모든 우주선에는 라디에이터가 있음. 햇빛이든 원자로든 거주 구역이든 로켓 엔진이든 무엇이든 간에 우주선은 열을 방출해야 함
이번에는 라디에이터의 디자인들과 작동 원리에 대해 알아보겠음.
슈테판-볼츠만 공식
지구에서는 열이 전도나 대류 등으로 이동하지만 진공에서는 복사로만 열을 제거할 수 있음.
우주선은 태양빛을 받아 가열되고 선체가 열을 흡수하면 우주선은 열을 어떤 방법으로든 제거해야 함. 인간들의 활동조차도 열을 만들기 때문에 열을 배출하지 않는다면 우주선의 온도는 녹을 때까지 올라갈 것임.
라디에이터는 빛을 방출해서 온도를 낮춤. 라디에이터의 온도가 높다면 그만큼 짧은 파장의 빛을 방출함.
예시를 들자면 우리 몸은 300K의 적외선으로 열을 배출하지만 태양은 5800K의 가시광선으로 열을 배출함.
라디에이터가 방출할 수 있는 에너지의 양은 슈테판-볼츠만 공식에 의해 결정됨
슈테판- 볼츠만 공식: $j = \epsilon \sigma T^4$
j 는 면적 당 에너지(W) 방출량이고, 엡실론은 방출률, 시그마는 슈테판 볼츠만 상수(5.67*10^-8) 온도는 K임
디자인 요소
슈테판-볼츠만 공식에 따르면 방출률이 높고 면적이 크고 온도가 높을수록 열을 빠르게 방출함.
위의 우주선 디자인을 예시로 들면 왼쪽은 1100K, 오른쪽은 2700K로 열을 배출하고 있음. 하지만 오른쪽 우주선이 열을 3배 더 많이 방출하고 있음. http://childrenofadeadearth.boards.net/post/670
우주에서는 가장 가벼운 재료를 사용하는 것이 우주선의 성능에 좋은 영향을 줌. 작고 가벼운 라디에이터가 달린 우주선이 더 빨리 가속하고 더 적은 연료를 소모함.
몇 가지 더 고려해야 할 것들
라디에이터에서 냉매가 열원에서 나가는 온도는 라디에이터의 최초 온도임. 라디에이터는 냉매를 식히는 역할을 하고 냉매는 다시 열원으로 돌아감.
열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐름. 라디에이터는 열원의 온도가 라디에이터의 온도보다 높을 때만 작동함.
위의 원자로는 2907K의 열을 만들어서 2400K로 열을 배출함.
원자로의 온도와 라디에이터 온도는 여러 가지 요소들에 의해 결정됨. 하지만, 라디에이터로 나가는 온도가 너무 높으면 원자로의 효율성이 낮을 수밖에 없음.
이 문제에 대한 일반적인 해결 방법은 온도가 다른 라디에이터를 두 개 만드는 거임. 낮은 온도에서 작동하는 것과 높은 온도에서 작동하는 것 두 개를 만들어서 2 단식 발전기를 돌리거나 다른 낮은 열원에서 발생하는 열을 처리하게 하는 거임.
http://www.rbsp.info/rbs/PDF/aiaa05.pdf
이 우주선은 2개의 라디에이터를 사용해서 발전기를 돌림.
다른 문제로는 라디에이터는 얇고 가벼운 부분이기 때문에 우주선이 가속할 때 라디에이터가 부러질 수도 있다는 거임.
단단한 라디에이터
간단하면서 오늘날에도 쓰이는 디자인임.
철이나 흑연 등으로 이루어진 판에 냉매를 흘려 보내서 라디에이터 전체에 열을 전달함.
아래 소개할 다른 라디에이터들보다 무겁고 방출할 수 있는 온도가 낮지만 가장 간단함.
이런 방식의 라디에이터는 제곱미터 당 2~3kg정도의 무게를 차지함. http://scholarworks.umass.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1217&context=dissertations_2 에서 나온 ISS의 라디에이터는 라디에이터 패널만을 고려하면 2.75kg/m^2 정도임.
