[논문 리뷰] Airships: A New Horizon for Science

Sarah H. Miller, Robert Fesen외 34명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 26.

Aerospace Engineering and Energy Systems참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고도(층류권) 및 저고도 기상기구를 장기간, 비용 효율적으로 활용하여 천체물리학, 지구과학 및 대기과학 분야의 과학적 관측을 위한 플랫폼으로 제안한다. 정지 유지 기능과 장기 비행 능력을 활용함으로써 기존 위성, 고고도 고도 기상기구 및 비행기와 보완되는 지속적이고 융통성 있는 과학 임무를 가능하게 하며, 상층 대기 및 근지구 환경에 대한 지속적이고 저비용의 과학 접근의 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

The "Airships: A New Horizon for Science" study at the Keck Institute for Space Studies investigated the potential of a variety of airships currently operable or under development to serve as observatories and science instrumentation platforms for a range of space, atmospheric, and Earth science. The participants represent a diverse cross-section of the aerospace sector, NASA, and academia. Over the last two decades, there has been wide interest in developing a high altitude, stratospheric lighter-than-air (LTA) airship that could maneuver and remain in a desired geographic position (i.e., "station-keeping") for weeks, months or even years. Our study found considerable scientific value in both low altitude (< 40 kft) and high altitude (> 60 kft) airships across a wide spectrum of space, atmospheric, and Earth science programs. Over the course of the study period, we identified stratospheric tethered aerostats as a viable alternative to airships where station-keeping was valued over maneuverability. By opening up the sky and Earth's stratospheric horizon in affordable ways with long-term flexibility, airships allow us to push technology and science forward in a project-rich environment that complements existing space observatories as well as aircraft and high-altitude balloon missions.

연구 동기 및 목표

• 기존 및 신규 개발 중인 기상기구 기술의 과학적 잠재력을 평가하여 우주, 지구 및 대기 과학을 위한 안정적이고 장기적인 관측 플랫폼으로서의 가능성을 분석한다.
• 위성, 기상기구 및 고고도 비행기와 같은 기존 플랫폼보다 우월하거나 보완할 수 있는 핵심 과학적 적용 분야를 특정한다.
• 정지 유지 및 지속적인 관측이 가능한 비결속 층류권 기상기구와 연결된 고정 기상기구의 실현 가능성 여부를 평가한다.
• 학계, 항공우주 산업 및 나사(NASA) 간의 다학문적 협력을 구축하여 기상기구 기반 과학 임무의 발전을 이룬다.
• 기상기구를 층류권 및 저공 대기에서 장기적인 과학 캠프에 활용 가능한 프로젝트 기반의 융통성 있는 대안으로 위치시킨다.

제안 방법

• 계크 우주연구소에서 기존 및 신규 개발 중인 기상기구 기술의 현황을 종합적으로 평가하기 위한 연구를 수행하였다.
• 저고도(40,000피트 이하) 및 고고도(60,000피트 초과) 영역에서의 기상기구 성능 특성을 평가하였다.
• 층류권에서의 이동성 및 장기적인 정지 유지 능력을 갖춘 비결속 기상기구의 능력을 분석하였다.
• 이동성보다 지속적인 정지 유지가 우선시되는 경우에 연결된 고정 기상기구가 실현 가능한 대안임을 평가하였다.
• 과학 기구(예: 천체망원경, 대기 센서 등)를 기상기구 플랫폼에 통합하는 능력을 평가하였다.
• 나사 제플린연구소(NASA JPL), 캘테크(Caltech), UCI, 노스롭 그룸먼(Northrop Grumman) 및 산업 파트너와 협력하여 임무 개념과 과학적 성과를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 층류권에서 60,000피트 이상 고도에서 장기간 운영되는 고고도 기상기구 플랫폼이 어떤 과학 분야에서 유용한가?
• RQ2 비용, 지속 가능성 및 과학적 융통성 측면에서 기상기구는 위성, 고고도 기상기구 및 비행기와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 지속적인 정지 유지 및 기구 설치에 있어 기상기구의 기술적 및 운영적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 어떤 과학 임무에서 연결된 고정 기상기구가 비결속 기상기구보다 열등한 대안이 되는가?
• RQ5 기상기구 플랫폼은 천체물리학, 지구 관측 및 대기 과학 분야에서 어떤 새로운 지속적 관측 캠프를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 60,000피트 이상 고도에서 운영되는 층류권 기상기구는 대기 간섭이 최소화된 상태에서 천체물리학 관측에 안정적이고 장기적인 플랫폼을 제공한다.
• 40,000피트 이하 저고도 기상기구는 기상, 오염 및 기후 변화 모니터링을 포함한 지구 및 대기 과학 분야에서 중요한 관측 플랫폼을 제공한다.
• 고정된 위치에서의 지속적인 정지 유지가 요구되는 경우 연결된 고정 기상기구가 비결속 기상기구의 실현 가능한 대안으로 확인되었다.
• 기상기구는 상층 대기 및 근지구 환경에 지속적이고 융통성 있으며 저비용으로 접근할 수 있도록 하여, 저지구궤도 임무와 고고도 기체 기상기구 캠페인 사이의 핵심 격차를 메운다.
• 이 연구는 기상기구가 우주론, 행성 과학 및 태양물리학 등 여러 분야에서 다양한 과학 기구를 지원할 수 있음을 입증하였다.
• 협력 연구의 결과, 기상기구는 과학 임무의 프로젝트 기반 특성과 기술 보완 능력을 지닌 플랫폼으로서, 우주 및 지구 관측 프로그램의 전체 과학 포트폴리오를 강화할 수 있음을 도출하였다.