[논문 리뷰] De-orbiting Small Satellites Using Inflatables

Aman Chandra, Jekan Thangavelautham|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 11.

Spacecraft Dynamics and Control인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 작동하는 데 전력이나 제어 시스템이 필요 없는 수동적이고 저비용의 탈궤 시스템을 제안한다. 이 시스템은 위상이 뒤집힌 위성이 특정 자세에 도달했을 때 자동으로 펼쳐지는 팽창식 구조를 사용한다. 팽창된 공기역학적 낙하우산은 대기 저항을 증가시켜, 높은 고도(예: 700 km)에서도 수개월 내에 빠르게 탈궤할 수 있게 하며, 추진 시스템이나 복잡한 기계적 탈궤 장치의 단순한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Small-satellites and CubeSats offer a low-cost pathway to access Low Earth Orbit at altitudes of 450 km and lower thanks to miniaturization and advancement in reliability of commercial electronics. However, at these low altitudes, atmospheric drag has a critical effect on the satellite resulting in natural deorbits within months. As these small systems further increase in reliability and radiation tolerance they will be able readily access higher orbits at altitudes of 700 km and higher, where atmospheric drag has little to no effect. This requires alternative technologies to either de-orbit these small spacecrafts at the end of life or move them to a safe parking orbit. Use of propulsion and de-orbit mechanisms have been proposed, however they require active control systems to be trigged. Other typical de-orbit mechanism relies on complex mechanisms with many moving parts. In this work, we analyze the feasibility of using inflatable de-orbit devices that are triggered passively when a spacecraft is tumbling. Inflatables have already been proposed as hypersonic deccelerators that would carry large payload to the Martian surface. However, these systems are quite complex and need to withstand high-forces, temperature and enable survival of a critical payload. Furthermore, inflatables have been proposed as communication antennas and as structures using a class of sublimates that turn into gas under the vacuum of space. These inflatables system are relatively simple and does not require a specialized inflation system.

연구 동기 및 목표

• 450 km 이상 고도에서 운영되는 소형 위성으로 인한 궤도 폐기물 증가 문제를 해결하기 위해, 자연적인 대기 감쇠가 무시할 수 없는 고도에서의 문제를 해결한다.
• 활동 제어 시스템이나 복잡한 움직이는 부품이 필요 없는 수동적이고 신뢰할 수 있는 탈궤 기구를 개발한다.
• 최종 운영 종료 시에 대기 저항을 증가시키기 위한 단순한 진공 활성 팽창 구조를 사용할 수 있는지 탐색한다.
• 특수한 공기 주입 장치나 높은 구조적 복잡성 없이도 700 km 고도에서 빠른 탈궤를 달성할 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 위성의 배치 후 태공된 큐브위성에서 방출된 경량의 진공 활성 팽창 구조가 환경에 노출되면 자동으로 펼쳐진다.
• 진공 상태에서 고체에서 기체로 직접 변화하는(昇華하는) 물질에 의해 팽창이 유도되며, 이는 압축 가스 탱크가 필요 없음을 의미한다.
• 펼쳐진 팽창 구조는 위성의 단면적을 크게 증가시키는 큰 수동식 공기역학적 낙하우산을 형성한다.
• 증가된 저항력은 표준 대기 저항 방정식을 사용하여 계산되며, 배치 시점은 위성의 흔들림 운동 동역학에 기반한다.
• 이 방법은 전원이나 명령 신호 없이 환경 촉발(진공 및 승화)을 통해 수동적으로 배치되므로, 필요 없는 기계적 복잡성과 에너지 소비를 피할 수 있다.
• 궤도 감쇠는 표준 궤도 역학 모델을 사용해 시뮬레이션되며, 저항 계수와 면적 조정은 팽창 구조의 기하학적 형태에 따라 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동적이고 진공 활성 팽창 구조가 저궤도에서 신뢰성 있게 펼쳐지고 공기역학적 낙하우산으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 팽창된 구조는 어느 정도 대기 저항을 증가시켜 700 km 고도에서 빠른 탈궤를 가능하게 하는가?
• RQ3 복잡성과 신뢰성 측면에서 전통적인 추진 시스템이나 기계적 탈궤 장치와 비교해 팽창식 탈궤 시스템의 성능은 어떠한가?
• RQ4 효율적인 탈궤를 위해 필요한 최소한의 팽창 시간과 구조적 안정성은 얼마인가?

주요 결과

• 팽창식 탈궤 시스템은 700 km 고도에서 수개월 내에 빠르게 탈궤할 수 있으며, 자연적인 감쇠에 비해 대기 재진입까지의 시간을 크게 단축시킨다.
• 펼쳐진 팽창 구조 덕분에 기존 위성 대비 저항 계수는 10배 이상 증가한다. 이는 큰 효과적 면적 덕분이다.
• 승화 물질을 통한 수동적 배치 방식은 전원, 밸브, 또는 복잡한 메커니즘의 필요성을 제거하여 신뢰성을 향상시킨다.
• 이 방법은 확장 가능하며 큐브위성과 소형 위성에 적용 가능하므로, 기반 시스템과 장기 임무에 저비용 솔루션을 제공한다.