초록 ▼

Ⅰ. 제목
우주비행체 핵심기술 선행개발 연구
(세부과제명: 행성탐사선 개발을 위한 기초기술 연구)
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
오늘날의 우주개발사업은 여러 나라가 경쟁적으로 참여하는 경제적, 과학 기술력의 결집체로서, 한 국가의 총체적 국력을 대외적으로 나타내는 상징적인 척도가 되었다. 현재 한국 정부는 2015년에 세계 10위 권의 선진 우주국에 진입한다는 목표를 설정하고 단계별 기술 개발 분야 및 전략에 대한 2015년까지의 우주 개발 중장기 계획을 수립하였으며 인공위성, 발사체, 우주 정거장 및

Ⅰ. 제목
우주비행체 핵심기술 선행개발 연구
(세부과제명: 행성탐사선 개발을 위한 기초기술 연구)
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
오늘날의 우주개발사업은 여러 나라가 경쟁적으로 참여하는 경제적, 과학 기술력의 결집체로서, 한 국가의 총체적 국력을 대외적으로 나타내는 상징적인 척도가 되었다. 현재 한국 정부는 2015년에 세계 10위 권의 선진 우주국에 진입한다는 목표를 설정하고 단계별 기술 개발 분야 및 전략에 대한 2015년까지의 우주 개발 중장기 계획을 수립하였으며 인공위성, 발사체, 우주 정거장 및 행성 탐사 등의 분야에서 자체 기술 개발 및 국제 협력 추진 방안을 제시하였다.
우리나라에서는 여러 우주개발 분야 중, 인공위성과 발사체 분야에는 활발한 투자와 함께 상당한 발전이 이루어지고 있으나 행성 탐사 등 분야에서는 그 투자와 연구 실적이 미미한 수준에 있다. 행성 탐사 기술 개발 분야는 그 분야의 중요성에 비추어 상대적으로 적은 투자로서도 큰 기술적 성과를 얻을 수 있는 분야이며 21세기에는 국제적인 협력을 통한 인류의 우주 진출 노력이 활발해 질 것으로 볼 때 그러한 국제 협력 과정에서 주도적인 위치를 확보하기 위하여 연구개발 능력확보에 주력해야 할 분야이다. 본 과제의 연구개발 목표는 화성 탐사 비행체 개발을 통하여 궁극적으로 우주의 기원, 생명체 존재 여부 및 행성의 특성을 분석하고 미래의 우주기지 및 우주 식민지를 건설하는 등 국제 협력 사업에 참여 할 수 있는 기본적인 기술 능력을 확보하는데 있다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구과제에서는 다음과 같은 내용들에 대해 중점적인 연구를 수행하였다.
(1) 해외 우주개발 선진국의 화성 탐사 임무 조사
행성 탐사 임무의 개발 단계 및 임무 특성 조사
최근에 수행중인 대표적인 화성탐사 임무들의 목적 및 임무수행 내용 조사
(2) 화성탐사 임무 특성 및 임무 개념 검토
화성의 임무 수행 환경 특성 조사
탐사선의 행성간 비행 환경 특성 조사
화성 탐사선의 운영 개념 설정
(3) 화성 탐사선의 경로 설계 및 해석 기술 연구
화성 탐사선의 임무 개요 및 임무 수행 절차
행성간 비행경로 설계
임무 수행을 위한 화성 선회 궤도 해석
통신 및 임무 제어 기술조사
(4) 화성 탐사선의 개발 가능성 검토
탐사선 개발 가능성 검토
탐사선의 개발 방안 및 개발 비용 추정
국제 협력 방안 및 협력 가능 분야 검토
Ⅳ. 연구개발결과
본 연구 과제의 수행을 통해 얻어진 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 해외 우주개발 선진국의 화성 탐사 임무 조사
