[논문 리뷰] Threat Mitigation: The Asteroid Tugboat

Russell B. Schweickart, C. R. Chapman외 2명|ArXiv.org|2006. 08. 15.

Space exploration and regulation인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 지구 근처 소행성(NEO)에 도킹하여 속도 벡터에 평행한 연속 추진력을 통해 궤도를 휘게 하는 전기 추진을 사용하는 로봇 우주선인 아스타로이드 터보우트(AT)를 제안한다. 10년 전에 배치함으로써 AT는 궤도 불확실성을 줄이고, 탐사 활동을 수행하며, 소행성을 재정렬하고, 핵전기 추진 시스템을 사용해 최대 800미터 지름의 잠재적으로 위험한 NEO를 정밀하게 휘게 할 수 있다.

ABSTRACT

The Asteroid Tugboat (AT) is a fully controlled asteroid deflection concept using a robotic spacecraft powered by a high efficiency, electric propulsion system (ion or plasma) which docks with and attaches to the asteroid, conducts preliminary operations, and then thrusts continuously parallel to the asteroid velocity vector until the desired velocity change is achieved. Based on early warning, provided by ground tracking and orbit prediction, it would be deployed a decade or more prior to a potential impact. On completion of the initial rendezvous with the near-Earth object (NEO) the AT would first reduce the uncertainty in the orbit of the asteroid via Earth tracking of its radio transponder while it is station keeping with the asteroid. If on analysis of tracking data a deflection is required the AT would execute a reconnaissance phase collecting and processing information about the physical characteristics of the asteroid to support subsequent operations. The AT would then dock at the appropriate pole (i.e. on the spin axis), attach to the asteroid surface, and initiate a NEO reorientation maneuver. Following completion of the NEO reorientation the AT would initiate the deflection phase by thrusting continuously parallel to the asteroid velocity vector until the resultant target orbit is achieved. The orbit of the asteroid is continuously monitored throughout the deflection process and the end state is known in real time. If one assumes a nuclear-electric propulsion (NEP) system similar to that formerly under development in the recently canceled Prometheus Program, the AT would be capable of deflecting threatening NEOs up to 800 meters in diameter or more.

연구 동기 및 목표

• 지구를 위협하는 근지구체(NEO)에 대해 완전히 제어 가능한 로봇 기반의 방어 방법을 개발하기 위해.
• 크고 위험한 NEO를 정밀하게, 장기간의 준비 기간을 두고 분열 위험을 최소화하면서 방어하는 데 도전하기 위해.
• 지속적인 추적 및 전자기기 데이터를 통해 방어 중에 최종 궤도를 실시간으로 모니터링하고 지식을 확보하기 위해.
• 핵전기 추진(NEP) 시스템이 태양계 외부 소행성 방어 임무에 적용 가능한지를 입증하기 위해.
• 방어 이전에 장기간의 정지 유지와 무선 추적을 통해 NEO 궤도 예측의 불확실성을 줄이기 위해.

제안 방법

• 위협적인 NEO에 도킹하기 위해 고효율 이온 또는 플라즈마 전기 추진 장치를 탑재한 로봇 우주선을 투입하기 위해.
• 지구 기반의 추적을 통해 전자기기 전파를 수신함으로써, 소행성 근처에서 지속적인 정지 유지 운행을 통해 궤도 불확실성을 감소시키기 위해.
• 소행성의 구성, 자전, 구조에 대한 물리적 데이터를 수집하기 위해 탐사 단계를 수행하기 위해.
• 추진력 벡터를 속도 벡터와 일치시키기 위해 소행성의 자전 극에 도킹하고, 소행성을 재정렬하기 위해.
• 소행성의 속도 벡터에 평행한 연속 추진력을 통해 시간이 지남에 따라 궤도를 변화시키기 위해.
• 방어 과정 全 과정 동안 소행성의 궤도를 실시간으로 모니터링하여 원하는 궤도로 도달하는지 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기 추진을 사용하는 로봇 우주선이 분열 위험이 없이 큰 NEO를 정밀하게 제어 가능한 방식으로 휘게 할 수 있는가?
• RQ2 지속적인 정지 유지와 전자기기 추적은 방어 이전에 NEO 궤도의 불확실성을 얼마나 효과적으로 줄이는가?
• RQ3 프로메테우스 프로그램에 취소된 것과 유사한 핵전기 추진 시스템을 사용할 경우, 최대 몇 미터 지름의 NEO를 휘게 할 수 있는가(최대 800m까지)?
• RQ4 자전 극에 도킹함으로써 추진력 벡터의 최적 정렬이 어떻게 가능해지는가?
• RQ5 이 방법을 사용한 성공적인 방어를 위해 필요한 준비 기간과 임무 일정은 어떻게 되는가?

주요 결과

• 아스타로이드 터보우트 개념은 프로메테우스 프로그램에서 개발된 것과 유사한 핵전기 추진 시스템을 사용해 최대 800미터 지름의 NEO를 성공적으로 휘게 할 수 있다.
• 지속적인 정지 유지와 무선 추적은 소행성의 궤도 불확실성을 크게 감소시켜 정밀한 임무 계획 수립을 가능하게 한다.
• 자전 극에 도킹함으로써 안정적인 결합과 추진력의 속도 벡터와의 최적 정렬이 가능해져 방어 효율을 극대화한다.
• 방어 과정은 실시간으로 지속적으로 모니터링되어, 임무 전반에 걸쳐 최종 궤도가 알려지고 제어 가능하다.
• 임무 아키텍처는 10년 이상의 준비 기간을 허용하여 조기에 투입하고 점진적·제어 가능한 방식으로 방어를 수행할 수 있다.
• 전기 추진의 사용은 높은 특별 임펄스와 지속적인 추진력을 보장하여 장기간의 저력 추력 방어 조작에 이상적이다.