로봇 우주선

Robotic spacecraft
수성의 메신저 우주선에 대한 예술가의 해석

로봇 우주선나사 없는 우주선으로, 보통 텔레로보틱스 제어 하에 있다.과학적인 연구 측정을 위해 고안된 로봇 우주선은 종종 우주 탐사선이라고 불린다.많은 우주임무들은 낮은 비용과 낮은 위험요인으로 인해 승무원 근무보다는 텔레로보틱스에 더 적합하다.게다가, 금성이나 목성 부근과 같은 일부 행성의 목적지는 현재의 기술로 볼 때 인간의 생존에 너무 적대적이다.토성, 천왕성, 해왕성과 같은 외부 행성은 현재의 승무원 우주선 기술로 도달하기엔 너무 멀기 때문에, 텔로보틱 탐사가 이들을 탐사하는 유일한 방법이다.

많은 인공위성은 많은 착륙선탐사선이 그렇듯이 로봇 우주선이다.

역사

미국 국립항공우주박물관의 스푸트니크 1호 복제품
탐색기 1의 복제본

최초의 로봇 우주선은 1951년 7월 22일 소련(USSR)에 의해 발사되었는데, 개 데지크와 츠지간 두 마리를 태운 아원형 비행이었다.[1]1951년 가을까지 4편의 다른 비행이 이루어졌다.

최초의 인공위성 스푸트니크 1호는 1957년 10월 4일 USSR에 의해 215 X 939km (116 X 507nmi)의 지구 궤도에 올려졌다.1957년 11월 3일, USSR은 Sputnik 2의 궤도를 돌았다.113kg(249lb)의 무게인 스푸트니크 2호는 최초의 살아있는 동물인 라이카를 궤도로 운반했다.[2]인공위성이 발사체 상단에서 분리되도록 설계되지 않았기 때문에 궤도의 총 질량은 508.3kg(1121lb)이었다.[3]

미국은 소련과 접전을 벌이며 1958년 1월 31일 최초의 인공위성인 익스플로러 1호를 가로 357,543킬로미터(193 X 1,373nmi)의 궤도로 발사했다.익스플로러 1호는 길이 205cm(80.75인치) 세로 15.2cm(30.8lb) 크기의 실린더로, 무게는 83.6kg(184lb)인 58cm(23인치)의 구면인 스푸트니크 1에 비해 무게는 15.2cm(30.8lb)나 됐다.탐험가 1호는 당시 주요 과학적 발견물인 반알렌 벨트의 존재를 확인하는 센서를 탑재했고, 스푸트니크 1호는 과학 센서를 탑재하지 않았다.미국은 1958년 3월 17일 자몽 크기의 2호 위성 뱅가드 1호 궤도를 돌았으며 2016년 현재 가로 670, 세로 3,850km(360, 세로 2,080nmi) 궤도에 머물고 있다.

다른 9개국은 자체 발사 차량을 이용해 인공위성을 성공적으로 발사했다.프랑스(1965년), 일본·중국(1970년), 영국(1971년), 인도(1980년), 이스라엘(1988년), 이란(2009년), 북한(2012년),[4][failed verification] 뉴질랜드(2018년) 등이다.[citation needed]

디자인

우주선 설계에서 미 공군은 차량을 임무 탑재물버스(또는 플랫폼)로 구성한다고 간주한다.버스는 물리적 구조, 열 제어, 전력, 자세 제어 및 원격 측정, 추적 및 명령을 제공한다.[5]

JPL은 우주선의 "비행 시스템"을 서브시스템으로 나눈다.[6]여기에는 다음이 포함된다.

구조

NASA가 계획한 오리온 우주선이 로봇 소행성 포획 차량에 접근하는 예

이것이 물리적인 등뼈 구조다.다음 항목:

  • 우주선의 전반적인 기계적 무결성 제공
  • 우주선 부품이 지지되고 발사 부하를 견딜 수 있도록 보장

데이터 처리

이를 명령어와 데이터 서브시스템이라고도 한다.종종 다음과 같은 책임을 진다.

