연료없이 궤도변경해 인공위성 수명을 늘릴 수 있는 태양광돛/ LightSail 2, IKAROS

인공위성은 궤도에 일단 안착하면 스스로 궤도를 바꾸거나 자세를 바꾸지 않으면 영구히 지구를 도는 게 아니라, 여러 원인으로 궤도가 바뀐다고 합니다. 위성궤도는 저궤도는 미미한 지구대기 기체분자의 저항을 받고, 위에서도 지구중력의 미세한 변화영향 등 여러 원인으로 궤도가 바뀐다고^[각주:1] 합니다. 그래서 예비연료를 어느 정도 가지고 있다가 위치를 고수하는 데 쓰는 거죠.^[각주:2] 국제우주정거장(ISS)도 고도를 유지하기 위해 연료를 사용하고, '아직은' 지구에서 유지보수우주선이 갈 수 없는 먼 거리에서 태양을 공전하는 케플러 우주망원경은 연료가 떨어져 수명이 다 돼간다는 판정을 받았습니다.

하지만 지금 연구되는 solar sail.. 태양돛을 잘 활용할 수 있게 되면, 적어도 얼마간 도움이 될 수 있을 것 같습니다.^[각주:3]  기사를 읽고 정리+상상 몇 가지 적어봅니다.

소개한 기사에서는 행성탐사, 심우주 탐사를 보다 작은 탐사선, 적은 비용으로 하려는 목적을 보고 있다고 합니다. 이 연구 자체는 민간단체가 한 것이지만 우주에 올리는 데는 미국 국방부 지원을 받았는데, 한 번에 여러 위성을 여러 궤도에 안착시키고 이동시키는 조지아공대 프로젝트 Prox-1. 

팰콘 헤비 발사체가 쏘아올리는 미군의 다른 클러스터 위성덩어리에 덤으로 붙어 Prox-1이 위성궤도로 올라가는데, 720km고도에서 LishtSail 2가 분리(아래 그림을 보면 사출?)된 다음 점점 돛을 펴서 고도를 점점 높여갈 거라 합니다.

[아하! 우주] ‘햇빛’ 만으로 추진되는 ‘무한동력’ 우주선 뜬다 - 서울신문 2019.6.4

NASA는 달탐사선과 심우주탐사선에 적용할 계획이라고 합니다.

개인이 쏘아올려 달궤도나 지구-달 라그랑주 포인트를 공전하는 탐사선, 대학이 쏘아올린 화성탐사선.. 이런 게 언제쯤 올까요. ^^ 가야 할 거리가 짧으면 비용이 적게 들지 시간은 많이 잡아먹지만, 길면 속력도 빨라집니다. 돛이라서 갖는 제약을 빼면 이온로켓하고 비슷한 구석이 있는데, 얻을 수 있는 추력은 미미하지만 우주를 날아가는 내내 가속도를 받으니 말입니다. (그런데, 햇볕이 미약한 - 그래서 태양광발전량이 미약한 - 태양계 외곽에서는 저게 어느 정도 힘을 받을 수 있을까요?)

http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/2017/20170721-lightsail-2-updates-prox-1-launch-dates.html

Jason Davis • May 9, 2019

LightSail 2 Integrated with Prox-1 Carrier Spacecraft

http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/lightsail-2-integrated-prox-1.html

발사체에 올리기 전 라이트세일2가 가방 안에 들어가는 크기입니다.

https://en.wikipedia.org/wiki/LightSail

LightSail 2 ADCS: From Simulation to Mission Readiness

By Ms. Barbara A. PLANTE1), Dr. David A. SPENCER2), Dr. Bruce BETTS3), Mr. Sean CHAIT2), Dr. John M. BELLARDO4), Mr. Alex DIAZ5), and Mr. Ich PHAM1)

위성이 지구를 공전하며 위성의 운동방향이 태양빛과 같은 방향일 때는 돛을 태양을 등지게 펴서 그 광압을 온전하게 받아 가속하고, 위성의 운동방향이 태양빛을 거스를 때는 돛을 세워서 광압을 받지 않도록 하기. 이걸 반복해서 운동에너지를 얻어 지구를 공전하는 고도를 조금씩 올리기.^[각주:4] 

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail

http://www.planetary.org/explore/projects/lightsail-solar-sailing/what-is-solar-sailing.html

https://news.nationalgeographic.com/2016/02/160202-solar-sail-space-nasa-exploration/

https://science.howstuffworks.com/solar-sail1.htm

* 이런 종류로 최초는 일본 JAXA IKAROS^[각주:5]입니다.

