초록 ▼

본 연구는 유인 우주기지건설 핵심기술 협력개발을 목표로 3개년 동안 수행되는 연구 중 1차년도에 해당. 1차년도에 건축본은 기지 컨셉 및 로드맵 구축용 기술분류체계(안)을 도출, 매리본에서는 시작품 제작을 통해 현지자원활용형 탑재형 소결장치, 재료공급장치와 로봇팔 시공시스템 및 시공법을 개발하고 이를 활용하여 소결체를 생성, 건축에너지소에서는 거주환경 구현을 위한 다층쉘 시스템 구조안을 설계하고 시뮬레이션과 실험적 검증을 완료하였고, 설비 시스템 설계안 도출을 위해 극한온도편차 활툥 에너지 하베스팅 시스템과 설비시스템 설계안을 도출

본 연구는 유인 우주기지건설 핵심기술 협력개발을 목표로 3개년 동안 수행되는 연구 중 1차년도에 해당. 1차년도에 건축본은 기지 컨셉 및 로드맵 구축용 기술분류체계(안)을 도출, 매리본에서는 시작품 제작을 통해 현지자원활용형 탑재형 소결장치, 재료공급장치와 로봇팔 시공시스템 및 시공법을 개발하고 이를 활용하여 소결체를 생성, 건축에너지소에서는 거주환경 구현을 위한 다층쉘 시스템 구조안을 설계하고 시뮬레이션과 실험적 검증을 완료하였고, 설비 시스템 설계안 도출을 위해 극한온도편차 활툥 에너지 하베스팅 시스템과 설비시스템 설계안을 도출하였다.

(출처 : 서지자료 394p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 7
• 제1장 연구개발 과제개요 ... 25
• 1. 연구배경 및 필요성 ... 25
• 1.1 연구배경 ... 25
• 1.2 연구 필요성 ... 28
• 2. 연구목표 및 내용 ... 29
• 2.1 연구목표 ... 29
• 2.2 연구내용 ... 30
• 2.3 연차별 연구내용 ... 34
• 3. 연구 추진체계 및 전략 ... 37
• 3.1 연구 추진체계 ... 37
• 3.2 연구 추진전략 ... 38
• 제2장 국내외 현황 ... 41
• 1. 국외현황 ... 41
• 1.1 정책동향 ... 41
• 1.2 기술수준 ... 45
• 1.3 시장동향 ... 73
• 2. 국내현황 ... 87
• 2.1 정책동향 ... 87
• 2.2 기술수준 ... 90
• 2.3 시장동향 ... 99
• 제3장 유인우주기지 컨셉(조감도) 및 로드맵 초안 제시 ... 109
• 1. 우주기지 로드맵 초안 제시 ... 109
• 1.1 개요 ... 109
• 1.2 우주건설 대내외 동향 ... 111
• 1.3 우주건설 R&D 역량 분석 ... 125
• 1.4 우주기지 로드맵 초안 개념 설계 ... 131
• 1.5 우주기지 로드맵 초안의 구성 ... 135
• 1.6 국외 네트워크를 활용한 유인우주기지 개발 전략 수립 ... 142
• 1.7 로드맵 활용 전략 ... 153
• 2. 유인 우주기지 기획설계 ... 157
• 2.1 유인 우주기지 기획설계 목표 및 도출 프로세스 ... 157
• 2.2 달 기후환경 분석 및 Habitat 설계방향 검토 ... 159
• 2.3 유인우주기지 거주환경 및 이론 분석 ... 163
• 2.4 유인 우주기지 설계 국내·외 설계 사례분석 ... 167
• 2.5 유인우주기지 시나리오 협의 및 매트릭스 ... 176
• 2.6 자동화설계 및 컨셉 협의 ... 181
• 2.7 유인우주기지 기획설계(안) 제시 ... 185
• 제4장 방호막 시공 장치 시작품 제작 및 성능평가 ... 191
• 1. 탑재형 소결장치 시작품 제작 ... 191
• 1.1 운석충돌에 따른 지반 거동 분석 ... 191
• 1.2 방호막 기술적 요구 조건 ... 196
• 1.3 방호막 시공을 위한 소결기술 비교 분석 ... 201
• 1.4 탑재형 소결장치 개념 설계 및 핵심 기술 개발 ... 211
• 2. 인공월면토 평면 구조체 시공 ... 224
• 2.1 인공월면토 소결 기초 실험 ... 224
• 3. 재료 공급장치 시작품 제작 ... 228
• 3.1 달 환경에서 재료 공급장치의 필요성 ... 228
• 3.2 극한 우주환경에서 재료 공급 장비 조건 ... 231
• 3.3 달 토양을 이용한 재료공급장치 시작품 제작 ... 236
• 4. 로봇팔 시공시스템 설계 및 시공 경로 도출 ... 239
• 4.1 로봇팔 시공 시스템 및 연동 제어장치 설계 ... 239
• 4.2 시공체 형상에 따른 로봇 시공 경로 제어 SW 개발 ... 244
• 제5장 거주환경 구현을 위한 다층쉘 구성 설계(안) 도출 - 개념정립 단계 ... 249
• 1. 달표면 영향 환경인자 ... 249
• 1.1 태양방사(radiation) ... 250
• 1.2 달표면 일사(sunlight) 및 온도(temperature) ... 254
• 1.3 기타 환경인자들 (기압, 달먼지 등) ... 257
• 2. 다층쉘(multi layered shell) 구조개념 도출 ... 259
• 2.1 Habit 형태 ... 259
• 2.2 Habit 요구사항 ... 264
• 2.3 기존 다층쉘 사례 및 구조 ... 266
• 3. 요구 조건 검토 및 테스트 ... 268
• 3.1 열전달 시뮬레이션 ... 268
• 3.2 시험체 제작 및 테스트 ... 288
• 4. 요구 조건 검토 및 소재검토 ... 292
• 4.1 다층쉘 구성소재 ... 292
• 4.2 다층쉘 구성방법 ... 294
• 4.3 다층쉘 1차 구성(안) ... 297
• 제6장 거주환경 구현을 위한 설비시스템 설계(안) 도출 ... 299
• 1. 온도편차를 활용한 에너지 하베스팅 환경조건 및 해석 모델 도출 ... 299
• 1.1 서론 ... 299
• 1.2 우주 에너지 하베스팅 기술 동향 및 환경요소 조사 ... 303
• 1.3 달 환경 온도편차 평가를 위한 열 해석 모델 정립 ... 312
• 1.4 달 유인기지 온도편차 에너지 하베스팅 기초 성능 평가 ... 319
• 1.5 소결 ... 320
• 2. 내부 거주 환경 유지를 위한 환경조건 및 해석 모델 도출 ... 334
