백두산 폭발징후 관측용 6U급 큐브위성 STEP Cube Lab-II의 열설계에 관한 연구

Abstract

In this study, STEP Cube Lab-II (Cube Laboratory for Space Technology Experimental Project-II) is a 6U Cube satellite equipped with optical and infrared cameras being developed for monitoring Mt. Paektu volcanic eruption signs and earth observation in the Korean peninsula. To guarantee successful mission operation of the cube satellite in orbit, thermal design is essential for the electronic equipment must be kept within the allowable temperature range during the mission period. Thus, it is necessary to analyze the predictable orbital thermal environment. The STEP Cube Lab-II will be launched through the KSLV-II, but the LTDN (Launch Time Descending Node) has not been determined due to the launch time is unknown. This LTDN is one of the major orbital elements that form the angle between the orbital plane and the sun vector. Accordingly, it is important in the thermal design of the satellite because the amount of heat Flux to the satellite in orbit is determined. Therefore, in this study, the heat flux was analyzed according to the launch time in the design and analysis of the thermal control system of the Cube Satellite STEP Cube Lab-II. Through this, the worst thermal environment conditions that satellites can experience were derived from the heat inflow under orbital conditions formed according to various LTDNs. In the derived orbital thermal environment, all mission equipment in the satellite must operate stably, and it is also necessary to maintain the optical performance of the camera for the mission. To achieve this, a thermal design that combines the surface treatment-based passive thermal control method and heater application, which is widely applied at low cost to CubeSat, was performed. Orbital thermal analysis was performed according to mission scenarios by classifying them into mission mode and safe-hold mode in high-temperature and low-temperature environments. and based on the analysis results for each, the calculation of the operation period of the heater and the thermal stability of all mission equipment were reviewed.|본 연구에서 STEP Cube Lab-II (Cube Lab for Space Technology Experimental Project-II)는 광학 및 중/장 적외선 카메라가 장착된 6U 초소형 위성으로 한반도 백두산 화산 폭발 징후 모니터링 등과 같은 지구 관측을 위해 개발되고 있다. 큐브 위성이 궤도에서 성공적으로 임무를 수행하기 위해서는 전자 장비가 임무 기간 동안 허용 가능한 온도 범위 내에서 유지되어야 하는 열 설계가 필수적이다. 따라서 예측 가능한 궤도 열 환경을 분석할 필요가 있다. STEP Cube Lab-II는 KSLV-II를 통해 발사될 예정이나, 현재 발사 시간을 알 수 없는 상태로 LTDN (Launch Time Descending Node) 또한 미정이다. 이 LTDN은 궤도면과 태양 벡터 사이의 각도를 형성하는 주요 궤도 요소 중 하나로, 이에 따라 위성에 대한 열 유입량이 결정되기 때문에 위성의 초기 열설계에 중요한 부분이다. 따라서, 본 연구에서는 초소형 위성 STEP Cube Lab-II의 발사시간에 따른 열 유입량 분석을 통해 발사시간에 따른 열 유입량 분석을 수행하였다. 이를 통해 위성이 겪을 수 있는 최악의 열환경 조건을 다양한 LTDN에 따른 열 유입량으로 부터 도출하였다. 도출된 궤도 열 환경에서 위성의 모든 임무 장비는 안정적으로 작동해야 하며 특히 본 연구에서 제안한 STEP Cube Lab-II의 경우 궤도 저온환경에서 임무를 위한 카메라의 광학 성능도 유지해야한다. 이를 위해 초소형 위성에 저비용으로 널리 적용되고 있는 표면처리 기반의 수동적 열제어 방식과 Heater 적용을 결합한 열설계를 수행하였다. 고온 및 저온 환경에서 미션 모드와 Safe-hold 모드로 구분하여 미션 시나리오에 따른 궤도 열해석을 수행하였다. 그리고 각각의 분석결과를 바탕으로 히터 듀티 산정과 모든 임무장비의 열적 안정성을 검토하였다.