에어로브레이킹

Aerobraking
에어 브레이크(에로노믹스)와 혼동하지 마십시오.
화성의 정찰위성을 이용한 에어로브레이킹에 대한 화가의 구상
에어로브레이킹의 예
화성 정찰 궤도선· 화성

에어로브레이킹(Aerobraking)은 궤도(periapsis)의 낮은 지점(periapsis)에서 대기권을 통해 차량을 비행함으로써 타원궤도(apoapsis)의 고점을 감소시키는 우주 비행 기동이다.그 결과 항력은 우주선의 속도를 늦춘다.에어로브레이킹은 우주선이 대기권이 있는 신체에 도착한 뒤 낮은 궤도를 필요로 할 때 사용하는데, 이는 속도를 늦추기 위해 추진력을 사용하는 것보다 연료가 적게 필요하기 때문이다.

방법

행성간 자동차가 목적지에 도착하면, 궤도를 달성하거나 착륙하기 위해 속도를 줄여야 한다.(많은 과학 연구에 필요한 것과 같이) 상당한 중력을 가진 신체를 중심으로 낮고 원근에 가까운 궤도에 도달하기 위해 필요한 속도 변화는 초당 킬로미터의 순서로 이루어질 수 있다.로켓 방정식은 추진력을 사용하여 우주선 질량의 상당 부분이 연료로 구성되어야 함을 지시한다.이것은 과학 탑재량을 줄이거나 크고 비싼 로켓을 필요로 한다.대상 차체에 공기가 있다면 에어로브레이킹을 사용하여 연료 요구량을 줄일 수 있다.비교적 작은 화상의 사용으로 우주선은 긴 타원 궤도에 진입할 수 있다.그리고 나서 에어로브레이크는 궤도를 원형으로 짧게 만든다.대기가 충분히 두껍다면 한 번의 통과만으로도 궤도를 조절하기에 충분할 수 있다.그러나 에어로브레이킹은 일반적으로 대기 중에 더 높은 궤도를 여러 번 주행해야 한다.이것은 마찰 가열, 예측할 수 없는 난류 효과, 대기 구성 및 온도의 영향을 감소시킨다.이러한 방식으로 에어로브레이킹을 수행하면 각 패스 후 속도 변화를 측정하고 다음 패스를 보정할 수 있는 충분한 시간이 허용된다.화성은 최종 궤도를 달성하는 데 6개월 이상이 걸릴 수 있으며, 수백 번의 대기를 통과해야 할 수도 있다.마지막 통과 후, 우주선은 대기권 상공을 상승시키기 위해 로켓 엔진을 통해 더 많은 운동에너지를 주어야 한다.

에어로브레이킹에 의해 소멸된 운동 에너지는 열로 변환되는데, 이는 우주선이 이 열을 방출해야 한다는 것을 의미한다.우주선은 필요한 항력을 생산하고 생존할 수 있는 충분한 표면적과 구조적 강도를 가져야 한다. 에어로브레이킹과 관련된 온도와 압력은 대기권 재진입이나 비행 적응력만큼 심각하지 않다.화성 정찰 궤도 비행기의 시뮬레이션은 약 37m의2 우주선 단면을 가진 제곱미터당 0.35N의 힘 한계를 사용하며, 최대 항력 하중은 약 7.4N, 최대 예상 온도는 170°C에 해당한다.[1]에어로브레이킹 중 화성 관측기에 가해진 [2]힘 밀도(즉, 제곱미터당 약 0.2 N)는 지구 해수면에서 0.6m/초(2.16km/시)로 이동하는 공기역학적 저항과 맞먹으며, 이는 천천히 걸을 때 경험하는 대략적인 양이다.[3]

우주선 항해와 관련해 모리바 자(Moriba Jah)는 에어로브레이킹 도중 지상 측정 데이터와 무관하게 우주선의 궤적을 통계적으로 유추하기 위해 무향의 칼만 필터를 사용해 우주선에서 수집된 관성 측정 단위(IMU) 데이터를 처리하는 능력을 최초로 입증했다.자아는 화성 오디세이와 화성 정찰궤도선의 실제 IMU 데이터를 이용해 이 일을 했다.게다가, 이것은 다른 행성에 대한 인공 우주 물체의 궤도를 결정하기 위해 중앙이 없는 Kalman Filter를 처음 사용한 것이었다.[4]에어로브레이킹 항법 자동화에 사용될 수 있는 이 방법은 관성측정에 의한 항법(IMAN)이라고 불리며 자씨는 이 작품으로 NASA 우주법상을 수상했다.

