KR100274540B1 - 정지궤도 위성의 방열 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정지궤도 위성(Geostationary satellite)의 북쪽면 또는 남쪽면은 물론, 동쪽면과 서쪽면에 장착된 라디에이터(radiator)를 이용하여 정지궤도 위성으로부터 발생되는 열을 외부로 방출시키도록 된 정지궤도 위성의 방열 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 위성의 탑제체(11)로부터 발생하는 열량이 북쪽면에 장착된 메인라디에이터(10)만으로 방출하기 어려울 만큼 증가하면 동쪽면과 서쪽면에 각각 장착된 서브라디에이터(20)가 열방출 작용을 하도록 되어 있고, 반대로 태양의 일변화에 따라서 태양으로부터 유입되는 태양열이 증가하여 서브라디에이터(20)가 열방출 작용을 수행하지 못하고 오히려 태양열을 흡수하는 역효과를 나타낼 경우에는 태양열을 흡수하는 서브라디에이터(20)의 작동을 중지시키므로써 위성의 탑제체(11)가 과열되는 것을 방지하도록 되어 있으며, 가변전도열파이프(22)가 배열된 서브라디에이터(20)의 작동제어는 히터(21)에 의해 열전도 특성을 가변시키므로써 가능하도록 되어 있다.

Description

정지궤도 위성의 방열 시스템(Radiating system of a geostationary satellite)

본 발명은 정지궤도 위성(Geostationary satellite)의 방열 시스템에 관한 것이며, 보다 상세히는 정지궤도 위성의 북쪽면 또는 남쪽면은 물론, 동쪽면과 서쪽면에 장착된 라디에이터(radiator)를 이용하여 정지궤도 위성으로부터 발생되는 열을 외부로 방출시키도록 된 정지궤도 위성의 방열 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 정지궤도 위성의 탑제체인 통신장비는 수요와 정보량의 증가에 따라 고주파인 Ka-band(20/30GHz)로 천이되는 추세이며, 이와 더불어 탑제체의 출력도 증가하고 있다. 또한, 탑제체의 출력이 증가함에 따라서 탐제체에서 발생되는 열량이 증가하게 되므로 위성의 탑제체를 포함한 각 서브시스템들이 적절한 온도에서 작동하도록 하기 위하여는 발생열을 적절히 제거할 수 있는 라디에이터의 면적이 확보되어야 한다.

특히, 정지궤도 위성의 경우 태양의 조사방향 (Solar Incident Direction)이 하루를 주기로 변화하므로 동쪽(East)면과 서쪽(West)면의 경우 약 12시간 동안 번갈아 가며 태양이 조사되는데, 이와 같이 조사방향이 변하기 때문에 위성의 동쪽면과 서쪽면을 라디에이터로 사용하는 방법에는 한계가 있다. 즉, 위성의 동쪽면과 서쪽면을 라디에이터로 사용할 경우 태양이 수직으로 조사되는 동안에는 오히려 태양열에 의하여 외부로부터 열이 라디에이터로 유입되거나 라디에이터로부터의 열방출 용량(Capacity)이 감소하므로 위성의 탑제체를 포함한 각 서브시스템들의 온도를 제어할 수 없게 된다.

그러므로, 일반적인 정지궤도 위성에는 태양의 조사 방향이 변하여도 유입 열량이 일정한 위성의 북쪽(North)면 또는 남쪽(South)면에 라디에이터를 장착하여 위성의 발생열을 방출시킨다. 이때, 위성의 방출열량이 증가하여 온도제어에 필요한 만큼 충분한 라디에이터의 면적을 확보할 수 없을 경우, 즉 북쪽면이나 남쪽면 보다 큰 라디에이터의 면적이 필요할 경우에는 주로 전개형 방열판(Deployable Radiator)을 설치하므로써 온도제어에 필요한 라디에이터의 면적을 확보한다.

