Development and Validation of Cryopanel Cooling System Using Liquid Helium for a Satellite Test

액체헬륨을 이용한 위성시험용 극저온패널 냉각시스템 개발 및 검증

A cooling system utilizing liquid helium to chill the cryopanel (800 mm $\times$ 700 mm dimensions) down to 4.2 K was designed, implemented, and tested to verify the role of the cryopanel as a heat sink for the payload of a spacecraft inside the large thermal vacuum chamber (effective dimensions : 8 m ($\Phi$) $\times$ 10 m (L)) of KARI (Korea Aerospace Research Institute). Two LHe (Liquid Helium) Dewars, one for the main supply and the other for refilling, were used to supply liquid helium or cold helium gas into this cryopanel, and flow control for the target temperature of the cryopanel within requirements was done through fine adjustment of the pressure inside the LHe Dewars. The return helium gas from the cryopanel was reused as a thermal barrier to minimize the heat influx on the core liquid helium supply pipe. The test verified a cooling time of around three hours from the ambient temperature to 40 K (combined standard uncertainty of 194 mK), the capacity for maintaining the cryopanel at intermediate temperatures, and a 1 K uniformity over the entire cryopanel surface at around 40 K with 20 W cooling power.

인공위성 적외선 탑재체의 열싱크 역할을 위해, 액체헬륨을 이용하여 극저온패널(가로 약 800 mm, 세로 약 700 mm)을 4.2 K까지 냉각시키는 시스템을 설계, 개발, 검증하였다. 유효직경 8 m, 유효 깊이 10 m의 대형열진공챔버에서 검증된 본 냉각시스템은 500리터 용량의 액체헬륨용기 두 개(극저온 패널로의 액체헬륨 또는 저온헬륨가스 주 공급용기 및 주공급용기로의 재충진용기)를 사용하였는데, 목표인 극저온패널의 냉각 및 온도제어는 주 공급용기 내부의 미세압력조절을 통해 액체헬륨 공급유량을 제어함으로써 이루었다. 극저온패널에 공급된 후 배기되는 저온 헬륨가스는 특별히 설계, 제작된 사중진공배관의 제3층을 흐르며 열차단막의 역할을 수행함으로써, 액체헬륨 공급 라인인 제1층(중심배관)으로의 열유입을 최소화하였다. 극저온패널을 상온에서 40 K(합성표준불확도 194 mK)까지 냉각시키는데 약 3시간이 소요되었으며, 20 W의 열을 발산하는 극저온패널을 40 K 주변 온도에서 1 K 이내의 온도균일도를 가지며 유지할 수 있었다.