충돌 방지(우주선)

Collision avoidance (spacecraft)

우주선 충돌 회피는 궤도를 선회하는 우주선이 다른 궤도를 선회하는 물체와 우발적으로 충돌할 가능성을 최소화하는 과정을 구현하고 연구하는 것이다.우주선 충돌 회피 연구 개발의 가장 흔한 주제는 지구 궤도에 있는 인간이 만든 인공위성을 위한 것이다.주제에는 궤도에 우주 파편이 쌓이지 않도록 설계된 절차, 충돌 가능성 예측을 위한 분석 방법, 우주선을 위험으로부터 벗어나도록 조종하는 회피 절차 등이 포함된다.

(지구와 같이) 큰 몸 주위의 궤도 속도는 빨라서 상당한 운동에너지가 온오비트 충돌에 관여하게 된다.예를 들어, 약 7.8 km/s의 저지구 궤도 속도에서 두 개의 수직 충돌 우주선은 약 12.2 km/s에서 만난다.구조적으로 알려진 거의 어떤 고체 물질도 이러한 강력한 충격을 견뎌낼 수 없다.대부분의 위성은 충돌로 즉시 기화하여 사방으로 힘을 주어 분출되는 무수한 조각들로 분열될 것이다.이 때문에 궤도에서 다른 물체와 충돌하는 우주선은 치명적으로 손상되거나 완전히 파괴될 가능성이 있다.

필요성

케슬러 신드롬이라고 불리는 지구 궤도에 우주 파편 덩어리가 쌓일 수 있게 된다면 궤도를 선회하는 위성과 다른 물체들 간의 연쇄 충돌이 일어날 수 있다.더 많은 충돌은 더 많은 충돌을 만드는 더 작은 파편들을 새로 만들 것이다.그 결과 양성 피드백 루프는 충돌 위험 때문에 궤도에 진입할 수 없는 지역을 만들고, 결국 발사 중 파편 가득 궤도를 통한 위험한 상승으로 인해 우주에 대한 접근을 완전히 차단할 것이다.

오늘날 지구 궤도에 남아 있는 인간이 만든 발사 차량에 의해 약탈된 모든 위성들 중 극히 일부만이 여전히 작동하고 있다.2021년 9월 현재, ESA의 우주 잔해 사무소는 우주에 있는 위성의 절반 이상이 여전히 작동하고 있다고 추정한다.[1]

ESA의 우주 잔해 사무소에서[1] 제공한 인간 발사 위성의 추정 수량
지구 궤도에 배치된 위성들 아직 우주에 있다. 여전히 기능적
~12,070 ~7,500 ~4,700

지구 궤도로 발사되는 위성의 수는 지구 궤도에서 이용 가능한 공간의 양에 비해 상대적으로 적은 반면, 위험한 근접 미스나 가끔 충돌이 발생한다.2009년 위성 충돌은 두 우주선을 완전히 소멸시켰고 10cm(4인치) 이상의 우주 파편과 많은 작은 우주 파편들이 새로 만들어졌을 것으로 추정된다.[2]

지구 궤도에는 위성에 상당한 피해를 줄 수 있는 다른 작은 물질들이 있다.이것들은 마이크로미터로이드, 위성 충돌의 잔해, 또는 작은 천연 위성 같은 비교적 작은 물체들이다.

ESA 스페이스 이물질 추정치에 대한 추정 수량 수치(ESA 스페이스 이물질 사무소에서[1] 제공)
이물질 객체를 정기적으로 추적 단편화를 초래하는 이벤트 궤도에 있는 것으로 추정되는 파편 물체
>10cm 1-10cm 1 mm - 1 cm
~22,300 >500 >34,000 ~900,000 >10만

이 물체들은 무해해 보이지만, 심지어 떠돌이 페인트 조각과 같은 작은 입자들조차도 우주선을 손상시킬 수 있다.[3]많은 우주왕복선 비행 후에 페인트칠이 필요한 유리창을 교체하게 되었다.[4]

많은 회사들이 저지구 궤도에서 초고속 통신과 인터넷 접속을 제공하기 위해 대형 위성 별자리, 즉 스페이스X스타링크와 아마존 기획 프로젝트 카이퍼 별자리를 발사하고 있다.이들 시스템은 각각 수만 개의 위성을 사용할 계획인데, 이는 총 위성 수를 크게 늘리고 우주 쓰레기 문제를 악화시킬 것이다.

