한국 최초의 위성발사체 나로호(KSLV-I)의 1차 비행시험이 2009년 8월 25일 전라남도 고흥의 나로우주센터에서 실행되었다. 다량의 연료를 싣고 장거리를 비행하는 우주발사체의 특성상 비행중의 비정상 상황에 대한 대비는 매우 중요하며, 본 논문에서는 KSLV-I 발사운영의 안전확보를 위해 진행된 비행안전 업무를 기술하였다. 비행시험 전, 비행시의 비정상 상황으로 인한 위험도 분석을 위한 비행안전 분석이 진행되어 정량적인 위험성을 평가하였으며, 발사시에는 비행안전시스템을 운영하여 위험에 대비하였다. 비행중 추적데이터를 이용한 순간낙하점 계산과 비행상황 감시는 정상적으로 운영되었으며, 비행종단시스템의 동작없이 비행시험을 완료하였다.
한국 최초의 위성발사체 나로호(KSLV-I)의 1차 비행시험이 2009년 8월 25일 전라남도 고흥의 나로우주센터에서 실행되었다. 다량의 연료를 싣고 장거리를 비행하는 우주발사체의 특성상 비행중의 비정상 상황에 대한 대비는 매우 중요하며, 본 논문에서는 KSLV-I 발사운영의 안전확보를 위해 진행된 비행안전 업무를 기술하였다. 비행시험 전, 비행시의 비정상 상황으로 인한 위험도 분석을 위한 비행안전 분석이 진행되어 정량적인 위험성을 평가하였으며, 발사시에는 비행안전시스템을 운영하여 위험에 대비하였다. 비행중 추적데이터를 이용한 순간낙하점 계산과 비행상황 감시는 정상적으로 운영되었으며, 비행종단시스템의 동작없이 비행시험을 완료하였다.
The first Korean satellite launch vehicle, KSLV-I(Korea Space Launch Vehicle-I), was launched for its first flight test on Aug. 25, 2009 from Naro Space Center located in south Jolla province. Because launch vehicles usually fly long range with large amount of propellants aboard, preparation of coun...
The first Korean satellite launch vehicle, KSLV-I(Korea Space Launch Vehicle-I), was launched for its first flight test on Aug. 25, 2009 from Naro Space Center located in south Jolla province. Because launch vehicles usually fly long range with large amount of propellants aboard, preparation of countermeasures against potential malfunctions during flight is essential in launch operation. In this paper, the flight safety operation, prepared to guarantee flight safety during launch operation of KSLV-I, is presented. Prior to flight test, flight safety analysis is performed to estimate associated risk levels quantitatively, and during flight, flight safety systems are operated to cope with any risky situations. Real-time flight monitoring including computation of instantaneous impact point using tracking data is executed normally and the flight test is completed without activation of flight termination system.
The first Korean satellite launch vehicle, KSLV-I(Korea Space Launch Vehicle-I), was launched for its first flight test on Aug. 25, 2009 from Naro Space Center located in south Jolla province. Because launch vehicles usually fly long range with large amount of propellants aboard, preparation of countermeasures against potential malfunctions during flight is essential in launch operation. In this paper, the flight safety operation, prepared to guarantee flight safety during launch operation of KSLV-I, is presented. Prior to flight test, flight safety analysis is performed to estimate associated risk levels quantitatively, and during flight, flight safety systems are operated to cope with any risky situations. Real-time flight monitoring including computation of instantaneous impact point using tracking data is executed normally and the flight test is completed without activation of flight termination system.
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문제 정의
본 논문에서는 KSLV-I의 발사운영을 위해 진행한 비행안전업무를 개괄적으로 제시하고자 한다. 위성발사체는 그 특성상 대량의 연료를 싣고 장거리를 비행하며, 고온/고압/초저온/진공 등의 극한 상황에서 시스템이 동작하기 때문에 이에 따른 위험성에 대한 대비는 항상 준비되어야 하며, 우주발사체 선진국의 경우에도 시험 및 발사와 관련된 지상안전 및 비행안전 문제는 발사 운영을 위해 매우 중요하게 다루어지고 있다[1].
본 논문에서는 KSLV-I의 첫 비행시험을 위하여 준비 운영된 비행안전 업무에 대하여 기술하였다.
