자유반환궤도

Free-return trajectory
달과 함께 회전하는 회전 기준 프레임에 표시된 원곡선 자유 귀환 궤적 스케치(스케일링하지 않음). (달의 움직임은 명확성을 위해만 표시됨)

궤도역학에서 자유귀환 궤적은 우주선이 1차체(예를 들어 지구)에서 멀어지는 궤적을 말하며, 2차체(예: 달)[1]로 인해 우주선이 추진력 없이 1차체(자유라는 용어)로 되돌아간다.

많은 자유 귀환 궤도는 대기와 교차하도록 설계되어 있지만, 자전거 타는 사람들을 위해 제안된 일정 주기 동안 달과 지구를 통과하는 주기적인 버전이 존재한다.

지구-달

자유 귀환 궤적을 사용한 최초의 우주선은 1959년 10월 소련 루나 3호 임무였다.달의 중력을 이용해 달의 저편을 찍은 사진을 라디오로 내려받을 수 있도록 지구 쪽으로 돌려보냈다.

대칭 자유 귀환 궤도는 1963년 NASA의 아서 슈와니거가 지구-달 시스템과 관련하여 연구했다.[2]그는 지구 중심과 달의 중심부를 통과하는 선로가 직각으로 교차하는 경우와 그 선을 포함하는 평면을 직각으로 교차하고 달 궤도면에 수직인 경우를 연구했다.두 시나리오 모두에서 다음을 구별할 수 있다.[2]

  • 달 주위를 도는 원곡선 자유 귀환 궤적.우주선은 달 뒤쪽을 통과한다.그것은 달과 반대 방향으로, 혹은 적어도 같은 방향으로 달보다 느리게 움직인다.만약 우주선의 궤도가 지구 근처에서 정상(서쪽에서 동쪽으로) 방향으로 시작되면 달이 지구 주위를 돌 때 회전하는 좌표계로 그려지면 지구와 달을 중심으로 8을 그린다.
  • 시슬루나 자유 귀환 궤도.우주선은 달의 궤도를 넘어 달의 궤도 안쪽으로 돌아가 달의 중력에 의해 지구에서 다시 달의 궤도를 넘어 지구로 향하는 길로 방향을 전환한 채 달 앞에서 움직이며 지구의 중력에 의해 지구로 다시 끌려간다.(이러한 궤도와 달 궤도를 결코 넘지 않는 유사 궤적 사이에는 실질적인 구분이 없지만, 후자는 달과 별로 가까워지지 않을 수도 있기 때문에 관련성이 없는 것으로 간주되지 않는다.)

원곡선 케이스와 시슬루나 케이스 둘 다에서 우주선은 일반적으로 지구를 중심으로 서쪽에서 동쪽으로 이동하거나(공동 회전), 동쪽에서 서쪽으로 이동할 수 있다(반회전).

작은 페리셀레넘 반지름(달의 근접 접근)을 가진 달 궤도 비행기의 경우, 같은 페리셀레넘 반지름을 가진 원주 자유 귀환 궤도보다 시슬루나 자유 귀환 궤도의 비행 시간이 더 길다.시슬루나 자유 왕복 궤도의 비행 시간은 페리셀레넘 반경이 증가함에 따라 감소하는 반면, 페리셀레넘 반경이 증가함에 따라 원주 자유 왕복 궤도의 비행 시간은 증가한다.[2]

달에서 2000~20,000km 사이의 궤도를 통과하는 궤도의 지구 중심에서 6555km 떨어진 곳의 속도는 궤도가 시슬루나 원곡선인지 또는 공회전인지 역회전인지에 관계없이 10.84~10.92km/s이다.[3]

