반동 제어 시스템
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1. 개요
반동 제어 시스템(RCS)은 우주선의 자세 제어, 궤도 유지, 도킹 및 랑데부 기동, 방향 제어, 대기권 재진입 시 탈출 궤도 백업, 주 엔진 연소를 위한 연료 시스템 준비 등에 사용되는 시스템이다. 우주선의 종류에 따라 추진기의 배치가 다르며, 유인 우주 캡슐, 달 착륙선, 우주 왕복선, 우주 비행기 등에서 다양한 형태로 사용되었다. 국제 우주 정거장(ISS)은 1차 자세 제어를 위해 제어 모멘텀 자이로스코프(CMG)를 사용하고 RCS 추력기 시스템은 백업 및 보조 시스템으로 활용한다.
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| 반동 제어 시스템 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 추력기 |
| 목적 | 자세 제어 병진 (운동 방향 또는 위치) 제어 |
| 사용 분야 | 우주선 인공위성 기타 우주 비행체 |
| 작동 원리 | |
| 작동 방식 | 고온 가스 분사 (일반적으로) |
| 추력 발생 | 뉴턴의 운동 법칙 (작용-반작용의 법칙) |
| 구성 요소 | |
| 주요 구성품 | 추진제 탱크 펌프 밸브 추력기 제어 시스템 |
| 추진제 | |
| 종류 | 액체 추진제 (일반적) 기체 추진제 (일반적) 단일 추진제 이원 추진제 |
| 일반적인 추진제 | 하이드라진 암모니아 질소 냉매 (R-134a) |
| 특징 | |
| 장점 | 정밀한 자세 및 위치 제어 가능 |
| 단점 | 추진제 소모, 제한된 작동 시간 |
| 사용 예시 | |
| 구체적인 예시 | 제미니 계획 아폴로 계획 스페이스 셔틀 국제 우주 정거장 |
| 관련 기술 | |
| 관련 기술 | 자세 결정 시스템 항법 시스템 자동 제어 |
2. 반응 제어 시스템의 용도
반응 제어 시스템(RCS)은 우주선의 자세와 궤도를 정밀하게 제어하는 데 필수적인 역할을 한다.
- 자세 제어: 우주선이 임무 수행에 필요한 특정 방향을 유지하도록 미세하게 조정한다.[3]
- 궤도 유지: 인공위성이 궤도를 벗어나지 않도록 미세 조정을 수행한다. 한국의 아리랑 위성, 천리안 위성 등도 궤도 유지를 위해 RCS를 사용한다.[3]
- 도킹 및 랑데부: 우주선이 다른 우주선이나 우주 정거장과 도킹하거나 랑데부할 때, 근접 기동을 위해 사용된다.[3]
- 방향 제어: 우주선의 "코" 부분을 원하는 방향으로 조정한다.[3]
- 대기권 재진입: 우주선이 지구 대기권으로 재진입할 때 자세를 제어하고, 필요시 궤도 이탈을 위한 보조 수단으로 활용된다.[3]
- 얼리지 모터: 주 엔진 점화 전에 연료 시스템을 안정화시키는 역할을 한다.[3]
우주선은 한정된 연료를 효율적으로 사용해야 하므로, 연료 절약을 위한 대체 반응 제어 시스템도 개발되고 있다. 예를 들어, 정지 궤도 위성은 아크 제트, 이온 추진기, 홀 효과 추진기와 같이 높은 비추력 엔진을 사용하기도 한다. 또한, 국제 우주 정거장(ISS)과 같은 일부 우주선은 운동량 휠을 이용하여 회전 속도를 제어한다.
2. 1. 자세 제어
우주선은 자세를 미세하게 조정하여 원하는 방향을 유지해야 한다.[3]2. 2. 궤도 유지
인공위성이 궤도를 이탈하지 않도록 미세 조정을 수행한다. 한국의 아리랑 위성, 천리안 위성 등도 궤도 유지를 위해 RCS를 사용한다.[3]2. 3. 도킹 및 랑데부
도킹 및 랑데부 절차 중 근접 우주 기동을 위해 우주선 반응 제어 시스템이 사용된다.[3] 우주왕복선에는 궤도상에서의 랑데부에 사용되는 더 많은 수의 스러스터가 배치되어 있다.2. 4. 방향 제어
우주선의 "코" 방향을 조정하여 특정 방향을 향하게 하는 데 사용된다.[3] ISS을 포함한 몇몇 우주선은 운동량 휠을 회전시켜 차량의 회전 속도를 제어한다.2. 5. 대기권 재진입
우주선은 대기권에 재진입할 때 자세를 제어하며, 경우에 따라 탈 궤도 기동의 백업 수단으로 사용된다.[3]2. 6. 얼리지 모터
얼리지 모터는 주 엔진 연소를 위해 연료 시스템을 준비하는 데 사용된다.[3]3. 우주선 종류에 따른 추진기 배치
다양한 우주선에서 반동 제어 시스템(RCS) 추진기 배치는 각 우주선의 임무와 설계에 따라 결정된다.
