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문제 정의
- 이 논문은 위성본체 및 탑재체 제작에 현재 사용되고 있는 일반적인 구성품 재질 12점을 수집하여 지상 재질 분광실험을 수행한 결과이다. 재질의 입사광원으로 태양 빛을 직접 이용하였고 기존에 연구된 적이 없는 재질샘플 8점을 포함하여 구성품 재질별 분광반사율과 분광유형을 소개하였다.
제안 방법
- 지상 재질 분광실험을 수행한 결과이다. 재질의 입사광원으로 태양 빛을 직접 이용하였고 기존에 연구된 적이 없는 재질샘플 8점을 포함하여 구성품 재질별 분광반사율과 분광유형을 소개하였다.
- 그림 1의 (가)는 입사광원의 세기(3를 측정하기 위한 장치이고 그림 1의 (나)는 입사광원인 태양 빛이 위성 재질샘플에 반사된 후, 위상각 크기 별 반사광의 세기(R>)를 측정하기 위한 장치 이다. 입사광원으로는 태양 빛을 이용하였고 태양추적기(Heliostat)를 사용하여 매 실험시 일정한 입사 광량과 방향이 유지되도록 하여지상분광실험의 전반적인 환경을 실제 야간의 인공위성 분광관측시와 동일하게 적용하였다. 균일하고 평형한 광선(collimated light beam)이 재질 내로 정확히 입사될 수 있도록 하기 위해 6인치 뉴턴식 반사망원경의 아이피스 부분으로 태양 빛을 들어오게 하여 부경에 반사된 후 주경에서 나온 광선일부가 재질이 위치한 암실로 들어오게 하였다.
- 입사광원으로는 태양 빛을 이용하였고 태양추적기(Heliostat)를 사용하여 매 실험시 일정한 입사 광량과 방향이 유지되도록 하여지상분광실험의 전반적인 환경을 실제 야간의 인공위성 분광관측시와 동일하게 적용하였다. 균일하고 평형한 광선(collimated light beam)이 재질 내로 정확히 입사될 수 있도록 하기 위해 6인치 뉴턴식 반사망원경의 아이피스 부분으로 태양 빛을 들어오게 하여 부경에 반사된 후 주경에서 나온 광선일부가 재질이 위치한 암실로 들어오게 하였다. 측정할 재질에 반사되는 입사광량을 조절하기 위해망원경의 구경 앞부분을 3cm 정도만 남기고 가린 후, 재질크기에 따라 광량을 조절하였고 재질샘플밖으로의 광량 손실이 없도록 하였다.
- 균일하고 평형한 광선(collimated light beam)이 재질 내로 정확히 입사될 수 있도록 하기 위해 6인치 뉴턴식 반사망원경의 아이피스 부분으로 태양 빛을 들어오게 하여 부경에 반사된 후 주경에서 나온 광선일부가 재질이 위치한 암실로 들어오게 하였다. 측정할 재질에 반사되는 입사광량을 조절하기 위해망원경의 구경 앞부분을 3cm 정도만 남기고 가린 후, 재질크기에 따라 광량을 조절하였고 재질샘플밖으로의 광량 손실이 없도록 하였다. 수집된 재질 샘플들은 10cm 크기로 절단한 후, 알코올로 표면오염물질을 닦아낸 후 테이블 위에 고정하였다.
- 수집된 재질 샘플들은 10cm 크기로 절단한 후, 알코올로 표면오염물질을 닦아낸 후 테이블 위에 고정하였다. 각도기를 사용하여 위상각을 일정하게 변화시키면서 재질별로 분광실험을 수행하여 분광유형 및 분광반사율(spectral albedo)을 측정하였다. 재질별로입사각에 따른 샘플위치, 위상각 변화, 관측파장영역 등 관측조건을 모두 일치 시켰다.
- 재질별로입사각에 따른 샘플위치, 위상각 변화, 관측파장영역 등 관측조건을 모두 일치 시켰다. 매 측정시 광원이 정확히 재질내로 도달할 수 있도록 위치정렬을 한 후, 재질마다 표면상태가 불균일하기 때문에위상각을 10도씩 변화시키면서 재질별로 8번씩 입사광과 반사광 세기를 측정하여 각각의 분광유형과 평균 분광유형을 구하였다. 매 실험마다 반사광 세기를 측정하기 직전과 직후에 입사광의 세기를다시 측정하였다.
