우주의 도자기:재사용 가능한 열 보호막에서 투명 망토까지

그러나 복사의 효율성은 표면 온도의 4승에 연결됩니다. 즉, 대부분의 재료가 편안하게 처리할 수 있는 표면 온도에는 거의 역할을 하지 않지만 ~1000K 이상의 온도에서는 지배적인 열 전달/냉각 메커니즘이 됩니다. . 거의 모든 고체 물질이 여기 주변에서 눈에 띄게 붉게 빛나기 시작하기 때문에 이 온도 범위에 익숙할 것입니다. [2].

특수 코팅이 핵심

우주선으로의 열 전도는 표면 가열을 처리하는 데 덜 유리한 방법입니다. 우주선 내에서 사용된 모든 재료의 온도 제한 때문입니다. 물질 제한 이전에 우주선이 흡수할 수 있는 열은 너무 많습니다. 초과되고 심각한 오류가 발생할 수 있습니다 .

엔지니어는 두 열 전달 메커니즘을 모두 활용하는 스마트 솔루션을 생각해 냈습니다. . 예를 들어, 우주 왕복선 궤도선의 가열된 표면은 좋은 단열재로 덮여 있습니다. , 즉 실리카(이산화규소). 또한 표면의 복사 방출 특성을 극대화하기 위해 이 소재에 검은색 붕규산 코팅을 적용했습니다. 이렇게 하면 발생하는 열의 최대 95%가 즉시 방출됩니다 , 타일 내부가 흡수할 열의 5%만 남깁니다.

우주 왕복선 궤도선의 전체 아래쪽 표면은 이 검은색 타일로 덮여 있습니다. , 부피 함량이 6%에 불과한 실리카 섬유 시스템으로 구성됩니다. 남은 부피는 공기로 채워짐 . 각 타일에는 고유한 위치에서 올바른 유지 관리 및 조립을 보장하기 위해 식별 번호가 표시되어 있습니다. 타일은 실리콘 고무 "접착제"로 기본 알루미늄 구조에 접착됩니다.

연마 시스템과 같은 기타 열 보호 시스템 , 또한 과도한 열에 의해 의도적으로 침식되는 단열재를 사용합니다. . 설계상 연마 시스템은 완전한 교체가 필요하기 전에 한 번만 사용할 수 있습니다. 대조적으로, 실리카 타일은 인상적인 피크 서비스 재진입 단계 동안 약 1900K의 온도에도 불구하고 재사용이 가능합니다. .

특히 강하게 가열되는 지역의 경우 , 공기역학적 구조의 앞쪽 가장자리와 같이 단열재가 충분하지 않을 수 있습니다 , 적극적인 냉각이 필요합니다. 이 경우 절연 세라믹 층이 없고 비교적 얇은 열전도성 물질이 제자리에 있습니다.

이 원리는 주 연소실의 냉각과 비슷합니다. 이전 기사 Metals in Space:초합금이 로켓 지형을 어떻게 변화시켰는지에서 자세히 설명한 우주 왕복선 주 엔진에서 . 또한 Elon Musk는 새로 설계된 우주선 Starship의 전체 바람을 향한 표면에 스테인리스 스틸의 능동 냉각을 사용할 계획입니다.

대기 진입 단계는 우주선이 상당한 표면 가열을 받는 유일한 작동 단계가 아닙니다. 단순히 우주의 햇빛에 노출됨 표면 온도를 최대 약 500K까지 빠르게 올릴 수 있습니다. .

이에 맞서 우주 왕복선 궤도선은 표면 반사율을 극대화하기 위해 실리카 화합물과 산화알루미늄의 혼합물[4]로 구성된 흰색 코팅을 사용하여 동일한 실리카 타일로 보호되었습니다. 입사 태양 에너지 플럭스의 극히 일부만 흡수합니다.

반사율이 높은 우주선의 단점

경우에 따라 우주선의 반사율이 문제가 될 수 있습니다. . 최근 SpaceX는 위성이 천문학자들의 관측을 방해한다는 심각한 불만을 접수했습니다[5].

SpaceX의 Starlink 위성은 하늘에 인공 별의 별자리를 만들고 있으며 천문학자들은 이 별자리가 데이터 계산을 방해하고 밤하늘을 오염시킬 것이라고 걱정합니다.

광학 반사율 Starlink 위성의 전체 설계에는 고려되지 않았습니다. 그러나 SpaceX는 이 결함을 인정했습니다 지구를 마주하는 면에 코팅을 하여 솔루션을 위해 적극적으로 노력하고 있습니다. 위성 [6].

