[논문]달 궤도 진입 목표값 변화에 따른 궤도요소 변화 연구

최수진; 김인규; 문상만; 민승용; 류동영

doi:10.20910/jase.2015.9.4.016

달 궤도 진입 목표값 변화에 따른 궤도요소 변화 연구
A Study on Variation of Orbital Elements according to Variation of Target Value of Lunar Orbit Insertion 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.9 no.4, 2015년, pp.16 - 22

최수진 (한국항공우주연구원 달탐사연구단 달탐사체계팀) , 김인규 (한국항공우주연구원 달탐사연구단 달탐사체계팀) , 문상만 (한국항공우주연구원 달탐사연구단 달탐사체계팀) , 민승용 (한국항공우주연구원 달탐사연구단 달탐사체계팀) , 류동영 (한국항공우주연구원 달탐사연구단 달탐사체계팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Korea Aerospace Research Institute(here after KARI) has a plan to launch experimental lunar orbiter in 2018, and lunar orbiter and lander in 2020. There are several ways to go to the moon. Which one is direct transfer trajectory and another one is phasing loop transfer trajectory and the other one is WSB trajectory. Regardless of the transfer trajectories, LOI maneuver is the most important maneuver of all mission sequences because if this burn is failed, it is too difficult to get into the lunar orbit in the future. This paper describes first LOI target value of foreign lunar orbiters and analyzes orbital variations of experimental lunar orbiter according to various target values. By analyzing the variation of orbiter parameter after first LOI, proper orbital period for LOI target value are recommended to meet the inclination, apoapsis and periapsis altitude constraints.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 최근에 발사된 해외 달 궤도선들의 질량 대비 추력레벨을 조사하고, LOI-1 목표궤도에 진입하기 위해 요구되는 ΔV 및 점화기간을 기술하였다.

가설 설정

달 궤도선의 근월점 고도 및 궤도 주기에 따라서 궤도 요소가 어떻게 변화하는지를 분석하기 위해 2장에서 분석한 내용을 기반으로 시뮬레이션 환경 및 궤도 주기를 아래와 같이 설정하였다. 또한 궤도의 변화는 궤도선이 LOI-1 기동 이후 약 3회 동안 달 궤도를 회전한다고 가정하였다.

제안 방법

550kg의 시험용 달 궤도선을 달 궤도에 진입시키기 위해 100N의 추력 레벨을 이용하여 다양한 근월점 고도 및 궤도주기에 따른 궤도요소 변화에 관련한 분석을 수행하였고, 이때 요구되는 ΔV 및 추력기 구동 기간을 도출하였다.
근월점 고도 및 궤도 주기는 해외의 달 궤도선들이 선택한 값들을 기준으로 사용했고, 550kg의 궤도선이 100N의 추력레벨을 낼 수 있다는 가정하에 시뮬레이션을 수행하면서 LOI-1 이후 약 3회의 궤도를 선회할 경우 나타나는 궤도요소의 변화량을 분석하였다. 이를 바탕으로 경사각, 근월점 및 원월점 고도 변화의 요구조건을 가정하여 적합한 LOI-1의 궤도 주기를 도출한 결과 약 18시간 이내의 값이라는 결과를 얻었다.
달 궤도선의 근월점 고도 및 궤도 주기에 따라서 궤도 요소가 어떻게 변화하는지를 분석하기 위해 2장에서 분석한 내용을 기반으로 시뮬레이션 환경 및 궤도 주기를 아래와 같이 설정하였다. 또한 궤도의 변화는 궤도선이 LOI-1 기동 이후 약 3회 동안 달 궤도를 회전한다고 가정하였다.
따라서 본 연구는 최근에 발사된 해외 달 궤도선들의 질량 대비 추력레벨을 조사하고, LOI-1 목표궤도에 진입하기 위해 요구되는 ΔV 및 점화기간을 기술하였다. 또한 2018년 발사 예정인 달 궤도선의 LOI-1 목표궤도에 따라서 각 궤도 요소들이 어떻게 변화하는지를 분석하고, 달 궤도선에 적합한 LOI-1 목표궤도에 대한 요구사항을 도출하였다.

