[논문]기술논문 : 저궤도 위성의 추진제 소모율 계측에 관한 고찰

김인태; 허환일; 김정수

doi:10.5139/jksas.2003.31.1.113

초록
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위성의 추진제량은 위성의 임무운용기간을 결정하는 주요 변수들 중의 하나이며, 현재 운용중인 위성의 추진제 잔량을 정확하게 예측하는 일은 향후 위성의 운용계획을 수립함에 있어 매우 중요하다. 일반적으로 인공위성의 추진제 소모량을 계측하기 위해서는 PVT 방식이나 회계식 방법이 이용되어지며, 본 논문에서는 다목적실용위성 1호의 실제 원격 측정 자료에 근거하여 상기의 두 가지 계측법을 비교, 분석하고 각각의 특징들에 대해 고찰하고 있다. 또한 위성의 주된 추력기 작동 모드인 안전모드에서 추력기를 사용하지 않는 과학임무모드로 복귀하는 과정에서 여러 단계의 자세제어모드에 따른 추진제 소모율에 대해 상세히 검토하였다. 계산결과 지구찾기모드에서 추진제 소모율이 최고치를 보였다.

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During the mission operation time, it is very important to estimate the spacecraft propellant remaining as accurately as possible. This is because the quantity of propellant is related directly to how long the satellite can be operated ín orbit. There are two different methods for spacecraft propell...

During the mission operation time, it is very important to estimate the spacecraft propellant remaining as accurately as possible. This is because the quantity of propellant is related directly to how long the satellite can be operated ín orbit. There are two different methods for spacecraft propellant gauging; the PVT method and the book-keeping method. This paper describes the characteristics and applications of these methods using the flight operation data of KOMPSAT-1. Additionally, propellant consumption rates in delta-V maneuvering and each attitude control submode are analyzed according to spacecraft operation modes. The earth search submode shows the highest propellant consumption rate.

주제어

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 이 두 가지 방법을 바탕으로 다목적실용위성 1호 (KOMPSAT-1) 의 실제 궤도 운용 데이터에 근거해 서로 비교하고 그 차이점 및 특징들에 대해 고찰하고자 하며 이를 바탕으로 앞서 기술한 바와 같이 여러 단계의 자세제어 모드에 따른 추진제의 소모율에 대해서도 알아보고자 한다.

가설 설정

산정하였다. 이때 회계식 방법의 경우에는 발사 후에서부터 계속적인 추력기의 운용에 대한 기록이 요구되어지므로 여기서는 비교의 편이를 위해 처음 시작하는 시간의 추진제 질량을 같다고 가정하였다.

제안 방법

다목적실용위성 1호(KOMPSAT-1)의 발사 후 현재까지의 2년이 넘는 운용기간을 모두 비교한다는 것은 자료처리에 방대한 시간이 소모되므로 4번의 Delta-V 연소 중 연소시간이 길었던 세 번째와 네 번째의 연소를 기준으로 비교해 보았다 [5].
또한 과학임무모드(Science Mode)인 경우에는 추력기가 아닌 반작용휠(reaction wheel assembly)을 이용하여 위성의 자세제어를 수행하기 때문에 안전모드(Safe Hold Submode)로 진입한 직전부터 과학임무모드로 복귀하기 전까지의 과정을 위주로 살펴보았다.
또한 이 PVT 방법에 의해 여러 단계의 자세제어 모드에서의 추진제 소모량 및 소모율을 탱크에서의 압력(P)과 온도(T)의 변화 등에 근거하여 예측할 수 있었다. 특히 최소전력모드인 안전모드 (Safe Hold Submode) 및 태양지향모드 (Sun Pointing Submode)에서 경과시간이 가장 길었고 추진제 소모율이 작았으며 상대적으로 지구 찾기 모드(Earth Search Submode)와 지구지향 유지모드(Attitude Hold Submode)에서는 추력기의 사용이 급증되어 다른 자세제어모드에 비해 추진제의 소모율이 증가됨을 확인하였다.
본 논문에서는 현재 운용중인 다목적실용위성 1호(KOMPSAT-1)의 실제 궤도 운용 데이터에 근거하여 이상기체의 상태방정식에 의한 PVT 방법과 비추력-추력 관계식으로부터 이끌어진 회계식 (book-keeping) 방법을 각각 적용하고 그 차이점을 비교해 보았다. 두 방법 모두 오차(error)의 요인들을 가지고 있었는데 PVT 방법은 추진제 탱크에서의 압력과 온도와 같은 변수들을 측정하는 데 있어서 오차의 요인들을 가질 수 있으며, 그에 반해 회계식 방법은 탱크에서의 변수가 아닌 추력기를 사용한 기동 (maneuver) 에 초점을 두고 있기 때문에 위성의 운용고도에서의 추력과 비추력에 대한 정확한 값을 찾는 문제, 또한 발사 후에서부터 계속적으로 추력기 운용에 대한 관찰과 기록이 요구되어지며 이런 작업들이 무척 단조롭고 자료처리에 방대한 시간이 요구된다는 단점이 있다.
여기에 추력 F와 비추력 Isp는 다목적실용위성 1호에 사용된 4.4 N MRE-1 추력기의 성능특성곡선을 이용하였으며 Fig. 2와 Fig. 3은 엔진입구압력(인젝터로의 추진제 공급압력)에 따른 추력과 비추력에 대한 특성을 각각 보여주고 있다. [4].

