에어로셸

3. 설계 요인

에어로쉘의 설계에는 여러 요인이 고려된다. 에어로쉘의 역학은 관성력과 항력의 영향을 받으며, 이는 방정식 ß=m/CdA로 정의된다. 여기서 m은 에어로쉘과 해당 하중의 질량, CdA는 자유 흐름 조건에서 에어로쉘이 생성할 수 있는 항력의 양이다.^[10] 단위 면적당 질량이 높을수록 에어로쉘의 진입, 하강, 착륙은 대기권의 낮고 밀도가 높은 지점에서 발생하며, 고도 능력과 착륙 타임라인 여유도 감소한다. 이는 단위 면적당 질량이 높을수록 우주선이 하강 초기에 속도를 늦출 수 있는 충분한 항력을 갖지 못하고, 감속을 위해 더 낮은 고도의 두꺼운 대기권에 의존하기 때문이다.^[1] 또한 질량/항력 비율이 높을수록 탑재체에 할당 가능한 질량이 줄어들어 자금 조달 및 임무의 과학적 목표에 영향을 미친다.^[10]

진입, 하강 및 착륙(EDL) 과정에서 열 부하 및 속도가 증가하여 시스템이 열 부하 증가를 수용해야 한다.^[11] 이는 유용한 착륙 질량 능력을 감소시키는데, 열 부하 증가는 더 무거운 지지 구조와 열 보호 시스템(TPS)을 필요로 하기 때문이다. 고항력 고도 유지를 위해서는 정적 안정성도 고려해야 하며, 이를 위해 뭉툭한 에어로쉘 대신 쓸어넘긴 에어로쉘 전방 차체가 필요하다. 뭉툭한 모양은 정적 안정성을 보장하지만 항력 영역을 줄이므로, 에어로쉘 모양 설계에는 항력과 안정성 간의 상충 관계가 존재한다. 양력 대 항력 비율(L/D)도 고려해야 하며, 이상적인 수준은 0이 아니다. 0이 아닌 L/D 비율을 유지하면 낙하산 전개 고도가 높아지고 감속 중 부하가 감소한다.^[12][10]

NASA의 행성 진입 낙하산 계획(Planetary Entry Parachute Program, PEPP) 에어로셸은 보이저 계획 (화성)의 화성 착륙용 낙하산 시험을 위해 제작되어 1966년에 시험되었다. 희박한 화성 대기를 재현하기 위해 낙하산 시험은 지구 고도 160,000피트 이상에서 실시해야 했다. 먼저 로즈웰에서 벌룬으로 에어로셸을 상승시킨 후, 벌룬을 서쪽 화이트 샌즈 미사일 시험장까지 띄워 에어로셸을 투하하고, 기체 하부 로켓 엔진으로 낙하산 전개 예정 고도까지 상승시켰다.

보이저 계획은 취소되고 수년 후 더 작은 규모의 바이킹 계획으로 대체되었다. NASA는 보이저의 이름을 화성 보이저 계획과 무관한 보이저 계획(보이저 1호, 보이저 2호)에 다시 사용했다. 화이트 샌즈 미사일 시험장에는 PEPP 에어로셸이 현재도 남아 있다.

3. 1. 비행 요구 사항

3. 2. 램 방향

3. 3. 재진입 통로

3. 4. 항력 및 안정성

3. 5. 양력 대 항력 비율

4. 미국의 에어로셸 시험 프로그램

NASA의 행성 대기 진입 낙하산 프로그램(PEPP) 에어로셸은 보이저 화성 착륙 프로그램의 낙하산 시험을 위해 1966년에 시험되었다. 보이저 프로그램은 이후 취소되었고, 몇 년 후 훨씬 작은 바이킹 프로그램으로 대체되었다. NASA는 외행성 탐사선 ''보이저 1호''와 ''보이저 2호''에 'Voyager'라는 이름을 다시 사용했지만, 이는 화성 보이저 프로그램과는 관련이 없었다.

'''저밀도 초음속 감속기'''(LDSD)는 행성 대기 진입 시 대기 항력을 생성하여 감속하도록 설계된 우주 차량이다.^[14]

화이트 샌즈 미사일 시험장에는 PEPP의 에어로셸이 현재도 하나 남아 있다.

4. 1. 행성 대기 진입 낙하산 프로그램 (PEPP)

4. 2. 저밀도 초음속 감속기 (LDSD)

'''저밀도 초음속 감속기'''(Low-Density Supersonic Decelerator, LDSD)는 행성 대기 진입 시 대기 항력을 발생시켜 우주선을 감속시키는 장치이다.^[14] 바깥쪽에 팽창 가능한 도넛 모양의 풍선을 포함하는 원반형으로, 탑재량을 늘리는 데 도움을 준다.

미국 항공우주국(NASA) 제트 추진 연구소에서 개발 및 테스트하고 있으며,^[19] 마크 애들러가 프로젝트 관리자이다.^[16] 주로 화성 착륙 시 우주선을 감속하는 데 사용될 예정이다. 차량 주변의 풍선을 팽창시켜 표면적을 넓히고 대기 항력을 증가시킨다. 충분히 감속된 후에는 긴 테더(tether)에 연결된 낙하산을 펼쳐 속도를 더욱 늦춘다.