• 2.1 서론 ... 334
• 2.2 우주 냉난방 설비 기술 동향 조사 ... 335
• 2.3 내부 거주 환경 유지를 위한 환경조건 및 해석 모델 도출 ... 341
• 2.4 소결 ... 346
• 제7장 차년도 연구개발 계획 ... 347
• 1. 연구개발 목표 및 내용 ... 347
• 1.1 목표설정의 타당성 ... 349
• 2. 연구개발 추진전략 ... 350
• 2.1 연구개발 추진전략·방법 ... 350
• 2.2 연구개발 추진체계 ... 352
• 제8장 결론 및 기대효과 ... 353
• 1. 결론 ... 353
• 1.1 [WBS1] 유인 우주기지 건설기술 로드맵(안) 구축 ... 353
• 1.2 [WBS2] 방호막 시공 장치 시작품 제작 및 성능평가 ... 354
• 1.3 [WBS3] 다층쉘 구조 개념 정립 및 구성(안) 도출 - 1차 ... 355
• 1.4 [WBS4] 거주환경 구현을 위한 설비시스템 설계(안) 도출 ... 356
• 2. 기대효과 ... 358
• 2.1 기대효과 ... 358
• 2.2 성과활용방안 ... 358
• 참고문헌 ... 361
• 부록 ... 373
• 서지자료 ... 394
• 표목차 ... 11
• 표 1.1.1 정책수요 연계성 ... 26
• 표 2.1.1 아르테미스 계획(출처:NASA) ... 42
• 표 2.1.2 국제달연구기지(ILRS) 로드맵(출처:CNSA) ... 43
• 표 2.1.3 열관리 기술 품명, 제조사 및 LEO환경조건하 기술수준 ... 59
• 표 2.2.1 5년간 추진로드맵(출처: 2018년 ｢제3차 우주개발 진흥 기본계획｣ ... 87
• 표 3.1.1 우주산업 생태계 변화 비교 ... 112
• 표 3.1.2 메가트렌드 분석 시사점 ... 114
• 표 3.1.3 국가별 우주탐사 계획주요국의 달 기지 건설계획 동향 분석 ... 118
• 표 3.1.4 우주산업의 변화 요인 및 영향 ... 119
• 표 3.1.5 우주건설 산업 시장의 변화 ... 120
• 표 3.1.6 극한 공간 인프라 기술 수준 ... 127
• 표 3.1.7 우주 탐사 및 활용 기술수준 ... 128
• 표 3.1.8 친환경 다기능 건설재료 기술수준 ... 128
• 표 3.1.9 국내 우주탐사 관련 사업 및 연구 ... 129
• 표 3.1.10 우주탐사 확대를 위한 핵심요소임무 추진 현황 ... 129
• 표 3.1.11 세부사업별 예산 규모 ... 130
• 표 3.1.12 GER 3rd edition의 로드맵 단계 구분 ... 135
• 표 3.1.13 달 탐사 시나리오 핵심 요소(하드웨어 시스템) ... 136
• 표 3.1.14 Lunar Commerce Portfolio의 달 경제 시장 구분 ... 139
• 표 3.1.15 기술분류체계 대분야 설정(안) ... 140
• 표 3.1.16 거주지 기술 분류 1의 특징(게이트웨이) ... 143
• 표 3.1.17 거주지 기술 분류 1의 특징(달 착륙선 등 착륙시스템) ... 144
• 표 3.1.18 거주지 기술 분류 2의 특징(고정식 시스템) ... 144
• 표 3.1.19 거주지 기술 분류 2의 특징(팽창형 시스템) ... 145
• 표 3.1.20 거주지 기술 분류 3의 특징(현지자원활용) ... 146
• 표 3.1.21 NASA 기술분류체계에 따른 연구원 전문 분야 검토 ... 147
• 표 3.1.22 설문조사 수행기관 ... 148
• 표 3.1.23 국제로드맵에 따른 추진 전략(건설 중심) ... 150
• 표 3.1.24 전문가 인터뷰 결과 요약 ... 153
• 표 3.2.1 NASA 우주인들을 위한 방사선 노출제한 ... 161
• 표 3.2.2 우주 미션 별 방사선 노출량 ... 161
• 표 3.2.3 신체 부위별 방사선 투과와 노출 제한 ... 161
• 표 3.2.4 우주 거주지의 필요한 체적(Kriss Kennedy, 2007) ... 169
• 표 3.2.5 사례 총괄 개요 ... 169
• 표 3.2.6 우주기지 건축요소 매트릭스(matrix) ... 178
• 표 4.1.1 월면토 두께에 따른 내부 온도 변화 ... 198
• 표 4.1.2 소결블록 제조 실험 조건 ... 208
• 표 4.1.3 소결 기술별 소결체 비교 (Fateri et al., 2019). ... 209
• 표 4.1.4 인공월면토 구성 성분 ... 213
• 표 4.1.5 물질별 마이크로파에 대한 열 발생 속도 및 최대온도 (주파수: 2.45 GHz, 출력밀도:10 mW/cm2) ... 214
• 표 4.3.1 달의 환경적인 요소 ... 229
• 표 4.3.2 달 토양 및 인공 월면토의 화학 구성 ... 230
• 표 4.4.1 주로 사용되는 G코드와 그 의미 ... 246
• 표 4.4.2 G코드 사용 예시 ... 246
• 표 5.1.1 달 극지방과 적도 부위에 기지를 건설하고 내부온도를 20°C로 유지하기 위해 각각의 밀도를 가진 월면토로 벽체를 구성하였을 때 필요한 열량 ... 256
• 표 5.1.2 유니버셜 에어락의 요구기능 및 저중력, 달, 화성에서의 각각 요구조건 차이 ... 257
• 표 5.2.1 유인기지 형태별 장단점 비교 ... 261
• 표 5.2.2 유인기지 달표면환경 조건별 요구성능 ... 264
• 표 5.2.3 고정형 지상 유인기지의 형태별 다층쉘 구성방식 및 사용 소재 ... 265
• 표 5.3.1 우주 환경에서의 다층쉘 시스템 구조 후보(안)에 대한 시뮬레이션 검증을 위한 기존 열해석 시뮬레이션 방법 검토 ... 269
• 표 5.3.2 달 환경에서 구조체 및 주거지를 위한 시뮬레이션 관련 문헌 조사 ... 270
• 표 5.3.3 월면토를 이용한 단층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 274
• 표 5.3.4 진공단열재를 이용한 단층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 276