- 매 측정시 광원이 정확히 재질내로 도달할 수 있도록 위치정렬을 한 후, 재질마다 표면상태가 불균일하기 때문에위상각을 10도씩 변화시키면서 재질별로 8번씩 입사광과 반사광 세기를 측정하여 각각의 분광유형과 평균 분광유형을 구하였다. 매 실험마다 반사광 세기를 측정하기 직전과 직후에 입사광의 세기를다시 측정하였다. 재질별 평균 분광특성으로 부터 총 관측파장영역에 대한 파장별 반사율의 평균값을 구하여 재질별 반사율 값을 결정하였다.
- 매 실험마다 반사광 세기를 측정하기 직전과 직후에 입사광의 세기를다시 측정하였다. 재질별 평균 분광특성으로 부터 총 관측파장영역에 대한 파장별 반사율의 평균값을 구하여 재질별 반사율 값을 결정하였다. 각 재질별 반사율(Ay)을 구하는 공식은 = #이다.
- 파장 분해능은 150 lines/mm grating을 사용하여 5000A에서 38A이며관측 파장범위는 약 3900A 에서 7200A 까지의 가시광 영역이었다. 노출시간은 재질별 반사광량에 따라 5초에서 20초 사이로 적용하였고 입사광과 반사광의 측정 노출시간을 재질별로 동일하게 적용하였다. 분광 소프트웨어로는 CCDSoft(Software Bisque image processing program, Version 5.
- 그림 2는 수집한 재질을 가지고 지상 분광실험을 수행한 결과로 얻어진 재질별 분광패턴을 나타내고 있다. 재질별로 위상각을 10도씩 변화 시켜 각각 8회의 분광실험을 하였고 입사광원인 태양 빛으로 나누어 준 후의 재질별 총 평균 분광곡선을 보여주고 있다. 표 1에 나타낸 반사율은 그림 2에서 나타난 재질별 관측파장에 따른 분광 반사율그래프로부터 구한 재질별 평균반사율이다.
- 표 1. 지상 분광실험을 통하여 측정한 인공위성의 구성 재질별 분광반사율.
데이터처리
- 그림 2. 지상분광실험 결과로 얻어진 인공위성 구성 재질별 분광유형 비교.
이론/모형
- 입사광과 반사광의 세기를 측정하기 위해 5500A에서 70%, 4000A 및 7000A영역에서 30%의 양자효율을 갖는 ST-7E Imaging CCD 카메라와 Santa Barbara Instrument Group(SBIG)의 모델인 SBIG 분광기를 사용하였다. 파장 분해능은 150 lines/mm grating을 사용하여 5000A에서 38A이며관측 파장범위는 약 3900A 에서 7200A 까지의 가시광 영역이었다.
성능/효과
- 달라질 수 있고 위성본체와 탑재체내 구성품에 따라서도 여러가지 재질이 사용된다. 지상 분광실험 결과 재질별로 분광 유형과 반사율은 상호간 차이를 보여 식별 및 분류가 가능하였다. 표 1은 위성체 구성품 중 제작에 실제로 사용되었던 재질의 샘플 6 종류(A1 6061, A1 7071, Mylar, Teflon, Kapton, VDA)와 시중에서 구입한 위성체 제작에 사용되는 것과 유사한 6 종류의 재질 샘플을 가지고 재질별 용도 조사와 분광반사율 실험값을 나타낸 것이다.
- (2000)이 수행한 실험자료와 일치함을 확인할 수 있었다. 전반적으로 재질별 분광곡선의 패턴과 흡수선 형태가 서로 차이가 나므로 상호간 분광유형 식별 및 분류가 가능하였고, 분광유형 이 비슷한 TiC, Mylar, Cu 1100의 경우에는 전 파장영 역에서의분광곡선 기울기(slope and dip)와 peak가 차이를 보였다. Steeb의 경우 일반탄소강이 아닌 Stainless steel을 사용하였으나 얇은(*2。3 피막이 파괴되어 표면에 산화과정이 진행됨으로써 반사율이 낮은 것으로 판단된다.
후속연구
- 위성체 구성품별 재질의 지상 분광실험 자료를 실제 관측한 우주잔해물의 분광 자료와 비교하면 재질 파악이 가능하고, 각 구성품 마다 재질이 다소 차이가 나므로 인공위성의 어떤 부분에서 떨어져 나온 잔해물 인지를 어느 정도 파악할 수 있을 것으로 판단된다(표 1 참조). 또한, 지상 분광실험에서 얻어진 위성체의 재질별 반사율은 실제 관측을 통해 측정된 밝기를 이용하여 인공위성 이나 인공위성에서 떨어져 나간 우주잔해물의 크기를 구하는데 사용될 수 있다. 이를 위해서는 대상물의 분광관측을 통한 재질의 유형 파악이 우선되어야 하고 재질의 유형에 따른 반사율과 크기를 바탕으로 대상물의 중량을 구할 수도 있다(Lambert et al.