성능/효과

Figure 5는 LOI-1 기동 이후의 이심률 변화를 나타낸다. 궤도선이 LOI-1 기동 이후부터 세 번째 선회하는 궤도까지 달의 중력장 및 섭동력 등으로 인하여 근월점 고도 및 원월점 고도가 Fig. 3 및 Fig. 4에 나타난 바와 같이 변화함을 알았고, 이로 인하여 이심률도 LOI-1의 목표 궤도 주기가 18시간 이상 되면, LOI-1 이후의 이심률보다 작아지며 궤도 주기가 길어질수록 이심률이 작아지는 비율이 큼을 알 수 있다.
뿐만 아니라 각 궤도요소의 변화량에 따른 요구조건을 Table 2와 같이 도출하여 근월점 고도에 영향이 비교적 적은 궤도 주기의 요구조건을 도출하였다. 그 결과 LOI-1에 적합한 목표 궤도 주기는 약 18시간 이내임을 알 수 있다.
근월점 고도 및 궤도 주기는 해외의 달 궤도선들이 선택한 값들을 기준으로 사용했고, 550kg의 궤도선이 100N의 추력레벨을 낼 수 있다는 가정하에 시뮬레이션을 수행하면서 LOI-1 이후 약 3회의 궤도를 선회할 경우 나타나는 궤도요소의 변화량을 분석하였다. 이를 바탕으로 경사각, 근월점 및 원월점 고도 변화의 요구조건을 가정하여 적합한 LOI-1의 궤도 주기를 도출한 결과 약 18시간 이내의 값이라는 결과를 얻었다.
추력 대비 질량의 비율은 온보드 추진계의 추력레벨을 궤도선의 질량으로 나눈 값이며, 추진제의 종류에 따라 비추력(Specific Impulse)이 달라지므로 이원추진제의 경우에는 질량/추력값 옆에 ‘B(Bipropellant)’로 표기하였고, 단일추진제의 경우에는 ‘M(Monopropellant)’으로 표기하였다. 이원추진제를 사용한 SELENE, Chandrayaan 및 LADEE의 경우 추력/질량 비율은 각각 16.6%, 31.8% 그리고 117.5%였지만, 단일추진제를 사용한 나머지 궤도선들은 7.2% ~ 44.5%의 비율을 보였다. GRAIL의 경우 WSB 궤적을 이용하기 때문에 LOI를 수행하는데 요구되는 ΔV가 다른 궤적을 이용한 경우보다 25% 정도 적고 임무설계 측면에서 이러한 저 추력비율로도 달 궤도에 진입할 수 있도록 설계를 했기 때문에 아주 낮은 질량 대비 추력 비율이 가능함을 알 수 있다[1-6].