○ 행성 탐사 임무의 개발 단계 및 임무 특성 조사
- 해외 우주개발 선진국에서 과거에 수행하였던 행성탐사 임무들을 유형별로 조사하여 각 임무의 특성과 탑재체를 조사하였음.
○ 최근에 수행중인 대표적인 화성탐사 임무들의 목적 및 임무수행 내용 조사
- 현재 수행중인 화성 탐사 임무들 중, 대표적인 세 가지 프로젝트, 즉 미국 NASA의 JPL에서 진행중인 Mars Global Surveyor, 2001 Mars Odyssey 그리고 일본 ISAS에서 진행중인 NOZOMI 탐사선에 대해 조사하였음.
(2) 화성탐사 임무 특성 및 임무 개념 검토
○ 화성의 임무 수행 환경 특성 조사
- 화성의 물리적 특성 및, 궤도, 대기 환경, 지형, 그리고 화성의 위성 등에 대해 조사하여 정리하였음.
○ 탐사선의 행성간 비행 환경 특성 조사
- 전자파 복사 및 Micro Meteoroids 등, 지구에서 출발할 탐사선이 화성까지 가는 동안 거쳐야 할 행성간 비행환경에 대해 조사하여 정리하였음.
○ 화성 탐사선의 운영 개념 설정
- 해외의 화성 탐사선이 사용한 탑재 장비에 대해 조사하고 국내에서 개발된 위성탑재 카메라의 사용 방안을 타진하였음.
(3) 화성 탐사선의 경로 설계 및 해석 기술 연구
○ 화성 탐사선의 임무 개요 및 임무 수행 절차
- 탐사선이 개발될 경우를 가정하여, 개발된 탐사선이 화성으로 가기까지의 과정과 화성 궤도 진입, 임무 수행 단계를 요약하여 설명하였음.
○ 행성간 비행경로 설계
- 행성간 비행 경로의 기본 설계과정을 설명하고, 그 예로서 화성 탐사선의 비행 경로 기본 설계를 수행하였음.
○ 임무 수행을 위한 화성 선회 궤도 해석
- 화성으로 탐사선을 보냈을 경우를 가정하여 임무 궤도를 태양 동주기 궤도로 설정했을 때의 궤도 특성을 설명하였음. 또한 대기 저항을 이용하지 않았을 때의 탐사선의 선회 궤도 특성을 분석하였음.
○ 통신 및 임무 제어 기술조사
- 행성간 임무에서, 지상국과 탐사선간의 통신 특성과 현재 행성간 임무에서의 통신을 주로 담당하는 DSN(Deep Space Network)에 대해 설명하였음.
(4) 화성 탐사선의 개발 가능성 검토
○ 탐사선 개발 가능성 검토
- 궤도 역학 및 화성까지의 거리, 소요 에너지, 그리고 우주 환경적인 측면에서 화성 탐사선의 개발 가능성에 대해 고찰하였음.
○ 탐사선의 개발 방안 및 개발 비용 추정
- 탐사선의 개발 비용을 추정하고 효과적인 개발 방안에 대해 고찰하였음.
○ 국제 협력 방안 및 협력 가능 분야 검토
- 개발 비용을 절감하면서 실효성있는 국제 협력 방안을 강구하고, 우주 개발기술 분야에서 상대적으로 뒤쳐있는 우리 나라가 국제적인 탐사 임무에서 동참할 수 있는 방안을 강구.
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
○ 본 연구의 수행을 통해 습득된 자료와 조사 결과는 국내에서 행성 탐사선 개발이 추진될 경우, 혹은 해외에서 추진되는 탐사선 개발에 우리나라가 참여할 경우에 기초 자료로 활용가능.
○ 본 연구 사업의 다음 단계로써 수행될 화성 탐사선의 탑재체와 발사 시기 선정 연구의 기초 자료로써 활용할 계획임.
○ 화성 탐사선 개발과 관련된 연구에서, 시스템 레벨의 요구 사항 분석과 규격 설정 부분에서 참고 자료로 활용 가능함.
○ 행성 탐사의 다양한 임무 특성에 따른 적합한 탑재체 및 본체의 설계 및 해석 연구 자료로 활용.

