우주로켓의 유도 제어

1) 유도 제어

유도 제어는 우주로켓이 지상에서 날아가서 우주 공간의 목표 궤도에 도달할 때까지 기준 비행경로 또는 그것에 가까운 실제의 최적 비행경로를 따라서 비행하도록 비행경로를 관리하는 것이다, 실제 작업은 탑재 컴퓨터 안의 비행 소프트웨어가 담당한다. 

 

이 복잡한 고도의 작업을 수행하므로 탑재 컴퓨터 안의 비행 소프트웨어는 항법(Navigation), 유도(Guidance), 제어(Control)의 3가지 기능을 한다. 이것이 유도 제어이며, 영어로는 Guidance, Navigation and Control이라고 한다. 로켓은 항공기와 비교가 안 될 만큼 고속으로 비행하므로 유도 제어 작업은 자동으로 실행된다. 3가지 기능을 다음에 요약하였다. 

 

① 항법(航法, Navigation)

비행 중인 로켓 자신의 현재 위치, 속도와 기체 자세를 결정하는 것이다.

 

② 유도(誘導, Guidance)

로켓의 현재 위치와 속도에서 목표의 위성 궤도에 이르도록 효율적인 실제 비행경로를 결정하고, 향하는 목표 자세(= 목표 추력 벡터)를 계산하고, 그 결과를 시시각각 유도 명령으로 제어 장치에 발신을 지시한다. 또, 로켓이 목표 궤도의 조건을 충족하면, 바로 엔진 추력을 정지할 수 있도록 연소 정지의 타이밍을 계산하고, 최후에 그 지령을 발신한다. 

 

③ 제어(制御, Control)

보통 유도 제어에서 제어는 기체의 자세 제어(Attitude Control)로 유도 명령을 따라 지시된 대로 로켓의 자세를 변경하고 유지하는 기능을 의미한다. 그래서 엔진 추력의 방향을 변경해서 로켓 기체를 회전시킨다. 자세를 제어하고 엔진 점화, 정지나 기체 분리 등 일련의 이벤트 시퀀스 제어도 수행한다. 다음 그림은 현재 주류인 관성유도 제어 시스템의 개념이다.

 

그림. 로켓의 관성유도 제어 시스템

2) 전파유도와 관성유도

로켓의 유도 제어방법에는 크게 나누어 전파유도(電波誘導)와 관성유도(慣性誘導)가 있다. 전파항법에 근거한 유도 제어를 전파유도, 관성항법에 근거한 유도 제어를 관성유도라고 한다. 전파유도는 항법과 유도를 지상의 컴퓨터에서수행하고, 유도 명령을 지상에서 전파로 보내는 시스템이다. 전파유도는 지상국 개수의 제약으로 발사 비행경로 선택의 폭이 너무 좁아 다양한 임무에 유연하게 대응할 수 없다. 초기에 사용했지만, 현재는 사용하지 않는다.

관성유도는 외부의 도움을 전혀 빌리지 않고, 외부의 전파로 방해받지 않고 로켓에 탑재된 기기와 비행 소프트웨어에 의해 로켓이 자신의 길을 찾아가는 시스템이며, 전파유도보다 정확성과 융통성의 면에서 뛰어나다. 현재 거의 모든 우주로켓이 관성유도 방식을 사용하지만, 그 배경에는 전자공학의 엄청난 발전으로 실용화된 소형 탑재 컴퓨터, 소형 고성능 센서 기술이 있다. 

 

[우주로켓] 관성항법의 원리