[논문 리뷰] Project Lyra: Catching 1I/'Oumuamua -- Using Laser Sailcraft in 2030

Adam Hibberd, Andreas M. Hein|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 06.

Maritime and Coastal Archaeology참고 문헌 41인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 2030년 발사로 1I/'Oumuamua라는 간성 간 물체를 추적하기 위해 레이저 세일 미션을 제안하며, 축소된 Breakthrough Starshot 레이저 어레이를 활용해 세일세프를 300 km/s(~0.001c)로 가속시킵니다. 궤도 시뮬레이션 결과 최소 440일의 비행 시간이 필요하며, 간성 간 물체와의 도킹은 82 AU를 초월한 곳에서 이루어지며, 화학 추진 미션에 비해 더 빠르고 확장 가능한 대안을 제공합니다.

ABSTRACT

Discovered in October 2017, the interstellar object designated 1I/'Oumuamua was the first such object to be observed travelling through our solar system. 1I/'Oumuamua has other characteristics never seen before in a celestial body and in-situ observations and measurements would be of extraordinary scientific value. Previous studies have demonstrated the viability of spacecraft trajectories to 'Oumuamua using chemical propulsion with a Solar Oberth burn at a perihelion as low as a few solar radii. In addition to chemical propulsion, there is also the possibility of missions involving light sails accelerated by the radiation pressure of a laser beam from a laser located on Earth. Based on a scaled-down Breakthrough Starshot beaming infrastructure, interplanetary missions and missions to the outer solar system have been proposed using lower sailcraft speeds of 0.001c relaxing the laser power requirements (3-30 GW for 1-100 kg spacecraft) and various other mission constraints. This paper uses the OITS trajectory simulation tool, which assumes an impulsive $Δ$V increment, to analyze the trajectories which might be followed by a sailcraft to 'Oumuamua, with a launch in the year 2030 and assuming it has already been accelerated to a maximum speed of 300km/s (approx. 0.001c) by the laser. A minimum flight duration of 440 days for a launch in July 2030 is found. The intercept would take place beyond 82 AU. We conclude that the possibility of launching a large number of spacecraft and reaching 1I much faster than chemical propulsion would circumvent several disadvantages of previously proposed mission architectures.

연구 동기 및 목표

• 1I/'Oumuamua, 즉 관측된 바 있는 첫 번째 간성 간 물체를 추적하기 위한 레이저 세일 미션의 실현 가능성을 평가하는 것.
• 장기간의 비행 시간과 높은 델타-비 요구 조건 등 화학 추진 미션의 한계를 극복하는 것.
• 심우주 간성 간 물체 도킹을 위한 축소된 Breakthrough Starshot 레이저 인프라의 성능을 평가하는 것.
• 임펄시브 델타-비 궤도 모델을 사용하여 2030년 발사에 적합한 최적의 발사 창과 미션 기간을 결정하는 것.
• 레이저 세일 기술이 전통적 화학 추진에 비해 더 빠르고 확장 가능한 미션을 가능하게 한다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 임펄시브 델타-비 조작을 통해 세일세프 궤도를 모의하는 OITS 궤도 시뮬레이션 도구를 사용한다.
• 레이저 추진이 발사 전에 세일세프를 300 km/s(0.001c)로 가속시킨다고 가정하며, 이는 축소된 Breakthrough Starshot 아키텍처와 일치한다.
• 2030년 발사 창을 기준으로 설정한 미션 프로파일을 모델링하며, 1I/'Oumuamua로 향하는 도킹 궤도에 집중한다.
• 궤도 역학 원리를 적용하여 82 AU를 초월한 곳에서 최소 비행 시간과 도킹 위치를 계산한다.
• 세일세프 질량(1–100 kg), 레이저 출력(3–30 GW), 태양계 역학 등 미션 제약 조건을 고려한다.
• 델타-비와 비행 시간 지표를 사용하여 화학 추진 대안과의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2030년 7월에 발사된 레이저 세일 세프가 1I/'Oumuamua를 도킹하기 위해 필요한 최소 비행 시간은 얼마인가요?
• RQ2 축소된 레이저 추진 시스템이 82 AU를 초월한 거리에서 타당한 시간 내에 1I/'Oumuamua에 도달할 수 있는 충분한 속도를 확보할 수 있는가요?
• RQ3 간성 간 물체 도킹을 위한 레이저 세일 추진과 화학 추진의 비행 시간과 델타-비 요구 조건 측면에서의 비교는 어떻게 되나요?
• RQ4 2030년에 1I/'Oumuamua로 향하는 레이저 세일 세프 미션을 위한 최적의 발사 창과 궤도 파rameter는 무엇인가요?
• RQ5 다수의 세일세프를 사용할 경우 미션 성공 확률을 높이고 위험을 줄일 수 있는 잠재적 영향은 무엇인가요?

주요 결과

• 300 km/s의 초당 속도를 가정할 경우, 2030년 발사로 1I/'Oumuamua를 도킹하기 위해 최소 440일의 비행 시간이 필요하다.
• 도킹은 해왕성 궤도를 훨씬 초월한 82 AU 이상에서 이루어지며, 이는 미션이 심우주적 성격을 지닌다는 것을 확인한다.
• 레이저 세일 추진은 440일의 비행 시간으로 미션을 수행할 수 있으며, 이는 화학 추진 대안보다 훨씬 빠른 속도를 제공한다.
• 이 미션 아키텍처는 확장 가능하며, 3–30 GW의 낮은 레이저 출력으로 1–100 kg의 페이로드를 위한 다수의 세일세프를 지원할 수 있다.
• 궤도 시뮬레이션은 도킹을 위해 추가 추진 없이 초기 레이저 임펄스만으로도 가능하다는 것을 확인한다.
• 이 접근법은 고연료 질량과 장기간의 항행 시간 등의 화학 추진의 주요 단점을 피하기 위해 0.001c로의 급속 가속을 가능하게 한다.