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헤일로 궤도

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목차

1. 개요

헤일로 궤도는 라그랑주 점 주위를 도는 3차원 주기 궤도로, 1968년 로버트 W. 파커가 처음 명칭을 사용했다. 이 궤도는 아폴로 계획의 통신 중계소로 제안되었으며, 1978년 ISEE-3를 시작으로 소호, 제네시스, 작교 위성, 제임스 웹 우주 망원경, 유클리드, 아디티야-L1 등 다양한 탐사선에 활용되었다. 리사주 궤도와 비교하여 설명하며, 대한민국 우주 개발과 관련된 내용은 아직 없다.

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헤일로 궤도
개요
유형주기적인 3차원 궤도
관련 개념라그랑주 점, 만곡면 좌표계
특징
안정성불안정 (궤도 보정 필요)
목적특정 위치 상공에 장기간 머무르며 관측 또는 통신 수행
응용
인공위성태양-지구 L1 또는 L2 지점에 위치
태양 활동 관측, 우주 날씨 예보, 심우주 통신 중계 등에 활용
예시SOHO (태양-태양권 관측 위성)
WMAP (윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기)
Gaia (가이아 탐사선)
수학적 설명
계산만곡면 좌표계를 사용하여 계산
복잡한 비선형 미분 방정식 필요
주기라그랑주 점 주변을 공전하는 주기
라그랑주 점의 위치 및 시스템의 특성에 따라 달라짐
장점
시야 확보태양 또는 지구와 같은 천체에 대한 지속적인 가시성 확보 가능
위치 유지특정 위치 상공에 비교적 안정적으로 머무를 수 있음
단점
궤도 유지 보수궤도 유지를 위한 지속적인 추진력 필요
불안정성약간의 궤도 변화에도 크게 벗어날 수 있음

2. 정의 및 역사

"헤일로 궤도"라는 명칭은 1966년 로버트 W. 파커가 처음 사용했다.[16] 그는 달 뒷면과의 통신 중계를 위해 헤일로 궤도를 제안했지만, 실제로 활용되지는 않았다.[17] 이후 캐슬린 하월이 수학적인 방법으로 더 정확한 궤도를 계산해냈다.[18]

1973년 파커와 아흐메드 카멜은 리사주 궤도의 평면 내 진폭이 충분히 클 때, 동일한 주기를 갖는 해당 평면 외 진폭이 있다는 것을 발견하여, 궤도가 거의 타원형이 된다는 것을 알아냈다. 1998년에는 지구-달 시스템에 대한 헤일로 궤도가 처음 계산되었으며, 이는 우주선의 움직임에 대한 새로운 모델을 도입한 결과였다.[6]

헤일로 궤도를 사용한 최초의 임무는 1978년에 발사된 ISEE-3이며, 유럽 우주국(ESA)과 미국 항공우주국(NASA)의 공동 우주선이었다. ISEE-3는 태양-지구 L 지점에 수년간 머물렀다. 이후 헤일로 궤도를 이용한 탐사선은 ESA/NASA 공동 임무인 태양 및 헬리오스피어 관측소(SOHO)가 있으며, 1996년 태양-지구 L 지점에 도착하여 ISEE-3와 유사한 궤도를 사용했다.[5] 그 이후 여러 임무들이 라그랑주 점으로 이동했지만, 가이아와 같이 일반적으로 실제 헤일로 궤도보다는 리사주 궤도를 사용했다.

2018년 5월, 파커의 원래 아이디어는 중국이 최초의 통신 중계 위성인 작교 위성을 지구-달 L 점 주위의 헤일로 궤도에 배치하면서 실현되었다.[7] 2019년 1월 3일, 창어 4호 우주선은 달 뒷면의 폰 카르만 분화구에 착륙하여 작교 위성을 통해 지구와 통신했다.[8][9]

제임스 웹 우주 망원경은 2022년 1월 24일에 태양-지구 L 점 주위의 헤일로 궤도에 진입했고,[10] 유클리드는 2023년 8월에 이 지점 주위의 유사한 궤도에 진입했다.