위험 완화 방법

발사된 물체의 수가 통제할 수 없는 우주 파편이 되어 물체의 궤도에 따라 기법이 달라지는 것을 최소화하기 위해 몇 가지 모범 사례가 사용된다.대부분의 보호 조치는 위성과 다른 인공 물체가 기능적이고 통제 가능한 한 작동 궤도에만 머물러 있다는 것을 보장한다.이러한 책임은 궤도를 선회하는 물체를 처리하는 방법에 대한 국제 협약에 구속되어 있는 위성 사업자에게 있다.

아보르바이탈 궤적

아궤도로 발사된 물체는 대기 항력에 의해 빠르게 탈착될 것이다.이것들은 궤도에서 빠르게 귀환하도록 설계된 사운딩 로켓에 발사된 위성들과 궤도 속도를 얻기 전에 추진제를 소모하는 로켓 부스터 단계들을 포함한다.아궤도 위성은 일반적으로 재진입과 폐기를 보장하기 위해 운용자 측의 의도적인 관리가 필요하지 않다.

우주왕복선 외부 탱크는 발사 후 신속하게 폐기할 수 있도록 설계됐다.대형 외부 탱크는 우주왕복선 궤도 위성에 부착된 상태로 우주왕복선과 궤도가 궤도 속도 바로 아래쪽으로 이동하며 고도는 약 113km(70mi)로, 이 지점에서 탄도 궤적을 분리하고 따라 대기권에 빠르게 재진입한다.외부 탱크는 재진입 열로 대부분 분해되는 반면, 궤도선은 반응 제어 추진기를 사용해 궤도 삽입을 완료한다.[5]

지구 저궤도

인공위성과 우주정거장의 대부분은 2000km(1200mi) 미만의 평균 고도를 [6]가진 저지구 궤도를 돌고 있다.LEO 위성은 LEO에서 감속하는 데 필요한 델타v가 작기 때문에 안전한 재진입이 가능한 대기의 두꺼운 부분에 가깝다.대부분의 LEO 위성은 마지막 남은 선내 스테이션 유지 연료(궤도를 점차 교란시키는 대기 드래그와 같은 힘에 대항하여 위성의 궤도를 유지하는 데 사용됨)를 사용하여 탈오르빛 화상을 실행하고 자신을 폐기한다.[7]

수명이 다할 때 LEO 인공위성을 쉽게 탈착할 수 있기 때문에 LEO의 우주 잔해 위험을 제어하는 성공적인 방법이 된다.

중간 지구 궤도 이상

평균 고도가 LEO(중간지구 궤도(MEO), 지오동기 궤도/정지궤도(GSO/GEO), 기타 종 등)보다 높은 궤도는 대기의 밀도가 높은 부분과 멀리 떨어져 있어 전체 디오비트 화상이 훨씬 비실용적이다.수명이 다한 시점에 그러한 기동을 감당할 수 있을 만큼 충분한 연료 여유를 가진 위성 설계는 거의 없다.

MEO 하한을 향한 고도에 있는 위성은 '25년 규칙'을 이용해 25년 이내에 궤도를 벗어나도록 탑재 추진으로 감속할 수 있지만, 이 규정은 위성 사업자가 통계 분석을 통해 대기권 재진입이 인간을 일으킬 확률은 1/10,000 미만임을 증명할 수 있는 경우에만 허용된다.부상 또는 재산상의 손해이런 방식으로 폐기된 위성은 우주선 공동묘지라 불리는 사람이 사는 지역에서 멀리 떨어진 남태평양의 한 지역에서 대기권으로 재진입한다.[8]

묘지 궤도

매우 구체적이고 붐비는 GSO/GEO에서 가장 흔히 볼 수 있는 LEO와 높은 지구 궤도(HEO) 사이의 고도를 선회하는 우주선은 "25년 규칙"을 활용하기에는 너무 멀다.GSO와 GEO는 궤도 평면이 거의 완벽하게 적도이고 고도가 3만5,786km(2만2,236mi)에 가까울 것을 요구하고 있는데, 이는 우주가 제한되어 있고 위성이 유용한 수명을 지나도록 허용할 수 없다는 것을 의미한다.재진입을 위해 감속하는 대신에, 이들 고도에 있는 대부분의 위성은 작전 위성과의 상호작용을 영원히 방해하지 않는 높은 묘지 궤도로 약간 가속한다.

