The Cost-Effective Thermal Control System of Small Lunar Landers and Rovers for Lunar Night Survival

Abstract

A lunar day is equivalent to a month on the Earth. As a result, the daylight period of a lunar day is extremely hot due to two weeks of sunlight, and lunar nights are extremely cold due to the lack of sunlight for an equally long period. During lunar nights, lunar probes have no energy access from sunlight, and are required to withstand two weeks under extremely cold conditions. Various devices have been proposed as solutions to ensure lunar landers and rovers are able to withstand two-week-long lunar nights. Certain methods utilize radioisotope heating units (RHU) and radioisotope thermoelectric generators (RTG), the heat source device and electric generator of lunar probes, respectively. In addition, radiator lids, which are thermal switches, have been applied for this purpose. Recently suggested ideas include thermal wadis, which are thermal storage devices, and devices that store energy from under the lunar surface during the lunar daytime. As such thermal stability devices are accompanied with problems such as high costs, safety problems, or limitations in terms of weight or design, small lunar probes opt to forsake survival during the two-week-long lunar night and are instead designed for missions during the two-week daytime period.

달의 하루는 지구의 한달에 해당하며, 태양이 비치는 달의 2주동안은 매우 뜨거운 상태의 달의 낮기간이고, 태양이 비치지 않는 달의 2주동안은 매우 차가운 달의 밤기간이다. 달 탐사선은 달의 밤기간동안 태양으로부터의 에너지 공급도 없고, 매우 추운 주변 환경 가운데서 2주간의 긴 기간을 버텨야 한다. 달 탐사를 위한 착륙선과 로버에는 2주동안의 달의 밤기간동안 생존하기 위해 그동안 여러가지 장치가 제안되고 시도되어 왔다. 달의 밤기간동안 달 탐사선의 열 공급장치인 RHU(Radioisotope Heating Unit), 혹은 전기 발생장치인 RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)등이 사용되어 왔고, 열 개폐장치인 Radiator Lid등이 사용되었다. 최근에는 열 저장 장치인 Thermal Wadi나 달의 지표면 아래에 달의 낮기간 동안 에너지를 저장하는 장치 등의 아이디어도 제시되었다. 이와 같은 온도 유지장치들은 가격적인 문제나 안전문제 혹은 무게나 구현의 어려움 등의 문제점을 동반하기 때문에, 소형 달탐사선의 경우에는 달 밤 기간 동안의 생존을 포기하고 달의 낮 기간인 2주동안만을 임무기간으로 설계되어 제작되기도 하였다. 본 논문에서는 소형 달착륙선과 로버도 2주동안의 달의 밤기간동안 생존할 수 있는 아이디어를 제시하였는데, 그것은 MLI (Multi-Layer Insulation) curtain system이다. MLI curtain system은 달 착륙선에 Lid와 RHU등의 장치를 적용하여 달의 밤 기간 동안 생존할 수 있도록 하고, 달 탐사 로버는 달 착륙선의 MLI curtain 안의 shelter로 이동하여 생존할 수 있도록 설계된 시스템이다. MLI curtain system은 소형 로버의 달 밤 기간 생존을 위하여 그 아이디어가 간단하고 적은 비용으로도 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 MLI curtain system의 실현 가능성을 증명하기 위해 일반적인 우주비행체 열설계 열해석 과정을 따라 열설계와 열해석을 수행하였고, 열설계 요구조건에 부합하는 결과물을 얻었다. 뿐만 아니라 MLI curtain system feasibility를 향상시키기 위해 열제어 뿐만 아니라 구조, 전력, 소프트웨어 측면에서 고려할 점도 논하였으며, MLI curtain system의 안정성을 향상시키기 위한 아이디어도 제시하였다. 그 결과 MLI curtain system은 소형 로버의 긴 임무기간 동안의 생존을 위해 실현 가능하고 적합한 아이디어임을 증명할 수 있었다.