많은 우주선들이 태양 전지판을 이용하여 그들의 작전을 발전시킨다.이 패널은 필요한 궤도의 수를 줄이기 위해 에어로브레이킹을 개선하는 데 사용될 수 있다.패널은 AI 구동 알고리즘에 따라 회전해 드래그를 증가/감소하고 도착 시간을 수개월에서 수주로 단축할 수 있다.[6]

관련 방법

Aerocapture는 초기 궤도 주입 화상이 수행되지 않는 관련성이 있지만 더 극단적인 방법이다.대신 우주선은 초기 삽입화상 없이 대기권 깊숙이 낙하하며, 원하는 궤도에 가까운 압착기로 대기의 이 단일 패스에서 나온다.그런 다음 여러 개의 작은 보정 화상을 사용하여 근막을 올리고 최종 조정을 수행한다.[7]이 방법은 원래 화성 오디세이 궤도선용으로 계획되었지만,[8] 중요한 설계 영향은 비용이 너무 많이 드는 것으로 판명되었다.[7]

또 다른 관련 기술은 우주선이 가장 가까이 접근하는 지점에서 드래그 대신 공기역학적 리프트를 이용해 상층 대기를 비행하는 기법이다.방향이 올바르면 이는 순수 중력 보조 장치보다 편향각을 증가시켜 더 큰 델타-V를 초래할 수 있다.[9]

우주선 임무

2001년 10월 24일부터 2002년 10월 24일까지 화성 주위를 도는 2001년 화성 오디세이의 궤적 애니메이션
2001년 마스 오디세이· 화성
엑소마스의 화성 궤적 추적 애니메이션
화성· 엑소마르스 추적 가스 궤도선

에어로브레이킹 이론은 잘 발달되어 있지만, 기동을 정확하게 계획하기 위해서는 대상 행성 대기 특성에 대한 매우 상세한 지식이 필요하기 때문에 기법을 사용하는 것이 어렵다.현재는 각 기동 중에 감속을 감시하고 그에 따라 계획을 수정한다.아직 어떤 우주선도 스스로 안전하게 비행할 수 없기 때문에, 이것은 인간 관제사와 심층 우주 네트워크 모두의 지속적인 관심을 필요로 한다.드래그 패스가 상대적으로 서로 가깝게(화성의 경우 약 2시간 간격) 있을 때 특히 과정이 거의 끝날 무렵이 그렇다.[citation needed]NASA는 4차례 에어로브레이킹을 사용해 우주선의 궤도를 낮은 에너지, 낮은 고도, 작은 궤도로 수정했다.[10]

1991년 3월 19일, 에어로브레이킹은 히텐 우주선에 의해 시연되었다.이것은 깊은 우주 탐사선에 의한 최초의 에어로브레이킹 기법이었다.[11]히텐(Hiten, A.K.a. MUSES-A)은 일본의 우주우주과학연구소(ISAS)에 의해 발사되었다.[12]히튼은 태평양 상공 125.5km 고도에서 11.0km/s로 지구 옆을 비행했다.대기 항력은 속도를 1.712m/s, 어포기 고도는 8665km까지 낮췄다.[13]또 다른 에어로브레이킹 기동이 3월 30일에 실시되었다.

1993년 5월, 에어로브레이킹은 마젤란 우주선의 연장된 금성 미션 동안 사용되었다.[14]중력장의 측정 정밀도를 높이기 위해 우주선의 궤도를 순환시키는 데 이용되었다.전체 중력장은 243일간의 연장 임무 주기 동안 원형 궤도에서 지도화되었다.임무 종료 단계에서는 다음과 같은 "풍차 실험"이 수행되었다.대기 분자 압력은 풍차-사일 지향 태양전지 날개를 통해 토크를 발휘하며, 탐침이 회전하지 않도록 하기 위해 필요한 카운터토크를 측정한다.[15]

1997년, 화성 지구 탐사선(MGS)은 궤도 조정의 주요 계획 기법으로 에어로브레이킹을 사용한 최초의 우주선이었다.MGS는 비너스로 가는 마젤란 임무에서 수집한 데이터를 에어로브레이킹 기술을 계획하기 위해 사용했다.이 우주선은 태양 전지판을 "날개"로 사용하여 화성의 미끄러운 상층 대기를 통과하는 통로를 조절하고 수개월 동안 궤도의 아포피스를 낮췄다.불행히도 발사 직후의 구조적 고장은 MGS의 태양 전지판 중 하나를 심각하게 손상시켰고, 당초 계획보다 높은 에어로브레이킹 고도(따라서 힘의 3분의 1)가 필요하여 원하는 궤도에 도달하는데 필요한 시간이 크게 연장되었다.보다 최근에는 화성 오디세이 우주선과 화성 정찰 궤도 우주선에 의해 에어로브레이킹이 사용되었는데, 두 경우 모두 무사고였다.

