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달전이궤도투입

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목차

1. 개요

달전이궤도투입(TLI)은 우주선을 지구에서 달로 보내는 데 사용되는 궤도 진입 방식이다. 1959년 소련의 루나 1호가 처음 시도했으나 실패했고, 루나 2호가 성공적으로 달에 도달했다. 미국은 1962년 레인저 4호를 통해 처음으로 TLI를 성공했으며, 아폴로 8호는 TLI를 수행한 최초의 유인 우주선이다. TLI는 1990년 일본, 1994년 미국, 2007년 중국, 2008년 인도 등 여러 국가에서 사용되었다. TLI의 모델링에는 패치드 코닉스, 제한된 3체 문제, 추가적인 정밀도 모델이 사용되며, 무유도 귀환 궤도를 설계하여 안전성을 확보하기도 한다.

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달전이궤도투입
개요
유형궤도 기동
목적지구 저궤도에서 달 궤도로 진입
추진 시스템일반적으로 로켓 엔진 사용
연료액체 또는 고체 추진제
절차
준비 단계우주선을 목표 궤도로 이동시키고 자세를 안정화함.
엔진 점화로켓 엔진을 점화하여 필요한 속도 변화(Δv)를 제공함.
궤도 수정엔진 작동 중 궤적을 모니터링하고 필요에 따라 수정함.
엔진 정지목표 속도와 궤도에 도달하면 엔진을 정지함.
고려 사항
타이밍지구와 달의 상대적 위치를 고려하여 최적의 시점에 수행해야 함.
속도 변화 (Δv)필요한 속도 변화량은 궤도 설계에 따라 달라짐.
연료 소비연료 소비를 최소화하는 것이 중요함.
기타
관련 항목궤도 역학
호만 전이 궤도
양력

2. 역사

달전이궤도투입(TLI)은 1959년 소련의 루나 1호를 시작으로 여러 나라에서 시도되었다. 초기에는 소련과 미국이 주도하였으며, 이후 일본, 유럽, 중국, 인도 등도 TLI 기술을 활용한 달 탐사에 참여하였다.

2. 1. 초기 역사

달전이궤도투입(TLI)을 사용한 최초의 시도는 1959년 1월 2일 소련의 루나 1호였다.[9] 그러나 로켓 연소 문제로 인해 우주선은 달을 지나쳐 태양 중심 궤도로 진입했다. 1959년 9월 12일 루나 2호는 TLI를 더 정확하게 수행하여 이틀 후 달에 추락했다.[10]

TLI를 수행한 최초의 유인우주선은 1968년 12월 21일에 발사된 아폴로 8호이다. 이는 지구 저궤도를 벗어난 최초의 인간이 탑승한 우주선이었다.[14] 아폴로 8호의 TLI는 하와이 제도에서 새벽 하늘을 배경으로 장관을 이루며 관측되었다.[15]

이후 여러 국가 및 기관에서 TLI를 활용한 달 탐사를 시도했다.

  • 1990년 일본은 히텐 위성을 통해 새로운 저 델타-v TLI 방법을 탐구했다.
  • 1994년 미국의 클레멘타인 우주선은 3주간의 TLI를 사용했고,[17]
  • 1997년 아시아새트 3호는 달의 영향권에 도달한 최초의 상업 위성이 되었다.[17]
  • 2003년 ESA의 SMART-1 위성은 태양열 이온 엔진을 사용했으며,
  • 2007년 중국은 창어 1호를,
  • 2008년 인도는 찬드라얀 1호를 통해 TLI를 수행했다.
  • 2011년 NASA의 GRAIL 위성은 저 델타-v 경로를 사용했다.[13]
  • 2020년 12월 1일, 중국국가항천국(CNSA)의 창어 5호가 TLI를 수행해 달에 착륙했다.[18]

2. 2. 유인 우주 비행

TLI를 수행한 최초의 유인우주선은 1968년 12월 21일에 발사된 아폴로 8호이다. 지구 저궤도를 이탈한 최초의 인간이다.[11] 아폴로 8호는 발사 후 사흘 만에 달에 도착하였다. 승무원들은 궤도를 도는 20시간 동안 크리스마스 이브 텔레비전 방송을 하였는데, 이들은 성서의 창세기를 읽었다. 이 순간은 미국 텔레비전 프로그램의 시청률이 역대 최고를 기록했다.

