[논문 리뷰] Exploring the Outer Solar System with Solar Sailing Smallsats on Fast-Transit Trajectories and In-Flight Autonomous Assembly of Advanced Science Payloads

Slava G. Turyshev, Henry Helvajian외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 10.

Astro and Planetary Science참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양 sails로 추진되는 소형 위성(20 kg 이하)을 사용하여 외계 태양계로의 빠른 항로(연간 약 ~10 AU 이내)를 구현하고, 비행 중 자율적으로 조립되는 고도로 발전된 과학 장비를 실현하는 새로운 미션 아키텍처를 제안한다. 이 방법은 모듈형이고 재건전성 있는 시스템을 통해 저비용, 빈도 높고 재구성 가능한 행성 과학 미션을 가능하게 하며, 장비의 다수 배치와 미션의 내구성을 향상시킨다.

ABSTRACT

We discuss the in-flight autonomous assembly as the means to build advanced planetary science payloads to explore the outer regions of the solar system. These payloads are robotically constructed from modular parts delivered by a group of smallsats (< 20 kg) which are placed on fast solar system transfer trajectories while being accelerated by solar sail propulsion to velocities of ~10 AU/yr. This concept provides the planetary science community with inexpensive, frequent access to distant regions of the solar system with flexible, reconfigurable instruments and systems that are assembled in flight. It permits faster revisit times, rapid replenishment and technology insertions, longer mission capability with lower costs. It also increases the science capabilities of smallsats via the use of modular, redundant architectures and allows for proliferation of sensing instrumentation throughout the solar system.

연구 동기 및 목표

• 행성 과학 미션을 위한 외계 태양계로의 빈도 높고 저비용 접근을 가능하게 하기 위해.
• 기존 소형 위성의 한계를 극복하기 위해 비행 중 조립을 통해 고도화되고 재구성 가능한 과학 장비를 실현하기 위해.
• 태양 추진을 활용하여 약 10 AU/년의 고속도 항로를 확보해 외행 星으로의 항행 시간을 단축시키기 위해.
• 모듈형이고 재건전성 있는 아키텍처를 통해 미션 수명과 기술 업데이트 주기를 향상시키기 위해.
• 다양한 플랫폼에 분산 배치된 다수의 장비를 통해 태양계 전역의 감지 능력을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 태양 sails를 장착한 소형 위성(20 kg 이하)을 사용하여 외계 태양계로의 빠른 항로를 확보하기 위해.
• 다수의 소형 위성으로부터 모듈형 장비 부품을 배치하고, 로봇 시스템을 이용해 비행 중 자율적으로 조립하기 위해.
• 우주에서의 자율적 도킹 및 결합 기술을 활용해 과학 장비의 비행 중 조립을 수행하기 위해.
• 시스템의 내구성과 미션 수명을 향상시키기 위해 모듈형이고 재건전성 있는 장비 아키텍처를 설계하기 위해.
• 태양 sails 추진을 통해 우주선을 약 10 AU/년의 속도로 가속시켜 빠른 항행을 가능하게 하기 위해.
• 조립된 구조물에 고급 장비를 통합하여 고정밀 행성 과학 측정을 지원하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 sails로 추진되는 소형 위성은 외계 태양계로의 항행 속도를 약 10 AU/년으로 도달할 수 있는가?
• RQ2 모듈형 소형 위성들을 이용해 비행 중 자율적으로 과학 장비를 조립하는 것이 가능한가?
• RQ3 모듈형이고 재건전성 있는 아키텍처는 미션의 내구성 향상과 운영 수명 연장에 기여하는가?
• RQ4 비행 중 조립은 빠른 기술 통합과 미션 재구성 가능성을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 이 아키텍처를 통해 태양계 전역에 걸쳐 감지 능력을 다수 확산시킬 잠재력은 무엇인가?

주요 결과

• 태양 sails 추진을 통해 외계 태양계로의 빠른 항행 미션을 구현할 수 있으며, 속도는 약 10 AU/년 이내이다.
• 비행 중 자율 조립을 통해 소형 위성들이 운반한 모듈형 부품들로 고도로 발전된 재구성 가능한 과학 장비를 조립할 수 있다.
• 모듈형이고 재건전성 있는 아키텍처는 기존 소형 위성의 한계를 초월해 미션의 내구성과 운영 능력을 크게 향상시킨다.
• 이 방법은 빠른 기술 통합과 미션 갱신 주기를 지원하여 빈도 높고 저비용의 행성 과학 미션을 실현할 수 있다.
• 다양한 플랫폼에 조립된 장비를 통해 분산된 다수의 감지 능력을 확보함으로써 태양계 전역에서의 과학적 수확과 커버리지가 증가한다.
• 2023–2032년 탐사 계획서에서 제안된 바와 같이, 이 미션 아키텍처는 향후 외계 태양계 탐사의 저비용이고 확장 가능한 솔루션으로 실현 가능하다.