- 위성체를 구성하고 있는 각 부분품별로 재질이 표 1과 같이 어느 정도 상이하고 실험결과에서 보듯이 각 재질에 따른 분광패턴이 상호간 뚜렷이 구별이 되므로 이를 활용하여 실제 관측한 인공위성이나 우주잔해물의 재질 식별이 가능하리라 판단된다. 관측한 대상물이 합금형태의 재질로 예상될경우 지상실험을 통해 얻은 분광선들의 선형조합(linear combination) 등을 통해 어느 정도 재질의구성비를 파악할 수 있을 것으로 본다.
- 우주잔해물의 재질 식별이 가능하리라 판단된다. 관측한 대상물이 합금형태의 재질로 예상될경우 지상실험을 통해 얻은 분광선들의 선형조합(linear combination) 등을 통해 어느 정도 재질의구성비를 파악할 수 있을 것으로 본다. 또한, 인공위성에서 떨어져 나간 우주잔해물의 경우 지상 재질실험 자료와 실제 관측자료를 비교하여 재질 유형이 파악되면 위성체 내에서 그 재질의 용도를 알수 있어 인공위성의 어느 부분에서 떨어져 나갔는지를 어느 정도는 알아 낼 수 있으리라 본다.
- 관측한 대상물이 합금형태의 재질로 예상될경우 지상실험을 통해 얻은 분광선들의 선형조합(linear combination) 등을 통해 어느 정도 재질의구성비를 파악할 수 있을 것으로 본다. 또한, 인공위성에서 떨어져 나간 우주잔해물의 경우 지상 재질실험 자료와 실제 관측자료를 비교하여 재질 유형이 파악되면 위성체 내에서 그 재질의 용도를 알수 있어 인공위성의 어느 부분에서 떨어져 나갔는지를 어느 정도는 알아 낼 수 있으리라 본다. 그리고 재질이 파악된 우주잔해물은 지상 분광실험에서 얻은 재질별 분광반사율 자료와 함께 인공위성을 직접 측광관측하여 얻은 밝기를 이용하여 우주물체의 크기와 중량을 계산할 수도 있을 것이다.
- 또한, 인공위성에서 떨어져 나간 우주잔해물의 경우 지상 재질실험 자료와 실제 관측자료를 비교하여 재질 유형이 파악되면 위성체 내에서 그 재질의 용도를 알수 있어 인공위성의 어느 부분에서 떨어져 나갔는지를 어느 정도는 알아 낼 수 있으리라 본다. 그리고 재질이 파악된 우주잔해물은 지상 분광실험에서 얻은 재질별 분광반사율 자료와 함께 인공위성을 직접 측광관측하여 얻은 밝기를 이용하여 우주물체의 크기와 중량을 계산할 수도 있을 것이다.
- 재질별 분광유형 식별은 분광패턴이 유사할 경우 기울기만 가지고 분류가 어려우므로 향후 고분산과 넓은 파장영역을 커버할 수 있는 지상 분광실험이 수행되어야 할 것이다. 본 지상실험 자료는운용 초기에 있는 인공위성 이나 생 긴지 얼마 되 지 않은 우주잔해물의 분광 관측 자료와 비교 분석시 유용하다.
- 넓은 파장영역을 커버할 수 있는 지상 분광실험이 수행되어야 할 것이다. 본 지상실험 자료는운용 초기에 있는 인공위성 이나 생 긴지 얼마 되 지 않은 우주잔해물의 분광 관측 자료와 비교 분석시 유용하다. 위성체나 우주잔해물의 표면은 우주환경에 장기간 노출되면 오염물질의 퇴적화, 재질의 산화반응, 표면 화학물질의 양적변화 등이 나타나게 되고 임무와 관련한 기계적 작동이나 기동시재질의 부식이나 마모 현상이 초래되어 초기 제작시의 재질특성과 많은 차이를 보이게 된다.
- 따라서 장기 간 우주환경 에 노출되어 있는 우주잔해물이 나 인공위 성과 같은 인공우주물체의 가장 이상적인 재질특성 식별은 우주환경에서 장기간 수행된 우주실험실 재질연구 자료와 지상에서 관측시스템을 통해 얻어진 분광관측 자료를 상호 비교 분석하는 것이 보다 효과적인 방법일 것이다. 인공위성의 디자인뿐만 아니라 신소재 개발에 따른 위성체 구성품들의 재질은 향후 지속적인 변화가 예상되므로 인공우주물체의 보다 명확한 식별 및 분류를 위해서는 더 많은 위성체 재질의 지상 분광실험을수행하여 이들 자료를 이용한 데이터베이스 구축이 필요할 것으로 본다.
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