후속연구

시험용 달 궤도선은 LOI-2 및 LOI-3 기동을 통해서 임무 궤도에 도달하기 때문에 종합적인 LOI ΔV를 도출하기 위해서는 이후의 기동을 추가적으로 시뮬레이션하여 결과를 도출할 예정이다. 또한 적합한 근월점 고도는 LRO처럼 비상상황을 고려한 궤도를 선택할지의 유무를 추후 상세하게 해석한 이후 선정할 계획이다.
시험용 달 궤도선은 LOI-2 및 LOI-3 기동을 통해서 임무 궤도에 도달하기 때문에 종합적인 LOI ΔV를 도출하기 위해서는 이후의 기동을 추가적으로 시뮬레이션하여 결과를 도출할 예정이다. 또한 적합한 근월점 고도는 LRO처럼 비상상황을 고려한 궤도를 선택할지의 유무를 추후 상세하게 해석한 이후 선정할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해외의 달 궤도선은 어떤 방법으로 진입하는가?	해외의 달 궤도선들은 발사체의 발사 능력에 따라 지구 저궤도에 투입된 이후 발사체 상단 또는 SRM(Solid Rocket Motor) 등을 이용하여 한 번에 달로 진입하는 직접 전이궤적을 이용하는 경우가 있고[1-2], 정지궤도 또는 고 타원궤도에 투입된 이후 궤도선 자체의 추진계를 이용하여 지구를 여러 번 회전한 후 달로 진입하는 위상 전이궤적을 이용하는 경우가 있다[3-4]. 직접 전이궤적 또는 위상 전이궤적을 이용하여 달 궤도에 진입하는 경우 달 궤도 진입(LOI, Lunar Orbit Insertion)을 위한 방식은 동일하다고 볼 수 있고, 지구에서부터 태양과 지구의 평형점인 라그랑지 포인트(지구에서부터 약 100만 km)를 지나 달 궤도에 진입하는 WSB(Weak Stability Boundary) 궤적을 이용하더라도 달 궤도 진입에 요구되는 ΔV가 다른 궤적에 비해 약 25%정도 감소하는 것을 제외하면 달 궤도에 진입하는 방식에는 큰 차이가 없다[5].
	해외의 궤도선의 궤도 주기는 어떠한가?	해외의 궤도선은 LOI-1 기동 수행을 위해 84 ~ 590km의 근월점 고도를 선정하였고, 달의 전 지역 영상을 촬영하기 위한 임무 때문에 대부분이 궤도선이 90°의 궤도경사각을 LOI-1의 목표궤도로 선택하였다. 궤도주기는 12시간 내외가 가장 많았고, 궤도선의 임무 및 기타 특성에 따라서 5시간 또는 24시간인 경우도 있었다. 5시간이 궤도주기인 LRO의 경우 추력기의 일부의 고장이나 탑재소프트웨어의 오류 등으로 정시에 추력기를 동작시킬 수 없는 상태 등을 대비하기 위해 특별히 짧은 궤도주기를 선택하였다[1-6].
	LOI 기동의 단계에서 다른 단계에 영향을 미치는 단계는 무엇인가?	따라서 이 기동을 효율적이고 안정적으로 수행하기 위해 온보드 추력기의 추력레벨이 뿐만 아니라 LOI 기동을 위한 목표값이 적절하게 선정되어야 한다. 일반적으로 LOI 기동은 온보드 추력기의 추력레벨의 한계로 인하여 최소 3회 이상 수행하는데, LOI-1 기동을 위한 목표값에 따라 LOI-2 및 LOI-3 기동에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구는 최근에 발사된 해외 달 궤도선들의 질량 대비 추력레벨을조사하고, LOI-1 목표궤도에 진입하기 위해 요구되는 ΔV 및 점화기간을 기술하였다.

참고문헌 (9)

David Lozier & Ken Galal, "Lunar Prospector Mission Design and Trajectory Support", AAS, 1998.
Martin B. Joughton, Craig R. Tooley, Richard S. Saylor, "Mission Design and Operations Considerations for NASA's Lunar Reconnaissance Orbiter", 58th IAC, Sep 2007, Hyderabad, India.
Takaaki Katoh, Hiroshi Terada, "Orbital Maneuver Plan and Operation Results of "KAGUYA" during Lunar Transfer Orbit and Lunar Orbit Injection", ISTS, Jun 2008, Hamamatsu.
https://pds.jpl.nasa.gov/ds-view/pds/viewMissionProfile.jsp?MISSION_NAMECHANDRAYAAN-1
Ralph B. Roncoli, Kenneth K. Jujii, "Mission Design Overview for the Gravity Recovery and Interior Laboratory(GRAIL) Mission", AAS, Aug 2010, Toronto.
http://www.spaceflight101.com/ladee-mission-updates.html
최수진, 배종희, 김은혁 "달 탐사선의 달 궤도 진입 기동에 관한 연구", KSAS, 춘계 학술대회, 2014.
David A. Vallado, "Fundamentals of Astrodynamics and Applications", Third Edition, Space Technology Library, pp341.
www.agi.com

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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