설명(국문) http://jjy0501.blogspot.com/2014/05/jaxa-ikaros.html

탐사선 본체만이 아니라, 접어 넣은 솔라 세일에도 박막태양전지를 넣었다고.

https://www.space.com/25800-ikaros-solar-sail.html

2010년 기준 탐사선 예산은 180억원, 일본 자체 발사체(H2A)에 실어 올림. 금성으로 가는 다른 탐사선과 같이 올라감.

https://en.wikipedia.org/wiki/IKAROS

발사 후 첫 몇 달 동안 계획된 실험은 모두 끝났다고. 

얇은 박막을 펼치기 위해 자세제어로켓^[각주:6]을 쓰지 않고 아래와 같이 원심력을 이용했는데, 이것 자체는 성공. 하지만 이후 돛과 자세를 제어하는 데 지장이 생겨 통신과 발전이 간헐적이 되었던 모양.

이카로스의 발사질량은 315kg로, 2013년 8월말(그러니까 발사럇 40개월 후)까지 약 400m/s 정도 빨라졌다고 계산되었는데, 그 시점에서도 계속 "가속" 중. 이후 교신하며 추가데이터를 얻었지만 전력부족으로 가끔 동면. 마지막 교신은 2015년이며, 지구에서 1.1억 km 떨어져있고 태양으로부터는 1.3억 km 떨어진 곳.

JAXA의 이카로스 설명

https://global.jaxa.jp/countdown/f17/overview/ikaros_e.html

https://global.jaxa.jp/press/2010/06/20100616_ikaros_e.html

탑재한 카메라(2대)로 찍은 이카로스 사진. 각 카메라는 1회용으로, 돛을 편 다음 스프링으로 사출해 이카로스의 사진을 여러 장 찍어 위성 본체에 전송한 다음 끝.

DEVELOPMENT OF FIRST SOLAR POWER SAIL DEMONSTRATOR - IKAROS

Osamu Mori, Hirotaka Sawada, Ryu Funase, Tatsuya Endo, Mutsuko Morimoto,

Takayuki Yamamoto, Yuichi Tsuda, Yasuhiro Kawakatsu, Jun'ichiro Kawaguchi

http://issfd.org/ISSFD_2009/AOCSI/Mori.pdf

HIIA 17호 로켓은 지구궤도에 오른 후, 운반중량 여유를 활용해 실은 피기백 위성 3기를 분리. 그런 후 2단 엔진을 재점화해 태양을 공전하는 궤도(태양주회궤도 heliocentric orbit)까지 올라간 후 피기백위성 중 남은 1기와 이카로스를 분리. 이후 그래도 연료가 남아서 지구-달 스윙바이로 가속하지 않고 바로 호만 전이 궤도를 타고 가 탐사선을 금성으로.. ^[각주:7]

돛에는 안쪽부터 먼지 계수기, 박막태양전지, 방향조정기가 있습니다. 방향조정기는 전기로 방향조정기가 있는 면적의 반사율을 바꿔주는 것. 광자를 많이 반사하면 힘이 많이 걸릴 것이고, 적게 반사하면 힘이 적게 걸릴 겁니다. 그리고 무게중심은 가운데 우주선 본체이므로.. 그렇단 이야기. 아래 다른 그림에 자세한 설명이 나옵니다.

돛 방향제어

돛대가 되는 줄(?)을 펴는 데 3분 20초. 그것을 따라 박막을 완전히 펴는 데 50분. 완성된 사각돛의 대각선 길이는 약 20미터라는데, 돛부분의 한 변 길이는 그림을 보면 13.56미터. 크네요.

논문 본문에 발췌하지 않은 그림이 여럿 있습니다. 시스템 설명 등.

