다층 단열재

인공위성의 다층 단열재 클로즈업. 금속 코팅 플라스틱 레이어와 스크림 분리기가 보인다.

다층단열재(MLI)는 얇은 시트의 여러 층으로 구성된 단열재로 우주선이나 극저온학 등에 자주 사용된다. 슈퍼 인슐레이션이라고도 불리는 ^[1]MLI는 우주선 열 설계의 주요 항목 중 하나로, 주로 열 방사선에 의한 열 손실을 줄이기 위한 것이다. 그것의 기본 형태에서는 열전도나 대류 같은 다른 열 손실에 대해 눈에 띄게 단열되지 않는다. 따라서 전도 및 대류가 훨씬 덜 중요하고 방사선이 지배하는 진공 상태의 위성 및 기타 애플리케이션에 일반적으로 사용된다. MLI는 많은 위성들과 다른 우주 탐사선들에게 금박으로 덮인 외관을 제공하는데, 이것은 은알루미늄 마이러 위에 축적된 호박색 카프톤 층의 영향이다.

비 스페이스크래프트 애플리케이션의 경우 MLI는 진공 절연 시스템의 일부로서만 작동한다.^[1] 극저온학에 사용하기 위해 포장된 MLI는 진공재킷 파이프 고리 안에 설치할 수 있다.^[2] 또한 MLI는 고온 용도에 사용하기 위해 고급 진공 절연과 결합될 수 있다.^[3]

기능 및 설계

금빛 지역은 화성 정찰궤도선의 MLI 담요다.

MLI 뒤에 있는 원리는 방사선 균형이다. 왜 그것이 작동하는지 알아보려면, 구체적인 예시부터 시작하라 - 300K의 고정 온도에서 1의 복사도로 태양이나 다른 열원으로부터 멀리 떨어진 곳에 있는 외계의 1제곱미터의 표면을 상상하라. 스테판-볼츠만 법칙에서 이 표면은 460 W를 방출할 것이다. 이제 판으로부터 1 cm 떨어진 곳에 얇은 층(그러나 불투명한 층)을 놓았다고 상상해보라. 또한 복사율은 1이다. 이 새로운 층은 그것이 양쪽에서 230 W를 방출할 때까지 식을 것이고, 그 시점에서 모든 것이 균형을 이룰 것이다. 새 층은 원래 판으로부터 460 W를 받는다. 230 W는 원래 플레이트로, 230 W는 우주로 방사된다. 원래 표면은 여전히 460W의 방사선을 방출하지만, 230W의 순손실을 위해 새로운 층으로부터 230W의 환원을 얻는다. 그래서 전체적으로, 층을 추가함으로써 표면으로부터의 방사선 손실은 절반으로 줄어들었다.

MLI 담요로 덮인 초전도 단층 전류 제한 장치

Huygens 프로브의 열 차폐를 덮는 MLI

더 많은 층을 추가하여 손실을 더 줄일 수 있다. 이 담요는 외부 표면을 열 방사선에 매우 반사시켜 흡수 및 방출이 모두 감소시킴으로써 더욱 개선될 수 있다. 층 스택의 성능은 전체 열 전달 계수 U의 관점에서 정량화할 수 있으며, 이 계수는 온도 차이가 $\Delta T$ $\Delta T$ $\Delta T$ 이고 $\Delta T$ 면적 A는 다음과 같이 두 개의 평행 표면 사이의 복사 열 유량 Q를 정의한다.

[\displaystyle Q=UA\Delta T.}

이론적으로 복사성이 $\epsilon _{1}$ 두 층 사이의 열전달계수 under $\epsilon _{1}$ ${\$ 및 $\epsilon _{1}$ $\epsilon _{2}$ $\epsilon _{2}$ ${\$ 진공상태로 되어 있다.

U=A\sigma T^{4}{\frac {1}{1/\epsilon _{1}+1/\epsilon _{2}-1,

여기서 T는 두 층의 온도(K 단위)의 평균이고 $\sigma =5.7\times 10^{-8}$ = 5 $\sigma =5.7\times 10^{-8}$ $\sigma =5.7\times 10^{-8}$ $\sigma =5.7\times 10^{-8}$ - $\sigma =5.7\times 10^{-8}$ $[\$ = $5.7\times 10^{-8}$ WmK는 $\sigma =5.7\times 10^{-8}$ ⁻²⁻⁴ Stefan-Boltzmann Constant이다. 각 층이 양쪽에 동일한 $\epsilon$ 방출성 $\epsilon$ $\epsilon$ 을 갖는 경우, 두 개의 높은 방출성 표면 사이에 배치된 N 층 스택은 전체 열 전달 계수를 가질 것이다.