• 표 5.3.5 Metal Wall을 이용한 단층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 277
• 표 5.3.6 Apollo 17 사이트 기준 월면토를 이용한 단층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 278
• 표 5.3.7 Metal Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.2m)를 이용한 다층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 280
• 표 5.3.8 Metal Wall(0.2m) 및 진공단열재(0.6m)를 이용한 다층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 281
• 표 5.3.9 Metal Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.8m)를 이용한 다층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 282
• 표 5.3.10 방사율 조정 후 Metal Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.8m)를 이용한 다층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 283
• 표 5.3.11 방사율 조정 후 Metal Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.2m)를 이용한 다층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 284
• 표 5.3.12 방사율 조정 후 Metal Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.3m)를 이용한 다층벽체 시뮬레이션 적용 물성치 ... 285
• 표 5.3.13 시험체 구성 파트 1~4 구형각도 및 각 외경 및 두께 스펙 ... 289
• 표 5.4.1 시험체 구성 파트 1~4 소재와 설명 ... 292
• 표 5.4.2 유인우주기지 구성 예시에 따른 다층쉐 구성방안 및 기타 고려요소 ... 296
• 표 6.1.1 온도편차 기반 에너지 하베스팅 국외 연구 사례 ... 301
• 표 6.1.2 조사한 국외 연구 사례 ... 303
• 표 6.1.3 달 표면 일사량 연구 사례 ... 304
• 표 6.1.4 달 표면 일사량 연구 내용 요약 ... 305
• 표 6.1.5 달-태양 거리 및 일사량 모델 분류 ... 307
• 표 6.1.6 월토 및 달 표면 온도 연구 사례 ... 308
• 표 6.1.7 월토 물성치 및 달 표면 온도 연구 사례 내용 요약 ... 309
• 표 6.1.8 월토의 물성치 ... 310
• 표 6.1.9 위치에 따른 달 표면의 평균온도 및 월간 범위 ... 310
• 표 6.1.10 진공 환경 열전소자 열전도도 측정 실험 결과 ... 318
• 표 6.1.11 장동 주기와 회전축 각 변화 계산식의 reference table ... 323
• 표 6.1.12 달의 경도 및 지구-달 거리 계산식의 reference table ... 326
• 표 6.1.13 달의 위도 계산식의 reference table ... 328
• 표 6.2.1 유인 우주기지 냉난방 설비 관련 최근 10년 상위 키워드 ... 336
• 표 6.2.2 국제우주정거장 Common Cabin Air Assembly 구성요소 ... 339
• 표 6.2.3 시뮬레이션 적용 월면토 물성치 ... 343
• 표 6.2.4 시뮬레이션 적용 단열재(Mineral Fibre) 물성치 ... 343
• 그림목차 ... 14
• 그림 1.1.1 Moon village 계획 (출처: ESA) ... 25
• 그림 1.1.2 국제달연구기지 계획(출처: CNSA, ROSCOSMOS) ... 25
• 그림 1.2.1 유인 우주기지 로드맵 (예시) ... 30
• 그림 1.2.2 방호막 시공 시스템 개념안 ... 31
• 그림 1.2.3 다층쉘 시스템 개념안 ... 32
• 그림 1.2.4 유인기지 에너지 하베스팅 및 설비 시스템 개념안 ... 33
• 그림 2.1.1 아르테미스 계획 Phase 1 (출처: NASA) ... 42
• 그림 2.1.2 국제달연구지지 계획 (출처: CNSA, ROSCOSMOS) ... 43
• 그림 2.1.3 ICON_Project_Olympus_ConceptRender_image-credit_SEArch ... 46
• 그림 2.1.4 SOM presented a detailed scale model of Moon Village (달 장기체류 실현할 SOM의 팽창식 주거지) ... 46
• 그림 2.1.5 달/화성 환경을 체험할 수 있는 실증단지 건설 계획안 ... 47
• 그림 2.1.6 D-shape 프린터와 인공월면토를 이용해 제작한 구조물 (출처: Cesaretti, G. et.al, 2014) ... 50
• 그림 2.1.7 인산을 활용한 인공월면토 구조물 (출처: Buchner, C., et. al., 2018) ... 50
• 그림 2.1.8 황 콘크리트 (출처: Grugel, R. N., & Toutanji, H., 2008) ... 51
• 그림 2.1.9 고분자 바인더를 이용한 인공월면토 고형화 (출처: Jakus, Adam E., et al., 2017) ... 52
• 그림 2.1.10 대기 및 진공 조건에서 소결된 인공월면토 (출처: Song, Lei, et al., 2019) ... 52
• 그림 2.1.11 Open university에서 자체 제작한 마이크로파 장비 및 가열된 인공월면토 샘플 (출처: Lim, Sungwoo, et al., 2021) ... 53
