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KR20220142111A - 궤도 천이 장치 - Google Patents

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KR20220142111A
KR20220142111A KR1020210048467A KR20210048467A KR20220142111A KR 20220142111 A KR20220142111 A KR 20220142111A KR 1020210048467 A KR1020210048467 A KR 1020210048467A KR 20210048467 A KR20210048467 A KR 20210048467A KR 20220142111 A KR20220142111 A KR 20220142111A
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rotating body
shifting device
orbital
flywheel
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임성혁
이준성
이기주
박재성
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한국항공우주연구원
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Abstract

일 실시예에 따른 우주 공간 상에서 탑재체의 궤도를 천이 시키는 궤도 천이 장치는, 회전체; 상기 회전체의 중심부에 배치되고 상기 탑재체가 도킹되는 어댑터; 상기 회전체의 외곽에 배치되고 상기 탑재체를 발사시키는 발사 모듈; 및 상기 회전체를 회전시키는 추력기를 포함할 수 있고, 상기 발사 모듈은 상기 탑재체를 목표 궤도로 발사시킬 수 있다.

Description

궤도 천이 장치{ORBIT TRANSITION APPARATUS}
본 발명은 우주 공간 상에서 탑재체의 궤도를 천이 시키는 궤도 천이 장치가 개시된다. 구체적으로, 우주 공간 상에서 우주 플라이휠 원리에 의한 회전체를 이용하여 탑재체를 초기 궤도에서 목표 궤도로 천이 시키는 궤도 천이 장치가 개시된다.
인공위성이란 인간이 설계하고 제작한 위성 체계를 의미한다. 인공위성은 탐사하는 지역을 기준으로 지구 탐사, 행성 탐사, 심우주 탐사 등으로 범주를 나누거나, 우주 임무에 따라서 통신, 원격탐사, 항법,　과학　및 탐구로 구분할 수 있다. 범주가 나뉨에도 불구하고 동일한 조건은 우주환경이라는 것이며, 우주환경에 놓여있기 때문에 무중력, 진공, 태양풍, 방사능 위험 등의 위험에 노출되어 있다. 따라서 인공위성에 탑재되는 전기전자시스템은 이러한 인공위성체가 운용되는 특수적인 조건과 전기전자시스템이 운용되는 환경의 한계를 인지하는 한편 해당 시스템의 요구 조건을 도출하고 임무 요구 조건을 재설정하여 조율할 필요가 있다.
인공위성은 크게 탑재체(payload)와 버스(bus)로 구성된다. 여기서 탑재체는 인공위성의 내부에 위치해 있으면서 부여된 임무를 실제적으로 수행하는 역할을 맡는다. 버스는 탑재체가 운용될 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 구체적으로, 인공위성 탑재체란, 임무 목표와 임무 수행자, 임무 운영 개념 등 임무 기술서에 정의되어 있는 임무를 실제적으로 수행하고 이와 직접적으로 연관된 인공위성의 부분이라 할 수 있다.
우주 공간 궤도 상에서 운영되는 플라이휠 원리를 적용한 회전체를 이용하는 경우, 초기 궤도에서 목표 궤도까지의 궤도천이를 위해 탑재체에 필요한 속도 증분을 얻을 수 있다.
기존 발사체는 단시간에 탑재체를 목표궤도에 안착시키거나 주차궤도에 탑재체를 안착시키기 위해 탑재체의 추력시스템을 이용하여 목표궤도에 안착한다. 궤도천이를 위해서는 추진시스템이 필요하고 추진시스템은 탑재체가 목표궤도에 도달할 때까지 추진제와 엔진 등을 포함한 추진시스템을 유지해야 하므로 탑재체 뿐만 아니라 추진시스템의 무게도 추진대상이 된다. 이와 같은 비효율성을 극복하려면 자력추진방식이 아닌 추진시스템과 분리된 발사방식이 요구된다.
일본 공개특허공보 제2021-49906호에서는 궤도　천이　지원　장치,　궤도　천이　지원 방법, 및　궤도　천이　지원 프로그램에 대해 개시되어 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은, 우주 공간 상에서 우주 플라이휠 원리에 의한 회전체를 이용하여 탑재체를 초기 궤도에서 목표 궤도로 천이 시키는, 궤도 천이 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예의 목적은, 전기에너지 또는 태양에너지를 이용하는 추력시스템으로 회전 운동을 유지하는 회전체의 회전력만을 이용하여 탑재체의 궤도를 천이 시키는, 궤도 천이 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예의 목적은, 우주 궤도 상에서 인프라로써 운영되어 복수의 탑재체들을 여러 차례로 목표 궤도에 안착시키는, 궤도 천이 장치를 제공하는 것이다.