U=A\sigma T^{4}{\frac {1}{N(2/\epsilon -1)+1}

확실히 층수를 증가시키고 복사도를 감소시키면 열전달계수가 낮아지는데 이는 높은 절연 값에 해당한다. 이 방정식에서는 절대온도에 비해 온도차가 작다고 가정한다. 겉보기 외부 온도가 3K(우주 배경 방사선)일 수 있는 공간에서는 정확한 U 값이 다르다.

이 MLI 시트 양면에 두꺼운 외층(왼쪽), 흰색 그물 스페이서(가운데), 얇은 내층(오른쪽)을 코팅한 알루미늄으로, 또한 이 층들 사이에 추가적인 분리를 제공하기 위해 구부러졌다. 이 시트들은 발사 중에 공기가 통과할 수 있도록 천공되어 있다.

MLI 층은 열 접촉이 없는 한 임의로 서로 가까이 있을 수 있다. 분리공간은 분량만 있으면 되는데, 사진처럼 극도로 얇은 스크림이나 폴리에스테르 '다리의 베일'의 기능이다. 무게와 이불 두께를 줄이기 위해 내부 층을 매우 얇게 만들지만 열 방사선에 불투명해야 한다. 이러한 내부 층은 구조적인 강도가 별로 필요하지 않기 때문에 대개 매우 얇은 플라스틱으로 만들어지는데, Mylar나 Capton과 같이 두께 약 6μm(1/4백만)의 플라스틱으로 되어 있으며, 한쪽이나 양쪽에 얇은 금속 층(일반적으로 은이나 알루미늄)으로 코팅되어 있다.^[4] 콤팩트함을 위해 층간에는 열전도가 거의 또는 전혀 없어야 하기 때문에 층은 만지지 않아도 되도록 서로 가까이 간격을 둔다. 일반적인 절연 담요는 40개 이상의 층을 가지고 있다.^[4] 층은 양각되거나 구겨질 수 있으므로 몇 점 만지거나, 얇은 천 망사, 또는 스크림 등으로 떼어 놓거나, 위 그림에서 볼 수 있다. 외부 층은 더 튼튼해야 하며, 종종 더 두껍고 더 강한 플라스틱으로 섬유 유리 같은 더 강한 스크림 재료로 보강된다.

위성 어플리케이션에서, MLI는 발사 시간에 공기가 가득할 것이다. 로켓이 상승함에 따라 이 공기는 담요를 손상시키지 않고 빠져나갈 수 있어야 한다. 이것은 층의 효과를 감소시키더라도 층에 구멍이나 천공을 필요로 할 수 있다.^[5]^[6]

극저온학에서는 MLI가 가장 효과적인 절연 유형이다.^[7] 따라서 액화 가스 탱크(예: LNG, LN₂, LH₂, LO₂), 극저온 파이프라인 및 초전도 장치 등에 일반적으로 사용된다. 게다가 그것은 작은 크기와 무게로 평가된다. 40겹의 MLI로 구성된 담요는 두께가 약 20mm이고^[8] 무게는 약 1.2kg/m이다².^[9]

방법은 주로 봉제 기술을 사용하여 MLI 담요를 제작하는 제조업체에 따라 달라지는 경향이 있다. 이 층들은 잘라서 서로 위로 쌓이고 가장자리에서 함께 꿰매진다.

다른 최근의 방법으로는 초음파 용접을 사용하여 최종 담요 모양의 정확한 윤곽을 "팩"(외부 "피부"가 손으로 추가되기 전의 최종 층 세트)에 용접하기 위한 Computer-aided 설계와 Computer-aid 제조 기술의 사용이 있다.

단열재 솔기와 틈새로 인해 MLI 담요를 통한 열 누출이 대부분이다. 열성능 향상을 위해 바느질 대신 폴리에스테르테르케톤(PEEK) 태그핀(가격표를 옷에 붙일 때 쓰는 플라스틱 후크와 유사)을 이용해 필름 층을 제자리에 고정하는 새로운 방법이 개발되고 있다.^[6]

추가 속성

우주선은 또한 MLI를 먼지 충돌에 대한 첫 번째 방어선으로 사용할 수 있다. 이것은 일반적으로 절연되는 표면으로부터 1 cm 정도 떨어져 있는 간격을 의미한다. 또한 하나 이상의 층을 베타 천과 같이 기계적으로 강한 물질로 대체할 수 있다.