4. 2. 1. 2014년 시험 비행

2014년 6월 28일, 미국 해군 태평양 미사일 시험장에서 시험 비행이 진행되었다. 시험 비행체는 카우아이 하와이에서 협정 세계시(UTC) 기준 18:45 (현지 시각 08:45)에 발사되었다.^[16]

약 1120497619.65L³ 부피의 고고도 헬륨 기구가 비행체를 약 36576.00m 고도까지 끌어올렸다.^[15] 비행체는 21:05 UTC (현지 시각 11:05)에 분리되었고,^[16] 4개의 작은 고체 연료 로켓 모터가 비행체를 회전시켜 안정성을 확보했다.^[15] 이후 비행체의 스타 48B 고체 연료 모터가 점화되어 마하 4의 속도와 약 약 54864.00m 고도까지 도달했다.^[15] 로켓 연소 종료 직후, 4개의 로켓 모터가 비행체의 회전을 멈추게 했다.^[19]

마하 3.8로 속도가 감소하자, 약 6.10m 길이의 튜브 형태 초음속 팽창 공기역학 감속기(SIAD-R)가 전개되었다.^[15] SIAD는 대기 항력을 증가시켜 감속률을 높이는 역할을 한다.^[17]

마하 2.5로 속도가 감소하자(SIAD 전개 후 약 107초 후^[19]), 비행체를 더 감속시키기 위해 지름 약 33.53m의 초음속 디스크 낙하산(SSDS)이 전개되었다.^[15] 이 낙하산은 화성 과학 실험실에 사용된 것보다 거의 2배 더 컸다.^[20] 그러나 전개 후 찢어지기 시작했고,^[21] 비행체는 21:35 UTC (현지 시각 11:35)에 태평양에 시속 20mph에서 30mph 사이의 속도로 충돌했다.^[16][18] 모든 장비와 데이터 기록기는 회수되었다.^[17][18] 낙하산 사고에도 불구하고, SIAD와 SSDS는 부차적인 실험이었고 시험 비행체의 비행 적합성을 증명하는 주요 목표는 달성되어 미션은 성공으로 선언되었다.^[17]

4. 2. 2. 2015년 시험 비행

2015년 중반, 태평양 미사일 시험장에서 LDSD의 시험 비행이 두 차례 더 진행되었다. 이 시험 비행은 2014년 시험에서 얻은 교훈을 바탕으로 8m SIAD-E 및 SSDS 기술에 중점을 두었다.^[18] 낙하산에 대한 변경 사항으로는 더 둥근 모양과 구조적 보강이 계획되었다.^[21] 그러나 재진입 직후 낙하산이 찢어졌다.^[13]

5. 한국의 에어로셸 개발 현황

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참조

_[1] 서적 Multi-Objective Hypersonic Entry Aeroshell Shape Optimization RESTON: AMER INST AERONAUT ASTRONAUT
_[2] 웹사이트 Returning from Space: Re-Entry https://www.faa.gov/[...] U.S. Department of Transportation 2015-04-12
_[3] 웹사이트 Mars 2020's Aeroshell https://mars.nasa.go[...] 2022-11-16
_[4] 웹사이트 Pioneer Venus Project Information https://nssdc.gsfc.n[...] 2022-11-16
_[5] 서적 Multi-Objective Hypersonic Entry Aeroshell Shape Optimization RESTON: AMER INST AERONAUT ASTRONAUT
_[6] 웹사이트 Aeroshells: Keeping Spacecraft Safe https://www.lockheed[...] 2019-12-02
_[7] 웹사이트 Mars Exploration Rover Mission: The Mission https://mars.nasa.go[...] 2019-12-02
_[8] 서적 Roller Coasters, G Forces, and Brain Trauma: On the Wrong Track? Larchmont, NY: Mary Ann Liebert, Inc
_[9] 웹사이트 Orion Spacecraft to Test New Entry Technique on Artemis I Mission http://www.nasa.gov/[...] 2022-11-17
_[10] 서적 Multi-Objective Hypersonic Entry Aeroshell Shape Optimization RESTON: AMER INST AERONAUT ASTRONAUT
_[11] 서적 Returning from Space: Re-entry Federal Aviation Administration - Advanced Aerospace Medicine On-line
_[12] 웹사이트 Hypersonic Entry Aeroshell Shape Optimization http://solarsystem.n[...] NASA 2015-04-12
_[13] 뉴스 Parachute on Nasa 'flying saucer' fails in test https://www.bbc.com/[...] 2015-06-09
_[14] 뉴스 NASA tests flying saucer craft for future manned mission to Mars http://edition.cnn.c[...] 2014-08-12
_[15] 뉴스 LDSD passes primary technology test but suffers chute failure http://www.nasaspace[...] 2014-08-12
_[16] 뉴스 NASA's Low-Density Supersonic Decelerator Test Flight Hailed as a Success http://www.americasp[...] 2014-08-12
_[17] 뉴스 A Successful First Flight for of the Saucer Test Vehicle over Hawaii http://space.io9.com[...] 2014-08-12
_[18] 뉴스 NASA Mars test a success. Now to master the parachute http://www.latimes.c[...] 2014-08-12
_[19] 웹사이트 Press Kit: Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD) http://www.jpl.nasa.[...] 2014-08-12
_[20] 뉴스 NASA to test giant Mars parachute on Earth http://www.reviewjou[...] 2014-08-12
_[21] 뉴스 Flying Saucer Videos Reveal What Worked and What Didn't http://www.nbcnews.c[...] 2014-08-12