저에너지 전이

1. 개요

저에너지 전이는 궤도 역학에서 델타-v를 절약하기 위해 사용되는 궤도 전이 방식이다. 1990년 일본의 히텐을 시작으로, 제네시스, SMART-1, GRAIL, 다누리 등 여러 우주선들이 이 방식을 사용했다. 저에너지 전이는 기존의 달 전이 궤도에 비해 델타-v를 절약하여 탑재량을 늘릴 수 있으며, 캡스톤, 베피콜롬보, 다누리 등 현재 진행 중인 임무에서도 활용되고 있다. 유럽 학생 달 궤도선 (ESMO)과 화성 다이렉트 또한 저에너지 전이 방식을 사용할 계획이다.

2. 역사

1991년, 일본의 우주선 히텐이 달로의 저에너지 전이를 처음으로 시연했다. 히텐은 달 스윙바이 도중에 궤도상의 위성 하고로모를 분리했다. 하고로모는 달 궤도에 진입한 것으로 추정되었지만, 통신 장애로 인해 확인하지 못했다.

제트 추진 연구소(JPL)의 에드워드 벨브루노는 이 실패에 대해 듣고, 주 탐사선 히텐이 달 궤도에 진입할 수 있는 탄도 캡처 궤도를 개발하여 미션 구조에 협력했다. 그들이 히텐을 위해 개발한 궤도는 약한 안정 영역의 경계를 사용했으며, 타원형 스윙바이 궤도에 대한 약간의 섭동만 필요했으며, 우주선의 추력기에 의해 달성될 수 있었다. 이 코스에서는 탐사선이 제로 델타 V로 달 궤도에 일시적으로 포착되지만, 호만 전이에서는 3일이 걸리는 데 반해 5개월이나 걸렸다.

이후 저에너지 전이 궤도로 발사한 우주선은 다음과 같다.

2.1. 히텐의 달 탐사

1990년 JAXA가 발사한 일본 최초의 달 탐사선 히텐은 저에너지 전이 궤도를 사용한 우주선이다. 히텐은 달 주위를 스윙바이 하도록 설계되었지만 궤도 진입은 하지 않았다. 히텐은 첫 번째 스윙바이에서 하고로모 부위성을 발사했으며 달 궤도 진입에 성공했을 수도 있지만 통신 오류가 발생했다.

제트 추진 연구소의 에드워드 벨브루노와 제임스 밀러는 이 실패에 대해 듣고, 히텐 본체가 달 궤도에 진입할 수 있도록 탄도 캡처 궤도를 개발하여 임무를 구제하는 데 도움을 주었다. 그들이 히텐을 위해 개발한 궤도는 약한 안정 경계 이론을 사용했으며 타원형 스윙바이 궤도에 작은 섭동만 필요했고, 이는 우주선의 추력기로 충분히 달성할 수 있는 수준이었다. 이 경로는 델타-v가 0으로, 탐사선을 일시적인 달 궤도에 포획시켰지만, 호만 전이에 필요한 3일 대신 5개월이 걸렸다.

2.2. 대한민국 달 탐사선 다누리

* JAXA의 히텐(1990년)은 일본 최초의 달 탐사선이다.
* KARI의 다누리(2022년)는 한국 최초의 달 탐사선이다.

3. 저에너지 전이 궤도를 사용한 임무

저에너지 전이 궤도를 사용한 임무에는 과거에 발사된 히텐(JAXA), 제네시스(NASA), SMART-1(ESA), GRAIL(NASA), 다누리(KARI) 등이 있다.

현재 베피콜롬보(ESA/JAXA), 캡스톤(NASA), SLIM(JAXA) 등의 임무가 진행 중이며, 미래에는 European Student Moon Orbiter^영어 (ESMO)와 Mars Direct 등의 임무가 계획되어 있다.

3.1. 과거의 임무

3.2. 현재 진행 중인 임무

* 베피콜롬보, ESA/JAXA, 2018년
* 캡스톤, NASA
* 다누리(KPLO), KARI, 2022년, 한국 최초의 달 탐사선
* SLIM, JAXA

3.3. 미래 계획 중인 임무

* European Student Moon Orbiter^영어 (ESMO)
* Mars Direct

4. 델타-v (ΔV) 절약

저궤도에서 달 궤도로 이동할 때, 델타-v 절약은 기존의 달 전이 궤도에서 달 근처에서 적용되는 역행 연소와 비교하여 저궤도를 떠난 후 적용되는 연소에서 25%에 육박하며, 탑재량을 두 배로 늘릴 수 있게 해준다.

로버트 파커는 저궤도에서 달 포획까지 9일이 걸리는 경로를 설명했는데, 이 경로에서는 3.5km/s가 소요된다. 벨브루노의 저궤도에서 출발하는 경로는 달 전이 궤도 주입에 3.1km/s의 연소를 필요로 하며, 이는 0.4km/s 이하의 델타-v 절약을 제공한다. 그러나 후자는 저궤도를 떠난 후 큰 델타-v 변화를 필요로 하지 않는데, 이는 재시동이 제한적이거나 궤도상 내구성이 제한적인 상단 로켓을 사용할 경우, 혹은 포획을 위해 우주선이 별도의 주 추진 시스템을 갖춰야 하는 경우 운영상 이점을 가질 수 있다.

화성 위성과의 랑데부의 경우, 포보스에 대해서는 12%, 데이모스에 대해서는 20%의 절약이 가능하다. 랑데부를 목표로 하는 이유는 화성 위성 주위의 안정적인 유사 궤도가 표면에서 10km 이내에서 많은 시간을 보내지 않기 때문이다.