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Oct 17, 2023

소형 위성의 열 모델링

지난 몇 년 동안 궤도에 있는 위성의 수가 급격히 증가했습니다. 이러한 증가의 상당 부분은 최신 위성의 크기가 작아졌기 때문입니다. 비록

지난 몇 년 동안 궤도에 있는 위성의 수가 급격히 증가했습니다. 이러한 증가의 상당 부분은 최신 위성의 크기가 작아졌기 때문입니다. 가장 큰 궤도 구조물인 국제 우주 정거장은 축구장보다 크지만 오늘날 궤도에 있는 대부분의 위성의 크기는 축구장 크기에 훨씬 더 가깝습니다. 이는 부분적으로 10cm x 10cm x 10cm 크기의 크기에 맞는 소위 1U 위성을 갖춘 CubeSat 폼 팩터의 인기 때문입니다. 크기가 작아서 하나의 로켓으로 여러 개의 위성을 발사하는 것이 가능합니다. 원래는 주로 학문적 목적으로 구상되었지만 이제는 1U에서 24U까지의 디자인 솔루션을 제공하는 강력한 상용 생태계가 있으며 CubeSats의 사용은 놀라운 속도로 증가하고 있습니다.

CubeSat 설계(및 기타 소형 위성 설계)의 특징 중 하나는 매우 컴팩트하다는 것입니다. 다수의 소형 카메라, 센서, 장비, 안테나, 배터리, 자세 제어 시스템 및 기타 전자 장치는 촘촘하게 포장되어 폐열을 발생시킬 수 있습니다. 이 열을 주변 공간으로 적절하게 방출하도록 위성을 설계하는 것은 주요 엔지니어링 문제 중 하나입니다. 엔지니어는 다양한 전자 부품이 특정 온도 범위 내에 유지되도록 해야 하지만 열 구배로 인해 바람직하지 않은 구조적 변형이 발생할 수 있으므로 이는 어려울 수 있습니다. 실제로 현실적인 비행 전 테스트를 수행하는 것은 매우 어렵기 때문에 설계 프로세스는 수치 모델링에 크게 의존해야 합니다.

위성이 궤도에 진입하면 수치 모델이 더 이상 필요하지 않다고 생각하기 쉽지만 이는 사실이 아닙니다. 종종 알 수 없는 이유로 구성 요소가 고장나고 나머지 전자 장치를 예상치 못한 조합으로 구동해야 할 수도 있습니다. 위성 운영자는 작동 수명을 늘리려는 목적으로 이러한 상황에서 동작을 예측하기 위해 여전히 열 모델이 필요합니다(그림 1).

모든 수치 모델에는 열 전달을 설명하는 지배 방정식의 근사치를 푸는 작업이 포함됩니다. 매우 단순한 모델부터 많은 기하학적, 물리적 측면을 포함하는 거의 완전한 모델까지 다양합니다. 가장 단순한 수치 모델은 위성 구조의 기하학적 복잡성을 줄이고, 시간 경과에 따른 위성의 단일 온도만 일괄적으로 계산합니다. 거기에서 위성의 다양한 하위 시스템이나 구성 요소에 걸쳐 온도 변화를 도입하는 작업을 수행할 수 있습니다. 이를 위해서는 수치 분석가가 모델에 많은 근사치, 가정 및 별도의 계산을 도입해야 합니다.

반면, 완전 충실도 모델은 CAD 설계를 직접 기반으로 하며 반대 접근 방식을 취합니다. CAD 설계에서 직접 시작함으로써 축소된 모델에 적용되는 각 단순화에 대한 지루한 수동 검증 및 확인 작업이 대부분 제거됩니다. 물론 CAD로 직접 작업하면 계산 비용이 더 많이 들게 됩니다. CAD 기반 수치 모델은 위성의 기하학적 구조를 수천 또는 심지어 수백만 개의 서로 다른 계산 요소로 세분화하므로 절충점이 있습니다.

역사적으로 볼 때, 집중 모델링 접근 방식은 많은 이점을 가져왔습니다. 예전에는 컴퓨터가 상대적으로 느렸기 때문에 수치 분석가가 반수작업으로 시간을 들여 계산 복잡성을 줄이는 것이 결과를 빠르게 얻는 데 중요했습니다. 이 접근 방식은 국제 우주 정거장과 같은 매우 큰 구조물의 모델링에는 여전히 적합하지만, 소형 위성의 경우, 특히 계산 비용이 계속 감소함에 따라 모델링 스펙트럼의 반대쪽 끝에서 시작하는 것이 점점 더 매력적이 되고 있습니다.

실제로 열 분석가는 완전히 단순화된 모델과 충실도가 높은 모델 사이의 스펙트럼 어딘가에서 작업하기를 원합니다. 예를 들어, 각 나사와 패스너의 CAD 설명을 결합된 구성요소 사이 표면의 집중된 열 저항으로 대체하는 것이 바람직할 수 있습니다. 마찬가지로, 칩이나 배터리와 같은 전자 부품을 평균 속성과 내부 손실이 있는 재료 블록으로 줄이는 것이 합리적일 수 있습니다.