대부분의 애플리케이션에서 절연 레이어는 반드시 접지되어야 하므로 전하와 호를 쌓지 못하여 무선 간섭을 유발한다. 정상적인 구조로 인해 단열재뿐만 아니라 전기적 단열재도 발생하기 때문에 이 애플리케이션에는 담요를 함께 꿰매는 지점의 천 스크림과 반대로 알루미늄 스페이서가 포함될 수 있다.

비슷한 소재를 사용해 우주선에서도 단층단열재와 이중층단열재(SLI, DLI)가 일반적이다.

참고 항목

다층 단열재를 적용한 액체수소 탱크차
열 제어 하위 시스템

참조

^ ^a ^b "Using MLI Blankets under poor vacuum conditions". Meyer Tool & Mfg. Retrieved 2020-11-25.
^ "Wrapped MLI Quest Thermal Group". www.questthermal.com. Retrieved 2020-11-25.
^ "High temp MLI takes vacuum insulation performance to the next level". Advanced Vacuum Insulation for Applications from -270°C to 1000°C. 2019-07-31. Retrieved 2020-11-25.
^ ^a ^b Savage, Chris J. (2003). "Thermal Control of Spacecraft". In Peter W. Fortescue; John Stark; Graham Swinerd (eds.). Spacecraft Systems Engineering (3 ed.). John Wiley and Sons. pp. 378–379. ISBN 978-0-470-85102-9.
^ "Perforating". Dunmore. Retrieved 27 April 2014.
^ ^a ^b Ryuta Hatakenaka; Takeshi Miyakita; Hiroyuki Sugita (14–18 July 2013). "Thermal Performance and Practical Utility of a MLI Blanket using Plastic Pins for Space Use". 43rd International Conference on Environmental Systems 2013 : Vail, Colorado, USA, 14-18 July 2013. p. 2432. doi:10.2514/6.2013-3503. ISBN 978-1-62748-896-9.
^ "Cryogenic Insulation Systems". January 1999. {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
^ http://cds.cern.ch/record/593269/files/lhc-2002-018.pdf
^ "Home - Frako-Term".

외부 링크

"As Good as Gold: Are satellites covered in gold foil?". National Environmental Satellite, Data, and Information Service. January 8, 2016.
위성 열 제어 핸드북, 에드. 데이비드 길모어 ISBN 1-884989-00-4. 특히 제5장 단열재, 마틴 도나베디안과 데이비드 길모어가 썼다.
JPL에 의한 우주선 온도 제어 자습서
"Cassini dons its thermal cloak" (Press release). NASA JPL. 1997-01-03. Archived from the original on 2007-09-04. Retrieved 2009-01-08.
카시니의 MLI 테스트에 대한 일반적인 전문 기사
다층 단열재(MLI) 적용
다층 절연 재료 지침-NASA 1999년 발행 https://ntrs.nasa.gov/citations/19990047691
MLI 유형 및 속성

[:0-1] "Using MLI Blankets under poor vacuum conditions". Meyer Tool & Mfg. Retrieved 2020-11-25.

[2] "Wrapped MLI Quest Thermal Group". www.questthermal.com. Retrieved 2020-11-25.

[3] "High temp MLI takes vacuum insulation performance to the next level". Advanced Vacuum Insulation for Applications from -270°C to 1000°C. 2019-07-31. Retrieved 2020-11-25.

[Savage-4] Savage, Chris J. (2003). "Thermal Control of Spacecraft". In Peter W. Fortescue; John Stark; Graham Swinerd (eds.). Spacecraft Systems Engineering (3 ed.). John Wiley and Sons. pp. 378–379. ISBN 978-0-470-85102-9.

[5] "Perforating". Dunmore. Retrieved 27 April 2014.

[hatakenaka-6] Ryuta Hatakenaka; Takeshi Miyakita; Hiroyuki Sugita (14–18 July 2013). "Thermal Performance and Practical Utility of a MLI Blanket using Plastic Pins for Space Use". 43rd International Conference on Environmental Systems 2013 : Vail, Colorado, USA, 14-18 July 2013. p. 2432. doi:10.2514/6.2013-3503. ISBN 978-1-62748-896-9.

[7] "Cryogenic Insulation Systems". January 1999. {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)

[8] ttp://cds.cern.ch/record/593269/files/lhc-2002-018.pdf

[9] "Home - Frako-Term".

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