이 코팅은 지구에서 방출되고 반사된 빛이 상당한 열원으로 작용할 수 있기 때문에 위성의 열 특성에 큰 영향을 미칩니다. 이는 전체 시스템에서 고려해야 합니다. 따라서 이것은 간단한 변경이 아니라 시행착오를 통해 신중하게 설계하고 검증해야 하는 변경입니다.

전자파 흡수 물질에 대한 연구는 독일군이 연합군의 성공적인 최초의 레이더 시스템에 직면했던 제2차 세계 대전으로 거슬러 올라갑니다. 이 연구 결과 페라이트 기반 페인트 , 최초의 인공 레이더 흡수 재료로 간주될 수 있습니다. [7].

오늘날에는 전략적 이유로 위성의 레이더 신호를 억제하여 적 탐지 시스템에서 은폐해야 합니다. 그러나 레이더 흡수 기술을 적용하기로 선택한 위성 사업자는 위성이 강력하게 증가하는 우주 쓰레기 문제에 기여하지 않도록 각별한 주의가 필요합니다. 서비스 종료 후 지구 궤도에서 발견하고 제거하기가 훨씬 더 어렵습니다.

다기능 소재/복합체가 필수인 이유

위의 고려 사항에서 위성 같은 우주선은 우리가 알고 있는 가장 까다로운 환경 중 하나에 내장된 매우 복잡한 시스템임을 알 수 있습니다. . 외부 위성 구조가 경험하는 가장 강력한 열화는 일반적으로 표면 침식과 관련이 있습니다. UV 조사에서 발생 우주 및 원자 산소의 폭격으로부터 [8], 심각한 열 순환 외에도 , 궤도 특성에 따라 .

위성은 우리가 알고 있는 가장 까다로운 환경 중 하나에 내장된 매우 복잡한 시스템입니다.

위성의 가장 바깥쪽 레이어 환경과의 모든 열 상호 작용에 대한 정의 표면입니다. 전자기 반사율 최소화와 같이 한 가지 목적으로만 최적화된 경우 , 냉각을 위한 특정 표면 방사율과 같은 공칭 기능에 필요한 기타 기능 또는 소운석으로부터의 충격 보호 위성의 파편이 누락되었을 수 있습니다. 따라서 가장 바깥쪽 레이어는 다양한 기능과 요구 사항을 충족해야 합니다.

그림 3:다양한 재료의 열 안정성[9].

다층 탄소 기반 세라믹 다기능, 경량 및 견고한 우주선 스킨을 구현하는 데 효과적인 재료임이 입증되었습니다. 그림 3은 탄소 섬유 강화 탄소를 보여줍니다. (탄소/탄소 또는 C/C)는 넓은 온도 범위에서 높은 열 안정성을 제공합니다. C/C 부품은 화학 증기 침투 공정으로 제조할 수 있습니다.

실제 투명 망토

배경과 같은 방식으로 단순히 색상을 지정하여 공간에서 개체를 숨기는 것이 사소해 보일 수 있습니다. :검정 . 그러나 모든 가시광선을 흡수하는 물체도 마이크로웨이브와 같은 다른 파장의 전자기 조사를 완벽하게 반사할 수 있습니다. .
C/C가 제공하는 우수한 열 보호 기능은 다중벽 탄소 나노튜브가 추가된 에폭시 매트릭스의 전자파 흡수 특성과 결합될 수 있습니다. . 탄소 나노튜브는 전자기파의 흡광도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 Wade Lanning의 이 기사에서 설명한 것처럼 초강력 나노물질을 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다.

그림 4:큐브 위성(CubeSat)의 이미지와 열 보호 시스템의 개략도. C/C는 전자기 복사를 흡수하는 차폐 다층과 결합됩니다[8].

탄소 나노튜브 함량이 최대 1.5%인 그림 4에 표시된 차폐 다층의 외부 층은 우수한 마이크로파 흡수 특성을 제공합니다. , 투명 망토 역할 위성을 위해. 개별 레이어의 두께와 구성은 머신 러닝 접근 방식을 사용하여 최적화됩니다. , 재료 과학의 최근 동향을 따릅니다.

보시다시피 최첨단 소재와 다기능 복합소재의 적용은 까다로운 우주 환경을 견디기 위해 필요합니다 .

우주선이 여기 지구에서 얼마나 잘 설계되고 테스트되었더라도 기능과 의도하지 않은 효과에 대한 놀라움 SpaceX와 Starlink 위성 별자리가 보여주듯이 궤도에서 여전히 마주칠 수 있습니다. 세라믹 재료, 복합 재료 및 코팅 장기 안정성 및 열 보호와 같은 매우 바람직한 특성을 제공하여 첨단 우주 탐사의 새로운 시대를 가능하게 합니다.