[논문]아리랑 위성 2호와 5호의 우주파편에 대한 충돌확률 및 임무환경 분석

성재동; 민찬오; 이대우; 조겸래; 김해동

doi:10.5139/jksas.2010.38.11.1144

초록
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지난 50여년의 우주개발로 인해 현재 지구궤도 상에는 수많은 우주파편이 인공위성이나 우주선을 위협하고 있다. 현재 아리랑 위성 2호와 5호의 임무궤도가 포함된 LEO에 전체 우주파편의 84%가 존재함에 따라 우주파편을 고려한 우주임무설계가 요구된다. 본 논문에서는 ESA의 MASTER2005와 NASA의 DAS2.0을 이용하여 현재 활동 중인 아리랑 위성 2호와 발사예정인 아리랑 위성 5호의 임무궤도에 존재하는 우주파편의 종류, 궤도특성, 우주파편이 차지하는 공간밀도를 비교분석하였고, 임무 중에 우주파편과 충돌하거나 손상을 입을 확률을 계산하였다. 분석 결과 아리랑 위성 2호의 우주파편 충돌확률이 아리랑 위성 5호에 비해 약 5배정도 높은 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The increasing number of orbital debris objects is a risk for satellites because of past 50 years space activities. The LEO (low earth orbit) where KOMPSAT-2 and KOMPSAT-5 are operated is including about 84% of the total space debris. Thus, the space missions need to consider the space debris. In th...

The increasing number of orbital debris objects is a risk for satellites because of past 50 years space activities. The LEO (low earth orbit) where KOMPSAT-2 and KOMPSAT-5 are operated is including about 84% of the total space debris. Thus, the space missions need to consider the space debris. In this paper, we analysis the orbit characteristics and spatial density of space debris about KOMPSAT-2 that is in activity and KOMPSAT-5 that will be launched in 2010. Analyzed probability damage and collision with space debris are also performed. ESA MASTER2005 and of NASA DAS2.0 are used to analysis KOMPSAT mission environment. As a result, it is noted that KOMPSAT-2's collision probability was far more than KOMPSAT-5 because KOMPSAT-2's orbit has high density composed space debris.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 NASA의 DAS2.0과 ESA의 MASTER2005를 이용하여 현재 운용되고 있는 아리랑 위성 2호와 2010년 발사 예정인 아리랑 위성 5호의 궤도에 존재하는 우주파편 궤도 특성을 파악하고, 차지하는 비중이 큰 물체에 대해 분석하였다. 마지막으로 우주파편과 아리랑 위성과의 충돌확률 및 손상확률을 분석하였다.

가설 설정

0을 통해 표 2와 같이 아리랑 2호와 5호의 임무 중 10cm이상 크기의 우주파편과 충돌확률을 계산하였다. 로켓 동체는 위성을 임무 궤도로 올리기 위해 사용된 로켓을 의미하고, 분리되는 고도는 각각 아리랑 2호와 5호의 고도와 동일하다고 가정하였다.

제안 방법

DAS2.0을 통해 표 2와 같이 아리랑 2호와 5호의 임무 중 10cm이상 크기의 우주파편과 충돌확률을 계산하였다. 로켓 동체는 위성을 임무 궤도로 올리기 위해 사용된 로켓을 의미하고, 분리되는 고도는 각각 아리랑 2호와 5호의 고도와 동일하다고 가정하였다.
0과 ESA의 MASTER2005를 이용하여 현재 운용되고 있는 아리랑 위성 2호와 2010년 발사 예정인 아리랑 위성 5호의 궤도에 존재하는 우주파편 궤도 특성을 파악하고, 차지하는 비중이 큰 물체에 대해 분석하였다. 마지막으로 우주파편과 아리랑 위성과의 충돌확률 및 손상확률을 분석하였다.
본 논문에서는 DAS2.0을 이용하여 우주파편과 아리랑 2호, 5호의 충돌확률과 손상확률을 계산하였고, MASTER2005를 이용하여 아리랑 2호, 5호의 궤도에 존재하는 우주파편의 종류와 궤도특성을 분석하였다.
본 논문에서는 최근 문제가 되고 있는 우주파편에 대한 문제와 관련하여 현재 운용중인 아리랑 2호와 5호의 임무궤도에 존재하는 우주파편에 대한 분석과 우주파편과 임무 수행 기간 중 충돌하거나 손상을 입을 확률을 분석하였다.
본 연구에서 분석한 항목은 10cm이상의 물체와 충돌확률(Probability of Collision With Large Objects), 10cm미만의 물체에 의한 손상확률 (Probability of Damage from Small Object)이다.
PMD는 Post Mission Disposal로써, 폐기기동여부를 의미한다. 아리랑 2호의 경우 임무 종료 시점을 초과하여 현재까지 계속 임무를 수행하고 있는데, 본 연구에서는 원래 임무수행기간인 3년으로 해석을 수행하였다.
위성과 우주파편이 충돌할 확률을 계산하는 방법은 크게 확률적 방법(Stochastic method)과 결정론적 방법(Deterministic method)으로 나눌 수 있으며, 본 연구에서는 확률적 방법 중 포아송 분포를 이용하여 충돌확률을 계산하였다.
표 3은 10cm 이하 크기의 우주파편과 가스탱크, 별 추적기 등 중요한 부품과의 충돌로 인해 위성이 손상될 수 있는 확률을 계산하였다. 손상확률 계산 결과 상대적으로 아리랑 2호의 확률이 높았지만, 거의 0에 가까운 확률이다.

