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문제 정의
- 하지만 지금까지 수행된 국내 연구는 선행연구 차원에서 수행된 것으로 실제 폐기기동 계획을 수립하기에는 결과의 다양성이나 신뢰도 측면에서 보완되어야 할 부분이 많다. 따라서 본 연구에서는 저궤도 위성의 한 예로써 현재 운영 중인 아리랑 2호 위성의 임무종료에 대비한 적절한 폐기기동 계획수립을 위한 분석들을 수행하였다.
- 본 논문에서는 아리랑 2호 위성의 폐기시점이 다가옴에 따라 적절한 폐기고도를 도출하고 비제어 재진입 시 생존률과 적정 재진입 초기궤도를 탐색하여 우주파편 완화를 위한 가이드라인의 기준을 만족하고자 하였다.
가설 설정
- 아리랑 2호 위성의 폐기고도 분석을 위한 궤도 및 제원은 아래 Table 1과 같다. 아리랑 2호 위성의 폐기시점은 2020년 1월 1일로 가정하였으며, 이는 현재 아리랑 2호 위성의 잔여 연료가 전체의 60% 이상 남아있기 때문에 추가적인 연장 임무수행이 가능할 것이라는 가정을 기반으로 한 것이다.
- 이때 Table 2, 3의 ‘Jacchia71’ 대기모델과 태양플럭스 불확실성이 2σ인 경우를 ‘Best Case’, 반대로 ‘Harris-Priester’ 대기모델과 태양플럭스 불확실성이 -2σ인 경우를 ‘Worst Case’라 정의하였으며, 기동은 호만 천이 기동으로 가정하였다.
제안 방법
- 2.2절을 통해 아리랑 2호 위성도 비제어 재진입 시 생존부품의 지상낙하 가능성이 있음을 확인했기 때문에 본 절에서는 낙하물체가 발생한다고 가정하고 인명 피해확률을 최소로 하는 재진입 초기궤도 분석을 수행하였다.
- /HPOP 궤도전파기와 GPW 인구밀도 모델을 사용하였다. DRAMA/SARA의 경우 한번 계산에 소요되는 시간이 다소 길어 다수의 반복 연산에 적합하지 않기 때문에 직접 궤도전파 및 낙하지점 분석을 수행하였다. 탐색은 먼저 STK®/HPOP 궤도전파기에 Table 11의 재진입 초기궤도를 입력한 후 지상낙하까지 궤도전파를 수행한다.
- STK® Lifetime Tool을 이용하여 별도의 폐기기동이 없는 경우 아리랑 2호 위성의 궤도수명을 분석하였다.
- 이후 물체가 지나간 경위도 정보를 추출하고 이를 GPW 인구밀도모델에 적용하여 해당 물체가 지나간 지상궤적의 인구밀도를 찾아 가장 인구밀도가 낮은 승교점경도를 탐색하였다. 고도 120km부터 지상낙하까지 이동거리가 충분히 길지 않기 때문에 근지점인수를 0도에서 360도까지 30도 간격으로 설정하였고, 승교점 경도는 0도에서 360도까지 1도 간격으로 탐색을 수행하였다. 따라서 승교점 경도 1도마다 12개의 근지점인수에 대한 인구밀도 결과를 더하여 가장 인구밀도가 낮은 승교점경도를 탐색하였다.
- 이를 위해 다양한 대기 모델이나 태양활동에 따른 불확실성, 현재 위성의 잔여연료 등을 고려하여 적합한 폐기고도를 산출하였다. 다음으로 ESA의 DRAMA를 활용하여 아리랑 2호 위성의 재진입 시 생존물체의 지상낙하 가능성을 분석하였다. 마지막으로 생존물체가 존재한다고 가정했을 때 인명피해를 가장 최소로 하는 재진입 초기궤도 도출을 수행하고, 이에 따른 몬테칼로 시뮬레이션을 통해 결과의 신뢰도를 검증하였다.
- 고도 120km부터 지상낙하까지 이동거리가 충분히 길지 않기 때문에 근지점인수를 0도에서 360도까지 30도 간격으로 설정하였고, 승교점 경도는 0도에서 360도까지 1도 간격으로 탐색을 수행하였다. 따라서 승교점 경도 1도마다 12개의 근지점인수에 대한 인구밀도 결과를 더하여 가장 인구밀도가 낮은 승교점경도를 탐색하였다.
- 다음으로 ESA의 DRAMA를 활용하여 아리랑 2호 위성의 재진입 시 생존물체의 지상낙하 가능성을 분석하였다. 마지막으로 생존물체가 존재한다고 가정했을 때 인명피해를 가장 최소로 하는 재진입 초기궤도 도출을 수행하고, 이에 따른 몬테칼로 시뮬레이션을 통해 결과의 신뢰도를 검증하였다.