X-15나 NF-104 AST와 같이 공기역학적 제어면을 사용할 수 없는 높은 고도에서 비행하도록 설계된 우주 비행기의 경우, 자세 제어 추진기만 장착되었다. 피치 및 요(yaw) 제어를 위한 추진기는 조종석 앞쪽 코 부분에 위치하여 일반적인 레이더 시스템을 대체했고, 롤(roll) 제어를 위한 추진기는 날개 끝에 배치되었다. X-20도 이와 유사한 배치를 따랐다.
변환 스러스터의 분사 방향이 기체의 무게 중심을 지나지 않으면 기체가 회전을 시작하기 때문에, 변환 스러스터는 방향 전환 스러스터에 비해 배치 위치에 제약이 따른다.
3. 1. 유인 우주 캡슐
머큐리와 제미니 재진입 모듈은 모두 노즐 그룹을 사용하여 우주선 자세 제어를 제공했다.[4] 추진기는 질량 중심에서 벗어난 곳에 위치하여 캡슐을 회전시키는 토크를 제공했다. 제미니 캡슐은 또한 롤링을 통해 재진입 경로를 조정할 수 있었는데, 이는 중심에서 벗어난 양력을 유도했다. 머큐리 추진기는 과산화수소 단일 추진제를 사용했고, 제미니 추진기는 초고추진제 모노메틸 히드라진 연료를 사산화 이질소로 산화시켜 사용했다.
제미니 우주선은 회전 기능뿐만 아니라 병진 운동 기능도 갖춘 최초의 유인 우주선이었다. 궤도 내 자세 제어는 어댑터 모듈 후방 끝부분 원주 주위에 있는 8개의 25lbf 추진기를 쌍으로 발사하여 수행되었다. 측면 병진 운동 제어는 어댑터 모듈 전방 끝(우주선 질량 중심 근처) 원주 주위에 있는 4개의 100lbf 추진기가 제공했다. 같은 위치에서 전방을 향하는 두 개의 85lbf 추진기는 후방 병진 운동을 제공했고, 어댑터 모듈 후방 끝에 위치한 두 개의 100lbf 추진기는 전진 추력을 제공하여 우주선 궤도를 변경하는 데 사용되었다. 제미니 재진입 모듈에는 재진입 중 회전 제어를 위한 별도 시스템도 있었는데, 이는 코 기저부에 위치한 16개 추진기로 구성되었다.
아폴로 사령선에는 자세 제어를 위한 12개의 초고추진제 추진기 세트와 제미니와 유사한 방향 재진입 제어 기능이 있었다. 서비스 모듈과 달 착륙선에는 각각 16개의 R-4D 초고추진제 추진기 세트가 있었으며, 외부 클러스터로 4개씩 묶여 병진 운동과 자세 제어를 모두 제공했다. 이 클러스터는 우주선 평균 질량 중심 근처에 위치했으며, 자세 제어를 위해 반대 방향으로 쌍을 이루어 발사되었다.
소유스 우주선은 후미에 한 쌍의 병진 운동 추진기가 있고, 반작용 추진기는 우주선 중앙(질량 중심 근처)에 쌍으로 외측 및 전방을 향하고 있다. 이들은 쌍으로 작용하여 우주선 회전을 방지한다. 측면 방향 추진기는 우주선 질량 중심에 가깝게 쌍으로 장착되어 있다.
머큐리 계획과 제미니 계획에서는 선단부에 2개의 노즐 그룹이 있었으며, 분사 가스가 외부에 배기되는 슬롯이 있었다. 이 스러스터는 재진입 로켓이나 다른 모듈을 폐기한 후에만 사용되며, 재진입 시 자세 제어에만 사용되었고, 속도 제어는 불가능했다(머큐리에는 속도 변화 기구가 없었다). 아폴로와 소유스 사령선에서는 스러스터가 그룹화되어 있지 않다.