하지만, 상기와 같이 전개형 방열판을 설치하여 온도제어에 필요한 라디에이터의 면적을 확보하기 위해서는 별도의 전개장치가 필요할 뿐만 아니라, 이에 따른 설계상의 어려움이 발생하게 되며, 엑티브(Active) 소자로서 작동하는 전개장치의 고장률(Failure Rate)에 따라 방열 시스템의 신뢰도(Reliability)가 저하되고, 전개장치와 방열판을 라디에이터와는 별개로 추가설치하면 위성발사시에 위성의 부피(Launch Mass)가 증가하므로 발사비용이 증가하는 등의 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 정지궤도 위성의 북쪽면 또는 남쪽면에 장착된 메인라디에이터(Main radiator)와 동쪽면과 서쪽면에 장착된 서브라디에이터(Sub radiator)를 이용하여 정지궤도 위성으로부터 발생되는 열을 외부로 방출시키도록 된 정지궤도 위성의 방열 시스템을 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 정지궤도 위성의 방열 시스템은 위성 탑제체의 북쪽면에 장착되는 메인라디에이터 및, 위성의 동쪽면과 서쪽면에 각각 장착되는 서브라디에이터로 구성된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 메인라디에이터에는 위성 탑제체의 열발생 부품과 연결된 고정전도열파이프가 배열되어 있고, 상기 서브라디에이터에는 히터에 의해 열전도 특성을 가변시킬 수 있으며 위성 탑제체의 열발생 부품과 연결된 가변전도열파이프가 배열되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 정지궤도 위성 방열 시스템은 위성의 탑제체로부터 발생하는 열량이 메인라디에이터만으로 방출하기 어려울 만큼 증가하면 상기 서브라디에이터가 열방출 작용을 하도록 되어 있고, 반대로 태양의 일변화에 따라서 태양으로부터 유입되는 태양열이 증가하여 상기 서브라디에이터가 열방출 작용을 수행하지 못하고 오히려 태양열을 흡수하는 경우에는 태양열을 흡수하는 서브라디에이터의 작동을 중지시키므로써 위성의 탑제체가 과열되는 것을 방지하도록 되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 방열 시스템을 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 방열 시스템이 정지궤도 위성에 장착된 모양을 도시한 사시도,

도 3의 (가)는 고정전도열파이프를 도시한 단면도,

도 3의 (나)는 도 3의 (가)에 도시된 고정전도열파이프의 열전도 특성을 도시한 그래프,

도 4의 (가)는 가변전도열파이프를 도시한 단면도,

도 4의 (나)는 도 4의 (가)에 도시된 가변전도열파이프의 열전도 특성을 도시한 그래프,

도 5의 (가)는 본 발명에 따른 가변전도열파이프를 도시한 단면도,

도 5의 (나)는 본 발명에 따른 가변전도열파이프의 열전도 특성을 도시한 그래프,

도 6은 태양으로부터 정지궤도 위성으로 조사되는 하지점에서의 태양열 조사 방향을 도시한 개념도,

도 7은는 도 6에 도시된 정지궤도 위성의 각 면에 가해지는 태양열 조사량을 나타내기 위한 벡터도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10: 메인라디에이터 11: 탑제체

12: 열발생 부품 13: 고정전도열파이프

20: 서브라디에이터 21: 히터

22: 가변전도열파이프

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 방열 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 방열 시스템이 정지궤도 위성에 장착된 모양을 도시한 사시도이다.

메인라디에이터(10)는 정지궤도 위성 탑제체(11)의 북쪽면에 장착되며, 탑제체(11)의 열발생 부품(12)과 연결된 고정전도열파이프(13)가 격자형으로 배열되어 있다.

서브라디에이터(20)는 정지궤도 위성의 동쪽면과 서쪽면에 각각 장착되며, 히터(21)에 의해 열전도 특성을 가변시킬 수 있도록 되어 있고 상기 메인라디에이터(10)에 배열된 고정전도열파이프(13)를 매개로 탑제체(11)의 열발생 부품(12)과 연결된 가변전도열파이프(22)가 배열되어 있다. 여기서, 상기 서브라디에이터(20)에는 상기 가변전도열파이프(22)와 같은 수의 히터(21)가 설치되어 있다.