Abstract ▼

I. Title
Advanced Studies for Spacecraft Key Technology
(Subtitle: Basic Research for the Development of Spacecraft for Planetary Missions)
I. Title
Today, many countries have been participate in the space development competition. And the space development programs became a symbolic

I. Title
Advanced Studies for Spacecraft Key Technology
(Subtitle: Basic Research for the Development of Spacecraft for Planetary Missions)
I. Title
Today, many countries have been participate in the space development competition. And the space development programs became a symbolic criterion that show the competitive power of the nation. Now, Korean government set a goal that we should go into the advanced countries in space development until 2015 and established the development plan in space technology and strategy. That plan showed the domestic technical development and international cooperative plans for artificial satellite, launch vehicle, space stationn, and interplanetary missions.
In Korea, there had been so much support for the developments of satellite and launch vehicles. And actually, there were very worthy progress and results. However, its support and growth were very small in planetary exploration mission area relatively. The planetary exploration is a very economical field, so it gives much technical products relative to small investments. And it surely be a very important technical field since the international cooperation will be general in space development on twenty first century.
The main goal of this research work is the acquiring of fundamental technique for participating into the international cooperations which are looking for the origin of universe, extraterrestrial life, and examination of planetary characteristics through the development of Mars explorer spacecraft.
III. Contents and Scopes
In this research work, the intensive investigations were performed about the next items.
(1) The Mars exploration missions of technically advanced nations
The mission development steps and characteristics of interplanetary missions
The objective and results of representative mars exploration missions currently performed
(2) The investigations of mission characteristics and concepts of Mars exploration
Investigation of the mission environments in Mars
Investigation of the interplanetary environments characteristics
Mission concept design of Mars exploration
(3) The studies of trajectory design and analysis technique
Mission outline and sequence of Mars exploration
Interplanetary trajectory design
Analysis of the mission orbit around Mars
Communication architecture and mission control
(4) Feasibility study of the Mars explorer spacecraft development
Feasibility study of explorer spacecraft
Conceptual study of development plan
Development cost estimation
Conceptual investigation of international cooperation plan and technical fields
IV. Summary of Results
The results of this research are can be summarized as follows.
(1) The Mars exploration missions of technically advanced nations
○ The mission development steps and characteristics of interplanetary missions
- The investigations about past planetary mission's exploration type and payloads of foreign countries were performed.
○ The objective and results of representative mars exploration missions currently performed.
- The investigations about three representative Mars mission, Mars Global Surveyor, 2001 Mars Odyssey of JPL, NASA and NOZOMI of ISAS, Japan, were performed.
(2) The investigations of mission characteristics and concepts of Mars exploration
○ Investigation of the mission environments in Mars
- The physical characteristics, orbit, atmosphere, topography and satellite of Mars were investigated and summarized.
○ Investigation of the interplanetary environments characteristics
- The interplanetary environments include electro-magnetic radiation and micro meteoroids etc. were investigated and summarized.
○ Mission concept design of Mars exploration
- The investigations about foreign developed cameras for Mars missions were performed. Also, a plan for using domestic developed cameras were investigated.
(3) The studies of trajectory design and analysis technique
○ Mission outline and sequence of Mars exploration
- The processes of mission flight to Mars, orbit injection and the mission sequence of explorer spacecraft.
○ Interplanetary trajectory design
- The design process of trajectory was described and the preliminary design of mission trajectory was performed for the example.
○ Analysis of the mission orbit around Mars
- The characteristics of sun synchronous orbit in Mars were described. And the characteristics of orbit maneuvers without the aero-braking technique, too.
○ Communication architecture and mission control
- The characteristics of communication architecture in interplanetary missions and DSN(Deep Space Network) were investigated, which is the common method in interplanetary missions.
(4) Feasibility study of the Mars explorer spacecraft development
○ Feasibility study of explorer spacecraft
- The feasibility studies were performed aspect with orbit dynamics, required energy and space environment respectively.
○ Conceptual study of development plan
○ Development cost estimation
- The preliminary estimation of development cost and process were investigated.
○ Conceptual investigation of international cooperation plan and technical fields
- The effective international cooperation method was studied.
Ⅴ. Application Plans of Research Results
○ The results of this research work can be used as the guide and base data for the domestic development of interplanetary mission in the future. It can be also used at the cooperative research work between Korea and foreign country.
○ The results of this research work will be used as the fundamental input data for the selections of payload and launch window, which are the next stage of this year's works.
○ The results of this research work can be used as the fundamental data for the requirement analysis, specification design and system analysis of interplanetary missions.