일본어 위키백과에 내용이 조금 더 있습니다.

https://ja.wikipedia.org/wiki/IKAROS

일본어를 모르더라도 크롬이나 웨일 브라우저를 쓴다면 웹브라우저 번역기능으로 보세요. 크로뮴이나 파이어폭스 웹브라우저를 쓴다면 네이버 파파고번역 부클릿이나 구글번역 부클릿을 써도 됩니다.

기계번역 번역문이 매끄럽진 않지만, 일본어 입문이라도 해봤거나, 기계번역한 글이나 어설픈 번역문을 좀 봤다면 무슨소리하는지는 어렵지 않게 알 수 있습니다. 아직까지는 정말 이상하게 써놓은 부분도 있어서 그런 건 원문을 봐야 하지만.

- 이카로스 본체는 감마선 버스트 관측기(GAP) 탑재. 관측값 송신했음.

- 태양광돛으로 지구 근처에서 약 1.1×10−3 N 을 얻음.

- 2010년 12월 8일, IKAROS는 금성에서 80800km거리 통과.^{[각주:8] [각주:9]}이카로스 미션의 계획된 부분은 이때 달성. 이후에는 탐사선을 쓸 수 있을 때까지 굴리는 후기 운용.

- 태양돛 자세제어가 온전치 못해 태양을 보는 각이 좋아야 충전되고, 마침 그 시점에 지구가 교신가능위치에 있어야 통신가능. 공식적으로는 2015년에 임무 종료.

- JAXA가 처음부터 IKAROS를 저지른(^^) 건 아니고, 그걸 보내기 전에 5미터급 돛을 가진 6kg짜리 위성^[각주:10], 10미터급 돛을 단 적외선카메라탑재위성을 지구궤도상에 올려 펴보는 발사실험을 해봤음. 그 두 번은 다 실패.

1. 무엇보다 고도가 내려가다 대기권진입해 불타게 된다는 이야기. 미르나 텐궁처럼. [본문으로]
2. 큰 위성은 자세제어용 스러스터말고도, 그 궤도로 올라갈 때 사용한 자체 로켓엔진을 가지고 있어서 연료가 남아 있으면 사용합니다. [본문으로]
3. 현실적인 어려움은 있습니다.얻을 수 있는 순간 추력이 작다 보니 넓은 돛을 꽤 오래 펴두어야 하기 때문에. 그래도 정상동작하는 위성을 새로 발사해 대체하는 것보다는 잠시 운영정지하고 궤도를 올리는 게 싸게 먹히겠지만요. [본문으로]
4. 그러고 보니, 붙잡고 있을 바닷물이 없어서 요트 돛조종 원리( http://newt.phys.unsw.edu.au/~jw/sailing.html )는 쓸 수 없겠군요 [본문으로]
5. 이쪽 분야가 그렇듯이 일부러 그렇게 연상하고 읽으라고 이름지을 때 생각했겠지만, 이카루스가 아니라 이카로스라고 읽습니다. 오징어구이(이카-로스)는 아닙니다. ^^a; [본문으로]
6. 이카로스 자체는 자세제어로켓을 가지고 있음. 돛을 펴는 데는 전기만 썼다는 말 [본문으로]
7. https://ja.wikipedia.org/wiki/あかつき_(探査機) [본문으로]
8. 같이 발사된 아카쓰키(あかつき（第24号科学衛星: PLANET-C or VCO（Venus Climate Orbiter、金星気候衛星 https://ja.wikipedia.org/wiki/あかつき_(探査機) )와 비슷한 시기에 금성주위를 통과했습니다.단, 아카쓰키는 이카로스를 분리한 다음 추진력을 더 받은 모양인데.. 이카로스가 금성까지 가는 항해동안 태양광돛으로 얼마나 도움받았는 지는 따로 검색해보지 않았습니다. [본문으로]
9. 그런데 태양쪽으로 접근하는 것은 태양으로 떨어지는 것일 테니까, 지금의 공전속도를 줄이는 데 태양광 돛으로 얻을 운동에너지를 쓰면 된다는 모양입니다. 하지만 그것만으로 끝나는 것은 아니고 제대로 금성 중력권에 들어가야 하기 떄문에, 화성가기보다 만만하지 않다는 말을 하는 사람도 있습니다. [본문으로]
10. 이것을 쏘아올리는 데 사용한 것이 M-V 로켓(일본의 고체연료 위성발사체 시리즈). [본문으로]