  • 명령 시퀀스 저장
  • 우주선 시계 유지
  • 우주선 원격 측정 데이터 수집 및 보고(예: 우주선 상태)
  • 임무 데이터 수집 및 보고(예: 사진 이미지)

태도 결정 및 통제

이 시스템은 주로 외부 교란-중력 구배 효과, 자기장 토크, 태양 복사 및 공기역학 드래그에도 불구하고 우주선 방향(관중도)을 정확하게 담당하며, 또한 안테나 및 태양열 어레이와 같은 이동 가능한 부품의 위치를 조정해야 할 수도 있다.[7]

위험한 지형에 착륙

로봇 우주선이 참여하는 행성 탐사 임무에서는 안전하고 성공적인 착륙을 위해 행성 표면에 착륙하는 과정에서 세 가지 핵심 부품이 있다.[8]이 과정에는 행성 중력장과 대기로의 진입, 그 대기를 통한 과학적인 가치가 있는 의도된/목표된 영역을 향한 하강, 그리고 우주선에 대한 계측기의 무결성을 보장하는 안전한 착륙이 포함된다.로봇 우주선이 그러한 부분들을 통과하면서, 자신에 대한 신뢰성 있는 제어와 잘 조종할 수 있는 능력을 확보하기 위해서는 표면과 비교해서 위치를 추정할 수 있어야 한다.로봇 우주선은 또한 위험을 피하기 위해 실시간으로 위험 평가와 궤적 조정을 효율적으로 수행해야 한다.이를 위해 로봇 우주선은 우주선이 지표면에 상대적인 위치(현지화), 지형의 위험으로 작용할 수 있는 위치(위험 평가), 우주선이 현재 향하는 위치(위험 회피)에 대한 정확한 지식이 필요하다.국지화, 위험 사정 및 회피에 대한 운용 능력이 없으면 로봇 우주선은 안전하지 않게 되고 표면 충돌, 바람직하지 않은 연료 소비 수준 및/또는 안전하지 않은 기동과 같은 위험한 상황에 쉽게 진입할 수 있다.

진입, 하강 및 착륙

통합 감지에는 이미지 변환 알고리즘이 통합되어 있어 즉각적인 이미지 지상 데이터를 해석하고, 안전한 착륙을 방해할 수 있는 지형 위험을 실시간으로 감지 및 회피하며, 랜드마크 현지화 기법을 사용하여 원하는 관심 현장에 착륙하는 정확도를 높인다.통합 감지는 사전 기록된 정보와 카메라에 의존하여 그 위치를 이해하고 그 위치를 결정하며, 그것이 정확한지 또는 수정(현지화)이 필요한지를 판단함으로써 이러한 작업을 완료한다.또한 이 카메라는 연료 소비량이 증가하거나 분화구 또는 절벽 측면의 착륙 지점이 불량하여 착륙이 매우 이상적이지 않은 경우(위험 평가) 물리적 위험인지 여부를 감지하는 데 사용된다.

통신

통신 서브시스템의 구성품에는 무선 안테나, 송신기 및 수신기가 포함된다.이것들은 지구의 지상국과 통신하거나 다른 우주선과 통신하는데 사용될 수 있다.[9]

전력

우주선의 전력 공급은 일반적으로 광전지(태양광) 전지 또는 방사성 이소토프 열전 발전기에서 발생한다.서브시스템의 다른 구성 요소에는 전원 및 구성부품을 전원에 연결하는 배전회로를 저장하기 위한 배터리가 포함된다.[10]

온도 제어 및 환경으로부터의 보호

우주선은 종종 단열재로 온도 변동으로부터 보호된다.일부 우주선은 태양열로부터 추가적인 보호를 위해 거울과 햇빛 가리개를 사용한다.그들은 또한 종종 마이크로미터로이드와 궤도 잔해로부터 차폐가 필요하다.[11]

