[논문 리뷰] Rendezvous Mission for Interstellar Objects Using a Solar Sail-based Statite Concept

Richard Linares, Damon Landau외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 23.

Spacecraft Dynamics and Control참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양풍 압력으로 인해 고정된 위치를 유지하는 태양 sails 기반의 정지위치 위성(statites)—즉, 우주에서 정지해 있는 우주선—을 활용하여 '아우마우아'와 보리스프 같은 간성체(ISOs)와 빠르고 추진제가 없는 도킹을 가능하게 한다. 정지위치 위성의 태양풍 압력에 의한 추진력과 조종 가능한 광학판 제어를 통해 태양에 대해 고정된 위치를 유지하고 궤도를 조정함으로써, 단 몇 개월의 예측 시간만으로도 고속으로 이동하는 간성체를 추적하는 데 필수적인 고델타-비(Δv) 조작을 수행할 수 있다.

ABSTRACT

Using the "statite," or static-satelite, concept -- an artificial satellite capable of hovering in place using a solar sail -- this work proposes to create a dynamic orbital slingshot in anticipation of Interstellar Objects (ISOs) passing through our solar system. The existence of these ISOs offers a unique scientific opportunity to answer fundamental scientific questions about the origin of solar system volatiles, the compositions of exo-solar systems, and the transfer rates of material between solar systems. However, due to their high heliocentric velocities and relatively short lead time, it may be extremely difficult to visit ISOs with current satellite propulsion systems. This work investigates the statite concept as applied to ISO missions and demonstrates potential configurations for optimal ISO flyby and rendezvous missions.

연구 동기 및 목표

• 고해면속도를 가지며 발견 후 도래 창이 짧은 간성체(ISOs)를 추적하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 기존 화학 추진 시스템이 간성체와의 신속하고 즉각적인 행성간 도킹을 달성하는 데 한계를 가진다는 점을 극복한다.
• 대규모 추진제 질량이 필요 없이 태양풍 기반 정지위치 위성을 활용하여 간성체에 대한 플라잉바이 및 도킹 미션의 가능성을 입증한다.
• 잠재적인 간성체 접근 방향을 전 세계적으로 커버할 수 있는 최적의 정지위치 위성 기구 구성 방식을 조사한다.
• 태양 전기 추진과 태양풍 제어의 조합이 도킹 능력 향상과 미션의 융통성 향상에 어떻게 기여하는지 평가한다.

제안 방법

• 정지위치 위성 개념을 활용—태양풍 압력이 태양의 중력에 의해 상쇄되어 태양으로부터의 거리에 관계없이 고정된 위치를 유지할 수 있도록 한다.
• 력 균형 방정식 적용: 중력력 = 태양 복사압력력, 정지위치 위성의 정지 조건을 위한 임계 면적-질량 비율은 0.625 m²/g이다.
• 정지위치 위성에서 분리된 후 태양풍 제어를 통해 자유낙하 또는 제어된 태양 중심 궤도를 생성하는 궤도 설계 모델링.
• '오우마우아'(2017)와 보리스프(2019)와 같은 두 개의 알려진 간성체에 대해 도킹 및 플라잉바이 미션을 시뮬레이션하여 비행 시간과 델타-비 요구량 평가.
• 기준으로 1 AU에 위치한 정지위치 위성을 사용하여, 태양풍 기반의 추진력과 방향 조절을 통해 달성 가능한 속도 변화 계산.
• 에너지 기반 추정치를 사용해 미션 성능 평가—예를 들어 정지위치 위성의 탈출 속도를 분석하여 최대 연간 25 AU까지의 속도 도달 가능성을 보여줌.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양풍 기반 정지위치 위성이 단 4~16개월의 예측 시간만으로도 간성체를 추적하기에 충분한 델타-비(Δv)를 확보할 수 있는가?
• RQ2 간성체의 쌍곡선 궤도의 궤도 기하학적 특성이 정지위치 위성에서 출발하는 도킹 미션의 가능성과 비행 시간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 잠재적인 간성체 접근 방향을 전 세계적으로 커버하기 위한 최적의 정지위치 위성 기구 구성은 무엇인가?
• RQ4 태양 전기 추진의 추가가 정지위치 위성 기반 간성체 도킹 미션의 성능과 융통성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 정지위치 위성이 추진제 없이 수행하는 고속 조작 능력이 고속도로 이동하는 간성체를 신속하고 저력으로 추적하는 데 얼마나 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 정지위치 위성 개념은 태양풍 압력과 태양 중력을 균형적으로 유지함으로써 태양으로부터의 거리에 관계없이 어떤 거리에서든 정지할 수 있으며, 이를 위해 면적-질량 비율이 0.625 m²/g여야 한다.
• '오우마우아'의 경우 1 AU에 위치한 정지위치 위성에서 출발하는 도킹 미션은 약 1.5년의 비행 시간으로 실현 가능했지만, 보리스프의 경우 궤도 기하학적 특성으로 인해 더 긴 비행 시간이 필요했다.
• 정지위치 위성이 추진제 없이도 고델타-비(예: 1 AU에서 연간 187 km/s)를 달성할 수 있다는 점은 고속도 간성체 도킹에 이상적인 조건이다.
• 궤도 분석 결과, 정지위치 위성이 정지 상태에서 각운동량이 0이므로 비형성 평면의 간성체와도 도킹이 가능함을 보여주었다.
• 이 방법은 정지위치 위성이 '오우마우아'의 이중점근선 방향과 유리하게 대칭되어 있어 보다 쉽게 도킹이 가능하다는 점을 입증하였다.
• 에너지 기반 추정치는 정지위치 위성이 태양 쪽으로 자유낙하한 후 태양풍 기반의 광학판 제어를 통해 속도를 유지함으로써 최대 연간 25 AU까지의 탈출 속도를 달성할 수 있음을 보여주었으며, 바이러스 1호의 3.6 AU/년보다 훨씬 빠른 속도이다.