[논문 리뷰] A Novel Entry, Descent and Landing Architecture for Mars Landers

Malaya Kumar Biswal. M, Ramesh Naidu. A|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 23.

Space Exploration and Technology인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 대규모 및 탑승자 동반 화성 탐사선을 위한 소프트 랜딩을 가능하게 하고 추락 착륙을 방지하기 위해 고안된 혁신적인 충격 흡수형 착륙거탑 시스템을 제안한다. 고급 재료와 기계적 설계 원리를 활용하여, 통신 장애, 소프트웨어 오류 및 시스템 고장으로 인한 고조도의 추락 착륙 문제를 완화하고, 착륙의 핵심 단계인 5~8분 간의 진입·내림내림·착륙(EDL) 단계에서의 성공률을 높이는데 목적이 있다.

ABSTRACT

Landing robotic spacecrafts and humans on the surface of Mars has become one of the inevitable technological necessity for humans. To accomplish this intention, we need to land enormous number of cargoes, crewed modules, return vehicles and scientific laboratories on Mars. In this entailing condition, there are many incidences of crash landing leading to complete demolition of lander modules. Crash landing occurs under numerous circumstances. Significant problems were loss of communication, onboard command error, lander malfunction, software problem and premature EDL performance. Moreover, existence of deformable shock absorbers like Aluminium honeycomb and crushable carbon fibers in landing gears are not feasible for high scale mass and crewed landing. Consequently, it may cause impairment of landing module. Further, while evaluating the interim EDL performance, landing and switching EDL events within a limited span of 5 to 8 minutes appears to be the most challenging task. Scrutinizing this concern, we propose a novel shock absorbing landing gear system that will be more achievable for large scale and frequent landing missions. This paper relies on theoretical proposition of practical design of landing gear system and we expect that, subject to any obstruction in EDL sequence, this mechanical system will enable soft-landing thereby increasing the probability of success in forthcoming landing missions. Hence, our ultimate aim is to protect lander modules and their instruments during the course of landing.

연구 동기 및 목표

• 통신 장애, 소프트웨어 오류, 시스템 고장으로 인한 화성 EDL 단계에서의 높은 추락 착륙 비율을 해결하기 위해.
• 고질량 및 탑승자 동반 착륙 임무에서의 한계를 보이는 기존의 변형 가능한 충격 흡수 장치(예: 알루미늄 허니콤, 압축 가능한 탄소섬유)를 극복하기 위해.
• 대규모 및 빈번한 화성 착륙 임무를 수행할 수 있도록 기계적으로 내구성이 뛰어난 착륙거탑 시스템을 설계하기 위해.
• 제한된 5~8분 창구 내에서 신뢰성 있는 성능을 확보하여 EDL 절차의 성공 확률을 높이기 위해.
• 내림내림 및 착륙 단계 동안 구조적 손상을 방지하기 위해 탐사선 모듈과 탑재된 기기들을 보호하기 위해.

제안 방법

• 고질량 및 탑승자 동반 화성 탐사선을 위한 특화된 이론적 기계적 설계를 제안하여 새로운 충격 흡수 착륙거탑 시스템을 개발한다.
• 기존의 압축 가능한 흡수 장치를 대체하기 위해 고급 재료를 활용하여 구조적 내구성과 에너지 흡수 능력을 강화한다.
• 진입·내림내림·착륙(EDL)의 최종 단계에서 고강도 충격 흡수 성능을 최적화한다.
• 내장된 명령 시퀀스와 시간 제약 조건에 맞게 시스템을 광범위한 EDL 아키텍처에 통합한다.
• 비판적인 EDL 이벤트 동안 고장 위험을 줄이기 위해 소프트웨어 의존도를 낮추고 기계적 신뢰성을 우선시한다.
• 미래의 대규모 화물 및 탑승자 동반 화성 임무를 지원하기 위해 확장 가능한 설계를 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 및 탑승자 동반 차량을 위한 착륙거탑 시스템은 어떻게 설계되어야 하며, 고강도 충격력을 신뢰성 있게 흡수할 수 있는가?
• RQ2 5~8분의 운영 창구 내에서 EDL 성공률을 높이기 위해 어떤 기계적 설계 원리가 유용한가?
• RQ3 기존의 충격 흡수 장치(예: 알루미늄 허니콤, 탄소섬유)는 어떤 방식으로 더 견고한 대체재로 대체될 수 있는가?
• RQ4 착륙거탑 시스템은 내림내림 및 착륙 단계에서 모듈 파손 위험을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ5 순수 기계적이고 소프트웨어에 의존하지 않는 접근 방식을 통해 어떤 수준의 신뢰성 및 내구성 향상이 달성될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 착륙거탑 시스템은 이론적으로 대규모 및 탑승자 동반 화성 탐사선의 소프트 랜딩을 가능하게 할 수 있다.
• 이 시스템은 EDL 동안 탑재된 명령 오류, 소프트웨어 실패, 통신 장애로 인한 위험을 완화하도록 설계되었다.
• 기존의 충격 흡수 장치(예: 알루미늄 허니콤, 압축 가능한 탄소섬유)는 고질량 및 탑승자 동반 착륙에 부적합하다고 판단된다.
• 기계적 설계 접근 방식은 비판적인 EDL 단계에서 소프트웨어 및 실시간 제어에 대한 의존도를 줄여 신뢰성을 향상시킨다.
• 이 시스템은 충격력 효과적으로 관리하고 민감한 기기를 보호함으로써 성공적인 착륙 확률을 높일 것으로 기대된다.
• 기존 EDL 시스템의 주요 고장 원인을 해결함으로써 빈번하고 확장 가능한 착륙 임무를 지원하는 아키텍처를 제공한다.