• 그림 2.1.12 Microwave Heating Demonstrator(MHD) 페이로드의 개념설계 및 3D 모델 (출처: Lim, S. et al.,2020) ... 53
• 그림 2.1.13 스파크 플라즈마 소결 기술을 통한 인공월면토 소결체 제조 (출처: Zhang, X et al., 2020) ... 54
• 그림 2.1.14 레이저소결을 통해 제조된 JSC-1A 소결체 (출처: Goulas, A., et. al, 2016) ... 54
• 그림 2.1.15 MIRA3D 로봇암에 장착되어 사용 중인 Moonrise 레이저 (출처: Laser Zentrum Hannover) ... 55
• 그림 2.1.16 건설 분야 주요 ISRU 프로세스의 TRL 진화 (출처: Freeman, R. H., 2021) ... 55
• 그림 2.1.17 달 환경 시공 기술 (출처: PISCES, NASA KSC, RegoLight ... 56
• 그림 2.1.18 VF-13 (A) with the lid and (B) without the lid, (C) Honeybee Drill Mounted (출처: Kleinhenz, J. E., 2014) ... 57
• 그림 2.1.19 NASA의 열관리시스템 TMSR (NASA, 2010) 및 저온냉각, 열관리, 열보호시스템의 세부목차 ... 58
• 그림 2.1.20 태양광의 파장대에 따른 복사 열에너지 유관 파장영역 ... 59
• 그림 2.1.21 Crycube-1에 설치된 태양광 가림막(좌)과 괘도상에서 정렬된 모습(우) ... 60
• 그림 2.1.22 열스트랩의 다양한 형태 및 적용온도에 따른 열전도도의 변화 ... 61
• 그림 2.1.23 다양한 형태의 열계면물질과 적용사례 ... 62
• 그림 2.1.24 6U 사이즈 Dellingr 큐브셋에 부착된 타입 열루버(thermal louver), NASA GSFC ... 62
• 그림 2.1.25 NASA MArshall 스페이스 플라이트센터에서 시험된 로켓 발사단계 아답터에 적용된 스프레이폼+코르크 처리. 온도범위(-423F~+200F) ... 62
• 그림 2.1.26 NASA 개발 재인 agerogel(좌)와 ultramet(우) ... 63
• 그림 2.1.27 열린기공(open cell)구조의 카본폼(A), 페놀폼／섬유분쇄물로 채운 후(B), 2203W／cm2 열을 가한 아크젯 실험, NASA ARC ... 63
• 그림 2.1.28 일본 도쿄대에서 개념설계한 텐트형 복층레이어 구조의 모듈형 구조물 ... 64
• 그림 2.1.29 달탐서 거주지 개념설계의 주된 열흐름도. 복사방출, 반사, 열투과, 거주지와 쉐이드, 월면토, 우주공간, 태양, 열차단막등 구성물 간 열흐름을 나타냄. ... 64
• 그림 2.1.30 16개의 전기케이블로 생성된 자기장 형성으로 보호되는 개념의 달기지 ... 65
• 그림 2.1.31 각기 다른 목적의 레이어로 구성된 달기지 컨셉 디자인 ... 65
• 그림 2.1.32 달기지 개념의 정면 및 측면뷰 ... 65
• 그림 2.1.33 이중외피 구조물의 단면구조도 (Courtesy W. Grandl) ... 66
• 그림 2.1.34 다양한 형태의 아치구조 ... 66
• 그림 2.1.35 저장공간과 장비배치를 고려한 three hinged arch형태의 구조물 단면도 ... 66
• 그림 2.1.36 3m 두께의 최외곽 월면토층 아래의 구조물 ... 66
• 그림 2.1.37 달 남극(south pole) 지역 낮시간에 시뮬레이션 된 예측 온도 범위. 대기가 없는 이유로 온도변화가 급격히 발생함 ... 66
• 그림 2.1.38 달 highlnads 지역에서 solar heat flux 1300 W/m2이 가해질 때 월면토벽두께와 day1~night5 변화에 따른 온도변화 비압축 월면토벽 (1.6 g／cm3, image a)과 압축 월면토벽(4.0 g/cm3, image b) ... 67
• 그림 2.1.39 우주 태양광 발전 ... 68
• 그림 2.1.40 방사선동위원소 열전발전기 구조 ... 69
• 그림 2.1.41 우주 정거장의 온열환경 관리 시스템 (Active Thermal Control System) ... 70
• 그림 2.1.42 차세대 공조시스템에 적용 가능한 유망기술 순위 중 열전소자 ... 70
• 그림 2.1.43 태양광 패널 외피와 결합한 열전소자 공기 냉각기 (Energy, 2017) ... 71
• 그림 2.1.44 연료전지와 태양광 패널에 결합된 열전소자 발전장치 사례 (Renewable Energy, 2016; Energy Conversion and Management, 2017) ... 71
• 그림 2.1.45 사용되는 극저온 냉각 사이클 종류 ... 72
• 그림 2.1.46 우주 탐사 전망 (출처: Euroconsult)] ... 73
• 그림 2.2.1 달 탐사(기지건설) 계획(출처: 2018년 ｢제3차 우주개발 진흥 기본계획｣ ... 87
• 그림 2.2.2 아르테미스 약정(출처: NASA) ... 88
• 그림 2.2.3 국가가 직접 육성·보호할 '10대 필수전략기술' (출처: 과학기술정보통신부) ... 89
• 그림 2.2.4 남극 2기지 (장보고 기지) 예상도 ... 90
• 그림 2.2.5 극한환경을 고려한 성능 기준 검토 ... 91
• 그림 2.2.6 극한환경을 고려한 기초 시스템 검토 ... 91
• 그림 2.2.7 남극 내륙기지 스페이스 프로그램 ... 91
• 그림 2.2.8 저층 모듈러 실증 ... 92
• 그림 2.2.9 목조 모듈러 (스마트한옥) ... 93
• 그림 2.2.10 3면 PC 모듈러 (괴산기숙사) ... 93
• 그림 2.2.11 중고층 모듈러 실증 (용인 영덕) ... 93
• 그림 2.2.12 마이크로파 소결 기술로 제작된 인공월면토 소결체 (출처: 한국건설기술연구원) ... 94
• 그림 2.2.13 국내 로봇 시공 기술 (출처: 한국건설기술연구원, 한양대학교) ... 95