추진

우주선 추진우주선이 추진력을 발생시켜 우주를 여행할 수 있도록 하는 방식이다.[12]단, 단로형 추진체, 이온 추진체 등 보편적으로 사용되는 추진체계는 단로형 추진체계가 없다.각각의 추진 시스템은 각각의 장단점이 있는 각각의 시스템들과 약간 다른 방식으로 추력을 발생시킨다.그러나 오늘날 대부분의 우주선 추진은 로켓 엔진에 기반을 두고 있다.산화제가 연료원을 만나면 빠른 속도로 에너지와 열이 폭발적으로 방출돼 우주선이 앞으로 나아가게 된다는 것이 로켓 엔진의 일반적인 생각이다.이것은 뉴턴의 제3법칙으로 알려진 한 가지 기본적인 원리에 기인한다.뉴턴에 따르면, "모든 행동에는 동등하고 반대되는 반응이 있다."우주선 뒤쪽에서 에너지와 열이 방출되면서 우주선이 앞으로 추진될 수 있도록 가스 입자가 이리저리 밀리고 있다.오늘날 로켓엔진을 사용하는 주된 이유는 로켓이 그곳의 가장 강력한 추진 형태이기 때문이다.

단로펠란트

추진 시스템이 작동하기 위해서는 보통 산화제 라인과 연료 라인이 있다.이렇게 하면 우주선 추진이 제어된다.그러나 단로형 추진에서는 산화제 라인이 필요 없고 연료 라인만 필요하다.[13]이것은 산화제가 연료 분자 자체에 화학적으로 결합되기 때문에 작용한다.그러나 추진 시스템이 제어되기 위해서는 연료의 연소가 촉매의 존재에 의해서만 일어날 수 있다.이는 로켓 엔진을 가볍고 저렴하게 만들며 조종이 용이하고 신뢰성이 높아 상당히 유리하다.하지만, 그 몰락은 화학물질이 제조, 저장, 운송에 매우 위험하다는 것이다.

바이프로펠란트

2중 추진체(bipropelant proprocket engine은 액체 추진체를 사용한다.[14]이것은 산화제와 연료선이 모두 액체 상태라는 것을 의미한다.이 시스템은 점화 시스템이 필요 없기 때문에 독특하다. 두 액체는 서로 접촉하는 순간 자연적으로 연소하며 우주선을 앞으로 밀어내기 위한 추진력을 생산한다.이 기술을 갖게 되는 주된 이점은 이러한 종류의 액체는 상대적으로 밀도가 높아 추진 탱크의 부피가 작을 수 있기 때문에 공간 효율성이 높아지기 때문이다.단로형 추진장치와 같은 단점: 제조, 저장, 운송에 매우 위험하다.

이온

이온 추진 시스템은 전자 폭격이나 이온의 가속을 통해 추력을 발생시키는 엔진의 일종이다.[15]추진체 원자(중성 전하)에 고에너지 전자를 발사해 추진체 원자에서 전자를 제거하고 이를 통해 추진체 원자가 양전하 원자가 된다.양전하 이온은 수천 개의 정밀한 정렬된 구멍을 포함하는 양전하 그리드를 통과하도록 유도되어 고전압으로 작동한다.그런 다음 정렬된 양전하 이온은 음전하 가속기 그리드를 통해 가속하며, 이온의 속도를 초당 최대 40km(9만mph)까지 증가시킨다.이러한 양전하 이온의 추진력은 우주선을 앞으로 나아가게 하는 추진력을 제공한다.이런 종류의 추진력을 갖는 장점은 우주 심층 여행에 필요한 등속도를 유지하는데 믿을 수 없을 정도로 효율적이라는 것이다.그러나 추력 생산량은 극히 적어 작동하려면 많은 전력이 필요하다.