2014년에는 ESA 탐사선 비너스 익스프레스의 임무 종료 부근에서 에어로브레이킹 실험이 성공적으로 수행되었다.[16][17]

2017~2018년 ESA 엑소마어스 트레이스 가스 궤도 탐사선(ESA ExoMars Trace Gas Obitter)이 화성에서 에어로브레이킹을 수행해 유럽 임무의 첫 작전 에어로브레이크가 됐다.[18]

에어로브레이킹

로버트 A에서. 하인레인의 1948년 소설 '우주 비행사'인 에어로브레이킹은 우주선 '에이스 트리플렉스'의 속도를 늦추고 계획되지 않은 확장 임무를 위해 속도를 늦추고 소행성 벨트에서 지구로 이동하는 동안 금성에 착륙하는 데 사용된다.[19]

아서 C의 우주선 우주인 알렉세이 레오노프. 클라크의 1982년 소설 2010: Odyssey Two와 1984년 영화 각색은 목성 대기 상층부의 에어로브레이킹을 사용하여 목성 – Io 시스템의 L1 라그랑지안 지점에 자리를 잡는다.

2004년 TV 시리즈 Space Odyssey에서: 행성으로의 항해 국제 우주선 페가수스의 승무원들은 목성의 상층 대기권에서 비행 기동을 수행하여 조비안 궤도에 진입할 수 있을 만큼 속도를 늦춘다.

스타게이트 유니버스 4화에서 고대의 배 데스티니는 거의 완전한 전력 손실을 겪으며 항로를 바꾸려면 에어로브레이킹을 사용해야 한다.2009년 에피소드는 '데스티니'가 스타를 향해 직진하는 벼랑 끝에서 끝난다.

우주 시뮬레이션 샌드박스 게임 커발 스페이스 프로그램에서 이것은 우주선의 궤도 속도를 줄이는 일반적인 방법이다.높은 드래그로 인해 대형 공예품이 여러 부분으로 갈라지기도 하기 때문에 유머러스하게 "에로브레이킹"이라고 부르기도 한다.

킴스탠리 로빈슨의 화성 3부작에서 화성에 처음 도착한 100명의 인간을 태운 아레스 우주선은 에어로브레이킹을 이용해 지구 궤도에 진입한다.이 책의 후반부에는, 대기를 두껍게 하기 위한 노력의 일환으로, 과학자들은 소행성을 기화시키고 그 내용물을 대기 중으로 방출하기 위해 에어로브레이킹에 넣는다.

2014년 영화 인터스텔라에서 우주 비행사 조종사 쿠퍼는 연료를 아끼기 위해 에어로브레이킹을 사용하고 웜홀을 빠져나와 우주선 레인저를 감속시켜 첫 번째 행성 위 궤도에 도착한다.

공기역학적 제동

참고 항목:에어 브레이크(에로노틱스)
Elmendorf AFB에 착륙한 F-22 랩터는 공기역학적 제동을 보여준다.
우주왕복선 착륙 시 공기역학적 제동.

공기역학적 제동은 착륙 항공기에서 바퀴 브레이크가 비행기를 멈추도록 돕기 위해 사용되는 방법이다.짧은 활주로 착륙이나 젖은 상태, 얼음 상태 또는 미끄러운 경우에 종종 사용된다.공기역학적 제동은 리어 휠(메인 마운트)이 아래로 닿은 직후에 수행되지만 코 휠이 떨어지기 전에 수행된다.조종사는 코를 높이 잡기 위해 엘리베이터 압력을 가하면서 막대기를 잡아당기기 시작한다.콧대가 높은 자세는 공기의 흐름에 더 많은 표면적을 노출시켜 더 큰 항력을 만들어 비행기 속도를 늦추는 데 도움이 된다.상승된 엘리베이터는 또한 비행선 뒷부분을 공기가 밀리게 하여 뒷바퀴가 지면에 더 세게 부딪히게 하고, 이것은 미끄럼을 방지하는 데 도움을 줌으로써 바퀴 브레이크에 도움을 준다.조종사는 보통 엘리베이터가 권위를 잃고 콧대가 떨어져도 막대기를 계속 누르고 있어 뒷바퀴에 가해지는 압력을 유지하게 된다.