• 그림 2.2.14 항우연 대형열진공챔버 외관 (출처: 조혁진 외, 2007) ... 96
• 그림 2.2.15 건설연 지반열진공챔버 ... 96
• 그림 2.2.16 월면토의 달 낮과 밤 조건하에서의 온도변화와 대응하기 위한 구조물 개념도 ... 97
• 그림 2.2.17 로버의 가동과 미작동시 기지로 복귀하였을때를 상황별 모사도 ... 97
• 그림 2.2.18 국가별 우주개발 예산 (출처: Euroconsult, Government Space Programs 2020 report) ... 99
• 그림 2.2.19 우주산업 참여기관별 활동금액 (출처: 2020 우주산업실태조사) ... 100
• 그림 2.2.20 우주산업 활동금액 현황 (출처: 2020 우주산업실태조사) ... 100
• 그림 3.1.1 우주기지 로드맵 초안 수립 배경 및 필요성 ... 110
• 그림 3.1.2 글로벌 프로젝트 동향 ... 116
• 그림 3.1.3 우리나라 우주개발 관련 정책 동향 ... 116
• 그림 3.1.4 국가중점 우주기술로드맵 3.0 중 유인 우주탐사 부문 ... 117
• 그림 3.1.5 국내외 우주 시장 동향(2020) ... 121
• 그림 3.1.6 국내 우주 기업 동향 ... 121
• 그림 3.1.7 우주 건설 환경 영향 요인을 고려한 기술적 대응 방안(예) ... 122
• 그림 3.1.8 달 기지 인프라의 필요기능 및 요구사항 개요도 (자료 : Mueller(2022). NASA Swamp Works.) ... 124
• 그림 3.1.9 연도별 우주건설 분야 정부연구비/과제 수 동향('13~'22) ... 125
• 그림 3.1.10 부처별 국가연구개발비 투자 동향 ... 126
• 그림 3.1.11 연구개발 단계별 국가연구개발비 투자동향 ... 126
• 그림 3.1.12 기술분류체계 도출 프레임 ... 135
• 그림 3.1.13 2020 NASA Technology Taxonomy ... 138
• 그림 3.1.14 기술분류체계 대분야 도출 모식도 ... 140
• 그림 3.1.15 게이트웨이 통합 우주선 구성 ... 143
• 그림 3.1.16 SAGA Space Architects의 우주거주지 컨셉 ... 145
• 그림 3.1.17 Foster and Partners가 개발한 달 거주지 컨셉 ... 146
• 그림 3.2.1 유인 우주기지 기획설계의 목표 및 추진방향 ... 157
• 그림 3.2.2 유인 우주기지 기획설계의 도출 프로세스 ... 158
• 그림 3.2.3 달 계절별 온도분포 (UCLA, 2020) ... 160
• 그림 3.2.4 달 환경조건에 따른 설계시 고려사항 ... 162
• 그림 3.2.5 유인 우주기시 설계 시 최우선 목표 ... 164
• 그림 3.2.6 임무 기간별 필요한 거주환경 우선순위 ... 165
• 그림 3.2.7 우주에서의 공간설계를 위한 사항 ... 166
• 그림 3.2.8 유인우주기지 설계지침 ... 166
• 그림 3.2.9 유인우주기지 개념 컨셉 이미지 ... 167
• 그림 3.2.10 유인우주기지의 유형 ... 168
• 그림 3.2.11 천체 표면 유인우주기지의 유형 ... 168
• 그림 3.2.12 유인우주기지 유형별 분석 ... 171
• 그림 3.2.13 생존 주요계획 요소 분석 ... 171
• 그림 3.2.14 신체적 건강의 주요 계획요소 분석 ... 172
• 그림 3.2.15 10개 대표사례 상세 분석 ... 174
• 그림 3.2.16 극한 환경에 조성된 사례 ... 175
• 그림 3.2.17 폐쇄 환경에서 공동체 건축사례 ... 175
• 그림 3.2.18 현황분석을 토대로 한 유인우주기지 설계 방향 ... 176
• 그림 3.2.19 유인우주기지 시나리오 설정 3단계 ... 176
• 그림 3.2.20 매트릭스를 활용한 설계안 도출 과정 ... 177
• 그림 3.2.21 모듈 다이어그램 기반 설계 자동화 프로세스 구축 ... 182
• 그림 3.2.22 단계별 공간구성 다이어그램 ... 184
• 그림 3.2.23 유인우주기지 기획설계안(좌 Alt 1, 우 Alt 2) ... 185
• 그림 3.2.24 유인 우주기지 대안 1의 매트릭스 구성 ... 186
• 그림 3.2.25 유인 우주기지 대안 2의 매트릭스 구성 ... 186
• 그림 3.2.26 유인 우주기지 기획설계 대안 1의 설계도서 일람 ... 187
• 그림 3.2.27 유인 우주기지 기획설계 대안 1의 조감도(Phase 1~3) ... 188
• 그림 3.2.28 유인 우주기지 기획설계 대안 2의 설계도서 일람 ... 189
• 그림 3.2.29 유인 우주기지 기획설계 대안 2의 조감도(Phase 1~3) ... 190
• 그림 4.1.1 아폴로 착륙선 위치(지진계 위치와 유관) (Nuun et al., 2020) ... 192
• 그림 4.1.2 아폴로 지진실험 전체 일정 및 취득 자료 (Nuun et al., 2020) ... 192
• 그림 4.1.3 월진별 전형적인 월진파 측정 예시; (a) 천발월진(shallow moonquake), (b) 심발월진(deep moonquake), (c) 충격월진(impact moonquake) (Nuun et al., 2020) ... 193
• 그림 4.1.4 운석 충돌 예측 (Lindsey, 2003) ... 197
• 그림 4.1.5 0-100 cm 월면토 두께에 따른 예측된 BFO 선량 단량 (Nealy et al. 1988) ... 199
• 그림 4.1.6. 태양열 소결 실험 모식도 (Nakamura et al., 2011) ... 203
• 그림 4.1.7 출력 전력 1 kW에 대한 광학장치의 소결 높이에 따른 출력 밀도 분포 (Nakamura et al., 2011) ... 203
• 그림 4.1.8 태양열 소결체 기공 비교 (좌: 대기 환경, 우: 진공 조건) (Fateri et al., 2019). ... 204