대상 데이터

1㎛크기의 우주파편까지 해석 범위에 포함되어 있고, 해석할 수 있는 기간은 1957년부터 2055년까지이며, 36,786km의 고도까지 해석할 수 있다. 또한 폭발파편, 폐기물체, Nak-Draplet, SRM-Slag, SRM-Dust 등 우주파편의 종류에 따라 독립적인 출력 값을 나타내기 때문에 목표궤도의 우주파편의 구성비도 분석할 수 있다.
본 논문에서는 아리랑 2호와 5호의 세밀한 부품정보를 반영하는 대신 유사 궤도상의 위성인 Indigo67을 고려하여 시뮬레이션 하였다.

이론/모형

DAS는 NASA에서 개발한 여러 우주파편 모델과 대기모델, 재진입 계산 툴 등이 포함되어 있는데, 사용된 궤도전파기(Orbit propagator)로는 PRO3D와 GEOPROP를 사용하였고, 우주파편 환경모델로 ORDEM2000을 사용하였다[6]. DAS의 입력변수로는 위성의 임무궤도(근지점의 고도, 원지점의 고도, 궤도 경사각)와 위성의 정보(임무 기간, 폐기기동 여부, 초기 질량, 최종 질량)가 있다.
DAS와 함께 아리랑 2호와 5호의 임무궤도에 존재하는 우주파편의 종류와 궤도특성을 분석하기 위해 MASTER2005를 사용하였다. MASTER2005는 ESA(European Space Agency)에서 개발한 우주파편모델로 원하는 궤도나 공간을 지정하여 그 공간을 차지하는 우주파편의 밀도, 우주파편의 플럭스(Flux)를 분석할 수 있다.
기체운동론에 근거한 포아송 분포는 위성과 파편이 충돌할 확률을 계산하는 간단하고 자주 사용되는 방법으로, 충돌확률을 계산할 DAS2.0의 구성요소인 ORDEM에 사용되었다.
본 논문에서는 충돌확률계산을 위해 NASA에서 개발한 DAS2.0을 사용하였다. DAS (Debris Assessment Software)는 우주파편생성을 억제하기 위해 NASA에서 규정한 NASA Technical Standard 8719.

성능/효과

3.1에서 아리랑 2호와 5호의 충돌확률 및 손상확률을 계산한 결과 아리랑 2호의 충돌확률과 손상확률이 아리랑 5호에 비해 높게 나타났다.
MASTER2005를 통해 아리랑 2호와 5호의 공간 밀도와 궤도의 우주파편 플럭스를 분석한 결과 아리랑 2호의 고도에서 우주파편의 공간밀도와 우주파편 플럭스가 높았다. 이는 아리랑 2호의 고도가 685km로 아리랑 5호의 고도인 550km보다 높기 때문에 우주파편이 받는 대기저항과 지구의 중력이 작기 때문에 더 오래 궤도에 머무를 수 있기 때문으로 분석되고, 그에 비해 아리랑 5호의 고도는 대기저항과 지구의 중력이 상대적으로 크기 때문에 우주파편이 궤도에 머무르는 시간이 작기 때문에 우주파편의 공간밀도도 영향을 받는 것으로 추측된다.
분석 결과는 아리랑 2호의 임무궤도상에는 위성이나 우주선의 폭발로 인해 발생한 파편이 가장 많았고, 아리랑 5호의 임무궤도상에는 SRMSlag가 가장 많았다.
아리랑 2호의 궤도에는 Iriduim33과 Cosmos 2251의 충돌파편과 Fengyun 1c의 폭발파편의 영향으로 폭발파편의 비율이 약 54%로 가장 컸으며, 아리랑 5호의 궤도에는 SRM-Slag의 비율이 약 56%로 가장 컸다. 이는 아리랑 5호의 고도인 550km를 지나는 고체 로켓의 발사 빈도가 높기 때문으로 사료된다.
충돌확률 계산 결과 아리랑 5호의 충돌확률보다 아리랑 2호의 충돌확률이 약 4배 높은 것으로 나타났고, NASA의 TECHNICAL STANDARD 4.5-1에 명시된 10cm 이상의 물체와 충돌확률이 0.001(0.1%)보다 작아야 한다는 규정을 두 위성 모두 초과하였다[5].
충돌확률과 손상확률 분석 결과 아리랑 2호의 충돌확률이 아리랑 5호보다 약 4배, 손상확률이 약 9배 높게 나타났다.

