우주선 설계

우주선의 디자인은 로봇 우주선 (위성 및 행성 탐사선)과 인간 우주 비행을 위한 우주선 (우주선과 우주 정거장)의 디자인을 포함한 넓은 영역을 포함한다.

기원.

우주선 디자인은 1950년대와 60년대에 미국과 소련의 우주 탐사 프로그램의 등장으로 탄생했다.그 이후로는 발전했지만, 일반적으로는 비교할 수 없는 지상 기술보다는 덜 발전했다.이는 우주환경이 어렵기 때문이기도 하지만 기초연구개발이 부족하거나 디자인 커뮤니티 내의 다른 문화적인 요인 때문이기도 합니다.한편, 우주 여행 애플리케이션 설계가 느린 또 다른 이유는 궤도 달성을 위한 높은 에너지 비용과 낮은 효율성입니다.이 비용은 너무 높은 "창업 비용"^{[citation needed]}으로 보일 수 있습니다.

우주선 서브시스템

구조.

우주선 버스는 화물을 운반한다.이 서브시스템은 payload를 지원하며 payload를 올바르게 포인팅하는 데 도움이 됩니다.그것은 적재물을 올바른 궤도에 올려놓고 거기에 보관한다.하우스키핑 기능을 제공합니다.또한 필요한 경우 궤도 및 자세 유지, 전력, 명령, 원격 측정 및 데이터 처리, 구조와 강성, 온도 제어, 데이터 저장 및 통신을 제공합니다.탑재물과 우주선 버스는 다른 단위이거나 결합된 단위일 수 있다.부스터 어댑터는 차량과의 부하 운반 인터페이스를 제공합니다(페이로드 및 우주선 버스 함께 사용).

우주선은 또한 추진제 하중을 가지고 있을 수 있으며, 추진제 하중은 차량을 위로 이동하거나 밀어 올리기 위해 사용될 수 있다.일반적으로 사용되는 추진제는 질소, 모노로페이트 하이드라진과 같은 액체 또는 고체 연료와 같은 압축 가스이며 속도 보정 및 자세 제어에 사용됩니다.킥 스테이지(아포기 부스트 모터, 추진 모듈 또는 일체형 추진 스테이지라고도 함)에서는 우주선을 임무 궤도로 보내기 위해 별도의 로켓 모터가 사용됩니다.우주선을 설계할 때 사용되는 궤도는 자세 제어, 열 설계, 전력 서브시스템에 영향을 미치기 때문에 그 점을 고려해야 한다.그러나 이러한 영향은 궤도로 인해 페이로드에 미치는 영향에 비하면 이차적인 것이다.따라서 미션을 설계하는 동안 설계자는 페이로드 성능을 높이는 궤도를 선택합니다.설계자는 포인팅, 열 제어, 전력량, 듀티 사이클 등 필요한 우주선 성능 특성까지 계산합니다.그리고 나서 우주선이 만들어지며,^{[citation needed]} 이것은 모든 요구 사항을 충족한다.

태도 결정 및 제어

자세 결정 및 제어 하위 시스템(ADCS)은 우주선의 자세(방향)를 변경하는 데 사용됩니다.중력 중심을 통과하는 축을 따라 우주선에 작용하는 외부 토크가 있어 우주선을 어떤 방향으로든 방향을 바꾸거나 회전시킬 수 있다.ADCS는 추진 및 항법 기능을 사용하여 동일한 토크와 반대 토크를 적용함으로써 이러한 토크를 무효화합니다.차체의 관성 모멘트는 센서를 사용하여 차량의 절대 자세를 결정해야 하는 외부 토크를 결정하기 위해 계산됩니다.회전 효과를 줄이기 위해 '자이로스코프 강성'이라고 불리는 특성이 사용됩니다.가장 단순한 우주선은 지구의 자기장이나 중력장과 상호 작용하거나 회전함으로써 제어력을 얻는다.때때로 그들은 통제되지 않는다.우주선은 여러 개의 몸체를 가지고 있거나 태양 전지판이나 개별 자세가 필요한 통신 안테나 같은 중요한 부분에 부착되어 있을 수 있다.부속품의 자세를 제어하기 위해 별도의 센서와 컨트롤러가 있는 액추에이터가 종종 사용됩니다.사용되는 제어 기법의 종류는 다음과 같습니다.^{[citation needed]}

패시브 컨트롤 테크닉.
스핀 제어 기술.
3축 제어 기법.

원격 측정, 추적 및 명령

원격측정, 추적 및 명령(TT&C)은 우주선과 지상 시스템 간의 통신에 사용됩니다.하위 시스템 기능은 다음과 같습니다.

지구상에서의 조작자에 의한 우주선 제어
업링크 명령어를 수신하여 처리하여 다른 서브시스템으로 전송합니다.
서브시스템에서 다운링크 명령을 수신하여 처리하여 어스로 전송합니다.
우주선의 위치를 항상 알립니다.