본 논문에서는 우선 KSLV-I의 발사를 위해 진행된 비행안전분석에 대하여 기술한 후, 비행안전 발사운영에 대하여 제시하였다.
제안 방법
KSLV-I 발사 비행안전 운영에서 비행안전통제 원은 비행안전정보시스템(FSIS)을 이용하여 로켓의 비정상비행 여부를 확인하기 위해 우선적으로 로켓의 순간 낙하점(IIP:Instantaneous Impact Point)을 관찰하게 된다. 순간 낙하점은 순간적으로 추력이 소멸되었을 때 해당 물체가 무추력 탄도 비행 후 낙하하게 되는 예측점으로 정의되며 [9], 우주 발사체 비행 안전 운영 시 가장 높은 중요도를 가지며 관찰되는 요소이다.
비정상 비행모드는 주로 비행궤적을 따라 폭발 및 분해가 일어나는 경우와 횡방향 기동으로 인해 예상낙하점이 비행종단 한계선을 벗어나는 비정상 턴으로 나누어 각각의 실패 확률을 산출 한다. 각 비정상 모드의 비행구간별로 발사체의 폭발 또는 분해시 발생하는 파편을 면적, 질량, 모양 등이 유사한 그룹별로 나누고 각 파편그룹에 대한 불확실성 모델을 구성한다. 이후 불확실성 모델과 오차요인을 고려하여 발사체의 현재 상태벡터(속도,위치)에 대한 낙하영역을 계산한다.
KSLV-I의 비행안전 분석을 위해 비정상 비행 모드에 대한 설정과 경우에 따른 낙하물 모델이 구성되었다. 낙하물은 비행중의 여러 가지 비정상 경우에 대해 발사체 구성품 상세 분석을 통하여, 표 1과 같이 구해졌으며, 각각의 비정상 Breakup Model에 대하여 유사한 크기와 공력특성을 갖는 파편들은 하나의 그룹으로 분류하여 분석을 진행하였다[6]. 각 비정상 비행 모드 및해당 파편모델을 이용하여, 그림 1의 절차로 각인구밀집지역에 대한 충돌확률 P I를 구한후, 최종 산출물인 예상인명피해(Expected Casualty)는아래와 같이 계산된다.
발사체의 위치 및 속도 추정을 위한 필터링에 있어서, 비행안전 측면에서는 정확도보다도 안정성이 더 우선시되기 때문에 단순한 형태인 α-β-γ 타입의 필터를 사용하였으며,[5] 필터 파라미터 결정을 위하여 십여 차례에 걸쳐 진행된 소형항공기 추적 시험 결과와 추적장비 노이즈 특성 분석 결과를 사용하였다.
비행종단시스템 운영은 운영자, 여러 탑재시스템, 그리고 지상송신 장비와 연계되기 때문에 개발과정과 비행용 발사체 조립과정에서 연계되는 모든 시스템에 대하여 지상에서의 full-chain 시험 및 소형 항공기 탑재 모의비행 시험을 통하여 장비 간의 연계 기능 검증을 수행하였으며, 또한 발사전 날의 리허설 및 발사당일에도 기능 점검을 수행하여 정상상태임을 확인한 후, 발사를 진행하였다.
기준값 1×10-5 이하의 영역을 산출하고 여유거리 9km를 포함하여 결정되 었다. 선박제한구역은 발사장에서 발사 방향으로 비행거리 45km, 폭 24km로 설정되었으며 항공기 제한구역은 선박영역을 토대로 전 방향으로 10km의 여유를 가질 수 있도록 설정하였다.(그림 3) 페어링 및 1단 낙하영역 부근의 선박/항공기 위험 영역의 경우, 페어링 낙하점을 중심으로 낙하분산영역을 충분히 포함하도록 비행방향으로 폭 200km, 길이 400km 영역으로 설정하였고 분리된 1단의 낙하위험영역은 비행방향을 기준으로 폭 80km, 길이 340km의 영역으로 설정하였다.