궤도에 남아 있는 빈 로켓 단계

역사적으로 많은 다단 발사체 설계는 궤도를 달성하기 위해 연료를 완전히 소모했고 옛 소련 제니트 로켓 계열처럼 사용 후 로켓 단계를 궤도에 남겨두었다.[9]이러한 상층부는 궤도에 따라 재진입하는 데 수년이 걸릴 수 있는 대형 인공위성이다.

대부분의 현대적인 설계는 궤도에 유하중을 주입한 후 탈궤도 화상에 충분한 연료 여유를 포함한다.스페이스X팰컨9은 상단이 우주 잔해에 미치는 영향을 최소화하기 위해 고안된 발사체다.로켓은 두 단계로 구성되는데, 그 중 첫 번째 단계는 아등분이다.발사 후 몇 분 이내에 재진입하며, 재사용을 위해 착륙을 위해 비축된 연료를 사용하거나 탄도 궤적을 계속 유지한 후 대기권 재진입 시 분해된다.

팰컨 9단계는 궤도에 따라 다른 기법을 사용하여 처리한다.저지구 궤도의 경우, 2단계는 남은 연료를 사용하여 탈궤도 화력을 수행하고 대기 중에 분해된다.정지궤도(GTO)나 정지궤도(GEO)와 같이 중간 지구 궤도에서 좌초된 단계들은 일반적으로 스스로 비트를 해제하기에 충분한 연료를 가지고 있지 않다.GTO 궤도는 2단 궤도가 자연적으로 붕괴돼 몇 달 뒤 대기권에 재진입하는 방식으로 설계되는 반면 GEO에 직접 삽입하는 것을 목표로 하는 임무의 단계는 훨씬 더 오래 남게 된다.[10]

충돌 예측 방법

대부분의 충격 위험 예측은 지상 관측에 의해 측정된 위치 및 속도 같은 궤도 매개변수를 가진 궤도를 선회하는 물체의 데이터베이스를 사용하여 계산된다.미국 국방부 우주 감시 네트워크소프트볼 크기 또는 그 이상과 거의 같은 궤도를 도는 것으로 알려진 모든 물체의 카탈로그를 유지한다.우주 잔해 더 작은 물품에 대한 정보는 정확하지 않거나 알려지지 않았다.[4]

물체의 정확한 궤도가 정확히 알려지면, DoD의 SSN은 DoD의 space-track.org과 NASA의 우주 과학 데이터 조정 보관소에 대중 분석을 위한 알려진 매개변수를 발표한다.그 물체의 궤도는 미래에 투영될 수 있으며, 물체가 어디에 위치할 것인지와 다른 궤도를 도는 물체와 가까이 마주칠 가능성을 추정할 수 있다.장기 궤도 투영에는 궤도(삼체 문제와 유사)를 점진적으로 교란시키는 복잡한 중력 효과와 지상 추적 장비의 측정 오류로 인해 큰 오차 막대가 있다.이러한 이유로 보다 정밀한 측정과 추정을 위한 방법은 활발한 연구 분야다.

NASA는 궤도 투영을 수행하고 4인치(10cm) 이상의 알려진 물체에 대한 충돌 위험을 평가한다.국제우주정거장과 같은 중요한 자산의 경우, 어떤 물체가 궤도에서 반 마일 위/아래, 그리고 전방/후방 15마일(25km)의 직사각형 영역 내에서 그리고 우주선의 어느 한쪽으로 이동할 위험에 대해 평가가 이루어진다.이 고위험지대는 모양이 닮아 '피자 박스'로 알려져 있다.[4]

충돌 회피 방법

현재의 회피 기법은 충돌 위험을 최소화하기 위해 궤도를 약간 바꾼 다음 위험 사건이 지나간 후 우주선을 이전 궤도로 되돌리는 것에 의존한다.궤도 조정에 사용되는 정확한 방법은 우주선에서 사용할 수 있는 제어장치에 따라 다르다.충돌 회피 기동은 때로 불쾌감을 주는 물체가 우주 파편의 물건일 때 이물질 회피 기동(DAMs)이라고도 불린다.

탑재 추진 우주선

NASA는 충돌 위험이 사전에 충분히 식별되고 위험이 높은 경우 회피 기동을 사용한다.우주왕복선이나 국제우주정거장(모든 국제 파트너의 동의)처럼 모두 온보드 추진력을 갖춘 승무원 우주선에 대한 NASA 정책은 충돌 가능성이 있는 경우[4] 회피 기동 계획을 세워야 한다.

