비행 안전을 고려한 재사용 가능 발사체의 궤적 최적화 및 착륙 유도

Abstract

본 논문에서는 재사용 가능 발사체 1단의 비행 안전을 고려한 궤적 최적화 및 착륙 절차를 다루었다. 설계 절차는 비행 전에 수행되는 첫 번째 단계와 비행 중 탑재 컴퓨터에 의해 온보드(on-board)에서 이루어지는 두 번째/세 번째 단계로 총 3단계로 구성되어 있다. 첫 번째 단계인 사전 (off-line) 궤적 설계는 궤도투입을 위한 상승궤적 최적화 시 발사체의 비행 안전 요소 중 하나인 순간낙하점 (IIP) 제한조건을 고려한다. 해석적인 순간낙하점 계산 수식은 비행 제한 영역 구속조건을 궤적 최적화 과정에 외연적으로 고려할 수 있도록 한다. 다양한 형태의 비행금지 구역이 논문에서 제시되는 IIP 파라미터를 포함하는 2차식 (quadratic form)으로 표현될 수 있다. 두 번째 단계는 중기유도 (midcourse guidnace)로써 상단과 분리된 재사용 단의 낙하점을 착륙장 근처로 옮기는 과정이다. 중기유도를 수행하기 전에 재사용 단의 IIP는 첫 번째 단계에서 상승궤적 최적화시 설계한 안전영역에 위치해 있다. 분리된 재사용 단이 정상 비행 상태라면, 안전하게 착륙할 가능성이 크기 때문에 짧은 시간 동안의 역방향 추진을 통해 IIP 위치를 안전영역에서 착륙장 근처로 옮긴다. 최적화 또는 IIP Derivative를 사용하는 두 가지 중기유도 방법을 제시한다. 마지막 단계는 재사용 단의 정밀 연착륙을 위한 종말유도 과정이다. 최소 제어에너지 적분치를 목적함수로 하는 최적제어 문제로부터 유도되는 zero-effort-miss/zero-effort-velocity (ZEM/ZEV) 법칙으로 종말유도를 수행한다. 제안한 절차의 타당성을 보이기 위한 재사용 단의 착륙 케이스 스터디를 수행하였다. 한국항공우주연구원이 개발 중인 한국형 발사체 (KSLV-II)의 사양 (구조비)을 변경시켜 제안한 절차에 따른 1단 착륙을 수행한 결과 본 학위논문에서 소개된 3단계 절차가 재사용 발사체의 분리단 착륙에 효과적으로 활용될 수 있음이 확인되었다.