공기역학적 제동은 착륙 중 일반적인 제동 기법으로서, 휠 브레이크와 타이어가 과도하게 마모되지 않도록 보호하거나, 크래프트가 통제 불능으로 미끄러지는 것을 방지하는 데도 도움이 될 수 있다.민간 조종사, 상업용 비행기, 전투기 등이 자주 사용하며, 착륙할 때 우주왕복선이 사용하기도 했다.[20][21][22]

참고 항목

메모들

  1. ^ Jill L. Hanna Prince & Scott A. Striepe. "NASA LANGLEY TRAJECTORY SIMULATION AND ANALYSIS CAPABILITIES FOR MARS RECONNAISSANCE ORBITER" (PDF). NASA Langley Research Center. Archived from the original (PDF) on 2009-03-20. Retrieved 2008-06-09.
  2. ^ MGS에 관한 http://www.spacedaily.com/mars/features/aero-97g.html 기사
  3. ^ "Spaceflight Now Destination Mars Spacecraft enters orbit around Mars". spaceflightnow.com.
  4. ^ Moriba K. Jah; Michael Lisano; Penina Axelrad & George H. Born (2008). "Mars Aerobraking Spacecraft State Estimation By Processing Inertial Measurement Unit Data". Journal of Guidance, Control, and Dynamics. AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 31 (6): 1802–1812. Bibcode:2008JGCD...31.1802J. doi:10.2514/1.24304.
  5. ^ Moriba K. Jah. "Inertial Measurements for Aero-Assisted Navigation NPO-43677". Tech Briefs. Retrieved 2020-08-02.
  6. ^ Strickler, Jordan (2022-01-20). "New AI improves orbit entry for Mars satellites". ZME Science. Retrieved 2022-02-04.
  7. ^ a b Percy, T.K.; Bright, E. & Torres, A.O. (2005). "Assessing the Relative Risk of Aerocapture Using Probabilistic Risk Assessment" (PDF).
  8. ^ "SCIENCE TEAM AND INSTRUMENTS SELECTED FOR MARS SURVEYOR 2001 MISSIONS". 6 November 1997.
  9. ^ McRonald, Angus D.; Randolph, James E. (Jan 8–11, 1990). "Hypersonic maneuvering to provide planetary gravity assist". AIAA-1990-539, 28th Aerospace Sciences Meeting. Reno, NV.
  10. ^ Prince, Jill L. H.; Powell, Richard W.; Murri, Dan. "Autonomous Aerobraking: A Design, Development, and Feasibility Study" (PDF). NASA Langley Research Center. NASA Technical Reports Server. Retrieved 15 September 2011.
  11. ^ "Deep Space Chronicle: 1958–2000" Asif A가 웨이백머신에 보관한 2008-09-25.싯디치, 항공우주 역사 24호 NASA 모노그래프.
  12. ^ J. 가와구치 T.이치카와 T. 니시무라, K.우에스기, L. 에프론, J. 엘리스, P. R. 메논, B.터커, "지구 대기권 내 뮤제스-A (HITEN) 에어로브레이킹 (Navigation for Muses-A) 에어로브레이킹 (Navigation for the Earth's Freason Report - Premary Report)" 2010년 12월 26일, 1991년 6월 10-12일 항법연구소의 47차 연례 회의의 웨이백 기계에서 보관되었다.
  13. ^ "Muses A (Hiten)". Gunter's Space Page.
  14. ^ Lyons, Daniel T.; Saunders, R. Stephen; Griffith, Douglas G. (1 May 1995). "The Magellan Venus mapping mission: Aerobraking operations". Acta Astronautica. 35 (9): 669–676. Bibcode:1995AcAau..35..669L. doi:10.1016/0094-5765(95)00032-U. ISSN 0094-5765.
  15. ^ "Magellan Begins Windmill Experiment". www2.jpl.nasa.gov.
  16. ^ "Surfing an alien atmosphere". ESA.int. European Space Agency. Retrieved 11 June 2015.
  17. ^ "Venus Express rises again". ESA.int. European Space Agency. Retrieved 11 June 2015.
  18. ^ "ESA - Robotic Exploration of Mars - Surfing complete". exploration.esa.int.
  19. ^ Robert A. Heinlein (2007). Space Cadet. Tom Doherty Associates. pp. 157–158. ISBN 978-1-4299-1253-2.
  20. ^ 미국연방항공청(Federal Aviation Administration)의 항공기 비행 핸드북 – Skyhors 출판 2007
  21. ^ "Publications". Archived from the original on 2016-06-10. Retrieved 2012-07-31.
  22. ^ S. Biswas에 의한 우주물리학의 관점 - Kluwer 학술출판 2000 페이지 28

참조