실시예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 측에 따르면, 일 실시예에 따른 우주 공간 상에서 탑재체의 궤도를 천이 시키는 궤도 천이 장치는, 회전체; 상기 회전체의 중심부에 배치되고 상기 탑재체가 도킹되는 어댑터; 상기 회전체의 외곽에 배치되고 상기 탑재체를 발사시키는 발사 모듈; 및 상기 회전체를 회전시키는 추력기를 포함할 수 있고, 상기 발사 모듈은 상기 탑재체를 목표 궤도로 발사시킬 수 있다.
상기 회전체는, 상기 어댑터에 인접하도록 배치되는 플라이휠 중심부; 상기 플라이휠 중심부의 외곽에 배치되고 환형의 플라이휠 주변부; 및 상기 플라이휠 중심부와 상기 플라이휠 주변부를 연결하고 상기 어댑터에 위치된 상기 탑재체를 상기 발사 모듈로 이동시키는 연결부를 포함할 수 있다.
상기 회전체는, 상기 연결부 상에서 이동되고 상기 플라이휠 중심부를 중심으로 상기 탑재체와 대칭되게 위치되는 밸런싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 탑재체가 상기 어댑터로부터 상기 발사 모듈로 이동함에 따라, 상기 밸런싱부는 상기 탑재체의 위치에 대칭되게 위치 조정되어 상기 회전체의 회전 균형이 유지될 수 있다.
상기 어댑터는 상기 탑재체와의 정렬을 위해 상기 플라이휠 중심부에 대해 순방향 또는 역방향으로 회전 가능하다.
상기 발사 모듈은 상기 탑재체의 발사 방향을 변경할 수 있는 발사 가이드를 포함할 수 있다.
상기 추력기는 전자기를 통해 추력을 발생시켜, 상기 탑재체의 이송에 따른 상기 회전체의 회전수의 감소를 보상할 수 있다.
상기 추력기는, 태양광을 통해 추력을 발생시켜 상기 회전체의 회전 속도를 조절할 수 있다.
상기 회전체는 상기 회전체의 관성 모멘트를 증가시키도록 우주 부유물을 포집하는 매스 수용부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 궤도 천이 장치에 의하면, 우주 공간 상에서 우주 플라이휠 원리에 의한 회전체를 이용하여 탑재체를 초기 궤도에서 목표 궤도로 천이 시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 궤도 천이 장치에 의하면, 전기에너지 또는 태양에너지를 이용하는 추력시스템으로 회전 운동을 유지하는 회전체의 회전력만을 이용하여 탑재체의 궤도를 천이 시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 궤도 천이 장치에 의하면, 우주 궤도 상에서 인프라로써 운영되어 복수의 탑재체들을 여러 차례로 목표 궤도에 안착시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 궤도 천이 장치의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 우주 공간 상에서 운용되는 일 실시예에 따른 궤도 천이 장치의 개략적인 개념도를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 궤도 천이 장치의 상세도를 나타낸다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안 된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 우주 공간 상에서 운용되는 일 실시예에 따른 궤도 천이 장치(10)의 개략적인 개념도를 나타내고, 도 2는 일 실시예에 따른 궤도 천이 장치(10)의 상세도를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 일 실시예에 따른 우주 공간 상에서 탑재체(P)의 궤도를 천이 시키는 궤도 천이 장치(10)는, 회전체(100), 회전체(100)의 중심부에 배치되고 탑재체(P)가 도킹되는 어댑터(200), 회전체(100)의 외곽에 배치되고 탑재체(P)를 발사시키는 발사 모듈(300), 및 회전체(100)를 회전시키는 추력기(400)를 포함할 수 있다.
궤도 천이 장치(10)는 지구(E)를 공전하며 우주 공간 상의 일정 궤도에서 이동하며 체류 되어 있을 수 있다. 이때 공전과 동시에 자체 회전(자전)도 수행될 수 있다. 다시 말해, 궤도 천이 장치(10)는 탑재체(P)의 초기 궤도(I)에 머물러 있으면서 지구(E)에서 발사된 탑재체(P)를 수용한 후에 궤도 천이 장치(10)의 회전력으로 탑재체(P)를 목표 궤도(T)로 보내는 임무를 수행할 수 있다. 자력 추진으로 탑재체(P)를 지구(E)에서부터 바로 목표 궤도(T)로 보내는 것 보다 우주 공간 상에 체류하는 궤도 천이 장치(E)의 지속적인 회전력을 이용하여 목표 궤도(T)로 보내는 것이 에너지 효율면에서 더 효율적일 수 있다.