의사소통

우주선에 정보를 보내는 과정은 업링크 또는 순방향 링크라고 불리며, 그 반대 과정은 다운링크 또는 리턴 링크라고 불립니다.업링크는 명령어와 레인징 톤으로 구성됩니다.다운링크는 상태 텔레메트리, 레인징 톤으로 구성되며 페이로드 데이터를 포함할 수도 있습니다.수신기, 송신기 및 광각(반구 또는 전방향) 안테나는 기본 통신 서브시스템의 주요 구성요소입니다.데이터 레이트가 높은 시스템에서는 필요에 따라 지향성 안테나를 사용할 수도 있습니다.서브시스템은 범위 속도의 도플러 시프트를 측정할 수 있는 도움을 받아 업링크 신호와 다운링크 신호 사이의 일관성을 제공할 수 있습니다.통신 서브시스템은 데이터 레이트, 허용 에러 레이트, 통신 경로 길이 및 RF 주파수에 따라 사이징됩니다.

대부분의 우주선은 위성통신인 ^{[citation needed]}무선안테나를 사용하여 통신한다.일부 우주선은 레이저를 사용하여 통신합니다. 즉, LADEE와 같이 지상으로 직접 통신하거나 OICETS, Artemis, Alphabus 및 European Data Relay System과 같이 위성 간에 통신합니다.

힘

전력 서브시스템(EPS)은 다음 4개의 서브유닛으로 구성됩니다.

전원(배터리, 태양전지, 연료전지, 열전쌍)
저장 단위(직렬 배터리 수)
배전(케이블 연결, 스위칭, 충격 보호)
전원 조절 및 제어(배터리 과충전 및 과열 방지)

온도

열제어 서브시스템(TCS)은 모든 우주선 구성요소의 온도를 일정 한계 이내로 유지하는 데 사용됩니다.각 성분에 대해 상한과 하한 모두 정의됩니다.두 가지 제한이 있습니다. 즉, 작동(작업 조건 내)과 생존(비작업 조건 내)입니다.온도는 절연체, 라디에이터, 히터, 루버를 사용하고 ^{[citation needed]}구성요소에 적절한 표면 마감을 제공하여 제어합니다.

추진력

추진 서브시스템의 주요 기능은 추진력을 제공하여 우주선의 이동 속도를 변경하거나 각운동량을 변화시키기 위해 토크를 가하는 것입니다.가장 단순한 우주선에는 추력이 필요 없고, 따라서 추진 장비도 필요하지 않습니다.그러나 이들 중 상당수는 시스템에 제어된 추력을 필요로 하기 때문에 설계에는 일종의 미터링 추진(작은 단위로 켜고 끌 수 있는 추진 시스템)이 포함됩니다.추력은 궤도 매개변수 변경, 추력 중 자세 제어, 속도 오류 수정, 기동, 방해력 대항(예: 드래그), 제어 및 각운동량 수정 등의 목적으로 사용된다.추진 하위 시스템에는 추진제, 탱크지, 분배 시스템, 가압제 및 추진제 제어가 포함됩니다.또한 스러스터 또는 엔진도 포함됩니다.

미국 항공우주국(NASA)이 구상한 2010년대 중반의 인류 화성 우주 비행 임무의 한 예입니다.

우주 미션 아키텍처

우주선 설계는 항상 고려 중인 우주 비행의 특정 임무 구조에 의해 알려집니다.일반적으로 비행의 전반적인 목적을 달성할 수 있는 다양한 미션 아키텍처가 구상될 수 있으며, 이러한 목표는 과학적 데이터를 수집하는 것이든 단순히 정부 또는 ^[1]경제적 목적을 위해 우주 환경을 가로질러 화물을 운송하는 것이든 상관없습니다.

우주 비행 임무 아키텍처는 우주선이 자율적인지 텔레로보틱인지 아니면 임무의 특정 긴급 상황이나 목표에 대처하기 위해 승무원이 될지를 명시할 것이다.다른 고려사항으로는 비행이 다양한 수준의 내결함성을 달성할 수 있도록 고속 또는 저속 궤적,^[1] 페이로드 구성 및 용량, 임무 기간 또는 시스템 이중화 수준이 포함됩니다.

레퍼런스

^ ^a ^b Wertz, James R.; Larson, Wiley J. (1999). Space Mission Analysis and Design (3rd ed.). Kluwer Academic Publishers. ISBN 1-881883-10-8.

"Solar sails fly from science fiction into reality". Popular Mechanics.

[wertz1999-1] Wertz, James R.; Larson, Wiley J. (1999). Space Mission Analysis and Design (3rd ed.). Kluwer Academic Publishers. ISBN 1-881883-10-8.

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