상기와 같은 구성에 의해서 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 방열 시스템은 다음과 같이 작동한다.

상기 메인라디에이터(10)에 배열되어 있는 고정전도열파이프(13)는 도 3의 (가)에 도시된 바와 같이, 위성 탑제체(11)의 열발생 부품(12)으로부터 발생한 열이 고온부에서 증발하여 저온부에서 응축되도록 하므로써 열을 방출하도록 되어 있으며 작동유체가 파이프 내부 전체를 이동하도록 되어 있다. 또한, 상기 고정전도열파이프(13)의 열전도 특성은 도 3의 (나)에 도시된 바와 같이, 파이프 전체를 통해 선형으로 일정한 온도를 유지하도록 되어 있기 때문에 상기 메인라디에이터(10)는 항상 일정치로 흡수된 열을 전부 방출하도록 되어 있다.

반면에, 상기 서브라디에이터(20)에 배열되어 있는 가변전도열파이프(22)는 도 4의 (가)에 도시된 바와 같이, 위성 탑제체(11)의 열발생 부품(12)으로부터 발생한 열이 고온부에서 증발하여 저온부에서 응축되도록 하므로써 열을 방출하도록 되어 있기는 하지만, 작동유체 외에 작동유체와 화학적으로 반응하지 않는 비응축유체를 포함하고 있기 때문에 비응축유체가 차지하는 부분이 작동유체의 동작을 저지하도록 되어 있다.

즉, 상기 가변전도열파이프(22)의 열전도 특성은 도 4의 (나)에 도시된 바와 같이, 비응축유체가 차지하는 부분의 크기만큼 파이프 전체를 통해 선형으로 일정한 온도를 유지하는 구간이 축소되므로 흡수된 열중에 비응축유체가 차지하는 체적만큼에 해당하는 열은 방출되지 않도록 되어 있으며, 결과적으로 탑제체(11)의 열발생 부품(12)으로부터 상기 서브라디에이터(20)로 전도되는 열량이 줄어 들게 된다.

또한, 도 5의 (가)는 상기와 같은 가변전도열파이프(22)의 열전도 특성을 이용하여 정지궤도 위성의 라디에이터 면적을 확보하기 위한 가변전도열파이프(22)를 도시한 단면도로서, 상기 가변전도열파이프(22)의 저온부에 히터(21)를 설치하여 히터(21)의 출력을 조절하므로써 파이프내의 비응축유체가 차지하는 체적을 가변시킬 수 있도록 되어 있다.

만약, 도 5의 (가)에서 비응축유체의 체적이 A만큼일 때를 상기 서브라디에이터(20)가 정상적으로 온도제어를 하는 상태라고 가정할 경우에는 동쪽면이나 서쪽면에 장착되어 있는 상기 서브라디에이터(20)에 배열되어 있는 상기 가변전도열파이프(22)의 열전도 특성이 도 5의 (나)에 도시된 A와 같이 나타난다.

그러나, 위성 탑제체(11)의 동쪽면이나 서쪽면에 장착되어 있는 서브라디에이터(20)에 태양으로부터 조사되는 태양열이 과도하게 증가하면 상기 히터(21)가 작동되어 비응축유체의 체적을 B만큼 증가시키게 된다. 따라서, 동쪽면이나 서쪽면에 장착되어 있는 서브라디에이터(20) 중의 어느 한쪽에 배열되어 있는 상기 가변전도열파이프(22)의 열전도 특성이 도 5의 (나)에 도시된 A와 같이 나타나므로 위성 탑제체(11)의 열발생 부품(12)으로부터 상기 서브라디에이터(20)로 전도되는 열량이 차단된다.