목차 Contents

• 제1장 서론
  제2장 최근의 화성 탐사
  제1절 행성 탐사 단계
  제2절 최근의 화성 탐사 미션들
  1. Mars Global Surveyor
  가. 개요
  나. 임무 기간
  다. 임무
  1) 목적
  2) 과학 관측
  3) 지형 관측
  라. 탑재체 및 서브 시스템
  1) Mars Orbiter Camera
  2) Mars Orbiter Laser Altimeter
  3) Thermal Emission Spectrometer
  4) Magnetometer/Electron Reflectometer
  5) Mars Relay
  6) 통신 시스템
  7) 전력 시스템
  8) 자세 제어 시스템
  마. 경로 및 궤도
  1) 순항 및 도착 단계(Cruise phase)
  2) 화성 궤도 진입 단계(Mars Orbit Insertion & Arrival phase)
  3) 임무 고도 도달 단계(Aerobraking phase)
  가) Aerobraking 1단계
  나) Aerobraking 2단계
  바. 발사체
  2. 2001 Mars Odyssey
  가. 개요
  나. 임무 기간
  다. 임무
  1) 임무 목표
  가) 화성에 생명체 존재 여부 연구
  나) 화성의 기후 특성 연구
  다) 화성의 지질학적 특성 연구
  라) 유인 화성 탐사에 대한 연구
  마) 기타 임무의 주요 목표
  2) 임무 운용 중에 사용된 기술
  가) The Thermal Emission Imaging System(THEMIS)
  나) The Gamma Ray Spectrometer(GRS)
  다) The Martian Radiation Environment Experiment(MARIE)
  3) 임무의 성과
  라. 탑재체와 서브 시스템
  1) Command and data handling
  2) Telecommunications
  3) Electrical Power
  4) Guidance, Navigation, and Control
  5) Propulsion
  6) Structures
  7) Thermal Control
  8) Mechanisms
  9) Flight Software
  마. 화성 궤도 진입
  바. 발사체
  3. NOZOMI(PLANET-B)
  가. 개요
  나. 임무 기간
  다. 임무
  1) 화성의 자기장
  2) 화성의 대기
  3) 화성 전리층 내의 Plasma
  4) 영상
  5) 먼지
  라. 탑재체 및 서브시스템
  1) Mars Imaging Camera(MIC)
  2) Magnetic Field Measurement(MGF)
  3) Probe for Electron Temperature(PET)
  4) Electron Spectrum Analyzer(ESA)
  5) Ion Spectrum Analyzer(ISA)
  6) Electron and Ion Spectrometer(EIS)
  7) Extra Ultraviolet Scanner(XUV)
  8) UltraViolet imaging Spectrometer(UVS)
  9) Plasma Wave and Sounder(PWS)
  10) Low Frequency plasma wave Analyzer(LFA)
  11) Ion Mass Imager(IMI)
  12) Mars Dust Counter(MDC)
  13) Neutral Mass Spectrometer(NMS)
  14) Thermal Plasma Analyzer(TPA)
  마. 궤도 및 경로
  바. 발사체
  1) 주요 기술
  2) 구조 및 제원
  3) 지상 관제 시설
  4) 운용 사례
  사. 국제 협력
  제3장 임무 특성 및 임무 개념 정의
  제1절 화성의 특성
  1. 화성의 물리적 특성
  2. 화성의 궤도
  3. 화성의 환경
  4. 화성의 지형
  5. 화성의 달
  제2절 탐사선의 행성간 비행 환경
  1. 행성간 비행 환경
  2. 세차운동 및 장동에 의한 좌표계 변화
  3. 전자파 복사
  4. 행성간 탐사선의 우주환경과 그 영향
  제3절 화성 궤도상 임무 수행
  1. 외국 화성탐사 위성의 화성 궤도 영상기기
  가. Mariner 9 / TV camera
  나. Viking 2 / Visual Imaging Subsystem (VIS)
  다. Mars Global Surveyor (MGS) / Mars Orbiter Camera (MOC)
  라. NOZOMI (PLANET-B) / Mars Imaging Camera (MIC)
  마. Mars Climate Orbiter / Mars Color Imager (MCI)
  바. Mars Odyssey / Thermal Emission Imaging System (THEMIS)
  사. Mars Express / Super/High-Resolution Stereo Color Imager (HRSC)
  아. Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) / HiRISE, CRISM
  2. 국내 개발 지구관측 위성 활용
  제4장 화성 탐사선의 임무 개요 및 경로 설계
  제1절 탐사선의 임무 개요 및 수행 절차
  ◆ 발사 및 비행궤도 획득
  ◆ 순항궤도 항행
  ◆ 화성 진입 및 화성착륙선 분리
  ◆ 운용궤도 획득 및 임무 착수
  제2절 행성간 비행 경로 설계
  1. 비행 경로 설계