각 비정상 모드의 비행구간별로 발사체의 폭발 또는 분해시 발생하는 파편을 면적, 질량, 모양 등이 유사한 그룹별로 나누고 각 파편그룹에 대한 불확실성 모델을 구성한다. 이후 불확실성 모델과 오차요인을 고려하여 발사체의 현재 상태벡터(속도,위치)에 대한 낙하영역을 계산한다. 비정상 비행에 의한 위험도 계산은 여러 불확실성 및 오차요인을 고려한 낙하물들의 낙하분 산영역을 추정하여 인명 피해(Expected Casualty, Ec)와 선박, 항공기에 미치는 영향을 계산하게 된다.
대상 데이터
KSLV-I 1차 비행시험에서 FSIS 전시를 위해 사용된 추적데이터는 추적레이다(RAD1 및 RAD2), EOTS, INS, GPS 데이터이다. 수신된 데이터들 중 Radar와 EOTS는 전송된 위치 벡터를 필터링하여 속도 벡터를 계산하게 되며, 텔레메 트리로 수신된 2단 INS 및 GPS 데이터는 필터링 없이 위치와 속도벡터를 이용하여 IIP를 계산하게 된다.
지상장비로는 나로우주센터와 제주추적소에 설치된 텔레메트리 시스템(TLM#1, #2, #3), 추적레이더(RAD#1, #2), EOTS(광학추적장비), 다운레인지 텔레메트리 시스템(TLM#4), 지상비행종단시스템(GFTS: Ground Flight Termination System)이 사용되었다. 각 추적 장비로부터는 계측된 위치 정보를, 텔레메트리 시스템으로부터는 발사체 항법정보와 주요 상태정보를 전송받았다. 지상 비행종단시스템은 비행종단 명령을 전송하는 역할을 하며 신뢰성을 위하여 이중화된 시스템으로 구성되어 있다.
지상 비행종단시스템은 비행종단 명령을 전송하는 역할을 하며 신뢰성을 위하여 이중화된 시스템으로 구성되어 있다. 발사체 탑재 장비로는 관성항법장치(INS)와 위성위치추 적시스템(GPS), 텔레메트리 송신기, 트랜스폰더, 탑재 FTS등이 사용되었다. 우주발사체 비행시험을 위한 비행안전 운영은 앞에서 기술된 비행안 전영역 설정, 지상의 추적장비 계측데이터 및 텔레메트리 데이터로 전달되는 발사체 상태 정보를 이용한 정상 비행 여부 감시, 비정상 비행일 경우 비행종단시스템 동작의 순서로 진행된다.
KSLV-I 비행시험에서는 비행안전시스템 운용을 위해 여러 지상장비와 발사체 탑재 장비가 활용되었다. 지상장비로는 나로우주센터와 제주추적소에 설치된 텔레메트리 시스템(TLM#1, #2, #3), 추적레이더(RAD#1, #2), EOTS(광학추적장비), 다운레인지 텔레메트리 시스템(TLM#4), 지상비행종단시스템(GFTS: Ground Flight Termination System)이 사용되었다. 각 추적 장비로부터는 계측된 위치 정보를, 텔레메트리 시스템으로부터는 발사체 항법정보와 주요 상태정보를 전송받았다.
한국항공우주연구원과 러시아간의 공동 협력 으로 7년에 걸쳐 개발된 KSLV-I의 1차 비행시험이 2009년 8월 25일에 전라남도 고흥군 외나로도에 위치한 나로우주센터에서 수행되었다. KSLV-I의 발사는 국내에서 처음으로 위성발사체의 발사운영 전과정을 진행하였다는데 있어서 역사적으로 큰 의미를 가지며, 특히 독자적으로 개발/시험/구현을 진행해온 많은 부분들에 대한 검증이 이루어졌고, 축적된 경험은 향후의 우주개발에큰 기반이 될 것으로 보인다.
이론/모형
KSLV-I의 비행안전 분석을 위해 비정상 비행 모드에 대한 설정과 경우에 따른 낙하물 모델이 구성되었다. 낙하물은 비행중의 여러 가지 비정상 경우에 대해 발사체 구성품 상세 분석을 통하여, 표 1과 같이 구해졌으며, 각각의 비정상 Breakup Model에 대하여 유사한 크기와 공력특성을 갖는 파편들은 하나의 그룹으로 분류하여 분석을 진행하였다[6].
