스털링 방사성동위원소 발생기 열 차단을 개선하기 위한 방사형 코어 열 분산기

2017년 2월 6일

NASA에 의해

NASA 글렌 연구 센터는 심우주 과학 임무에 전력을 공급하기 위해 차세대 스털링 방사성 동위원소 생성기(SRG)를 개발하고 있습니다. 잠재적인 기술 격차 중 하나는 더 높은 전력의 스털링 컨버터에 대한 폐열 제거 방식입니다. 이전 140W ASRG(Advanced Stirling Radioisotope Generator)는 구리 합금 전도 플랜지를 사용하여 컨버터에서 발전기 하우징 라디에이터 표면으로 열을 전달했습니다. 전도 플랜지는 더 큰 스털링 시스템의 경우 상당한 질량 및 열 성능 저하를 초래합니다. RCHS(Radial Core Heat Spreader)는 열 전달 매체로 구리 대신 수증기를 사용하여 이 문제를 해결하기 위해 개발된 수동 2단계 열 관리 장치입니다.

RCHS는 끓고 응축되는 물을 사용하여 스털링 변환기가 위치할 중심에서 발전기 하우징이 부착되는 외부 직경까지 방사형으로 열을 전달하는 속이 빈 움푹 들어간 티타늄 디스크입니다. 실험용 RCHS의 무게는 약 175g이며 허브에서 주변으로 130W(열)를 전송하도록 설계되었습니다. 공칭 온도 90°C에서 작동하며 사용 가능 범위는 50~150°C입니다. 테스트를 위해 스털링 컨버터는 전기 가열 요소로 교체되었고 발전기 하우징은 열 흡수 장치로 교체되었습니다.

두 번의 포물선 비행 캠페인과 한 번의 준궤도 비행 테스트는 RCHS의 열 성능을 평가하기 위해 다중 중력 환경에서 필수 데이터를 제공했습니다. 포물선 비행은 2013년과 2014년에 이루어졌습니다. 준궤도 비행은 2015년 7월 7일에 이루어졌으며 발사 벡터에 대해 평행한 것과 수직인 두 개의 RCHS 장치가 포함되었습니다. Black Brant IX 로켓은 8분 이상의 미세중력 상태에서 RCHS 페이로드를 고도 332km까지 전달했습니다. 이 실험의 목적은 RCHS가 모든 임무 단계에서 작동할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. SRG는 발사 전에 연료를 공급하고 작동하므로 1g 지상 처리, Hyper-G 발사 및 Micro-g 우주 환경에서 적절한 열 관리를 유지하는 것이 중요합니다. 테스트 결과에 따르면 RCHS는 규정된 온도 제한 내에서 스털링 변환기를 유지하는 데 필요한 열 전력을 전달하면서 준궤도 비행 전반에 걸쳐 중력 과도 현상을 견딜 수 있음이 확인되었습니다.

비행 테스트를 거친 RCHS는 최첨단 ASRG 구리 전도 플랜지 질량의 1/4이며 향상된 열 전달을 제공하여 열 저항을 최소화합니다. 스털링 컨버터의 전력 수준이 증가함에 따라 RCHS가 제공하는 대량 절감 및 열 전달 이점도 크게 증가할 것입니다. 사운딩 로켓 비행 테스트는 RCHS가 발사력에 대한 장치의 방향에 관계없이 초중력 및 미세 중력 동안 적절한 열 제어를 유지할 수 있음을 입증했습니다.

RCHS는 발사, 미세중력, 열진공을 포함한 광범위한 환경에서의 엄격한 테스트를 통해 스털링 전력 시스템에 사용할 수 있는 기술 준비 수준(TRL) 6에 도달했습니다. 이 기술이 차세대 SRG에 채택된다면 추가적인 통합 시스템 테스트가 필요할 것이다.

NASA에서 제공