히트 파이프라는 열을 전달하는 데 더 나은 방식도 있음.
히트 파이프에서는 내부의 고체/액체 냉매가 기화되어 모세관 현상이나 구심력을 받아 이동함. 이걸 사용하는 라디에이터는 펌프나 움직이는 부분 없이 간단하고 가벼운 라디에이터를 만들 수 있음.
우주 전함에서 라디에이터들은 열을 내뿜는 데다가 넓고 약하고 보호하기도 힘들지만 중요한 부분이기 때문에 여분의 라디에이터를 설치하거나 라디에이터를 접히게 만들거나 선체에 가려지게 설계해야 함.
라디에이터가 접히면 우주선은 내부의 냉각재에 의존해야 함. 메가와트 급의 열원은 1톤의 물을 7분 안에 기체로 만들 수 있는 정도이므로 아주 짧은 시간 동안만 가능할 것임.
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/spacewardefense.php#id--Waste_Heat--Radiators 같은 소모성 라디에이터를 만들 수도 있음.
단단한 라디에이터들은 엄청난 압력으로 유체를 초임계 유체 상태로 만드므로 파괴될 경우 큰 피해를 줄 수 있음.
움직이는 라디에이터
단단한 라디에이터는 히트 파이프같은 무거운 것들을 포함하므로 무거울 수밖에 없음. 대신 라디에이터를 움직여서 이런 요소들을 없애면 됨.
이 라디에이터는 구조가 더 간단하고 강하며 더 넓은 온도차를 감당할 수 있음.
바퀴 모양이나 벨트 모양 라디에이터 등을 상상해볼 수 있음.
Bubble-membrane radiator 같은 라디에이터는 중앙에서 뜨거운 냉매가 열을 잘 방출하는 투명한 막으로 분사되는데 이 막을 회전시켜서 냉매를 구체의 적도 부분에 모아서 재사용함.
전자기 라디에이터
위의 디자인들은 라디에이터를 고정된 장소에 놓았지만, 이번에 소개할 라디에이터들은 전자기력으로 별도의 구조물 없이 냉매/라디에이터를 공중에 잡아놓는 방식임.
금속들은 퀴리 온도라는 점 이상을 지나면 자성을 잃는데 액체 금속 방울을 퀴리 온도 이상까지 가열해서 밖으로 던진 다음 금속 방울들이 퀴리 온도 이하로 내려가면 자기장을 이용해서 금속 방울들을 수집하는 방식으로 라디에이터를 작동시킴. 이 라디에이터들은 제곱미터 당 수 메가와트를 방출할 수 있음.
전자기 라디에이터는 우주 전투에서는 가장 좋은 선택지임. 최악의 상황에도 적은 몇 초 정도밖에 교란을 시키지 못함. 그러나 전력을 많이 소모하고, 강한 자기장을 발생시키고, 예상치 못한 가속에 대응력이 떨어짐.
대안은 전기력을 이용해서 대전된 냉매 먼지들을 일정항 궤도를 따라 움직이게 하는 거임.
정전 라디에이터의 장점은 자기력을 이용하는 방식보다는 적은 전력을 요구하고 온도 변화에 덜 민감하고 더 높은 온도를 다룰 수 있다는 거임.
액체 방울 라디에이터(Liquid droplet radiator)
액체 방울 라디에이터는 열을 방출하는 표면 없이 냉매를 직접 우주로 노출시킴. 각각의 방울이 라디에이터 역할을 하므로 표면적이 커져서 냉각 효과가 극대화됨.
냉각재가 물리적으로 구속될 필요가 없으므로 매우 높은 온도로 가열될 수 있고 매우 높은 온도로 가열해도 빠르게 냉각됨. 액체 방울이므로 열팽창 스트레스는 존재하지 않고 자성을 띠거나 전하를 띨 필요도 없음. 1300K, 50 마이크로미터 방울은 0.047kg/m^2 정도의 밀도로 제곱미터 당 57MW를 냉각할 수 있음.