• 그림 4.1.9 태양열 3D 프린팅 실험 (Meurisse et al., 2018) ... 204
• 그림 4.1.10 선택적 레이저 소결／용융 (SLS/SLM) (Farries et al., 2021). ... 205
• 그림 4.1.11 LENS (Laser Engineered Net Shaping) (Farries et al., 2021). ... 205
• 그림 4.1.12 파장별 인공 월면토 JSC-1A의 흡광도 비교 (Goulas et al., 2017). ... 207
• 그림 4.1.13 마이크로파에 의한 발열 반응 (a) 전도전류(conduction current loss) (b) 변위전류(displacement current loss) (c) 유도전류(induction current loss) (d) 마이크로파를 조사 시료에 조사하면 세 발열 과정이 동시에 발생함 ... 211
• 그림 4.1.14 외부전기장에 따른 전기 편(분)극 ... 212
• 그림 4.1.15 유전율의 실수 및 허수 부분(좌) 및 주파수에 따른 분자들의 운동 ... 213
• 그림 4.1.16 마이크로파에 대한 KLS-1의 가열 특성 평가 ... 215
• 그림 4.1.17 마이크로파 조사 시간에 따른 KLS-1 표면 온도 측정 결과 ... 215
• 그림 4.1.18 고출력 마이크로파 가열 장치 구성 (a) 마그네트론 (b) isolator (c) 3-stub tuner (d) directional coupler ... 217
• 그림 4.1.19 마이크로파원, 전원장치 및 각종 부품 연결 ... 217
• 그림 4.1.20 1.6 kW GaN 마이크로파원 및 전송 장치 ... 218
• 그림 4.1.21 마이크로파 측정 센스(좌) 및 마그네트론 냉각 장치(우) 연결 ... 219
• 그림 4.1.22 마이크로파 전송 장치 및 안테나 설치 ... 219
• 그림 4.1.23 전원장치 (좌) (위쪽) 주요 전원장치 설치, (가운데) 메인 출력 스위치, (아래 부분) 마그네트론 구동 (우) 설치된 패널 마이크로파 출력 측정 ... 219
• 그림 4.1.24 설치된 15 dB 혼안테나 ... 220
• 그림 4.1.25 15 dB 혼안테나 크기 및 2.45 GHz 방사(전기장 세기) 모습 ... 221
• 그림 4.1.26 전기장 세기 상대 비교 (좌) 위치선정 (우) 각 면에서의 전기장 세기 분포 ... 221
• 그림 4.1.27 (d) 위치에서 전자장 세기 ... 222
• 그림 4.1.28 (f) 선을 따라 측정한 전기장의 상대적인 세기(arbitrary unit) ... 222
• 그림 4.1.29 혼안테나 형상에 따른 전기장 필드 및 위치에 따른 전기장 세기 ... 223
• 그림 4.1.30 혼안테나에서 반사되어 되돌아오는 마이크로파 load가 없는 경우(오른쪽 위) S11 parameter 및 알루미나 플레이트를 안테나 개구부에 위치할 때(오른쪽 아래) ... 223
• 그림 4.2.1 탑재형 소결 장치를 활용한 평면 구조체 시공 개념도 ... 224
• 그림 4.2.2 15 dB 혼안테나를 이용한 인공월면토 소결 실험 ... 224
• 그림 4.2.3 마이크로파 가열 후의 모습 ... 225
• 그림 4.2.4 마이크로파 가열 후 내부 모습(좌), 고형화되지 않은 부분 제거 후 상태(우) ... 225
• 그림 4.2.5 일반 가열과 마이크로파 가열 비교(Singh et al. 2015) ... 226
• 그림 4.2.6 혼안테나에서 방사되는 전기장에 의한 인공월면토 가열 실험 ... 226
• 그림 4.2.7 열 폭주 현상 ... 227
• 그림 4.3.1 재료 공급 장치 3D 도면 ... 236
• 그림 4.3.2 재료 공급 장치 시작품 제작 ... 236
• 그림 4.3.3 인공월면토 및 골재 투입 ... 236
• 그림 4.3.4 입경 1 mm 이하 분리 ... 236
• 그림 4.3.5 입경 1 mm 이상 분리 ... 236
• 그림 4.4.1 미래스마트건설연구본부 ABB 로봇팔 ... 239
• 그림 4.4.2 ABB IRB-6700 동작 범위 ... 240
• 그림 4.4.3 툴 체인저 모듈 도면 ... 240
• 그림 4.4.4 툴 체인저 적용 구성도 ... 241
• 그림 4.4.5 ABB 로봇팔 툴 체인저 적용 모습 ... 241
• 그림 4.4.6 로봇팔 시공 시스템 및 연동 제어장치 설계 ... 242
• 그림 4.4.7 시공 제어장치 ... 243
• 그림 4.4.8 시공체 형상 3D 모델 (STL 형식) ... 244
• 그림 4.4.9 Cura 프로그램을 활용한 슬라이싱 ... 245
• 그림 4.4.10 생성된 G-Code ... 245
• 그림 4.4.11 G-code 기반 ABB 로봇 제어 프로그램 개발 ... 247
• 그림 4.4.12 시공체 시공 경로 시뮬레이션 ... 248
• 그림 5.1.1 태양에서 방출되는 고에너지 입자(노란색 선)과 이로 인한 인공위성 및 구성 전자부품으로의 영향을 시각화한 모식도 https://svs.gsfc.nasa.gov/20320/ ... 249
• 그림 5.1.2 태양에서 방출되는 빛에너지와 방출되는 코로나 질량 방출 등 고에너지 입자 직선방출 (straight path)과 을 광속 수준의 높은 방출속도로 인해 형성되는 나선형의 태양풍 자기장을 따라 우주공간으로 방출되는 형태로 보여주는 애니메이션 캡처 ... 249
• 그림 5.1.3 태양방사의 원인과 방출되어 달표면과 지구에 까지 영향을 미치는 고에너지 입자의 종류와 이로 인해 야기되는 방사선 및 연간 피폭량 비교 (출처: Everything you wanted to know about space radiation but were afraid to ask (Chancellor at el., 2021, 원본 ESA)) ... 250
