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무인 달착륙선의 동력하강단계에서 자세각속도 영향에 따른 최적화 착륙궤적 분석
Analysis of Optimal Landing Trajectory in Attitude Angular Velocity Influence at Powered Descent Phase of Robotic Lunar Lander 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.5, 2018년, pp.402 - 409  

박재익 (Korea Aerospace Research Institute) ,  류동영 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
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이 논문에서는 무인 달착륙 임무를 위해 고려하고 있는 달착륙 시나리오를 제안하고 제안된 시나리오를 기반으로 동력하강단계에서의 최적화 착륙궤적을 구현한다. 동력하강단계에서 달착륙선의 자세 변화는 사용 연료량뿐만 아니라 영상기반 항법의 센서 운용에도 영향을 주므로 자세 변화가 급격하게 이루어지지 않도록 자세각속도를 최적제어 가격함수에 포함하고 이때 자세각속도의 영향을 조절하는 가중치가 최적화 착륙궤적에 미치는 영향을 분석한다. 분석된 결과를 바탕으로 연료 사용을 최소화하고 안정된 자세 변화를 갖도록 최적화 착륙궤적을 설계할 수 있는 적절한 가중치를 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose a lunar landing scenario of a robotic lunar landing mission and implements an optimal landing trajectory at the powered descent phase based on the proposed scenario. The change of attitude of the lunar lander in the power descent phase affects not only the amount of fuel us...

주제어

#무인 달착륙선   #동력하강단계   #최적화 착륙궤적   #자세각속도  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 논문에서는 달착륙 임무를 위해 고려하고 있는 달착륙 시나리오를 제안하고 제안된 시나리오를 기반으로 동력하강단계에서의 최적화 착륙궤적을 구현하였다. 또한 동력하강단계에서 자세 각 변화는 사용 연료량뿐만 아니라 영상기반 항법의 센서 운용에도 영향을 주므로 자세 변화가 급격하게 일어나지 않도록 착륙궤적 최적화가 이루어져야 한다.

가설 설정

  • 달착륙선은 동력하강 최종착륙단계인 고도 약 100m에서 약 2m까지 일정한 속도로 수직하강하고 고도 약 2m에서 엔진을 끄고 자유낙하 하여 연착륙 하게 된다. 따라서 수직하강을 하는 최종착륙단계 전까지 자세제어를 수행한다고 가정하여 접근단계까지 최적화를 수행하였다. 또한 3차원 운동방정식을 통해 위도, 경도 방향에 대한 움직임을 모두 고려할 수 있지만 이 논문에서는 달착륙선과 같은 위도에 위치한 착륙지에 착륙을 시도 한다 가정하였기 때문에 경도 방향에 대한 움직임만을 고려하였다.
  • 초기조건 값은 한국형발사체와 상단로켓을 이용하여 초기 투입고도 300 x 52800km의 타원궤도에 투입된 질량 709kg의 달착륙선이 위상반복전이(phasing loop transfer)를 통해 달에 도착 후 100 x 100km의 원궤도를 가지는 달 주차궤도에 진입한 후 동력하강단계 전까지를 시뮬레이션 하여 해석한 결과 값이다. 최종조건 값은 최종착륙단계 전 목표 고도 100m이며, 호버링을 가정하여 수평 및 수직 속도는 0으로 설정하였으며 최종 자세각은 지면과 수직 방향인 –90°로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
동력하강의 단계는 어떻게 되는가? 동력하강은 미국의 아폴로 임무와 유사하게 단계에 걸쳐 수행된다. 1단계 감속단계(braking phase)는 고도 약 15km 지점에서 고도 약 5 km까지 달착륙선 궤도 조정용 엔진과 착륙용 추력기를 모두 사용하여 감속하고, 2단계 접근단계(approach phase)는 고도 약 5km에서 약 100m까지 착륙용 추력기만을 사용하여 감속한다. 마지막 3단계 최종착륙단계(final landing)에서 약 100m 고도에서 호버링(hovering) 상태를 유지하며 착륙 예정지의 위험요소를 평가하고 필요시 착륙지 변경을 위한 기동을 수행한다. 안전한 착륙지로 최종 판단되면 착륙용 추력기를 사용하여 일정한 속도로 수직 하강하여 목표 고도인 약 2m 상공에 다다르면 추력기 분사에 의해 발생되는 달 표면 흙먼지 등으로부터 착륙선을 보호하기 위해 추력기 엔진을 정지하고 자유낙하 하여 최종 착륙한다.
최적제어 이론을 적용한 착륙궤적 최적화 문제는 어떻게 정의하는가? 조성진(2010)은 착륙 단계를 세부적으로 구분하여 착륙 및 이륙궤적 최적화 생성 방법을 연구하였다[7]. 최적제어 이론을 적용한 착륙궤적 최적화 문제는 일반적으로 가격함수로 연료 또는 착륙 시간 최소화로 정의한다. 수직 하강을 시작하는 최종착륙단계 전에 착륙선의 자세를 지면과 수직이 되도록 자세제어를 수행할 필요가 있다.
최적제어(optimal control) 문제의 해를 구하는 방법에는 어떤 것들이 있는가? 최적제어(optimal control) 문제의 해를 구하는 방법은 간접적인 방법(in-direct)과 직접적인 방법(direct method)으로 나뉜다. 간접적인 방법은 필요조건을 이용하여 해를 구하고, 직접적인 방법은 제어변수 또는 제어변수와 상태변수를 이용하여 가격함수를 직접적으로 최소화시켜 해를 구한다[8].
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참고문헌 (10)