  • >1/100,000 그리고 그 기동은 임무 목표와 충돌하지 않을 것이다.
  • >1/1만 명 그리고 그 작전이 승무원들을 더 이상 위험에 빠뜨리지는 않을 것이다.

ISS는 1999년 처음 발사된 이후 2020년 8월 현재 27차례의 충돌 회피 기동훈련을 실시해 시간이 지날수록 상승 추세를 보이고 있다.미국 오비탈 세그먼트에 가장 위험한 잔해 등급은 1에서 10 cm 사이의 잔해 등급이다.[3]이 크기 범위의 잔해 개체수는 유의하고 현재 방법으로는 정확하게 추적하기 어려워 추가 연구를 할 수 있다.

이러한 회피 기동은 거의 항상 마그네토커, 반응 바퀴제어 모멘트 자이로스코프와 같은 일부 다른 위성 및 우주선 방향 시스템이 관련될 수 있지만, 탑재된 반응 제어 추진기의 발사에 의해 수행된다.ISS는 또한 도킹된 화물 우주선의 주요 엔진인 보통 진행 우주선 또는 자동 이송 차량을 사용할 수 있다.이 기동은 궤도 궤적을 약간 변경하며, 궤도 변화의 효과가 발휘될 수 있도록 보통 위험 사건 발생 몇 시간 전에 실시된다.[4]

위성 운영자 2명이 충돌 가능성을 통보받았을 때, 한 명 또는 두 명 모두 위성을 조종하기로 결정할 수 있다.2019년 ESA & 스페이스X.[11]

최근의 연구는 큰 위성 별자리 내에서의 충돌 회피 노력을 돕기 위한 알고리즘을 개발했지만,[12] 그러한 연구가 어떤 활성 별자리 GNC에서 시행되었는지는 알 수 없다.

도킹 중단

충돌 회피 기동의 또 다른 사용은 자동 도킹을 중단하는 것이며, 그러한 절차는 ISS에 대한 자동 이송 차량의 도킹을 제어하는 소프트웨어에 내장되어 있다.이는 도킹 중 문제가 발생할 경우 우주정거장에 탑승한 승무원이 비상 오버라이드로서 시작할 수 있다.[13]이 기동은 첫 번째 ATV인 쥘 베른이 발사된 직후에 그리고 그 후 2008년 3월 말에 수행한 기지에 대한 시연 접근 동안에 입증되었다.

탑재 추진 미장착 우주선

탑재 추진력이 없는 인간이 쏘아 올린 위성은 대부분 방향제어를 위한 대체장치에 의존하는 소형 큐브샛이다.큐브샛과 같은 작은 물체의 규모에서 질량에 비례하여 큰 상대적 표면적과 관련된 힘이 중요해진다.큐브사트는 종종 낮은 지구 궤도로 발사되는데, 그 곳에서 대기는 여전히 소량의 공기역학적 항력을 제공한다.

저지구 궤도에 있는 소형 위성의 공기역학 드래그는 저 드래그와 고 드래그 구성을 번갈아 가며 감속을 제어함으로써 이물질 충돌을 피하기 위해 궤도를 약간 바꾸는 데 사용할 수 있다.[14]

복잡인자

잠재적 충돌을 완화하기 위한 시도는 다음과 같은 요인에 의해 복잡하다.

  • 하나 이상의 위반 물체가 소멸되어 원격 제어 기능이 없음
  • 적어도 그 불쾌감을 주는 물체들 중 하나는 소행성처럼 자연적인 위성이다.
  • 위험 사건이 예측되지 않고 행동할 시간이 충분치

이러한 모든 발생은 서로 다른 방식으로 충돌 위험 저감을 위한 전략적 선택권을 제한한다.만약 두 물체가 모두 제어 능력을 가지고 있지 않다면, 아주 적은 수의 충돌도 막을 수 있다.만약 그 물체들 중 하나만이 운용 위성이라면, 그것은 남아있는 연료 비축량을 상당히 삭감하거나 완전히 소진하여 회피 기동의 유일한 원인이 될 것이다.인공위성은 또한 기동을 제대로 완료하기 위한 연료가 부족할 수 있어 그 효과가 떨어질 수 있다.