슈와니거 박사는 지구 주위를 도는 달의 궤도가 원형인 단순화된 모형을 이용해 주기적인 달의 궤도 평면 내에 자유 귀환 궤적이 존재한다는 사실을 알아냈다.지구 위의 낮은 고도로 돌아간 후(심각 반경은 매개변수, 일반적으로 6555km) 우주선은 같은 궤도로 다시 출발할 것이다.이 주기적인 궤적은 역회전(지구 근처에 있을 때 동쪽에서 서쪽으로 간다)이다.기간은 약 650시간(비례 월 655.7시간 또는 27.3일)이다.관성(회전하지 않는) 기준 프레임의 궤적을 고려하면 달이 지구의 한쪽에 있을 때 바로 달 아래에서 소멸이 발생한다.근거리에서의 속도는 약 10.91 km/s이다.3일이 지나면 달의 궤도에 도달하지만, 지금은 달에서 지구 반대편에 있다.며칠 더 지나면 이 우주선은 (첫) 어피지에 도달하여 지구 쪽으로 다시 떨어지기 시작하지만, 달의 궤도에 가까워질수록 달이 도착하고 중력 교호작용이 일어난다.이 우주선은 달의 반경 2150km(표면 위 410km)를 지나 바깥쪽으로 튕겨져 나와 두 번째 물살에 도달한다.그리고 나서 그것은 지구 쪽으로 다시 떨어져서 반대쪽으로 돌아갔고, 그리고 첫 번째 경계가 일어났던 곳에서 가까운 또 다른 경계를 통과한다.이 때쯤 달은 거의 반 궤도를 움직였고 다시 근접 비행선 바로 위에 있다.다른 시슬라 궤도는 유사하지만 처음과 같은 상황으로 끝나지 않기 때문에 반복할 수 없다.[2]

물론 비슷한 궤적들이 있을 것이고 약 두 개의 실제적인 달들, 세 개의 실제적인 달들, 그리고 그 외의 기간들이 있을 것이다.각각의 경우에, 두 개의 유인원은 지구로부터 점점 더 멀어질 것이다.이것들은 슈와니거에 의해 고려되지 않았다.

이러한 종류의 궤적은 물론 유사한 3-신체 문제에 발생할 수 있다; 이 문제는 순환이 제한된 3-신체 문제의 예다.

진정한 자유 왕복 궤적에서는 추진력을 적용하지 않지만, 실제로 작은 코스 중간 수정이나 다른 기동이 있을 수 있다.

자유 귀환 궤적은 시스템 고장 시 안전한 복귀를 위한 초기 궤적이 될 수 있다; 이것은 아폴로 8호, 아폴로 10호, 아폴로 11호 달 임무에 적용되었다.그러한 경우에 적절한 재진입 상황으로의 자유로운 복귀는 지구 근처로 돌아가는 것보다 더 유용하지만, 그런 다음 다시 그것으로부터 멀어지는 것을 막기 위해서는 어쨌든 추진력이 필요하다.모든 것이 잘 되었기 때문에, 이 아폴로 미션들은 무료 반환을 이용할 필요가 없었고 달에 도착하자마자 궤도에 삽입되었다.달에서 돌아오는 대기권 진입 인터페이스 속도는 약 36,500 ft/s(11.1km/s, 40,100km/h, 24,900mph)[4]인 반면, 지구 저궤도(LEO)에서 돌아오는 우주선 귀환 속도는 약 7.8km/s(28,000km/h, 17,000mph)이다.

발사를 제약해 달이 날아간 자유귀항까지 이어진 달 착륙지 제한 때문에 아폴로 12호를 시작으로 불운한 아폴로 13호를 포함한 후속 아폴로 임무는 사실상 자유귀항과 함께 달보다 못 미치는 고타원궤도로 발사되는 하이브리드 궤적을 사용했다.대기권 진입로까지요이어 자유귀환이 아닌 횡단 루나 궤도로 바꾸는 미드코스 기동을 했다.[5]이는 발사시 무료반환이라는 안전성을 유지한 채 시스템을 체크아웃하고 달 모듈을 명령 모듈에 도킹한 후에야 무료반환에서 출발하여 백업 기동 능력을 제공하였다.[6]실제로 아폴로 13호는 사고 발생 후 몇 시간 만에 달 모듈을 이용해 계획된 궤적에서 원곡선 자유회귀 궤적까지 기동했다.[7]아폴로 13호는 아폴로호 임무 중 유일하게 아폴로호가 자유 귀환 궤적을 통해 실제로 달을 선회하는 임무였다(그러나 페릴루네 2시간 후 지구로 귀환하는 속도를 10시간 단축하고 착륙 지점을 인도양에서 태평양으로 이동시키는 추진력을 적용했다).

