이 논문에서는 KSLV-III(Korea Space Launch Vehicle-III)를 이용한 향후 우리나라의 화성 탐사 임무 설계를 제시한다. 우리나라 최초의 발사장인 '나로 우주센터(NARO Space Center)'를 발사장으로 가정하였으며, 현재 개발중인 KSLV 시리즈와 건설중인 우주센터의 완공기간 그리고 안정성 수립 기간을 고려하여 임무 수행 가능 기간을 약 2033년경으로 선정하였다. 화성 탐사 임무 수행시 각 단계에 따라 차별화 되어 요구되는 각종 기동(maneuver)의양 즉, 화성 천이(Trans Mars Injection, TMI)기동, 궤적 보정 기동(Trajectory Correction Maneuver, TCM), 화성 궤도 진입(Mars Orbit Insertion, MOI)기동 및 임무 수행 궤도를 이룩하기 위한 기동(Orbit Trim Maneuver, OTM)은 NPSOL 소프트웨어 이용하여 비선형 최적화 문제를 풀어 직접 산출하였다. 이렇게 산출된 최적 기동의 양을 바탕으로 KSLV-III를 이용하여 화성 탐사 임무를 수행할 경우에 대비, 구체적인 발사체 상단부(Upper stage)와 최대 탑재 가능한 탐사선의 질량에 대한 설계가 이루어졌다. 임무 설계 결과 향후 우리나라는 2033년 4월 16일 12시 17분 26초(UTC)부터 약 27분간 나로 우주센터에서 화성 탐사선을 발사 할 수 있다. 이때 최적의 기동량을 바탕으로 계산된 최대 가능 탐사선의 총 질량은 탑재되는 추력기의 비추력을 290초로 가정하였을 때 약 206kg(추진제: 109kg + 구조체: 97kg)이며, 발사체 상단부는 비추력 및 구조비를 290초와 0.15로 가정하였을 때 약 1293kg(추진제: 1099kg +구조체: 194kg)으로 나타났다. 하지만 최적의 기동량에 10%의 여유분을 고려한다면 탐사선은 약 148kg, 발사체 상단부는 약 1352kg의 질량을 갖는 것으로 나타났다. 이 연구를 통하여 제시된 각종 자료들은 향후 우리나라의 독자적인 화성 탐사선 개발을 위하여 많은 사전 정보를 제공해 줄 것이다.
이 논문에서는 KSLV-III(Korea Space Launch Vehicle-III)를 이용한 향후 우리나라의 화성 탐사 임무 설계를 제시한다. 우리나라 최초의 발사장인 '나로 우주센터(NARO Space Center)'를 발사장으로 가정하였으며, 현재 개발중인 KSLV 시리즈와 건설중인 우주센터의 완공기간 그리고 안정성 수립 기간을 고려하여 임무 수행 가능 기간을 약 2033년경으로 선정하였다. 화성 탐사 임무 수행시 각 단계에 따라 차별화 되어 요구되는 각종 기동(maneuver)의양 즉, 화성 천이(Trans Mars Injection, TMI)기동, 궤적 보정 기동(Trajectory Correction Maneuver, TCM), 화성 궤도 진입(Mars Orbit Insertion, MOI)기동 및 임무 수행 궤도를 이룩하기 위한 기동(Orbit Trim Maneuver, OTM)은 NPSOL 소프트웨어 이용하여 비선형 최적화 문제를 풀어 직접 산출하였다. 이렇게 산출된 최적 기동의 양을 바탕으로 KSLV-III를 이용하여 화성 탐사 임무를 수행할 경우에 대비, 구체적인 발사체 상단부(Upper stage)와 최대 탑재 가능한 탐사선의 질량에 대한 설계가 이루어졌다. 임무 설계 결과 향후 우리나라는 2033년 4월 16일 12시 17분 26초(UTC)부터 약 27분간 나로 우주센터에서 화성 탐사선을 발사 할 수 있다. 이때 최적의 기동량을 바탕으로 계산된 최대 가능 탐사선의 총 질량은 탑재되는 추력기의 비추력을 290초로 가정하였을 때 약 206kg(추진제: 109kg + 구조체: 97kg)이며, 발사체 상단부는 비추력 및 구조비를 290초와 0.15로 가정하였을 때 약 1293kg(추진제: 1099kg +구조체: 194kg)으로 나타났다. 하지만 최적의 기동량에 10%의 여유분을 고려한다면 탐사선은 약 148kg, 발사체 상단부는 약 1352kg의 질량을 갖는 것으로 나타났다. 이 연구를 통하여 제시된 각종 자료들은 향후 우리나라의 독자적인 화성 탐사선 개발을 위하여 많은 사전 정보를 제공해 줄 것이다.