성능/효과
KSLV-I의 비행에 대한 비행안전 분석은 발사 체의 비행궤적 주변 영역에 대하여 진행하였으며, 앞의 식 (1)을 사용하여 계산한 최종 위험도 분석 결과는 미국 FAA에서 규정된 수준을 만족하는 것으로 나타났다. 비행안전 분석의 일례로 우주센터 주변의 충돌확률계산 결과는 그림 2에 보인 바와 같다(1×10-6 이상만 도시).
각 추적장비별 전송된 위치와 속도를 이용하여 전구간에서 순간낙하점을 계산한 결과, 그림 7 및 8에 보인 바와 같이 추적장비별 낙하점의 차이는 크지 않은 것으로 분석되었다. 아래 그림에서 IIP의 위, 경도가 변화되지 않고 있는 시간대는 무추력 구간으로 1단엔진이 연소종료된 230초에서 2단 KM이 점화된 395초까지이다.
비행중 확인된 지상과 탑재비행종단시스템과의 무선링크는 위성분리 시까지 안정적이었으며, 지상 및 탑재비행종단시스템은 임무종료시까지 정상적으로 동작한 것으로 확인되었다.
비행초기에만 추적을 수행하는 EOTS를 제외한 모든 추적장비 데이터로 계산된 페어링의 낙하점은 nominal 낙하점을 중심으로 반경 35km 이내에 낙하하는 것으로 계산되었으며 INS와 GPS 데이터로 계산된 낙하점은 페어링의 nominal 낙하 점과 25km 이내의 차이를 보이고 있다[그림 9].
후속연구
특히 발사체 이륙 후 위성이 분리되는 시점까지 2000km 이상의 비행 구간에서 안정적인 비행감시가 진행되어 정상적인 비행안전 운영이 수행되었다. 현재 준비된 시스템과 운영 개념은 향후에 진행될 KSLV-I의 발사에 계속 사용될 예정이며 현재 계획되고 있는 한국형발사체 발사 운영에 큰 기반이 될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우주발사체의 비행안전 분석이란 무엇인가?
우주발사체의 비행안전 분석은 정상 및 비정상 비행(조기연소종료, FTS 작동, 폭발 및 파괴등) 으로 인해 발생되는 낙하물 또는 파편들의 낙하점 및 낙하분산영역을 계산하여 인명, 선박 그리고 항공기 등에 미치는 영향을 정량적으로 분석하는 것으로서, 미국을 비롯한 서방우주발사체 운영국에서는 발사허가 등의 과정에서 반드시 요구되는 분석이다[3,4].
발사위험영역 중 발사장 부근의 선박 및 항공기 제한구역이란 무엇인가?
발사위험영역은 발사장 부근의 선박 및 항공기 제한구역과 페어링 및 1단 낙하영역 부근의 선박/항공기 위험 영역이 있다. 발사장 주변의 선박 및 항공기 제한구역은 발사초기 실패로 인한 선박/항공기의 위험을 방지하기 위하여 통행을 금지시키는 영역이다. 선박제한구역은 발사장 부근영역에 선박이 1대라도 존재할 경우 선박 충돌확률에 관한 안전 기준을 초과하는 점들을 연결하여 영역을 설정한다.
비행안전의 궁극적인 목적은 무엇인가?
비행안전의 궁극적인 목적은 비행중인 로켓에 비정상 상황이 발생하더라도, 지상에 미치는 피해가 없도록 통제하는 것이다. 이를 위하여 사전에 위험영역을 선정하여, 발사전에 해상/공중/주민 소개 및 위험통보가 되도록 하며, 발사운영중 에는 비행상황을 감시하여 필요시 비행종단시스 템을 이용하여 비행을 조기에 종료시킨다
참고문헌 (9)
Kehler, C.R., and Starbuck, F.R., Range Safety Requirements, Range Safety Office of Patrick Air Force Base, 1997.
고정환, 김정래, 박정주, 방희진, 최동민, 송상섭, "KSR-III 비행안전 시스템 운영", 한국항공우주학회지, 제32권 제7호, 2004, pp. 91-97.
Federal Aviation Administration, Code of Federal Registration Parts 401, 406, 413, et al. Licensing and Safety Requirements for Launch: Final Rule, US Department of Transportation, Aug. 25, 2006.
Space Licensing and Safety Office, Flight Safety Code, Commonwealth of Australia, Department of Industry, Science and Resources, Australia, June 19, 2001.
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