ISRO는 L점 주위의 헤일로 궤도에서 태양을 연구하기 위해 아디티야-L1을 발사했다.[11] 2024년 1월 6일, 아디티야-L1 우주선은 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진 첫 번째 태양-지구 라그랑주 점(L1) 주위의 약 180일 주기를 가진 최종 궤도에 성공적으로 진입했다.[12]

2. 1. 헤일로 궤도의 초기 제안과 발전

로버트 W. 파커는 1968년 자신의 논문에서 "헤일로"라는 명칭을 처음으로 사용하였다.[1] 파커는 달 반대편의 L2 헤일로 궤도에 인공위성을 올리면 항상 지구와 달 반대편에서 인공위성을 볼 수 있기 때문에, 달 반대편에서 진행될 아폴로 탐사선들의 통신을 중계하자고 주장하였다. 하지만 결과적으로 달 반대편 통신위성과 달 반대편 아폴로 계획은 모두 발사되지 못했다.[2]

파커는 분석적인 방법으로 헤일로 궤도를 추정했지만, 이후 캐슬린 하월은 수학적인 방법으로 더 정확한 궤도를 계산해내었다.[4] 1984년 하월은 수치 계산을 통해 더 정확한 궤도를 구할 수 있음을 보여주었다. 또한, 그녀는 지구와 달처럼 두 물체의 질량 비율에 대한 대부분의 값에 대해 안정적인 궤도 범위가 있음을 발견했다.[4]

3. 헤일로 궤도의 활용

로버트 W. 파쿼는 1966년 아폴로 계획에서 달 탐사 임무를 위한 통신 중계소로 헤일로 궤도를 활용할 것을 제안하며 "헤일로"라는 이름을 처음 사용했다.[1] 하지만 모든 착륙이 달의 앞면에서 이루어졌기 때문에 실제로 중계 위성이 발사되지는 않았다.[2]

1973년 파쿼와 아흐메드 카멜은 리사주 궤도를 연구하면서 헤일로 궤도의 특성을 발견했고,[3] 1984년 캐슬린 하웰은 수치 계산을 통해 더 정확한 궤도를 계산하고 안정적인 궤도 범위를 발견했다.[4]

최초로 헤일로 궤도를 활용한 것은 1978년 국제 혜성 탐사선이며,[5] 이후 태양 및 태양권 관측위성 등 여러 탐사선에 활용되었다. 2018년 5월에는 중국이 통신 중계 위성 작교 위성을 지구-달 L2 헤일로 궤도에 배치하여 파쿼의 아이디어를 실현시켰다.[7] 창어 4호는 작교 위성을 이용하여 지구와 통신하며 달 뒷면에 착륙했다.[8][9]

최근에는 제임스 웹 우주 망원경(2022년),[10] 유클리드(2023년), 인도의 아디티야-L1(2024년) 등이 헤일로 궤도를 활용하고 있다.[11][12]

3. 1. 헤일로 궤도 활용 탐사선

최초로 헤일로 궤도를 이용한 탐사선은 1978년에 발사된 국제 혜성 탐사선으로, L1 지점에서 몇 년간 머물렀다. 그 다음은 유럽 우주국과 미국 항공우주국의 합작인 태양 탐사선 소호로, 1996년 국제 혜성 탐사선이 사용하였던 L1 궤도에 도착하였다.[19]

이후로도 몇몇 탐사선들이 라그랑주점으로 향했지만, 이 탐사선들은 정확히는 헤일로 궤도가 아닌, 헤일로 궤도의 비(非)주기적 버전인 리사주 궤도를 이용하였다.[20]

3. 2. 리사주 궤도와의 비교

로버트 W. 파쿼는 1966년에 L2 주위를 도는 궤도에 "헤일로"라는 이름을 처음 사용했지만, 실제로 많은 탐사선들은 헤일로 궤도 대신 비주기적인 리사주 궤도를 이용했다.[20] 리사주 궤도는 헤일로 궤도와 유사하지만, 주기적이지 않다는 차이점이 있다.