- 먼저 2.1절에서 도출했던 폐기고도와 속도증분 결과를 이용하여 폐기기동 시작시간이 바뀔 때 낙하하는 지점과 인명 피해확률이 어떻게 바뀌는지 분석하였다.
- 본 절에서는 아리랑 2호 위성의 부품정보를 활용하여 비제어 재진입 시 내부부품의 생존률 분석을 수행하였다. 분석을 위해 ESA의 DRAMA를 사용하였으며, DRAMA는 NASA의 DAS 2.
- 본 절에서는 위의 SARA 모듈을 이용하여 아리랑 2호 위성 내부부품의 생존률을 분석하였고, 재진입 시 궤도정보와 재진입 물체 주요 내부부품 정보는 아래 Table 5, 6과 같다. Table 6의 일부 부품정보는 유사 규모 위성의 데이터를 활용하였다.
- 분석은 Table 9의 6개 궤도요소에 대해 하나의 궤도요소가 Table 9의 범위 내에서 변하고 나머지 궤도요소가 고정되어 있을 때 낙하지점의 위치를 STK®/HPOP 궤도전파기를 통해 분석하였다.
- 분석의 순서는 STK®/Astrogator를 이용하여 기동이 포함된 궤도전파를 1개월간 수행하고, 이후 장기궤도 전파기를 이용하여 고도가 120km가 되는 지점(재진입 초기궤도)을 탐색 후 그 지점의 궤도요소를 추출하여 DRAMA/SARA 툴에 적용하여 결과를 얻어내었다.
- 위 사례들은 단순하게 고도를 하강한 것이 아니라 물체의 궤도수명, 폐기궤도, 폐기대상의 상태파악, 폐기기동 시작지점, 지상낙하 분석 등의 다양한 분석들을 통해 적합한 폐기절차를 수립한 것으로 각 상황에 따라 유연한 대처가 필요함을 알 수 있다.
- 이때 총 9개의 서로 다른 대기밀도 모델을 사용하였으며, 태양플럭스의 불확실성을 -2σ부터 2σ까지 총 5개 경우에 대해 아래 Table 2와 같이 궤도수명을 분석하였다.
- 먼저 ‘25년 규정’을 만족하는 폐기고도를 분석하였다. 이를 위해 다양한 대기 모델이나 태양활동에 따른 불확실성, 현재 위성의 잔여연료 등을 고려하여 적합한 폐기고도를 산출하였다. 다음으로 ESA의 DRAMA를 활용하여 아리랑 2호 위성의 재진입 시 생존물체의 지상낙하 가능성을 분석하였다.
- 탐색은 먼저 STK®/HPOP 궤도전파기에 Table 11의 재진입 초기궤도를 입력한 후 지상낙하까지 궤도전파를 수행한다. 이후 물체가 지나간 경위도 정보를 추출하고 이를 GPW 인구밀도모델에 적용하여 해당 물체가 지나간 지상궤적의 인구밀도를 찾아 가장 인구밀도가 낮은 승교점경도를 탐색하였다. 고도 120km부터 지상낙하까지 이동거리가 충분히 길지 않기 때문에 근지점인수를 0도에서 360도까지 30도 간격으로 설정하였고, 승교점 경도는 0도에서 360도까지 1도 간격으로 탐색을 수행하였다.
- 따라서 인명 피해확률을 최소화하는 적정 재진입 초기궤도를 탐색하기 위해 각 궤도요소의 변화에 따른 지상낙하지점분석을 수행하였고, 장반경, 이심률, 근지점인수, 진근점이각의 경우 궤도면을 따라 분포하며, 궤도경사각과 승교점경도의 경우는 수평 방향으로 낙하지점이 분포하는 것을 알 수 있었다. 특히 승교점경도의 경우 궤도경사각에 비해 초기궤도의 오차정도가 크기 때문에 낙하지점 결정에 가장 큰 영향을 주는 요인으로 규정하였으며, 인명 피해확률을 최소화하는 특정 승교점경도를 탐색하였다. STK®와 GPW 인구밀도 모델을 활용하여 승교점경도가 129도일 경우 가장 인명피해확률이 낮다는 결과를 얻을 수 있었고, 몬테칼로 시뮬레이션을 통해 결과의 안정성을 확인하였다.
- 분석의 순서는 STK®/Astrogator를 이용하여 기동이 포함된 궤도전파를 1개월간 수행하고, 이후 장기궤도 전파기를 이용하여 고도가 120km가 되는 지점(재진입 초기궤도)을 탐색 후 그 지점의 궤도요소를 추출하여 DRAMA/SARA 툴에 적용하여 결과를 얻어내었다. 폐기기동 시작시간은 1주기 간격으로 설정하였으며, 총 100회의 분석을 수행하였다.