어스-마스

화성으로의 자유 귀환 전송 궤도도 가능하다.달과 마찬가지로, 이 옵션은 대부분 승무원 임무에 고려된다.로버트 주브린은 그의 저서 "화성을 위한 사례"에서 그의 임무 설계인 Mars Direct를 위해 화성으로 가는 다양한 궤도에 대해 논하고 있다.Hohmann 전송 궤도는 자유 귀환으로 만들 수 있다.화성으로 가는 수송에는 250일(0.68년)이 걸리고, 화성에서 추진력을 사용하지 않고 자유 귀환 방식을 중단하는 경우, 총 델타-v 요건인 3.34km/s로 지구로 돌아오는 데 1.5년이 걸린다.주브린은 화성까지는 180일밖에 걸리지 않지만, 중단될 경우 지구로 2년 후가 되는 약간 더 빠른 이전을 지지한다.이 노선은 또한 5.08 km/s의 높은 델타 v의 비용으로 온다.주브린은 고속 노선이 델타-V 비용과 자유 왕복 기간(예를 들어 130일 동안 화성으로 이송하는 데 7.93km/s 델타-V, 자유 왕복 4년)이 훨씬 더 길기 때문에 180일 이전을 지지한다고 쓰고 있다.[8]무료 반환은 또한 화성 세미 다이렉트 및 인스퍼레이션 마스와 같은 다양한 다른 미션 설계의 일부분이다.

또한 화성의 중력에 의존하지 않고 각각 2년 또는 1.5년의 기간으로 궤도를 이동하는 2년 또는 3년 자유 귀환의 옵션이 존재한다.2년 무상복귀란 지구에서 화성까지(거기서 모조)를 거쳐 2년 안에 지구로 돌아오는 것을 의미한다.[9]화성 착륙을 위한 진입로(허용 경로각의 범위)는 제한적이며, 경험상 경로각은 고정하기 어려운 것으로 나타났다(예: +/- 0.5도).이는 대기권 진입을 9km/s 미만으로 제한한다.이러한 가정 하에, 2년 동안의 복귀는 몇 년 동안 불가능하며, 몇 년 동안 화성에서 0.6-2.7 km/s의 델타-v 킥이 지구로 돌아가기 위해 필요할 수도 있다.[10]

NASA는 2009년 주브린이 제안한 궤도에 근접한 174일간의 화성 이전을 표방하며 화성을 위한 디자인 레퍼런스 아키텍처 5.0을 발간했다.[11]그것은 트랜스-마스 주입에 대해 약 4 km/s의 델타-v 요건을 인용하지만, 지구로의 무료 귀환 기간은 언급하지 않는다.

참고 항목

참조

  1. ^ 웨이백 머신에 보관된 2016-03-08 무료 반품 다이어그램.
  2. ^ a b c d Schwaninger, Arthur J. (1963). Trajectories in the Earth-Moon Space with Symmetrical Free Return Properties. Technical Note D-1833. Huntsville, Alabama: NASA / Marshall Space Flight Center.
  3. ^ 슈와닝거, 그림 9 페이지 16.
  4. ^ 어니스트 R 아폴로 4호의 플라이에서 얻은 달 귀환 조건에서의 공기역학 진입힐제, NASA, TN: D-5399, 2018년 12월 29일에 접속했다.
  5. ^ 하이브리드 궤적 다이어그램 웨이백 머신에 2013-01-18 보관
  6. ^ Wheeler, Robin (2009). "Apollo lunar landing launch window: The controlling factors and constraints". NASA. Retrieved 2009-10-27.
  7. ^ Stephen Cass, "Apollo 13, We Have a Solution", IEEE Spectrum, 2005년 4월(2012년 8월 6일 액세스)
  8. ^ Zubrin, Robert (1996). The case for Mars: the plan to settle the red planet and why we must. New York: Free Press. ISBN 978-0-684-83550-1.
  9. ^ Paul Wooster; et al. (Aug 2006). "Trajectory Options for Human Mars Missions" (PDF). doi:10.2514/6.2006-6308. Archived (PDF) from the original on December 2, 2017.
  10. ^ 우스터 외, 수술실, 표 2
  11. ^ 화성설계기준건축 5.0의 인간탐험

외부 링크