[논문 리뷰] Ion Beam Shepherd for Asteroid Deflection

Claudio Bombardelli, J. Peláez|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 07.

Astro and Planetary Science참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이온 비임의 비행체를 이용해 소행성의 궤도를 변화시키는 접촉이 없는 소행성 방어 방법인 이온 비임 라이더(Ion Beam Shepherd, IBS) 개념을 제안한다. 이 방식은 고속도의 이온 비를 소행성 표면에 조준하여 동량을 전달하고 궤도를 변화시키는 방식이다. IBS는 중력 트랙터보다 10배 이상 적은 우주선 질량으로도 방어를 가능하게 하여, 근접한 위치에서 정지 유지를 필요로 하지 않으며 제어를 단순화하고, 근래의 또는 최첨단 추진 시스템으로도 실현 가능한 미션 설계를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We present a novel concept to impart a continuous thrust to an Earth threatening asteroid from a hovering spacecraft without need for physical attachment nor gravitational interaction with the asteroid. The concept involves an ion thruster placed at a distance of a few asteroid diameters directing a stream of quasi-neutral plasma against the asteroid surface resulting into a net transferred momentum. As the transmitted force is independent of the asteroid mass and size the method allows deflecting subkilometer asteroids with a spacecraft much lighter when compared to a gravity tractor spacecraft of equal deflection capability. The finding could make low-cost asteroid deflection missions possible in the coming years.

연구 동기 및 목표

• 소행성 방어를 위한 중력 트랙터 개념의 높은 질량과 제어 복잡성 문제를 해결하기 위해.
• 물리적 결합을 피하고 미션 위험을 줄이는 접촉이 없는 방어 방법을 개발하기 위해.
• 중력 트랙터와 비교해 이온 비 추진 시스템의 소행성 방어에서의 질량 효율성과 실현 가능성 평가하기 위해.
• IBS 구조에서 다양한 이온 추진기 및 전원 시스템 구성의 성능 상충 관계를 규명하기 위해.
• 현재 또는 근래의 전기 추진 기술을 활용한 단기 시범 미션의 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• IBS 우주선은 주 이온 추진기를 사용해 고속도, 저산산도의 이온 비를 소행성 표면에 조준하여 동량을 전달하고 궤도를 변화시킨다.
• 동일한 우주선에 장착된 보조 추진기가 반동력을 상쇄하여 소행성과 일정한 거리를 유지하는 안정된 상태를 확보한다.
• 안전한 최대 정지 거리는 $ d_{\text{max}} \backsimeq \frac{s}{2\sin\varphi} $ 로 유도되며, 여기서 $ s $ 는 소행성의 작은 치수이고 $ \varphi $ 는 비의 반원추 각도이다.
• 동량 전달은 완전 비탄성 충돌을 가정하고 산란 효과는 무시하며, 비의 산산도와 조준 오차는 손실 메커니즘으로 고려한다.
• 우주선 질량은 추진제 질량, 전원 시스템 질량(전력 밀도 $ \alpha $ 를 포함), 그리고 구조 질량을 조합하여 계산하며, 특별한 추진 효율과 임펄스 효율을 핵심 매개변수로 사용한다.
• 표준 방어 성능 기준을 사용해 중력 트랙터와 성능을 비교한다: 200m 지름의 소행성에 대해 1년 동안 $ \Delta V = 1.9 \times 10^{-3} \, \text{m/s} $ 의 속도 변화를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소행성 방어에서 이온 비임 라이더 개념은 중력 트랙터 대비 질량 효율성이 어떻게 뛰어나게 되는가?
• RQ2 소행성 표면을 완전히 가로질러 비가 도달할 수 있는 최대 안전 거리는 얼마이며, 충돌 위험 없이 유지 가능한가?
• RQ3 다양한 이온 추진기 효율성과 특별 임펄스가 총 우주선 질량과 추진제 소비에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비의 산산도와 조준 오차가 IBS 시스템에서 동량 손실에 기여하는 상대적 기여도는 얼마인가?
• RQ5 IBS 개념은 현재 또는 근래의 전기 추진 기술을 활용해 실현 가능한 단기 시범 미션을 가능하게 하는가?

주요 결과

• IBS 개념은 동일한 방어 성능을 달성하기 위해 중력 트랙터 대비 필요 우주선 질량을 한 계단 이상 감소시킨다.
• 200m 지름의 소행성에 대해, 근래의 추진 기술(IUS1)을 사용할 경우, 1년 동안 $ 1.9 \times 10^{-3} \, \text{m/s} $ 의 속도 변화를 유도하기 위해 IBS 우주선 질량이 1톤 이하로 충분하다.
• 최첨단 기술(IUS2)을 사용할 경우, 필요 우주선 질량은 여전히 2톤 이하이며, 중력 트랙터의 20톤 대비 현저히 낮다.
• IBS 우주선과 소행성 사이의 상호 중력 인력은 무시할 만큼 작다—두 소행성 지름 거리에서 비의 추진력의 1% 미만이다.
• IBS1 설계는 80%의 추진 효율과 10,000초의 특별 임펄스를 달성하여, $ \alpha = 5 \, \text{kg/kW} $ 조건에서 1년 미션에 최적의 성능을 발휘한다.
• IBS1은 IBS2에 비해 추진제 소비와 전원 요구량이 현저히 낮으며, 추진제 소비는 100kg 미만, 전원 요구량은 100kW 이하로 충분하다.