• 그림 5.1.4 태양방사로 인해 달표면에 생성되는 광전자등 양이온, 플라즈마 전자, 이차전자 등 음이온, 양／음이온 간 상쇄지역 및 이로인한 달먼지 이동 현상으로 나타나는 정전환경 (출처 : Lunar Surface Charging: A Global Perspective Using Lunar Prospector Data Article, Timothy stubbs et. al.,Aug 2005, LPI Contributions) ... 251
• 그림 5.1.5 태양방사로 인해 방출되는 고에너지 입자들의 광자에너지와 fluence 스펙트럼 그래프 ... 252
• 그림 5.1.6 중국 창어4 착륙선에서 토출된 유튜2 로버에서 측정한 달표면 방사입자 조사량(radiation dose) ... 252
• 그림 5.1.7 5개의 각기다른 두께와 밀도를 지닌 월면토 층에서의 GCR 양성자와의 반응에 따른 내부전달 NASA SPENVIS Geant4 시뮬레이션 모사결과 ... 253
• 그림 5.1.8 WBS별 구성 역할 및 WBS3에서 담당하는 유인기지의 기본벽체 구성을 담당하는 다층쉘 구조 구성도 ... 253
• 그림 5.1.9 달 위도에 따른 일사일수의 변화 ... 254
• 그림 5.1.10 달 위도에 따른 달표면 최고~최저온도 변화 그래프 (캘빈(K)으로 표시) ... 254
• 그림 5.1.11 일사열속(solar heat flux)가 600W／m2 인 경우, 비압축 월면토층(1.6g／cm3)과 압축 월면토층(4.0g／cm3)의 두께 변화에 따른 온도변화 프로파일 ... 255
• 그림 5.1.12 일사열속(solar heat flux)가 1,300W／m2 인 경우, 비압축 월면토층(1.6g／cm3)과 압축 월면토층(4.0g／cm3)의 두께 변화에 따른 온도변화 프로파일 ... 255
• 그림 5.1.13 태양방사로 인한 달표면 극한 환경조건에서 최소한의 생존 및 거주환경 확보를 위한 WBS별 구성 역할 및 WBS3에서 담당하는 유인기지의 기본벽체 구성을 담당하는 다층쉘(벽체) 구조 구성도 ... 256
• 그림 5.1.14 에어락 구조의 체적조건에 우선하여 a)구형, b)실린더형, c)각기둥형 1차 모델링 이미지 ... 258
• 그림 5.1.15 에어락 평면구조 및 정면 측면 모양 ... 258
• 그림 5.1.16 에어락 구조 및 쉘구조 벽체(단열과 미세운석충동 방치층 부재로 상대적으로 얇은 층의 쉘구조 및 달먼지 제거부로 구성 ... 258
• 그림 5.2.1 태양방사로부터 야기되는 달표면 환경위협인자에 대응하기 위한 다층쉘 벽체구조 도출을 위한 조건 흐름도 ... 259
• 그림 5.2.2 좌측 상단부터 시계방향으로 1) 구형(내부지지구조물 포함, 다층구성) 2) 월면토로 덮은 반구형 3) 구형(팽창형) 4) 베개형태 팽창형 구조물 및 연결 5) 강성케이블, 장력링, 지붕등으로 구성된 반돔형 우주기지 6) 모듈러 실린더형 우주기지 ... 260
• 그림 5.2.3 팽창형 구조물 종류 1) Von Braun의 우주정거장 2)~4) 굿이어 항공사의 환형구조 우주정거장 ‘`모비딕’ 거주지 모듈, D021 에어락 5)volga 에어락 6)Transhab 거주지 모듈 7)BEAM 8) NASA JSC 해치 통합형 모듈 9)~10) ILC／NASA 팽창형 환형 거주지 11) NASA MACH 팽창형 에어락 12)NextSTEP-2 cis 달 거주지 및 에어락 컨셉 디자인 ... 262
• 그림 5.2.4 달기지 컨셉 디자인 1) 금속재 하드실린더 모듈타입 거주지 2) 2층 구조의 실험실 모듈 3) 견고한 쉘타입(월면토 스프레이 코팅된 다층쉘 외피 구조) 4) NASA 옥탑방 형태 로프트 팽창형 모듈 탑재 이동형 거주지 5) ESA 3D 프린팅 및 팽창형 모듈의 하이브리드 구조물 6) ESA 태양광 발전 및 팜 개념 그린하우스 팽창형 달기지 ... 263
• 그림 5.2.5 (1) 에어백 제작 시 쉘 구조 (2) 월면토와 알루미늄층, 폼글라스로 구성 (3) 우주공간 팽창형 모듈의 다층쉘 구조 (4) 다층으로 구성된 팽창형 모듈의 다층쉘 구조 (5) 방사열의 전달차단 다층쉘 구조 (6) 월면토 강화 다층쉘 구조 ... 267
• 그림 5.3.1 정상상태 분석을 위한 벽체 모델 및 결과 ... 273
• 그림 5.3.2 단층벽체 구성도 ... 274
• 그림 5.3.3 월면토 단층벽체 정상상태 시뮬레이션 분석 결과 (극지방) ... 275
• 그림 5.3.4 월면토 단층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 (비극지방) ... 275
• 그림 5.3.5 진공단열재 단층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 (극지방) ... 276
• 그림 5.3.6 진공단열재 단층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 (비극지방) ... 276
• 그림 5.3.7 Metal Wall 단층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 (극지방) ... 277
• 그림 5.3.8 Metall Wall 단층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 (비극지방) ... 278
• 그림 5.3.9 월면토 깊이 별 단층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 (극지방) ... 279
• 그림 5.3.10 월면토 깊이 별 단층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 (비극지방) ... 279
• 그림 5.3.11 다층벽체 구성도 ... 280
• 그림 5.3.12 Metall Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.2m)를 이용한 다층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 ... 281