회전체(100)는, 어댑터(200)에 인접하도록 배치되는 플라이휠 중심부(110), 플라이휠 중심부(110)의 외곽에 배치되고 환형의 플라이휠 주변부(120), 및 플라이휠 중심부(110)와 플라이휠 주변부(120)를 연결하고 어댑터(200)에 위치된 탑재체(P)를 발사 모듈(300)로 이동시키는 연결부(130)를 포함할 수 있다. 플라이휠 중심부(110)와 플라이휠 주변부(120)는 플라이휠 원리를 이용하기 때문에 환형 내지 원판형이 바람직하나 설계의 경우에 따라서 다른 형상으로도 설계될 수 있다. 본 발명에서는 궤도 천이 장치가 초기궤도(I)에 건설되어야 하기 때문에 지구(E)에서 초기궤도(I)까지 도달하기 위한 추진력을 감소시켜야 하므로 질량을 줄이기 위해 플라이휠 중심부(110)와 플라이휠 주변부(120)를 환형으로 설계되었다. 회전체(100)는 회전속도가 변경 가능하며 지속적인 회전운동을 할 수 있다. 플라이휠 중심부(110)와 플라이휠 주변부(120)를 연결하기 위해 연결부(130)가 구비되고 연결부(130)는 탑재체(P)를 어댑터(200)로부터 발사 모듈(300)로 이동시키는 가이드가 될 수 있다. 연결부(130) 상에는 전기모터와 같은 구동기가 구비될 수 있고 이러한 구동기로 탑재체(P)를 이동시킬 수 있다.
어댑터(200)는 지구(E)로부터 발사된 탑재체(P)와의 정렬을 위해 플라이휠 중심부(110)에 대해 순방향 또는 역방향으로 회전 가능하다. 어댑터(200)는 탑재체(P)와의 도킹을 위해 탑재체(P)와의 상대 속도가 '0'으로 제어될 수 있게 플라이휠 중심부(110)와 독립적으로 회전 가능하다. 예를 들어, 탑재체(P)가 자체회전 할 때에 회전방향과 회전속도를 동일시하기 위해 회전체(100) 내지 플라이휠 중심부(110)와 상관없이 어댑터(200)가 독립적으로 순방향 또는 역방향으로 회전하여 탑재체(P)와 정렬(align) 또는 동기(synchro) 될 수 있다.
회전체(100)는, 연결부(130) 상에서 이동되고 플라이휠 중심부(110)를 중심으로 탑재체(P)와 대칭되게 위치되는 밸런싱부(140)를 더 포함할 수 있다. 탑재체(P)가 어댑터(200)로부터 발사 모듈(300)로 이동함에 따라, 밸런싱부(140)는 탑재체(P)의 위치에 대칭되게 위치 조정되어 회전체(100)의 회전 균형이 유지될 수 있다. 어댑터(200)에 도킹 되는 탑재체(P)의 질량은 다를 수 있기 때문에 회전체(100)의 회전 균형이 유지되도록 밸런싱부(140)의 이동 거리가 탑재체(P)의 질량에 맞춰 다르게 될 수 있고, 밸런싱부(140) 자체적으로 분리가능한 추로 제작되어 이동되는 밸런싱부(140)의 질량도 변경될 수 있다.
발사 모듈(300)은 탑재체(P)의 발사 방향을 변경할 수 있는 발사 가이드(310)를 포함할 수 있고, 발사 모듈(300)은 탑재체(P)를 목표 궤도(T)로 발사시킬 수 있다. 또한, 발사 모듈(300)은 탑재체(P)를 목표 궤도(T)로 발사시키거나 탑재체(P)의 자세를 조정할 수 있다. 어댑터(200)에서 연결부(130)를 거쳐 발사 모듈(300)로 이동된 탑재체(P)는 발사 가이드(310)에 안착되어 발사 가이드(310)에 연결된 발사 모듈(300)의 자세 조정에 따라 자세가 변경되어 목표 궤도(T)를 향해 바람직한 발사 방향으로 발사될 수 있다. 예를 들어, 플라이휠 주변부(120)의 접선 방향뿐만 아니라 접선의 안쪽 방향과 바깥 방향 모두로 방향이 조정될 수 있다.
지구(E)로부터 발사된 탑재체(P)는 발사 궤적(a)을 따라 궤도 천이 장치(10)에 근접하고 궤도 천이 장치(10)의 어댑터(200)에 도킹 되며, 탑재체(P)는 연결부(130)에 의해 발사 모듈(300)로 이동되며 조정된 발사 방향으로 발사 가이드(310)에 의해 발사되어 목표궤도(T)로 궤도 천이(b) 될 수 있다.
