인공위성 제어 모멘트 자이로의 열적 안정성 분석 (Analysis of Thermal Stability of Control Moment Gyroscope in Satellite)

서지정보

· 발행기관 : 대한기계학회
· 수록지 정보 : 대한기계학회논문집 B / 48권 / 6호 / 353 ~ 360페이지
· 저자명 : 송원식, 이상민, 김경민, 송태성, 강정민, 송덕기, 윤준영, 김우철

초록

인공위성의 자세제어를 위해 사용되는 제어 모멘트 자이로(CMG: control moment gyroscope)는 우주의 극한환경에서 작동하는 수명기간 동안 멈추지 않고 구동되어야 한다. 운용을 멈추지 않는 CMG의 특성 상 소모되는 전력의 관리 및 최적화를 위해서 열해석이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 CMG 시스템의 안정화 온도를 보다 정확하게 예측하기 위해, 정상상태 열 해석 시 경계조건으로써 사용되는 발열량을 시스템 및 구성품 온도에 대한 함수 형태로 적용하였다. 정상상태 기반의 열 저항 방법을 통해 간단화 된 유한요소해석(FEM: finite element model) 모델을 수립하였고, 우주의 환경이 반영된 -20°C와 70°C의 조건에서 시스템의 열적 안정성에 영향을 미치는 변수들에 대해 분석하였다. -20°C 조건에서 총 발열량 28.22 W와 함께 시스템의 최고온도상승은 모터의 PCB에서 43°C의 높은 값을 보였고, 70°C 조건에서는 총 발열량 7.2 W와 함께 시스템의 최고온도상승은 베어링에서 5.9°C의 상대적으로 낮은 값을 보였다. 연구 결과, 베어링 부의 온도가 CMG 시스템 발열량에 강하게 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 발열량 및 소모 전력에 가장 큰 영향을 미치는 베어링의 마찰 토크는 -20°C에서 70°C에 비해 약 10배 가량 큰 것으로 확인되었고 이에 따라 베어링에서의 발열량은 약 4배, 모터에서의 발열량은 약 10배 높았다.

영어초록

Control moment gyroscope (CMG), used for attitude control of spacecraft or satellites, requires thermal analysis to manage and optimize power consumption as it generally operates incessantly for the lifespan in extreme conditions of space. In this study, to more accurately calculate the stabilized temperature of the system, heat generation was applied as a boundary condition in a steady-state thermal analysis, represented as a function of the system and component temperatures. A simplified finite element method (FEM) model using a steady-state-based thermal resistance method were adopted to analyze the factors affecting the thermal stability of the system under extreme conditions at -20°C and 70°C. At -20°C, under the condition of a total heat dissipation of 28.22 W, the system exhibited a high maximum temperature rise of 43°C on the motor PCB. At 70°C, with a total heat dissipation of 7.2 W, the maximum temperature rise of the system was relatively low at 5.9°C, occurring at the bearing. The results indicated that the temperature of the bearing component strongly influenced the heat dissipation in the system. The friction torque of the bearing, which is the most significant factor regarding heat dissipation and power consumption, was noted to be approximately 10 times higher at -20°C than at 70°C. Consequently, the heat dissipation from the bearing was approximately 4 times higher, whereas the heat dissipation from the motor was approximately 10 times higher at -20°C than at 70°C.

참고자료

· 없음