• 그림 5.3.13 Metall Wall(0.2m) 및 진공단열재(0.6m)를 이용한 다층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 ... 282
• 그림 5.3.14 Metall Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.8m)를 이용한 다층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 ... 283
• 그림 5.3.15 방사율 조정 후 Metall Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.8m)를 이용한 다층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 ... 284
• 그림 5.3.16 방사율 조정 후 Metall Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.2m)를 이용한 다층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 ... 285
• 그림 5.3.17 방사율 조정 후 Metall Wall(0.1m) 및 진공단열재(0.3m)를 이용한 다층벽체 비정상상태 시뮬레이션 분석 결과 ... 286
• 그림 5.3.18 다층쉘 구조 시험체 제작가능성 타진을 위한 도면작업 및 다층쉘 구성 개념도 ... 288
• 그림 5.3.19 시험체 제작품 전체 사진 ... 289
• 그림 5.3.20 시험체 표면 내외부 온도센서 부착 및 진공챔버 내 장착 모습 ... 290
• 그림 5.3.21 제작된 시험체 내외부 온도변화 프로파일 그래프 ... 291
• 그림 5.4.1 물부터 HDPE, 텅스텐까지 다양한 물성을 지닌 소재로 구형 보호막을 만들었을때 두께에 따른 SPE, GCR로 발생되는 태양방사물질의 방어차이 (Dose in silicon) ... 292
• 그림 5.4.2 후보재료 최적화 과정 (전체 두께 10g／cm2 슬라브 양 끝단의 알루미늄 막 층의 두께 비중, 순서에 따른 실리콘판에 측정된 각각의 SPE(좌측), GCR(우측) 이벤트 시 방사능 양(dose)의 변화 (출처: Slaba, Tony & McMullen, Amelia & Thibeault, Sheila & Sandridge, Chris & Clowdsley, Martha & Blattnig, Steve. (2011). OLTARIS: An Efficient Web-Based Tool for Analyzing Materials Exposed to Space Radiation. Proc SPIE. 8164. 10.1117／12.898960) ... 293
• 그림 5.4.3 다층쉘 구성을 위한 현 기술 조사 및 구성방법 도출을 위한 과정 정리 ... 294
• 그림 5.4.4 webbing 구성시 좌/우방향, 상／하방향 직조시 단위길이당 지지무게에 대한 산정 ... 295
• 그림 5.4.5 다층쉘로 구성시 webbing으로 구성되는 압력억제층과 공간유지(bladder 층)와 내부충격 보호층을 연결을 위한 liner 구성 다층쉘 구성 기본방안 ... 295
• 그림 5.4.6 월면토로 덮히는 팽창형 구조물의 요구성능을 충족하기 위한 태양 방사 방지, 단열, 내부압력 유지, 충격방지 등이 기능을 수행하는 각각의 층으로 구성된 다층쉘 구성 1차(안) 및 층(레이어)의 주요기능 정리 ... 297
• 그림 6.1.1 열전소자의 구조 ... 301
• 그림 6.1.2 태양-달-지구의 거리 비교 ... 306
• 그림 6.1.3 1차원 유한 요소 열전달 해석 ... 312
• 그림 6.1.4 열전달 해석 모델 및 경계조건 ... 313
• 그림 6.1.5 과도 상태 열전달 해석 ... 314
• 그림 6.1.6 선형 시스템의 시간에 따른 변화 ... 315
• 그림 6.1.7 시불변 시스템의 시간에 따른 변화 ... 315
• 그림 6.1.8 유한요소 열전달 해석 프로그램 구조 ... 315
• 그림 6.1.9 우주 환경 모사 열진공 챔버 열전소자 실험 ... 316
• 그림 6.1.10 열전소자 양측 온도 및 발생 전압 ... 316
• 그림 6.1.11 열전소자 진공 환경 열전도도 측정 실험 설계도 ... 317
• 그림 6.1.12 열전소자 진공 환경 열전도도 측정 실험 ... 317
• 그림 6.1.13 진공환경 열전소자 온도 변화 ... 318
• 그림 6.1.14 열전소자 연간 발전량 시뮬레이션 모델 ... 319
• 그림 6.1.15 열전소자의 연간 온도 및 발전량 ... 319
• 그림 6.1.16 달 표면 태양 입사각 ... 321
• 그림 6.1.17 율리우스력 일시 환산 코드 ... 322
• 그림 6.1.18 reference table의 참조 방식 ... 323
• 그림 6.1.20 달-태양 거리의 계산방법 (Li et al., 2012) ... 333
• 그림 6.2.1 유인 우주기지 냉난방 설비 관련 논문 발간 추이 ... 335
• 그림 6.2.2 유인 우주기지 냉난방 설비 관련 저자 키워드 네트워크 맵 시각화 ... 337
• 그림 6.2.3 유인 우주기지 냉난방 설비 관련 색인 키워드 네트워크 맵 시각화 ... 338
• 그림 6.2.4 Common Cabin Air Assembly(CCAA) 프로세스 개요도 ... 339
• 그림 6.2.5 일본 실험 모듈의 THC 시스템 구성도 ... 340
• 그림 6.2.6 톈궁 우주정거장 열 관리 시스템 구성도 ... 341
• 그림 6.2.7 유인 우주기지 건물 부하 해석을 위한 1차원 Node 설정 ... 342
• 그림 6.2.8 시나리오1 유인 우주기지에 대한 건물부하 해석 결과 ... 344
• 그림 6.2.9 시나리오2 유인 우주기지에 대한 건물부하 해석 결과 ... 345
• 그림 6.2.10 시나리오3 유인 우주기지에 대한 건물부하 해석 결과 ... 346
• 끝페이지 ... 395