[논문 리뷰] The High Inclination Solar Mission

K. Kobayashi, Les Johnson외 15명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 04.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 25인용 수 9

한 줄 요약

고기울기 태양 미션(HISM)은 태양풍을 이용한 태양 sails를 활용해 75°를 초과하는 태양적 궤도 기울기를 달성하는 우주선을 제안한다. 이는 태양 크루이저 미션의 기술을 기반으로 하며, 0.26 mm/s²의 특성 가속도로 6.7년 내에 60° 기울기에 도달할 수 있음을 입증한다. 이는 원거리 및 현장 측정 장비를 통해 태양과 행성대의 극지역을 초고해상도로 관측할 수 있게 하며, 태양우주학적 연구에 있어 새로운 기록을 수립한다.

ABSTRACT

The High Inclination Solar Mission (HISM) is a concept for an out-of-the-ecliptic mission for observing the Sun and the heliosphere. The mission profile is largely based on the Solar Polar Imager concept: initially spiraling in to a 0.48 AU ecliptic orbit, then increasing the orbital inclination at a rate of $\sim 10$ degrees per year, ultimately reaching a heliographic inclination of $>$75 degrees. The orbital profile is achieved using solar sails derived from the technology currently being developed for the Solar Cruiser mission, currently under development. HISM remote sensing instruments comprise an imaging spectropolarimeter (Doppler imager / magnetograph) and a visible light coronagraph. The in-situ instruments include a Faraday cup, an ion composition spectrometer, and magnetometers. Plasma wave measurements are made with electrical antennas and high speed magnetometers. The $7,000\,\mathrm{m}^2$ sail used in the mission assessment is a direct extension of the 4-quadrant $1,666\,\mathrm{m}^2$ Solar Cruiser design and employs the same type of high strength composite boom, deployment mechanism, and membrane technology. The sail system modelled is spun (~1 rpm) to assure required boom characteristics with margin. The spacecraft bus features a fine-pointing 3-axis stabilized instrument platform that allows full science observations as soon as the spacecraft reaches a solar distance of 0.48 AU.

연구 동기 및 목표

• 황도면을 초월한 지속 가능한 고기울기 태양 관측을 위한 실현 가능한 미션 개념을 개발하기 위해.
• 태양 크루이저 미션의 태양 sails 기술을 활용해 저감속, 연료 없는 궤도 삽입 및 기울기 변화를 가능하게 하기 위해.
• 이전 미션으로는 도달할 수 없었던 위치에서 태양의 극지역과 행성대를 원거리 및 현장 측정 장비로 관측할 수 있도록 하기 위해.
• 실제 sails 특성과 궤도 최적화를 기반으로 한 미션 성능 및 기술 준비도를 평가하기 위해.
• 현재 또는 근래의 태양 sails 기술을 사용해 75° 기울기를 합리적인 시간 내에 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 1,666 m²의 태양 크루이저 설계에서 유도된 7,000 m²의 태양 sails를 사용하며, 고강도 복합 보강봉과 막대 기술을 적용한다.
• 지구(C3 = 0)에서 0.48 AU까지 2.6년 간의 내향 나선 궤도를 이륙하며, 최적의 추진력을 확보하기 위해 변동하는 콘 각도를 사용한다.
• 0.48 AU에서, 일정한 태양 거리와 증가하는 기울기를 유지하기 위해 '크랭킹' 단계에 진입하며, 고정된 35.3° 콘 각도와 270° 시계 방향 각도를 사용해 횡방향 추진력을 최대화한다.
• 나선 단계와 크랭킹 단계의 궤도는 각각 sail 특성 가속도(Ac) 기반의 최소 시간 궤도 모델을 사용해 별도로 최적화하였다.
• 원거리 감지 장비를 위해 3축 안정화 및 정밀 지향 기능을 갖춘 장비 플랫폼을 장착하여 2 arcminute 지향 정밀도와 7 arcsec/초의 안정성을 확보한다.
• 질량 추정과 특성 가속도는 구성 요소 수준 분석을 기반으로 하였으며, 기본 설계에서는 240 kg의 건조 질량과 0.26 mm/s²의 Ac(여유 고려)를 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 또는 근래의 기술을 사용해 태양 sails 미션이 75°를 초과하는 태양적 기울기를 달성할 수 있는가?
• RQ2 태양 sails 추진력을 사용해 0.48 AU에 도달하고 고기울기를 확보하는 데 필요한 최소 시간은 얼마인가?
• RQ3 sail 특성 가속도가 고기울기 태양 미션의 미션 기간과 궤도 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 7,000 m²의 sails가 고태양 위도에서 장기적인 과학 운영을 위해 충분한 추진력과 안정성을 제공할 수 있는가?
• RQ5 고정밀 원거리 감지 및 현장 측정을 수행할 수 있는 과학(payload)의 질량 및 전력 요구사항은 무엇인가?

주요 결과

• HISM 미션은 0.26 mm/s²의 특성 가속도를 가진 sails를 사용해 8.0년 내에 75°의 태양적 기울기를 달성할 수 있으며, 이는 240 kg의 건조 질량과 7,000 m²의 sails 면적을 기반으로 한다.
• 기본 설계에서 Ac = 0.26 mm/s²일 경우, 0.48 AU까지의 내향 나선 궤도는 2.2년이 소요되며, 궤도 최적화 결과와 일치한다.
• Ac = 0.26 mm/s²일 경우 60° 기울기는 6.7년 내에 도달하며, 여유 고려 시 Ac = 0.22 mm/s²일 경우 7.9년 내에 도달한다. 이는 10년 이내에 실현 가능함을 입증한다.
• 3축 안정화 장비 플랫폼을 통해 2 arcminute 지향 정밀도와 7 arcsec/초의 안정성을 확보하여 고해상도 원거리 감지가 가능하다.
• 차량 내 연료가 없기 때문에, 미션 수명은 연료 공급의 한계가 아니라 구성 요소 수명과 자금 조달에 의해 제한된다.
• 7,000 m²의 sails는 태양 크루이저 설계의 직접적인 연장선으로, 동일한 보강봉, 전개 및 막대 기술을 사용하므로 확장 가능성에 대한 타당성을 입증한다.