- 0(Debris Assessment Software)을 활용하여 적정 폐기고도를 정의하고 호만 천이 기동을 통한 폐기경로를 분석한 사례가 있다[11]. 해당 연구에서는 아리랑 2호 위성의 폐기고도를 641km로 정의하고 몬테칼로 시뮬레이션을 수행하여 폐기기동 중 우주파편과의 충돌 위험성을 분석하였다. 재진입 피해 분석과 관련한 연구로 ESA의 DRAMA(Debris Risk Assesment and Mitigation Analysis) 분석 툴을 활용하여 가상의 저궤도 위성의 추락궤적 및 생존부품을 분석하고, 그에 따른 지상충돌확률이나 피해확률을 분석한 사례가 있으며 해당 연구의 분석 결과 추락지점이 한반도일 경우 전체 피해면적이 15.
대상 데이터
- 본 절에서는 위의 SARA 모듈을 이용하여 아리랑 2호 위성 내부부품의 생존률을 분석하였고, 재진입 시 궤도정보와 재진입 물체 주요 내부부품 정보는 아래 Table 5, 6과 같다. Table 6의 일부 부품정보는 유사 규모 위성의 데이터를 활용하였다.
- Table 7은 지상으로 낙하한 부품에 대한 정보를 보여준다. 총 4종류의 부품이 지상으로 낙하 하였고 RWL(반작용 휠)의 개수가 총 4개이기 때문에 최종적으로 낙하한 부품의 수는 7개이다. Table 7에서 볼 수 있듯이 Batt(배터리)나 PL1(페이로드)는 대부분 소각되어 초기 질량의 약 1% 내외가 지상으로 낙하하였고, 최종 낙하질량은 각각 0.
데이터처리
- 본 연구에서 수행된 기동을 포함한 궤도전파나 궤도수명 분석은 AGI社의 STK®(System Tool Kit)를 활용하였으며, 재진입 시 부품 생존률 분석 및 인명피해확률 계산을 위해 ESA의 DRAMA 분석 툴을 활용하여 결과의 신뢰성을 확보하고자 하였다.
- 분석의 신뢰도 확보를 위해 유사 기능을 가진 NASA의 DAS 2.0과 ESA의 DRAMA/OSCAR에 동일 제원을 적용하여 ‘25년 규정’ 만족을 위한 속도증분 및 연료소모량 결과를 비교하였다.
이론/모형
- 적정 승교점경도를 탐색하기 위해 STK®/HPOP 궤도전파기와 GPW 인구밀도 모델을 사용하였다.
- 탐색한 적정 승교점경도의 궤도불확실성에 대한 영향을 분석하기 위해 몬테칼로 시뮬레이션을 수행하였다. Table 12는 몬테칼로 시뮬레이션을 위한 입력값의 범위를 나타내며, 이는 표 9의 재진입 초기궤도에 대한 분포를 활용한 것으로 장반경과 이심률, 궤도경사각, 승교점경도는 정규분포를 사용하였으며, 근지점인수와 진근점이각은 균등분포를 사용하였다.
성능/효과
- DAS 2.0과 DRAMA 툴을 이용한 비교분석 결과 두 가지 툴의 결과는 앞서 정의한 ‘Best Case’와 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다.
- STK®와 GPW 인구밀도 모델을 활용하여 승교점경도가 129도일 경우 가장 인명피해확률이 낮다는 결과를 얻을 수 있었고, 몬테칼로 시뮬레이션을 통해 결과의 안정성을 확인하였다.
- 궤도수명 분석결과 별도의 폐기기동이 이루어지지 않는다면 어떠한 대기모델이나 태양플럭스 불확실성의 상황에서도 아리랑 2호 위성은 우주 파편 완화 가이드라인의 ‘25년 규정’을 만족할 수 없음을 알 수 있었다.
- 4kg이 지상으로 낙하하였다. 그 결과 4.3141m2의 피해면적이 발생하였고, 이를 통해 낙하지점에 따라 가이드라인 규정에 초과하는 인명 피해확률이 발생할 가능성이 존재함을 확인하였다.
- 따라서 ‘25년 규정’ 준수를 위한 필요한 하강고도를 도출하였고, 아리랑 2호 위성은 최소 43km에서 최대 105km의 고도하강이 필요한 것으로 나타났다.
- 본 절의 분석을 통해 아리랑 2호 위성의 임무종료 후 ‘25년 규정’ 만족을 위해 소요되는 속도증분과 연료 소모량을 알 수 있으며, 실제 기동 절차를 수행할 때 발생하는 오차, 대기밀도 모델의 오차, 태양플럭스의 불확실성 등을 감안했을 때 ‘Best Case’의 결과보다 일정 수준의 마진을 포함하여 ‘Worst Case’의 결과에 초점을 맞추는 것이 보다 안정적으로 폐기임무를 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 아리랑 2호 위성의 목표 폐기기동은 고도를 105.469km 하강하는 것으로 정의하였다.