아폴로 달 임무의 경우, TLI는 새턴 V 로켓의 S-IVB 3단에 있는 재시동 가능한 J-2 엔진으로 수행되었다. 이 TLI 연소는 약 350초 동안 지속되었으며, 속도 변화는 3.05~3.25 km/s (10,000~10,600 ft/s)였다. 이 시점에서 우주선은 지구에 대해 약 10.4 km/s (34150 ft/s)의 속도로 이동했다.[14] 아폴로 8호 TLI는 와이키키 남쪽의 새벽 하늘에서 하와이 제도에서 장관을 이루며 관찰되었고, 다음 날 신문에 사진과 함께 보도되었다.[15] 1969년에는 아폴로 10호의 새벽 TLI가 오스트레일리아 클론커리에서 보였다. 그것은 안개 속에서 언덕 위로 오는 자동차 헤드라이트와 비슷하게 묘사되었으며, 우주선은 녹색을 띤 밝은 혜성처럼 보였다.[16]

2. 3. 그 외 우주선

1990년 일본은 히텐 위성을 사용하여 달을 지나가고 하고로모 마이크로위성을 달 궤도에 배치하는 첫 번째 달 임무를 시작했다. 그 후, 6개월의 전송 시간(아폴로의 경우 3일과 비교)으로 새로운 저 델타-v TLI 방법을 탐구했다.[17][13]

1994년 미국 ''클레멘타인'' 우주선은 경량 기술을 선보이기 위해 설계되었으며 달 궤도에 진입하기 전에 두 번의 중간 지구 비행을 통해 3주간의 TLI를 사용했다.[17][13]

1997년 아시아새트 3호는 발사 실패 후 달을 두 번 지나며 원하는 정지 궤도에 도달하는 저 델타-v 방식으로 달의 영향권에 도달한 최초의 상업 위성이 되었다. 그것은 달 표면에서 6200km 이내를 통과했다.[17][13]

2003년 ESA SMART-1 기술 시연 위성은 달을 공전하는 최초의 유럽 위성이 되었다. 정지 궤도 천이 궤도 (GTO)로 발사된 후, 태양열을 이용한 이온 엔진을 사용하여 추진력을 얻었다. 극도로 낮은 델타-v TLI 기동으로 인해 우주선은 달 궤도에 도달하는 데 13개월 이상, 원하는 궤도에 도달하는 데 17개월이 걸렸다.[13]

중국은 2007년에 첫 번째 달 임무를 시작하여 창어 1호 우주선을 달 궤도에 배치했다. 그것은 여러 번의 연소를 사용하여 원지점을 천천히 높여 달 근처에 도달했다.[13]

인도는 2008년에 찬드라얀 1호를 GTO로 발사했으며, 중국 우주선과 마찬가지로 여러 번의 연소를 통해 원지점을 증가시켰다.[13]

이스라엘 항공 우주 산업의 연착륙선 ''베레시트''는 2019년에 이 기동을 사용했지만 달에 추락했다.

2011년 NASA GRAIL 위성은 저 델타-v 경로를 사용하여 달로 갔으며, 태양-지구 L1 지점을 지나 3개월 이상 걸렸다.[13]

2020년 12월 1일, 중국국가항천국(CNSA)은 창어 5호가 오후 11시 11분(현지시간) 계획한 지점에 착륙하고 달 표면 사진을 보내왔다고 발표했다.[18] TLI를 수행해 달에 착륙한 창어 5호는 창정 5호 로켓으로 발사되었다. 창정 5호 로켓은 25톤 인공위성을 지구 저궤도에 운반할 수 있으며, TLI 임무에는 9.4톤의 우주선을 운반할 수 있다. 창어 5호의 무게는 8.2톤이다. 우주인 3명이 탑승하는 러시아 소유즈 우주선이 7.2톤이다. 즉, 유인우주선 보다 약간 무거우면 무인 로버를 달에 착륙시켰다가 회수해 올 수 있다.

GRAIL-A 궤도 애니메이션


찬드라얀 2호의 궤도 애니메이션


LRO 궤도 애니메이션

3. TLI 모델링

달 전이 궤도 투입(TLI)은 여러 천체의 상호작용을 고려해야 하는 N체 문제의 한 예시이며, 다양한 방식으로 근사할 수 있다.

가장 간단한 방법은 패치드 코닉스 방법이다. 이 방법은 우주선이 달의 영향권에 도달할 때까지는 지구가, 그 이후에는 달만이 우주선의 가속도에 영향을 준다고 가정한다. 즉, 고전적인 2체 역학만을 고려한다. 이 시스템에서의 운동은 결정론적이며 계산이 쉬워 대략적인 임무 설계나 "개략적인 계산" 연구에 적합하다.

보다 현실적인 방법으로는 제한 삼체 문제(RC3B)가 있다. 이 모델에서는 지구와 달의 중력이 우주선의 가속도를 지배하고, 우주선 자체의 질량은 무시할 수 있다고 가정한다. 이 모델은 더 정확하지만 해석적인 해가 없어[7] 수치 계산이 필요하다.[8]

더욱 정밀한 시뮬레이션에는 달의 실제 궤도 운동, 다른 천체의 중력, 지구와 달의 중력장 불균일성, 태양풍을 포함한 태양 복사 압력 등을 고려해야 한다. 이러한 모델은 계산량이 많지만, 실제 임무 정확도를 위해서는 필수적이다.