충돌 회피 기동에는 상당한 계획 및 실행 시간이 필요하며, 사전에 충분히 위험을 예측하지 못할 경우 문제가 될 수 있다.우주선 추진력은 종종 약해서 궤도를 바꾸기 위해 긴 화상에 의존하고 있으며, 속도 변화는 요구되는 효과를 내기 위해 종종 완전한 궤도의 의미 있는 부분을 필요로 한다.

예를 들어, 국제우주정거장이 충돌을 피하기 위해 일반적으로 실시하는 기동에는 추진장치에 의한 손상을 피하기 위해 우주정거장의 태양 전지판을 의무적으로 느리게 재구성해야 하기 때문에 약 150초 정도의 화상과[15] 승무원 운용에 상당한 장애가 필요한 경우가 많다.대략적으로 말하면, 정상 운전에서 ISS의 추정 가장 빠른 반응 시간은 스테이션 재구성의 최대 3시간 설정 기간과 속도 변화를 적용할 수 있는 연소 후 리드 타임의 최대 2시간을 고려하는 데 약 5시간 20분이다[16].

실행 창에 미치는 영향

우주 비행 발사 기간 중 충돌 회피가 우려된다.전형적으로, 인공위성을 발사하기 전에 COLA(Collision On Launch Assessment)를 수행하고 승인해야 한다.발사창은 이미 우주에 있는 다른 물체에 궤적이 너무 가까이 가지 않도록 하기 위해 차량을 들어 올릴 수 없는 간격 동안 COLA 정전 기간이 있다고 한다.[17]

참조

  1. ^ a b c "Space debris by the numbers". www.esa.int. Retrieved 2021-10-10.
  2. ^ "What a mess! Experts ponder space junk problem - USATODAY.com". usatoday30.usatoday.com. Retrieved 2020-10-27.
  3. ^ a b Phillip, Anz-Meador; Shoots, Debi (August 2020). "Orbital Debris Quarterly News" (PDF). NASA Johnson Space Center. Retrieved November 12, 2020.{{cite news}}: CS1 maint : url-status (링크)
  4. ^ a b c d e Garcia, Mark (2015-04-13). "Space Debris and Human Spacecraft". NASA. Retrieved 2020-11-16.
  5. ^ Wilson, Jim. "NASA - The External Tank". www.nasa.gov. Retrieved 2020-10-27.
  6. ^ Sampaio, J. C.; Wnuk, E.; de Moraes, R. Vilhena; Fernandes, S. S. (2014). "Resonant Orbital Dynamics in LEO Region: Space Debris in Focus". Mathematical Problems in Engineering. 2014: 1–12. doi:10.1155/2014/929810. ISSN 1024-123X.
  7. ^ "The Lifespan of Satellites European Space Imaging". Retrieved 2020-10-27.
  8. ^ "Graveyard Orbits and the Satellite Afterlife NOAA National Environmental Satellite, Data, and Information Service (NESDIS)". www.nesdis.noaa.gov. Retrieved 2020-10-27.
  9. ^ "Upper stages top list of most dangerous space debris". SpaceNews. 2020-10-13. Retrieved 2020-10-27.
  10. ^ "launch - What happens to the Falcon 9 second stage after payload separation?". Space Exploration Stack Exchange. Retrieved 2020-10-27.
  11. ^ ESA 우주선은 스타링크 위성과의 충돌 가능성을 피했다.
  12. ^ Changping, Dang; Bo, Ren; Hong, Yao; Pu, Guo; Wei, Tan (2014-08-08). "The collision avoidance strategy of formation spacecraft". Proceedings of 2014 IEEE Chinese Guidance, Navigation and Control Conference. Yantai, China: IEEE: 1961–1966. doi:10.1109/CGNCC.2014.7007479. ISBN 978-1-4799-4699-0. S2CID 863378.
  13. ^ 쥘 베른이 무결점 충돌 회피 기동을 시연함
  14. ^ Omar, Sanny R.; Bevilacqua, Riccardo (2019-12-30). "Spacecraft Collision Avoidance Using Aerodynamic Drag". Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 43 (3): 567–573. doi:10.2514/1.G004518. ISSN 1533-3884.
  15. ^ "NASA tweaks space station's position to avoid collision with massive debris". nationalpost. Retrieved 2020-11-15.
  16. ^ "NASA Technical Reports Server (NTRS)". ntrs.nasa.gov. 24 October 2016. Retrieved 2020-11-16.
  17. ^ "Mission Status Center - Delta 313 Launch Report". Spaceflight Now.

외부 링크

참고 항목