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액체수소를 토성까지 년 동안 저장하기
8
작성
한국항공우주연구원 백승환 선임연구원
:
(
)
에서는 지속적으로 심우주 탐사에 힘을 쏫고 있다 최근에 계획되고 있는 것은
NASA
.
년에 발사 예정인 토성
의 위성인 타이탄
탐사 미션이다 이하
2022
(Saturn)
(Titan)
(
TOPS:
타이탄은 태양계에서 두 번째로 큰 위성이다 큰 위성이
Titan Orbiter Polar Surveyor).
.
라 두터운 대기와 구름을 가지고 있고 강수량이 있어 호수와 강이 있기 때문에 과학자들
,
이 매우 탐사하고 싶은 위성이라고 한다 타이탄 탐사는 태양계를 이해하기 위한 매우 중
.
요한 위성이라고 볼 수 있다.
그림
미션을 위한 위성탑재체
1. TOPS
페어링 안에 장착된 모습
발사체
(a) Atlas V4
(b) TOPS
다만 큰 문제거리는 타이탄까지 가야 한다는 것이다 타이탄까지 가기위해서는
,
.
5887
로
년 정도 가야 한다 초등학교 학년 때 쏘면 고등학교 학년 때 도착하는 것
m/s
10.5
.
1
1
이다 이 긴 시간동안 위성탑재체 또는 발사체 는 연료를 아끼고 아끼면서 토성까지 가야
.
(
)
한다 추가적으로 최대한 빨리도 가야하겠다
.
.
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이 미션을 위해서 위성탑재체는 번의 메인엔진 점화를 해야한다
아래 표에서 언
7
.
제 엔진이 점화되고 그때의 엔진 점화 시간 연료사용량을 확인할 수 있다 마지막 엔진
,
,
.
점화는 무려 발사 후
일 후에
분이나 지속된다
3,117
33
.
임무
TOPS
발사 후
시간 일
( )
엔진점화시간
(min)
속도 변화
(m/s)
연료 산화제
/
사용량 (kg)
주요 중력장
발사체 단분리
0.0069
2
40
27
지구
심우주 자세변경1
373
40
992
599
태양
심우주 자세변경2
761
56
1,552
699
태양
토성 중력 안착
2,650
19
696
239
토성
토성 궤도 안착1
2,869
7
269
82
토성
토성 궤도 안착2
3,045
10
446
125
토성
타이탄 궤도 안착
3,117
33
1892
407
타이탄
표
미션 시간표
1. TOP
이 미션에 사용되는 연료는 액체수소이고 산화제는 액체산소이다 액체수소는
의
,
.
20 K
온도 액체산소는 약
의 온도를 가지고 있는 극저온 액체들이다 액체수소와 액체산
,
90 K
.
소의 조합은 발사체의 높은 추력을 내기 때문에 효율이 좋지만 우주의 배경온도가 아무
,
,
리 낮다고 하지만 무려
일 후에 엔진 점화를 사용하기 위해서는 뭔가 특별한 장치
,
3,117
가 필요하겠다.
극저온 액체를 오랜 시간 저장하기 위해서는 무엇보다도 단열 열침입로 차단이 중
,
요하고 외부 열유입을 철저하게 계산하여 탑재 중량을 맞추는 것이 최고로 중요하겠다
,
.
미션을 위해서 최고의
를 사용하고 액체수소 탱크와
TOPS
Multi Layer Insulation(MLI)
,
액체산소 탱크를 서로 닿지 않게 구조적으로 분리 최소한의 지지대로 위성탑재체를 만드
,
는 방법이 있겠다 그리고 발사 시에 액체수소를 과냉각하여 충전하는 방법도 있다 액체
.
.
수소
를 약
으로 과냉각하여 열이 들어와도 상변화를 방지할 수 있게 한다
(20 K)
15 K
.
액체수소를 과냉각하는 방법은 액체헬륨
과 열교환하는 방법 또는 극저온 냉동기를
(4 K)
,
사용하는 방법 마지막으로
압축 줄톰슨팽창 과정
,
Thermodynamic Cryogen Subcooler(
-
)
이 사용될 수 있다고 한다 액체산소는 심우주에서는 자연 과냉각하여 증발 가능성이 적
.
,
다고 한다 문제는 액체수소인데 지상에서의 과냉각 충전과 열전달 경로를 잘 차단하여
.
,
설계한다고 하니 우리는 이를 추후에 참고해야 할 것이다
,
.
액체수소와 액체산소를 이용하면 기존 고체엔진보다 무려
나 질량을 감소시킬 수
43%
있다고 하니 극저온 열전달 설계를 잘하면 추후에 우리도 타이탄에 도착할 수 있지 않을까
,
.
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그림
발사체 열전달 해석 결과
2. TOPS
액체 산소 탱크는 하늘색
정도로 유지되고
(
, 100 K
액체수소탱크는
정도로 유지되는 것을 확인할 수 있다
20 K
)
이 글은 아래 링크의 기사를 참조하여 작성하였습니다.
※
Cryogenic propulsion for the Titan Orbiter Polar Surveyor (TOPS) mission, S. Mustafi et al. Cryogenics 74
(2016) 81-87