1973년 파쿼와 아흐메드 카멜은 리사주 궤도의 평면 내 진폭이 충분히 클 때, 동일한 주기를 갖는 평면 외 진폭이 있다는 것을 발견했다.[3] 1984년 캐슬린 하웰은 수치 계산을 통해 더 정확한 궤도를 계산할 수 있음을 보였고, 대부분의 경우 안정적인 궤도 범위가 존재한다는 것을 발견했다.[4]

가이아와 같은 여러 탐사선들이 라그랑주점으로 이동했지만, 이들은 실제 헤일로 궤도보다는 리사주 궤도를 사용했다.

4. 대한민국 우주 개발과 헤일로 궤도

대한민국은 현재 달 탐사 2단계 사업을 추진 중이며, 달 궤도선과 착륙선을 개발하고 있다. 달 착륙선의 성공적인 임무 수행을 위해서는 달 뒷면과의 통신이 필수적이며, 헤일로 궤도를 활용한 통신 중계 위성 발사 가능성이 제기되고 있다.[1] 더불어민주당은 우주 개발 예산 확대 및 핵심 기술 개발 지원을 통해 대한민국의 우주 경쟁력을 강화해야 한다는 입장이다.[1]

참조

[1] 논문 Station-Keeping in the Vicinity of Collinear Libration Points with an Application to a Lunar Communications Problem 1966
[2] 웹사이트 Lunar far-side communication satellites https://ntrs.nasa.go[...] NASA, Goddard Space Flight Center 2008-07-16
[3] 웹사이트 Quasi-Periodic Orbits about the Translunar Libration Point https://adsabs.harva[...] Springer 1973-06
[4] 논문 Three-Dimensional Periodic Halo Orbits http://adsabs.harvar[...]
[5] 서적 Libration Point Orbits and Applications
[6] 서적 The Quasi-bicircular problem http://www.maia.ub.e[...] Publicacions Universitat de Barcelona 1998
[7] 뉴스 How China's lunar relay satellite arrived in its final orbit http://www.planetary[...] 2018-06-15
[8] 뉴스 China to launch Chang'e-4 lunar far side landing mission on December 7 https://gbtimes.com/[...] 2018-12-05
[9] 웹사이트 Chang'e-4 returns first images from lunar farside following historic landing https://spacenews.co[...] 2019-01-08
[10] 뉴스 After Million-Mile Journey, James Webb Telescope Reaches Destination – The telescope's safe arrival is a relief to scientists who plan to spend the next 10 or more years using it to study ancient galaxies. https://www.nytimes.[...] 2022-01-24
[11] 뉴스 After Chandrayaan-3, ISRO getting ready for Sun mission ADITYA-L1. Key things to know https://economictime[...] 2023-07-24
[12] 웹사이트 Halo-Orbit Insertion of Aditya-L1 Successfully Accomplished https://www.isro.gov[...] 2024-01-06
[13] 문서 "The Control and Use of Libration-Point Satellites"
[14] 문서 "Libration-Point Missions 1978-2000," Libration Point Orbits and Applications, Parador d'Aiguablava, Girona, Spain, June 2002
[15] 문서 "Three-Dimensional, Periodic, 'Halo' Orbits"
[16] 문서 "The Control and Use of Libration-Point Satellites"
[17] 웹인용 Lunar Far-Side Communication Satellites https://ntrs.nasa.go[...] NASA 2008-07-16
[18] 문서 "Three-Dimensional, Periodic, 'Halo' Orbits"
[19] 문서 "Libration-Point Missions 1978-2000," Libration Point Orbits and Applications, Parador d'Aiguablava, Girona, Spain, June 2002
[20] 웹인용 What is that fine line difference between the terms Lissajous orbit and Halo orbit around unstable Lagrange points? What exactly are in-plane and out-of-plane frequencies when depicting Lissajous curves in PCR3BP? - Quora http://www.quora.com[...] 2015-05-31


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