  1. Park, J. I. and Rew, D. Y., "Study on Delta-V and Fuel Mass Analysis of Korean Lunar Lander Mission," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, 2017, pp. 354-355. 

  2. Rew, D. Y., Park, J. I., Lee, W. S., Jo, J. H., Son, K. J.. and Kim, J. J., "System Concept for the Robotic Lunar Landing Mission," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, 2017, pp. 356-357. 

  3. Hawkins, A. M., Constrained Trajectory Optimization of a Soft Lunar Landing from a Parking Orbit, Massachusetts Institute of Technology, M. S. Thesis, 2005 

  4. Sachan, K., and Padhi, R., "Fuel-optimal G-MPSP Guidance for Powered Descent Phase of Soft Lunar Landing," Proceeding of the IEEE Conference on Control Application Conference, 2015, pp. 924-929. 

  5. Park, B. G., Lee, C. H., Sang, D. G., Kim T. H., and Tahk, M. J., "Study of Trajectory Optimization for Lunar Landing," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, 2008, pp. 1484-1488. 

  6. Park, B. G., Sang, D. G., and Tahk, M. J., "Trajectory Optimization of a Soft Lunar Landing Considering a Lander Attitude," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, 2009, pp. 722-725. 

  7. Jo, S. J., Min, C. O., Lee, D. W. and Cho, K. R., "Optimal Trajectory Design of Descent/Ascent phase for a Lunar Lander with Considerable Sub-Phase," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 38, No. 12, 2010, pp. 1184-1194. 

    원문보기 상세보기 crossref

  8. Bryson, A. E., Applied Optimal Control : Optimization, Estimation and Control, CRC Press, 1975. 

  9. Patterson, M. A., and Rao, A. V., "GPOPS-II: A MATLAB Software for Solving Multiple-Phase Optimal Control Problem Using hp-Adaptive Gaussian Quadrature Collocation Methods and Sparse Nonlinear Programming," Journal of the ACM Transactions on Mathematical Software, Vol. 41, No. 1, 2014, pp. 1-37. 

  10. Patterson, M. A., and Rao, A. V., GPOPS-II: A General-Purpose MATLAB Software for Solving Multiple-Phase Optimal Control Problems, User Guide 2.3, 2016. 

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