[논문 리뷰] Ion Beam Shepherd for Contactless Space Debris Removal

Claudio Bombardelli, J. Peláez|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 07.

Space Satellite Systems and Control참고 문헌 8인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 고체 이온 추진기의 집중된 고속 이온 비례를 이용해 궤도 잔해를 접촉 없이 탈궤시키는 '이온 비임펠러(ion beam shepherd, IBS)' 개념을 제안한다. 최신 기술 수준의 이온 추진기를 사용할 경우, 총 우주선 질량 300kg 미만으로 5톤의 잔해를 약 7개월 만에 탈궤시킬 수 있으며, 저궤도에서 대규모 잔해 제거의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

A novel concept for contactless active removal of large space debris is proposed exploiting the use of a high-speed targeted ion beam. The ion beam shepherd spacecraft (IBS) is equipped with an electric propulsion system generating a quasi-neutral plasma pointed against the space debris to remotely modify its orbit without physical contact with the latter. The beam shepherd must be equipped with a secondary propulsion system which counteracts the reaction force exerted by the ion beam hence keeping the distance between the space debris constant throughout the deorbit (or reorbit) process. A preliminary analysis of the concept is provided highlighting the expected performance and the main technologicals challenges. The concept has the potential of making large debris removal operations possible in the near future.

연구 동기 및 목표

• 혼잡한 저궤도에서 비기능성 잔해 물체가 연쇄 충돌 효과를 유발할 위험이 증가하고 있는 상황을 해결하기 위해, 특히 저궤도(LEO)에서 밀도가 높은 비기능성 물체에 대한 위협을 다루기 위해.
• 도킹이나 물리적 캡처 없이도 접촉 없이 안전하고 효율적인 방식으로 큰 잔해 물체(예: 1톤 이상)를 탈궤시키는 방법을 개발하기 위해.
• 현재의 전기 추진 기술을 기반으로 한 이온 비임펠러(IBS) 우주선의 성능과 체계 수준의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 실제 제약 조건 하에 총 질량 최소화와 탈궤 효율 최대화를 위한 IBs 시스템 최적화를 위해.

제안 방법

• IBS는 주로 이온 추진 시스템을 통해 고도로 빛산된 고속 이온 비례를 타깃 잔해 물체에 조준하여 운동량을 전달하고 궤도를 변화시킨다.
• 잔해에 작용하는 힘은 비례의 운동량 유량에 기반하며, 완전한 타격과 미미한 스퍼터링 효과를 가정한다.
• 이중 추진기 구성이 모델링되었으며, 이온 추진기 두 대가 70%의 효율을 가지며, 최적의 비례 임펄스를 위해 이rvine-Stuhlinger 특성 속도와 최적의 배출 속도를 갖춘다.
• 전원 시스템의 특별 질량(5kg/kW), 구조 질량(150kg), 그리고 일정한 탄성 추진력 프로파일을 최적화하여 시스템의 총 질량을 최소화한다.
• 해석 모델을 사용하여 1000km에서 300km 고도 사이의 원형 궤도에서 잔해의 탈궤 시간과 필요 질량을 계산한다.
• 현재 이온 추진기로 구현 가능한 낮은 비례 분산(15° 이하)을 가정하여, 잔해에서 안전한 거리에서 안전하게 운영 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온 비임펠러 우주선은 물리적 접촉 없이 큰 우주 잔해(1톤 이상)를 효과적으로 탈궤시킬 수 있는가?
• RQ2 일정한 탄성 추진력 조건 하에서 총 IBs 시스템 질량을 최소화하기 위해 최적의 비례 임펄스와 추진력 배출 속도는 무엇인가?
• RQ3 주어진 IBs 시스템 구성 조건에서 탈궤 시간은 잔해 질량에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 비례-타깃 정렬 유지 및 반사된 이온 관리에서 발생하는 주요 기술적·물리적 과제는 무엇인가?
• RQ5 비례의 중심 압력과 잔해의 질량 중심 사이의 정렬 오차가 자세 제어 및 운영 안전성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 5톤의 잔해 물체는 총 질량 300kg 미만의 IBS를 사용해 1000km에서 300km 고도로 약 7개월 만에 탈궤시킬 수 있다.
• 최적의 비례 임펄스는 Irving-Stuhlinger 특성 속도와 동일한 배출 속도에 해당하며, 이는 주어진 탈궤 작업에서 총 시스템 질량을 최소화한다.
• 구조 질량 150kg, 전원 시스템 특별 질량 5kg/kW를 가정할 경우, 5톤 이하의 잔해 질량에 대해 총 IBs 질량이 300kg 이하로 유지된다.
• 현재의 전기 추진 하드웨어, 특히 낮은 비례 분산(15° 이하)을 갖춘 이온 추진기를 사용할 경우, 이 개념은 실현 가능하며 안전하고 접촉 없는 운영이 가능하다.
• 비정상적인 조건, 예를 들어 비례 정렬 오차와 반사된 이온은 자세 제어 및 오염 위험을 유발하므로 향후 추가 연구가 필요하다.
• IBS 개념은 특히 고도의 교통이 많고 비협조적인 큰 물체가 있는 궤도 지역에서 활성 잔해 제거를 위한 유망하고 확장 가능한 솔루션을 제공한다.