우주로켓 비행 경로의 설계

1) 기준 비행경로

우주로켓은 지상에서 발사한 뒤 어떤 경로를 비행하고, 위성이나 탐사체의 궤도에 도달할까? 로켓의 비행경로는 민간 항공기의 항로처럼 법률의 제약을 받는 것은 아니다. 하지만 로켓은 국제 관계의 제약을 받는 한정된 추진제 양을 효율적으로 소비해서 페이로드를 목표 궤도까지 운반한다. 그래서 최적의 비행경로(Trajectory)를 미리 설계해야 한다.

 

일반적으로 우주로켓은 지표면에서 수직으로 발사한다. 그다음 기체는 낮은 고도에서 높은 고도에 이르기까지 많은 비행경로가 성립할 수 있다.

 

가능성이 있는 수많은 경로 중에서, 여러 가지 조건을 만족하는 최적의 비행경로를 ‘비행 분석’ 또는 ‘비행경로 해석’으로 계산한다. 그것은 로켓이 특정 페이로드를 추진제를 가장 효율적으로 사용하여 일정한 오차 범위 안에서 위성을 궤도에 투입할 때까지 추적하는 것이다. 주요 조건은 다음과 같이 요약된다.

 

요구 조건

① 로켓의 기체 특성과 성능: 구성, 구조, 각 단의 추진성능 등

② 위성, 탐사선의 임무 요구: 페이로드 질량, 궤도, 발사일, 시간 등

 

제약 조건

① 로켓 발사장의 지리적 조건

② 대기 및 바람의 조건: 기체의 공력 하중이 허용 범위 내에 들어가는 것

③ 지상국과의 통신: 로켓 추적 지상국과의 통신을 확보한다. 비행 상황 모니터 및 긴급할 때의 통신(지령 전파 발신)

④ 비행 안전: 분리, 투기(投棄)된 구조물이 외국의 영토, 영해 안에 낙하하지 않도록 비행경로 해석으로 비행마다 결정된 최적 비행경로를 결정한다. 여기에서는 기준 비행경로(Reference Trajectory)라고 부른다. 명칭은 프로젝트마다 다르다. 일단 ‘기준 비행경로’를 결정하면, 다음에 로켓을 어떻게 이 기준 비행경로 또는 실제 비행 조건에서 최적 비행경로로 비행시키는 게 문제이다. 유도 제어는 이 로켓의 비행경로를 관리하는 시스템이다.

 

실제 비행경로는 미분 방정식을 풀어서 계산한다. 비행경로 해석에서 사용하는 데이터 중에서 대기압, 밀도, 기온과 기타 특성은 표준 대기 모델 데이터를 이용한다. 대표적인 대기 모델 중에서 <미국 표준 대기 76>이 가장 널리 사용된다. 발사장 인근 상공의 바람은 관측, 통계 데이터를 이용한다.

 

기준 비행경로는 해석에 이용하는 많은 데이터의 오차를 고려하므로 발사장에서 위성 궤도에 이르는 한 개의 선이 아니라 평균값을 중심축으로 하는 가느다란 원기둥 모양이다. 그 단면인 원의 확대는 오차 범위에 의존하지만, 통상은 $ \pm 2 \sigma $ 또는 $ \pm 3 \sigma $를 선택한다. $ \sigma $는 표준 편차를 의미한다.

2) 자세 변경

지표에서 수직으로 발사된 로켓은 기체를 서서히 전방으로 기울이고 비행을 계속해서, 지구 저궤도(LEO)에 도달했을 때 기체 자세는 수평이 된다.

 

로켓은 기준 비행경로 비행에 필요한 기체의 자세 변경 계획을 기체 자세 각도의 시간 변화율(각속도, Programmed Rate)의 형태로 로켓에 탑재된 컴퓨터에 저장한다. 이것이 미리 설정한 자세 변경 프로그램이며, 이것이 무유도(無誘導) 비행에서 비행 소프트웨어에서 발신되고, 그것을 근거로 제어 장치는 기체를 조타(操舵)한다.

 

3) 이벤트 시퀀스

우주로켓은 발사해서 목표 궤도에 도달할 때까지 각 단 엔진의 연소 개시, 정지, 기체의 분리 등을 자주 한다. 이 일련의 현상을 이벤트 시퀀스(Sequence of Events)라고 한다. 이 일련의 순서를 미리 컴퓨터에 기억시키고, 비행 중에 그 신호를 비행 소프트웨어에서 발신하고 각 제어기기를 작동시킨다.

 

누리호와 제2발사대 엄빌리컬타워의 모습

 

[우주로켓] 우주로켓의 유도 제어