액체 방울들이 태양풍 등에 의해 서로 부딪히거나 다른 곳으로 이동하는 것에 대한 해결 방안은 이미 고안되었음.
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19870010920.pdf
증기압으로 인해 냉매가 증발하는 게 문제임. 뜨거운 액체는 진공 중에서 빠르게 증발함. 증기압이 낮은 냉매(갈륨, 알루미늄, 리튬)를 사용할 수밖에 없음. 액체 금속들에 흑연을 약간 첨가한다면 높은 열 방출량을 달성할 수 있음.
사각형 모양의 액체 금속 라디에이터는 갚은 길이의 양 팔에 방출기와 수집기가 달려 있음. 수집기는 액체 방울을 더 잘 잡기 위해 넓게 설계할 수 있음. 수집기를 우주선의 가속에 따라 움직이게 하는 것도 가능함.
삼각형 LDR은 수집기의 무게를 줄일 수 있지만, 우주선의 가속에 따라잡을 수 있는 액체 방울의 양이 줄어들 수도 있음.
몇 가지 LDR 디자인은 수집기가 있는 대신 우주선의 가속력을 이용해서 다시 방출기로 돌아오도록 설계함.
이 방법은 가속력이 낮고 오랫동안 가속하는 전자기 추진 우주선에는 적합함. 램제트처럼 앞쪽으로 냉매 방울을 분사하고 다시 받는 방식으로 제작하면 더 안전하게 만들 수 있음.
아니면 투명한 막으로 라디에이터를 둘러서 어떤 방향으로 이동하든 막이 금속 증기와 튕겨나가는 방울들을 잡도록 할 수도 있음.
더 발전된 라디에이터들
Magnetically pumped and focused LDR
낮은 온도의 자성 유체와 높은 온도의 액체 금속은 액체 방울 라디에이터의 냉매로 사용될 수 있음. 이 냉매들은 맴돌이 전류와 자기장에 반응하여 어떠한 움직이는 부분 없이 유체를 이동시킬 수 있음.
자기장으로 액체 방울들을 회수할 수 있음. 자기장으로 액체 방울을 밀거나 당길 수 있기 때문에 액체 방울의 손실이 줄고 예상치 못한 가속을 하더라도 안전함.
기체 냉매:
기체 냉매는 이미 원자력공학 등에서 고려되고 있거나 사용되고 있음(고온가스로). 가스 냉매는 훨씬 높은 온도에서도 작동할 수 있고 팽창식 구조물과 같이 사용할 수 있음.https://ntrs.nasa.gov/citations/19940032314
그러나, 몇 가지 단점이 있음.
3000K 이상의 뜨거운 기체는 반응성이 매우 크고 라디에이터 주변 장치나 라디에이터 자체가 부식될 수 있음. 그리고 기체를 이동시키는 건 같은 질량의 액체를 이동시킬 때 보다 많은 에너지를 소비해야 함. 기체가 열 교환기와 열교환을 잘 못하는 것도 문제임. 헬륨 같은 기체는 액체 나트륨보다 열 전도율이 수백 배 낮음. 따라서 라디에이터와 열 교환기의 구조가 복잡해질 수밖에 없음.
대부분의 문제는 2단 냉각 장치로 해결할 수 있음. 기체로 지내는 시간과 액체로 지내는 시간을 정해서 열 교환기에서는 액체 상태로 들어가고, 열 교환기를 나오게 되면 압력이 낮아지면서 기화됨. 기체가 단열 팽창하면서 슈테판-볼츠만 법칙에 의해 열을 내뿜으므로 기체는 빠르게 냉각되고 액체로 변해서 다시 냉각기로 돌아감.
번역 출처:http://toughsf.blogspot.com/2017/07/all-radiators.html
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