기계장치

기계적 구성부품은 발사 후 또는 착륙 전에 전개하기 위해 이동해야 하는 경우가 많다.모터 사용 외에도 많은 일회성 이동이 폭약식 장치에 의해 제어된다.[16]

로봇 대 나사 없는 우주선

로봇 우주선은 특정한 적대적인 환경을 위해 특별히 설계된 시스템이다.[17]특정 환경에 대한 그들의 규격 때문에, 그것은 복잡성과 기능 면에서 크게 다르다.반면 나사 없는 우주선은 인원이나 승무원이 없는 우주선이며 자동(인간의 개입 없이 동작으로 진행)이나 리모컨(인간의 개입으로 작동)에 의해 작동된다.'나사되지 않은 우주선'이라는 용어는 우주선이 로봇이라는 것을 의미하지는 않는다.

컨트롤

로봇 우주선은 원격측정법을 사용하여 획득한 데이터와 차량 상태 정보를 지구로 다시 전송한다.일반적으로 "원격 제어" 또는 "텔레로보틱스"라고 일컬어지지만, 스푸트니크 1호와 탐험가 1호와 같은 초기의 궤도 우주선은 지구로부터 제어 신호를 받지 못했다.이러한 첫 우주선 직후, 지상에서 원격제어가 가능하도록 명령 시스템이 개발되었다.광이동 시간이 지구로부터의 신속한 결정과 통제를 방해하는 원거리 탐사에 대해서는 자율성 증대가 중요하다.카시니 같은 신형 프로브Huygens화성 탐사 로봇은 매우 자율적이며 장시간 독립적으로 작동하기 위해 온보드 컴퓨터를 사용한다.[18][19]

스페이스 프로브

우주 탐사선은 지구 궤도를 돌지 않고 우주로 더 멀리 탐사하는 로봇 우주선이다.[1] 우주탐사선은 달에 접근하거나, 행성간 공간을 여행하거나, 다른 행성으로 날아다니거나, 궤도 또는 착륙하거나, 성간 우주로 들어갈 수 있다.

스페이스X 드래곤

COTS2Dragon.6.jpg

현대 세계에서 완전한 로봇 우주선의 예로는 SpaceX Dragon이 있을 것이다.[20]스페이스X 드래곤은 국제우주정거장에 6000kg(1만3000lb)의 화물을 보내도록 설계된 로봇 우주선이었다.스페이스X 드래곤의 총 높이는 7.2m(24ft)로 직경은 3.7m(12ft)이었다.최대 발사 페이로드 중량은 6000kg(1만3000lb)으로 최대 복귀 중량은 3000kg(6600lb)이었으며, 최대 발사 페이로드 용량은 25m3(880cuft)이며 최대 복귀 페이로드 용량은 11m3(390cuft)이었다.우주에서 드래곤의 최대 지구력은 2년이었다.

2012년 스페이스X 드래곤은 국제우주정거장에 화물을 운송하고 같은 여행에서 화물을 지구로 안전하게 돌려보내는 최초의 상업용 로봇 우주선이 됨으로써 역사를 만들었다. 그것은 이전에 정부만이 달성한 것이었다.이후 22편의 화물 비행을 실시했으며, 마지막 비행은 스페이스X CRS-20이었다.드래곤 우주선은 2020년 현재 스페이스X 드래곤 2의 화물 변종으로 대체되고 있다.

로봇 우주선 서비스 차량

컬럼비아 우주왕복선 페이로드 베이에서 발사된 AERCam Sprint
  • 미션 익스텐션 차량은 공간 내 RCS 연료 전달을 활용하지 않는 대안적 접근방식이다.오히려 MDA SIS와 같은 방식으로 목표 위성에 연결한 뒤 "자체 추진기를 사용해 목표물에 대한 자세 제어를 공급한다"[22]고 했다.
  • OSAM-1은 NASA의 서비스, 조립 및 제조 엔지니어링 테스트 임무다.이 차량에는 총 3개의 로봇 암이 탑재된 로봇 탑재체 2대가 탑재돼 있으며 구형 지구관측위성(Landsat 7) 급유, 세그먼트에서 통신 안테나 구축, 구조 빔 제조 등 여러 가지 작업을 수행한다.

참고 항목

참조

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외부 링크