3. 1. 패치드 코닉스(Patched Conics)

달 전이 궤도 투입(TLI) 타겟팅 및 달 전이는 다양한 방식으로 근사될 수 있는 N체 문제의 한 가지 예시이다. 달 전이 궤적을 찾는 가장 간단한 방법은 패치드 코닉스 방법이다. 이 방법에서는 우주선이 달의 영향권에 도달할 때까지는 지구가 우주선의 가속에 영향을 주는 유일한 천체라고 가정하고, 이후에는 달이 유일한 영향을 주는 천체라고 가정한다. 즉, 고전적인 2체 역학만을 고려한다. 패치드 코닉스 시스템에서의 운동은 결정론적이며 계산하기 쉬우므로, 대략적인 임무 설계나 "개략적인 계산" 연구에 적합하다.

3. 2. 제한된 3체 문제(Restricted Circular Three Body, RC3B)

그러나 보다 현실적으로 우주선은 많은 물체로부터의 중력 영향을 받는다. 지구와 달의 중력이 우주선의 가속도를 지배하며, 우주선 자체의 질량은 이에 비해 무시할 수 있으므로, 우주선의 궤적은 제한 삼체 문제로 더 잘 근사될 수 있다. 이 모델은 더 근접한 근사치이지만 해석적인 해를 갖지 못하여[7], 수치 계산이 필요하다.[8]

3. 3. 추가적인 정밀도

더욱 상세한 시뮬레이션에는 달의 실제 궤도 운동 모델링, 다른 천체의 중력, 지구와 달의 중력장의 불균일성, 태양풍을 포함한 태양 복사 압력 등이 포함된다. 이러한 모델에서 우주선 운동을 전파하는 것은 수치적으로 많은 계산량을 필요로 하지만, 실제 임무 정확도를 위해서는 필수적이다.

4. 무유도 귀환 궤도(Free Return)

달 주회 무유도 귀환 궤도의 개략도 (축척 아님)


어떤 경우에는 우주선이 달 뒤로 루프를 돌고 추가적인 추진 기동 없이 지구로 귀환하도록 설계된 무유도 귀환 궤도를 목표로 하는 TLI를 설계하는 것이 가능하다.[2]

이러한 무유도 귀환 궤도는 초기 TLI 연소 후 우주선이 "무료로" 지구로 귀환하기 때문에 유인 우주 비행 임무에 안전성을 더한다. 아폴로 8호, 아폴로 10호, 아폴로 11호는 무유도 귀환 궤도로 시작했으며,[3] 이후 임무에서는 중간 궤도 수정을 통해 달에 도달해야 하는 기능적으로 유사한 하이브리드 궤도를 사용했다.[4][5][6]

참조

[1] 웹사이트 Hiten https://nssdc.gsfc.n[...] NASA
[2] 서적 Trajectories in the Earth-Moon Space with Symmetrical Free Return Properties https://ntrs.nasa.go[...] NASA / Marshall Space Flight Center
[3] 웹사이트 Apollo 10 http://www.nasa.gov/[...] 2017-05-18
[4] 웹사이트 APOLLO 12 https://history.nasa[...]
[5] 간행물 Ways to the Moon http://www.esa.int/e[...]
[6] 웹사이트 Launch Windows Essay https://history.nasa[...]
[7] 문서 Henri Poincaré, ''Les Méthodes Nouvelles de Mécanique Céleste'' Paris, Gauthier-Villars et fils 1892-99
[8] 문서 Victor Szebehely, ''Theory of Orbits, The Restricted Problem of Three Bodies'' Yale University, Academic Press 1967
[9] 웹사이트 Luna 01 https://solarsystem.[...] NASA 2019-06-10
[10] 웹사이트 NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details https://nssdc.gsfc.n[...]
[11] 웹사이트 Soviet Missions to the Moon https://nssdc.gsfc.n[...]
[12] 웹사이트 Ranger 4 https://solarsystem.[...] NASA
[13] 웹사이트 Beyond Earth https://www.nasa.gov[...] NASA
[14] 웹사이트 Apollo By the Numbers https://history.nasa[...] NASA
[15] 뉴스 Independent Star News, Sunday, December 22, 1968 https://newspaperarc[...] 1968-12-22
[16] 서적 In the Shadow of the Moon University of Nebraska Press
[17] 논문 A Review of Technical Requirements for Lunar Structures – Present Status https://www.research[...]
[18] 웹인용 중국 "창어 5호, 달 표면에 성공적으로 착륙" https://imnews.imbc.[...] 2020-12-02


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