- 따라서 인명 피해확률을 최소화하는 적정 재진입 초기궤도를 탐색하기 위해 각 궤도요소의 변화에 따른 지상낙하지점분석을 수행하였고, 장반경, 이심률, 근지점인수, 진근점이각의 경우 궤도면을 따라 분포하며, 궤도경사각과 승교점경도의 경우는 수평 방향으로 낙하지점이 분포하는 것을 알 수 있었다. 특히 승교점경도의 경우 궤도경사각에 비해 초기궤도의 오차정도가 크기 때문에 낙하지점 결정에 가장 큰 영향을 주는 요인으로 규정하였으며, 인명 피해확률을 최소화하는 특정 승교점경도를 탐색하였다.
- 먼저 별도의 폐기기동 없이 ‘25년 규정’을 만족하는지 여부를 알아보기 위해 STK® 궤도수명 분석을 수행하였고, 그 결과 ‘25년 규정’을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
- 본 절의 분석을 통해 아리랑 2호 위성의 임무종료 후 ‘25년 규정’ 만족을 위해 소요되는 속도증분과 연료 소모량을 알 수 있으며, 실제 기동 절차를 수행할 때 발생하는 오차, 대기밀도 모델의 오차, 태양플럭스의 불확실성 등을 감안했을 때 ‘Best Case’의 결과보다 일정 수준의 마진을 포함하여 ‘Worst Case’의 결과에 초점을 맞추는 것이 보다 안정적으로 폐기임무를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 분석 결과 장반경, 이심률, 근지점 인수, 진근점 이각이 변할 경우 주어진 궤도의 지상궤적을 따라 낙하위치가 분포하였고, 궤도경사각과 승교 점경도가 변할 경우 지상궤적의 수평방향으로 궤도면이 변하는 것으로 나타났다. Table 9에서 볼 수 있듯이 궤도경사각의 변화는 승교점경도의 변화에 비해 매우 작기 때문에 Fig.
- 위의 몬테칼로 시뮬레이션 입력값을 DRAMA/SARA에 입력하여 반복적으로 인명 피해확률을 분석한 결과 아래 Fig. 15와 같이 1,000회 모두우주파편 완화를 위한 가이드라인의 기준을 만족하는 것으로 나타나 본 절에서 탐색한 승교점경도의 안정성을 확인할 수 있다. 최대 인명피해확률은 6.
- 주요 부품의 재진입 시 생존률 분석 결과에서는 총 7개의 부품이 생존하여 지상으로 낙하하였는데 낙하 물체는 초기 진입질량이 높거나 내열성이 강한 재질로 구성되어 총 7.4kg이 지상으로 낙하하였다. 그 결과 4.
- 15와 같이 1,000회 모두우주파편 완화를 위한 가이드라인의 기준을 만족하는 것으로 나타나 본 절에서 탐색한 승교점경도의 안정성을 확인할 수 있다. 최대 인명피해확률은 6.3838E-05로써 호주 동부지역에 낙하하여 발생한 결과이다.
- 탐색 결과 Fig. 8과 같이 특정 승교점경도를 가지는 경우 지상궤적에 대한 인구밀도가 두드러지게 낮은 것을 확인할 수 있었고, 이는 승교점경도가 129도인 지점에서 나타났다. 승교점경도가 129도인 경우 대부분의 지상궤적이 해상이나 적으로 매우 낮게 나타났으며, 12개 근지점인수 극지방을 통과하기 때문에 인구밀도 결과가 상대를 적용하여 얻은 인구밀도의 총합은 단위면적당 55명인 것으로 나타났다.
후속연구
- 비제어 재진입의 경우 물체의 초기 궤도오차, 메인 물체의 분열 시점, 내부부품의 소각 정도 및 저항계수, 자세 등 매우 다양한 오차 요인이 존재하기 때문에 이를 수용할 수 있는 적절한 재진입 초기궤도 설계가 중요하다. 본 연구의 결과를 아리랑 2호 위성의 폐기시점에 반영한다면 우주파편 완화 가이드라인의 궤도수명과 인명피해 확률 기준을 만족하는 폐기임무를 수행할 수 있을 것으로 기대된다. 추후 비제어 기간 중 승교점경도를 정밀하게 예측할 수 있는 섭동모델이나 궤도전파 기법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구의 결과를 아리랑 2호 위성의 폐기시점에 반영한다면 우주파편 완화 가이드라인의 궤도수명과 인명피해 확률 기준을 만족하는 폐기임무를 수행할 수 있을 것으로 기대된다. 추후 비제어 기간 중 승교점경도를 정밀하게 예측할 수 있는 섭동모델이나 궤도전파 기법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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