대상 데이터

다목적실용위성 1호 (KOMPSAT-1)는 1999년 12 월 21일 발사이후 2002년 2월 현재까지 네 번의 궤도기동(orbit maneuver)을 통해 Delta-V 연소를 수행하였으며 이를 통해 추진제를 소모하였다. 여기서 Delta-V 연소는 위성의 궤도천이, 궤도경사 각 조정, 고도 수정, 그리고 위치 유지(지구정지궤도위성에 한정) 등을 목적으로 위성추진시스템의 모든 엔진을 작동시켜 위성을 지향위치까지 직선 이동 시키기 위한 위성의 궤도제어 모드로서 3축 자세제어 모드와 구별된다.

성능/효과

그리고 앞서 기술한 바와 같이 PVT 방법을 이용해 각 서브모드에서의 추진제의 소모량을 계산하며 마지막으로 서브 모드에서의 경과시간으로 나누어주면 각각의 자세제어 서브모드에서의 추진제 소모율 (propellant consumption rate)을 구할 수 있다. 계산 결과에서 주목할 것은 Fig. 8과 Fig. 9에서 살펴본 바와 같이 지구찾기모드(ERTH)에서 경과시간에 비해 추력기의 사용이 급증되어 추진제 소모율이 다른 서브모드에 비해 무척 높음을 확인할 수 있다.
수 있었다. 특히 최소전력모드인 안전모드 (Safe Hold Submode) 및 태양지향모드 (Sun Pointing Submode)에서 경과시간이 가장 길었고 추진제 소모율이 작았으며 상대적으로 지구 찾기 모드(Earth Search Submode)와 지구지향 유지모드(Attitude Hold Submode)에서는 추력기의 사용이 급증되어 다른 자세제어모드에 비해 추진제의 소모율이 증가됨을 확인하였다. 위성의 자세제어 모드별로 산출된 추진제의 소모율은 실제 위성의 임무운용말기까지의 추진제 소모율 예측에 유용한 결과를 제공하며 임무기간 중에 수행될 Delta-V 연소에 의한 궤도 유지 및 조정에 대한 계획자료로도 사용 될 수 있다.

후속연구

위성의 자세제어 모드별로 산출된 추진제의 소모율은 실제 위성의 임무운용말기까지의 추진제 소모율 예측에 유용한 결과를 제공하며 임무기간 중에 수행될 Delta-V 연소에 의한 궤도 유지 및 조정에 대한 계획자료로도 사용 될 수 있다. 또한 저궤도 위성으로 향후 개발 및 운용 예정인 다목적 실용위성 시리즈에 대한 기초자료로도 활용 가능할 것이다.
특히 최소전력모드인 안전모드 (Safe Hold Submode) 및 태양지향모드 (Sun Pointing Submode)에서 경과시간이 가장 길었고 추진제 소모율이 작았으며 상대적으로 지구 찾기 모드(Earth Search Submode)와 지구지향 유지모드(Attitude Hold Submode)에서는 추력기의 사용이 급증되어 다른 자세제어모드에 비해 추진제의 소모율이 증가됨을 확인하였다. 위성의 자세제어 모드별로 산출된 추진제의 소모율은 실제 위성의 임무운용말기까지의 추진제 소모율 예측에 유용한 결과를 제공하며 임무기간 중에 수행될 Delta-V 연소에 의한 궤도 유지 및 조정에 대한 계획자료로도 사용 될 수 있다. 또한 저궤도 위성으로 향후 개발 및 운용 예정인 다목적 실용위성 시리즈에 대한 기초자료로도 활용 가능할 것이다.

참고문헌 (10)

Charles D. Brown, Spacecraft Propulsion, AIAA Education Series, 1996.
Ronald W. Humble, Gary N. Henry, Wiley J. Larson, Space Propulsion Analysis and Design, McGraw-Hill, 1995.
Chobotov, M. V. and Purohit, G. P., "Low-Gravity Propellant Gauging System for Accurate Predictions of Spacecraft End-of-Life," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 30, No. 1, 1993, pp.92-101.

상세보기
이성택, 장기원, 이상희, 최영종, 류정호, “인공위성 자세 및 궤도제어용 1파운드급 단일추진제 추력기 개발," 한국항공우주학회 추계학술발표, 1997, pp.186-189.
김인태, 허환일, 김정수, 최해진, “인공위성 추진제 소모량 계측법에 관한 고찰", 한국항공우주학회 추계학술발표, 2001, pp.113-116.
김해동, 최해진, 김은규, “다목적실용위성 1호의 임무계획 및 운영," 한국항공우주학회지, 제 29권 7호, 2001, pp.118-126.

상세보기
백명진, 이진호, 장성수, “다목적실용위성 위성체 시스템 초기운용”, 한국항공우주학회지, 제29권 1호, 2001, pp.117-127.

상세보기
KOMPSAT Telemetry Allocation Document, KOMPSAT Document, D24299.
KOMPSAT Flight Operation Handbook, KOMPSAT Document, D24586.
김정수, 한조영, 진익민, “다목적실용위성 1호 추진시스템 궤도운용 결과 분석”, 한국추진공학회지, 제4권 4호, 2000, pp.107-113.

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