제미니와 소유스는 한 쌍의 변환 스러스터가 후부에 배치되었다. 또한, 무게 중심 근처에 전방과 바깥쪽을 향하는 유사한 쌍의 반동 스러스터가 있었다. 이들은 우주선 회전을 방지하도록 쌍으로 작동한다. 횡 방향 스러스터도 무게 중심 부근에 배치되었지만, 제미니는 각 방향에 1개의 엔진만 있었고, 소유스는 쌍으로 배치했다. 이 엔진들은 방향 제어가 아닌 다른 용도로 사용되었다. 제미니는 상대적으로 질량이 작아 스러스터만으로 궤도를 변경할 수 있었다. 소유스 후부에는 태양 전지 패널과 평행한 방향으로 스러스터가 배치되어 태양 전지 패널 방향 제어에 사용되었다.
3. 2. 달 착륙선
아폴로 계획의 달 착륙선은 4개씩 묶인 외부 클러스터 형태의 추진기 세트를 사용하여 속도 변경과 방향 전환을 모두 수행했다.[1] 이 외에도 이 두 가지 역할을 별개의 스러스터 군으로 수행하는 설계도 있다.[1]3. 3. 우주 왕복선
우주왕복선 궤도선은 궤도 비행과 대기권 진입 초기에 자세를 제어하고, 궤도에서 랑데부 및 도킹 기동을 수행하기 위해 훨씬 더 많은 수의 추진기를 가지고 있었다. 셔틀 추진기는 차량의 코 부분과 두 개의 후방 궤도 기동 시스템(OMS) 포드에 그룹화되어 배치되었다. 노즐은 우주선의 하부 열 보호막을 방해하지 않았다. 대신, 양의 피치를 제어하는 코 RCS 노즐은 차량 측면에 장착되었고 아래쪽으로 경사졌다. 아래쪽을 향하는 음의 피치 추진기는 꼬리/후방 동체에 장착된 OMS 포드에 위치해 있었다.[1]3. 4. 우주 비행기
X-15와 NF-104 AST는 공기역학적 제어면을 사용할 수 없는 높은 고도에서 비행하도록 설계되었는데, 이들은 자세 제어 추진기만 있는 날개 달린 비행체의 추진기 위치에 대한 규칙을 정립했다. 피치 및 요에 대한 추진기는 조종석 앞, 코에 위치하며 표준 레이더 시스템을 대체한다. 롤에 대한 추진기는 날개 끝에 위치한다. 궤도 진입을 목표로 했던 X-20도 이와 같은 패턴을 따랐다.우주왕복선 궤도선은 궤도 비행과 대기권 진입 초기에 자세를 제어하고, 궤도에서 랑데부 및 도킹 기동을 수행하는 데 필요한 훨씬 더 많은 추진기를 가지고 있었다. 셔틀 추진기는 차량의 코와 두 개의 후방 궤도 기동 시스템 포드에 그룹화되었다. 노즐은 우주선의 하부 열 보호막을 방해하지 않았다. 대신, 양의 피치를 제어하는 코 RCS 노즐은 차량 측면에 장착되었고 아래쪽으로 경사졌다. 아래쪽을 향하는 음의 피치 추진기는 꼬리/후방 동체에 장착된 OMS 포드에 위치해 있었다.
4. 국제우주정거장 (ISS) 시스템
국제 우주 정거장은 1차 자세 제어를 위해 전력을 사용하는 제어 모멘텀 자이로스코프(CMG)를 사용하며, RCS 추력기 시스템은 백업 및 보조 시스템으로 사용한다.[5]
참조
[1]
웹사이트
"What is RCS?" by NASA in a PDF file.
https://ntrs.nasa.go[...]
[2]
웹사이트
REACTION CONTROL SYSTEM
https://science.ksc.[...]
[3]
간행물
Reaction Control System Performance Characterization using Vacuum Chamber Thrust Stand
https://arc.aiaa.org[...]
American Institute of Aeronautics and Astronautics
2020-08-17
[4]
웹사이트
Project Gemini - A Chronology. Part 1 (B)
https://www.nasa.gov[...]
2024-08-27
[5]
문서
http://forum.nasaspaceflight.com/index.php?action=dlattach;topic=34777.0;attach=586775
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