Mission opportunities and trajectory characteristics for the future Korean Mars mission have designed and analyzed using KSIV-III(Korea Space Launch Vehicle-III). Korea's first space center, 'NARO space center' is selected as a launch site. For launch opportunities, year 2033 is investigated under c...
Mission opportunities and trajectory characteristics for the future Korean Mars mission have designed and analyzed using KSIV-III(Korea Space Launch Vehicle-III). Korea's first space center, 'NARO space center' is selected as a launch site. For launch opportunities, year 2033 is investigated under considering the date of space center's completion with KSLV series development status. Optimal magnitude of various maneuvers, Trans Mars Injection (TMI) maneuver, Trajectory Correction Maneuver (TCM), Mars Orbit Insertion (MOI) maneuver and Orbit Trim Maneuver(OTM), which are required during the every Mars mission phases are computed with the formulation of nonlinear optimization problems using NPSOL software. Finally, mass budgets for upper stage (launcher for KSIV-III and spacecraft are derived using various optimized maneuver magnitudes. For results, daily launch window from NARO space center for successful Korean Mars mission is avaliable for next 27 minutes starting from Apr. 16. 2033. 12:17:26 (UTC). Maximum spacecraft gross mass which can delivered to Mars is about 206kg, with propellant mass of 109kg and structure mass of 97kg, when on board spacecraft thruster's Isp is assumed to have 290 sec. For upper stage, having structure ratio of 0.15 and Isp value of 280 sec, gross mass is about 1293kg with propellant mass of 1099kg and structure mass of 194kg. However, including 10% margins to computed optimal maneuver values, spacecraft gross mass is reduced to about 148kg with upper stage's mass of 1352kg. This work will give various insights, requiring performances to developing of KSIV-III and spacecraft design for future Korean Mars missions.
Mission opportunities and trajectory characteristics for the future Korean Mars mission have designed and analyzed using KSIV-III(Korea Space Launch Vehicle-III). Korea's first space center, 'NARO space center' is selected as a launch site. For launch opportunities, year 2033 is investigated under considering the date of space center's completion with KSLV series development status. Optimal magnitude of various maneuvers, Trans Mars Injection (TMI) maneuver, Trajectory Correction Maneuver (TCM), Mars Orbit Insertion (MOI) maneuver and Orbit Trim Maneuver(OTM), which are required during the every Mars mission phases are computed with the formulation of nonlinear optimization problems using NPSOL software. Finally, mass budgets for upper stage (launcher for KSIV-III and spacecraft are derived using various optimized maneuver magnitudes. For results, daily launch window from NARO space center for successful Korean Mars mission is avaliable for next 27 minutes starting from Apr. 16. 2033. 12:17:26 (UTC). Maximum spacecraft gross mass which can delivered to Mars is about 206kg, with propellant mass of 109kg and structure mass of 97kg, when on board spacecraft thruster's Isp is assumed to have 290 sec. For upper stage, having structure ratio of 0.15 and Isp value of 280 sec, gross mass is about 1293kg with propellant mass of 1099kg and structure mass of 194kg. However, including 10% margins to computed optimal maneuver values, spacecraft gross mass is reduced to about 148kg with upper stage's mass of 1352kg. This work will give various insights, requiring performances to developing of KSIV-III and spacecraft design for future Korean Mars missions.
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