결과적으로, 상기와 같이 동쪽면이나 서쪽면에 장착되어 있는 서브라디에이터(20) 중에 태양열이 과도하게 조사되는 쪽의 서브라디에이터(20)의 작동을 중지시키면 하루 중에 어느 때나 동쪽면과 서쪽면 중 어느 한쪽에 있는 서브라디에이터(20)는 항상 사용할 수 있기 때문에 위성의 탑제체(11)로부터 발생하는 열량을 방출할 수 있는 라디에이터 면적을 확보할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 실시예에서 위성 탑제체(11)의 북쪽면과 동쪽면, 서쪽면에서 라디에이터 면적이 확보될 때, 이 라디에이터 면적에서 방출되는 열량과 라디에이터 온도와의 관계를 도 6과 도 7을 참조하여 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

상기 수학식 1에서 Q_component(W)는 탑제체(11)의 열발생 부품(12)에서 발생되는 열량이고, A_N,A_W,A_E(t)는 북쪽면, 서쪽면, 동쪽면의 라디에이터 면적(m²)이며, q_solar는태양상수(Solar Load; W/m²)이다. 특히, 동쪽면의 면적 A_E(t)는 시간에 따른 태양상수의 변화에 의거하여 변화함을 의미하며, 23.5。는 하지점에서 태양 조사방향과 적도면의 경사각이고, θ(t)는 동쪽면으로부터 태양 조사 방향의 방위각으로 하루 주기로 시간에 따라 변화한다.

따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 태양 방향의 일변화에도 불구하고 항상 일정하게 sin23.5·q_solar의 외부열이 존재하는 북쪽면에 탑제체(11)의 열발생 부품(12)을 설치하며, 상기 북쪽면의 외부열이 열발생 부품(12)으로부터 발생하는 열량에 비하여 작으므로 북쪽면에 상기 메인라디에이터(10)를 장착하여 사용한다.

또한, 동쪽면과 서쪽면에는 도 7에 도시된 바와 같이, 0∼cos23.5·q_solar만큼의 태양상수(Solar Load : W/m²)의 변화가 있기 때문에 동쪽면과 서쪽면에 항상 일정한 면적의 라디에이터를 설치하면 오히려 라디에이터가 가열되는 역효과가 있기 때문에, 이러한 현상에 대응하여 상기 서브라디에이터(20)를 동쪽면과 서쪽면에 장착하여 사용하므로써 태양상수의 변화에 따라 동쪽면과 서쪽면에서의 라디에이터 면적이 능동적으로 변화하도록 되어 있다.

이때, 상기 가변전도열파이프(22)와 히터(21)를 이용하여 동쪽면에서의 라디에이터 면적 A_E(t)를 능동적으로 변화시키면 방위각 θ(t)가 변화더라도 라디에이터 온도 T_radiator를 항상 일정하게 유지할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 방열 시스템은 종전과 같이 전개장치에 의해 작동되는 전개형 방열판을 사용하지 않고서도 태양의 일변화에 무관하게 라디에이터의 면적을 확보하므로써 고출력의 위성 탑제체로부터 발생되는 온도를 제어할 수 있으며 위성발사시의 발사부피를 최소한으로 줄이고 발사비용을 절감하는 효과가 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 정지궤도 위성의 방열 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (2)

1. 정지궤도 위성 탑제체(11)의 북쪽면에 장착되며, 탑제체(11)의 열발생 부품(12)과 연결된 고정전도열파이프(13)가 배열되어 있는 메인라디에이터(10) 및,

   위성의 동쪽면과 서쪽면에 각각 장착되며, 히터(21)에 의해 열전도 특성을 가변시킬 수 있고 탑제체(11)의 열발생 부품(12)과 연결된 가변전도열파이프(22)가 배열되어 있는 서브라디에이터(20)

   로 구성된 것을 특징으로 하는 정지궤도 위성의 방열 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 메인라디에이터(10)와 서브라디에이터(2)의 면적에서 방출되는 열량과 라디에이터 온도와의 관계가

   을 만족하는 것을 특징으로 하는 정지궤도 위성의 방열 시스템.