추력기(400)는 전자기를 통해 추력을 발생시켜, 탑재체(P)의 이송(발사, launch)에 따른 회전체(100)의 회전수의 감소를 보상할 수 있다. 추력기(400)는 플라이휠 주변부(120)에 배치되어 회전력을 증가시킬 수 있다. 또한, 추력기(400)는, 태양광을 통해 추력을 발생시켜 회전체(100)의 회전 속도를 조절할 수 있고, 추력기(400)는 추진제를 보유하여 추진제를 통해 회전체(100)의 회전 속도를 조절할 수 있다.
회전체(100)는 회전체(100)의 관성 모멘트를 증가시키도록 우주 부유물을 포집하는 매스 수용부(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 우주 부유물은 우주 쓰레기일 수 있고 이러한 우주쓰레기를 수집하여 매스 수용부에 수용한 후에 증가된 매스 수용부(150)의 질량을 활용하여 관성모멘트를 증가시킬 수 있다.
궤도 천이 장치(10)는 우주 공간 상에서 자세 교정 및 가감속이 가능하고, 회전 상태를 유지하면서 도착하는 탑재체(P)를 목표 궤도(T)로 올려주는 일종의 우주 공간 상에서의 인프라 시스템이라고 할 수 있다.
이로써, 일 실시예에 따른 궤도 천이 장치(10)에 의하면, 우주 공간 상에서 우주 플라이휠 원리에 의한 회전체(100)를 이용하여 탑재체(P)를 초기 궤도(I)에서 목표 궤도(T)로 천이 시킬 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 궤도 천이 장치(10)에 의하면, 전기에너지 또는 태양에너지를 이용하는 추력시스템으로 회전 운동을 유지하는 회전체(100)의 회전력만을 이용하여 탑재체(P)의 궤도를 천이 시킬 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 궤도 천이 장치(10)에 의하면, 우주 궤도 상에서 인프라로써 운영되어 복수의 탑재체들을 여러 차례로 목표 궤도(T)에 안착시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
10: 궤도 천이 장치 100: 회전체
110: 플라이휠 중심부 120: 플라이휠 주변부
130: 연결부 140: 밸런싱부
150: 매스 수용부 200: 어댑터
300: 발사 모듈 310: 발사 가이드
400: 추력기 P: 탑재체
E: 지구 I: 초기궤도
T: 목표궤도 a: 발사 궤적
b: 궤도 천이

Claims (9)

  1. 우주 공간 상에서 탑재체의 궤도를 천이 시키는 궤도 천이 장치에 있어서,
    회전체;
    상기 회전체의 중심부에 배치되고 상기 탑재체가 도킹되는 어댑터;
    상기 회전체의 외곽에 배치되고 상기 탑재체를 발사시키는 발사 모듈; 및
    상기 회전체를 회전시키는 추력기;
    를 포함하고,
    상기 발사 모듈은 상기 탑재체를 목표 궤도로 발사시키는,
    궤도 천이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전체는,
    상기 어댑터에 인접하도록 배치되는 플라이휠 중심부;
    상기 플라이휠 중심부의 외곽에 배치되고 환형의 플라이휠 주변부; 및
    상기 플라이휠 중심부와 상기 플라이휠 주변부를 연결하고 상기 어댑터에 위치된 상기 탑재체를 상기 발사 모듈로 이동시키는 연결부;
    를 포함하는,
    궤도 천이 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전체는,
    상기 연결부 상에서 이동되고 상기 플라이휠 중심부를 중심으로 상기 탑재체와 대칭되게 위치되는 밸런싱부를 더 포함하는,
    궤도 천이 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 탑재체가 상기 어댑터로부터 상기 발사 모듈로 이동함에 따라, 상기 밸런싱부는 상기 탑재체의 위치에 대칭되게 위치 조정되어 상기 회전체의 회전 균형이 유지되는,
    궤도 천이 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 어댑터는 상기 탑재체와의 정렬을 위해 상기 플라이휠 중심부에 대해 순방향 또는 역방향으로 회전 가능한,
    궤도 천이 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발사 모듈은 상기 탑재체의 발사 방향을 변경할 수 있는 발사 가이드를 포함하는,
    궤도 천이 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 추력기는 전자기를 통해 추력을 발생시켜, 상기 탑재체의 이송에 따른 상기 회전체의 회전수의 감소를 보상하는,
    궤도 천이 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 추력기는, 태양광을 통해 추력을 발생시켜 상기 회전체의 회전 속도를 조절하는,
    궤도 천이 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전체는 상기 회전체의 관성 모멘트를 증가시키도록 우주 부유물을 포집하는 매스 수용부를 더 포함하는,
    궤도 천이 장치.
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