3 복사 ........................................................ 20
• 3.3.4 열용량 ...................................................... 21
• 3.3.5 열 평형 방정식 ............................................... 21
• 3.4 구조해석 .......................................................... 22
• 3.4.1 발사환경 및 해석 종류 ......................................... 22
• 3.4.2 안전 계수 및 안전 여유 ........................................ 24
• 3.4.3 모달 해석 .................................................... 25
• 3.4.4 준 정적 해석 ................................................. 26
• 3.4.5 랜덤 해석 .................................................... 26
• 3.5 구조 모델 보정 ..................................................... 26
• 3.5.1 피크 선택 방법(Peak-picking Method) ........................ 28
• 3.5.2 민감도 분석 .................................................. 29
• 3.5.3 유전 알고리즘 ................................................ 30
• 제 4 장 해석 조건 ...................................................... 35
• 4.1 열 해석 ............................................................ 35
• 4.1.1 열 해석 모델 ................................................. 35
• 4.1.2 열 해석 조건 ................................................. 37
• 4.2 구조해석 .......................................................... 43
• 4.2.1 구조해석 모델 ................................................ 43
• 4.2.2 구조해석 조건 ................................................ 44
• 4.3 구조 모델 보정 ..................................................... 48
• 4.3.1 Universal 파일 형식 .......................................... 48
• 4.3.2 민감도 분석 및 가중치 설정 .................................... 49
• 4.3.3 유전 알고리즘 변수 설정 ....................................... 51
• 제 5 장 열 설계 결과 ................................................... 52
• 5.1 열 설계 ............................................................ 52
• 5.1.1 시운전 모드(Commissioning Mode) ........................... 61
• 5.1.2 미션 모드(Mission Mode) .................................... 66
• 5.1.3 통신 모드(Communication Mode) ............................. 70
• 제 6 장 구조 모델 보정 결과 ............................................. 74
• 6.1 주파수 응답 해석 ................................................... 74
• 6.2 진동 시험 .......................................................... 75
• 6.2.1 진동 시험 과정 ............................................... 75
• 6.2.2 진동 시험 결과 ............................................... 77
• 6.3 구조 모델 보정 결과 ................................................ 79
• 6.4 구조 모델 보정을 통한 FM 구조해석 .................................. 82
• 6.5 기존 연구와의 비교 및 분석 .......................................... 83
• 제 7 장 결론 ........................................................... 86
• 참고 문헌 ................................................................. 88
• ABSTRACT .............................................................. 92