후속연구

그리고 추후에 기존 사용한 포아송 분포를 이용한 충돌확률이 아닌 근접 점을 이용한 충돌확률(Closest Point of Approach)로 아리랑 2호와 5호에 적용하여 연구할 계획이다.
우주파편 완화정책을 실행하지 않는다면 위와 같은 일이 자주 발생할 것이고, 차후 우주개발계획에 심각한 영향을 끼칠 것이다. 이러한 우주파편의 심각성이 알려지면서 현재 NASA, ESA를 비롯한 각국의 여러 연구기관에서 우주파편을 제거하고 생성을 억제하는 정책들을 시행하였고, 대표적으로 IADC(Inter Agency Space Debris Coordination Committee)에서 2,000km 이하 저궤도 위성에 대해 임무 중 발생하는 모든 물체의 수명을 25년으로 제한하는 규정을 제정하기도 하였다.
현재 아리랑 2호는 지구궤도상에서 우주파편들과의 큰 충돌 없이 임무를 정상적으로 수행하고 있지만, 향후 우주파편에 대한 우주환경이 악화될 수 있으므로 곧 발사 예정인 아리랑 5호 등 여러 위성의 임무궤도 환경 특성을 분석하고, 적절하게 임무궤도를 설정함으로써 우주파편의 피해를 최소화하고 안정적으로 임무를 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주개발로 인해 지구 주위의 궤도상에는 우주파편들이 축적되었는데, 이 중 추적가능한 파편의 개수는 얼마나 되는가?	하지만 지난 50여년의 우주개발로 인해 지구 주위의 궤도상에는 우주파편(Space Debris)들이 축적되었고, 1mm이하부터 1m이상의 크기까지 수많은 우주파편이 생성되었다. 주로 폐기 위성, 발사잔여물, 폭발로 인해 생긴 파편 조각 등으로 구성된 우주파편 중 추적 가능한 10cm이상의 파편이 약 19,000여개, 추적이 불가능한 1cm이하의 물체는 수억 개로 추정된다[1].
	현재 지구궤도 상에는 수많은 우주파편이 있는 이유?	지난 50여년의 우주개발로 인해 현재 지구궤도 상에는 수많은 우주파편이 인공위성이나 우주선을 위협하고 있다. 현재 아리랑 위성 2호와 5호의 임무궤도가 포함된 LEO에 전체 우주파편의 84%가 존재함에 따라 우주파편을 고려한 우주임무설계가 요구된다.
	인류 최초의 인공위성은 무엇인가?	인류 최초의 인공위성 스푸트니크(Sputnik)가 발사된 이후 현재 위성이 제공하는 다양한 기능은 우리 생활에 없어서는 안 될 존재가 되었다. 위성 개발 초기의 목적인 군사적 목적이 아닌 현재는 장거리 통신과 방송, 대기관측을 통한 일기 예보, 위성항법장치(GPS)등 실생활에서 사용되고 있으며, 앞으로 인공위성의 응용범위는 더욱 증가할 전망이다.

참고문헌 (14)

http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/faqs.html
http://celestrak.com
김해동, 정옥철, 김은규, 김학정., “아리랑위성과 저궤도 우주파편 충돌위험 분석”, 한국항공우주학회, p. 609-612, 2007.
이재은, 신민, 김영록, 박상영, 최규홍, 김응현, 김규선., “지구 저궤도에서 유성체/궤도파편에 의한 충돌확률 및 손상예측 모델 개발”, 한국우주과학회, 15권 2호, 2006.
Bryan O'Connor., "NASA TECHNICAL STANDARD", 2007.
John N.Opiela., Eric Hillary., David O. Whitlock., Marsha Hennigan., "Debris Assessment Software Version 2.0 User`s Guide", 2007.
http://en.wikipedia.org/wiki/Space_debris.
H. Klinkrad., H. Sdunnus., "CONCEPTS AND APPLICATIONS OF THE MASTER SPACE DEBRIS ENVIRONMENT MODEL", ESA/ESOC, 1997.
Sebastian Stabroth., Peter Wegener., "MASTER-2005 Software User Manual", 2006.
Nickolay N. Smirnov., "Space Debris Hazard Evaluation and Mitigation", Taylor & Francis, 2002.
Hoots, F. R., Roehrich, R. L., "SPACETRACK REPORT NO.3: Models for Propagation of NORAD Element Sets", 1980.
Hoots, F. R., "Theory of the Motion of an Artificial Earth Satellite", Celestial Mechanics.
Felix R. H., "THEORY OF THE MOTION OF AN ARTIFICIAL EARTH SATELLITE", Colorado Springs Co, 1979.
http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/photogallery/photogallery.html

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