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1) 유도의 필요성

엔진 성능, 기체의 질량 특성 등 로켓의 특성이나 대기의 압력, 밀도, 온도, 바람 등 비행 환경을 미리 정확히 예측할 수 있고, 비행 분석에 사용한 데이터에 오차가 없다면 로켓은 유도할 필요가 없다. 당연히 비행 중 자세 변경과 이벤트 시퀀스는 미리 설정한 대로 작동할 것이다.

하지만 기체 구조물은 제조 오차로 엔진 성능이 불안정하고, 상공의 풍향, 풍속 등의 비행 환경도 정확히 예측할 수 없다. 설계나 해석 작업에 사용한 많은 데이터가 불안정하다. 실제 비행에서 이 오차들이 겹치고, 비행경로는 예정한 기준 비행경로에서 벗어날 것이다. 이렇게 내버려 두면 우주로켓은 페이로드를 오차 범위 안의 일정한 정밀도로 목표 궤도에 투입할 수 없다. 유도 제어란 로켓의 비행경로를 관리하는 시스템이지만, 그 중심 역할은 유도가 맡고 있다.

Apollo's GN&C

2) 유도의 의미

리프트오프 이후 로켓은 기준 비행경로를 따라 비행을 시작한다. 이때 항법과 제어는 리프트오프와 함께 작동하지만, 유도는 아직 작동하지 않는다. 대기권 안이기 때문이다. 항법과 제어는 리프트오프에서 목표 궤도까지 모든 비행 과정에서 작동하지만, 유도는 아래 조건에 맞는 비행 구간에서만 작동한다.

유도는 단독으로는 작동하지 않고, 반드시 항법, 제어와 동시에 작동한다.

유도 비행은 다음 조건을 모두 만족했을 때 작동한다.

① 추력 비행 중 각단의 엔진이 작동 중이어야 한다.

② 공력 하중에 대해 기체의 강도(强度)에 문제가 없어야 한다.

③ 로켓이 안정된 상태로 비행해야 한다.

④ 기체의 가속도와 자세 각속도가 연속적이어야 한다.

유도 비행의 개념은 위 그림과 같다. 또 무유도 비행에서는 그림의 유도 제어 시스템의 블록 다이어그램에서 유도 계산에 관련된 입출력을 제외한 것이다. 항법과 제어는 비행의 모든 과정에서 작동하므로, 순서 제어와 자세 변경 프로그램도 작동하므로 무유도 비행을 ‘오픈 루프 유도’나 ‘프로그램 유도’라고 하는 전문가도 있지만, 이것은 전문가 이외의 사람은 오해할 수 있다. 유도 본래의 의미에서 이것은 무유도이다.

3) 대기권 무유도 비행

리프트오프 이후 우주로켓이 공기 밀도가 높은 대기권을 추력 비행하면 유도하지 않고 무유도로 비행한다. 항법, 유도, 제어를 모두 작동하고, 유도를 시작하면 기체의 받음각이 한도를 넘어 커지면서 기체가 공력 하중을 견디지 못할 가능성이 생긴다. 또 조타를 반복하면, 동역학적으로 불안정하고, 로켓이 안정된 비행을 유지하지 못할 가능성이 크다.

동적 안정성은 조타에 대한 로켓의 과도(過度)한 운동 특성으로 조타 자세 각도가 시간에 따라 커지는 ‘동적 불안정 상태’에 빠질 수 있다. 이것이 발산하면 극단적일 때 기체는 파괴될 수 있다. 이런 위험성을 피하려고 우주로켓은 공력을 무시할 수 있는 약 50km 이상의 고도까지 유도하지 않는다.

로켓이 공기의 밀도가 높은 저고도에서 무유도로 비행하는 동안 기체의 받음각은 ‘0’에 가까운 상태에서 비행할 수 있도록 자세 변경 프로그램을 설정한다. 로켓은 가로 방향 하중에 약하므로 세밀한 조치가 필요하다.

이렇게 대기층 안을 비행 중인 로켓은 항법과 제어 기능으로 사전에 정한 절차의 자세 변경 프로그램으로 무유도 비행한다. 이때 로켓의 실제 비행경로가 기준 비행경로를 어긋나도 수정하지 않는다.

4) 대기권 밖의 유도 비행

로켓 기체에 작용하는 공력을 거의 무시할 수 있는 고도에 도달했을 때, 로켓은 유도를 시작한다. 다시 말하면, 항법, 유도, 제어 루프를 반복하면서 비행한다. 하지만 대기권 밖의 비행에서도 페어링 분리 전후나 1 단 엔진 정지에서 1단 기체 분리를 거쳐서 2단 엔진 점화 직후까지 상기 ①과 ④의 이유로 유도하지 않는다.

유도의 중요한 기능은 비행 중 각 시점에서 로켓의 현재 위치에서 목표 궤도에 이르는 최적의 비행경로를 찾고, 비행하는 목표 자세(= 목표 추력 벡터)를 결정하는 것이다. 이때 최적의 실제 비행경로를 ‘유도 법칙’에 기초하여 결정하는 많은 방법 중 대표적인 2개의 유도 법칙을 다음 그림에 나타냈다.

① 간접 유도

기준 비행경로는 정해진 범위 안에서 특정 페이로드를 최소의 추진제 소모량으로 목표 궤도까지 운반한다. 이것이 계산을 통한 최적 비행경로이다. 간접 유도(Implicit Guidance)는 비행 중인 로켓이 외란(外亂)으로 기준 비행경로에서 벗어났을 때, 그 오차를 수정하고 기준 비행경로로 돌아가도록 기체의 자세(추력 벡터)를 결정한다. 로켓을 미리 정한 기준 비행경로를 따라 비행하는 유도 방식이며, 탑재 컴퓨터의 부담이 적고 견고한 방법이지만 유도 정밀성은 다소 부족하다.

② 직접 유도

직접 유도(Explicit Guidance)는 로켓이 비행하는 최적 비행경로를 탑재 컴퓨터에서 시시각각 스스로 계산해서 결정하는 기법이다. 기준 비행경로는 고려하지 않는다. 현시점에서 로켓의 위치와 속도를 초기 조건으로 하고, 목표 궤도 투입 시의 위치와 속도를 마지막 조건으로 ‘2점 경계치 문제’의 해답을 구하는 방향으로 기체의 목표 자세를 결정한다. 컴퓨터의 부담이 크지만, 유도 정밀성은 매우 높다. 현재는 이 방식을 주로 사용한다.

대형 우주로켓 탑재 컴퓨터는 비행 중 항법, 유도, 제어의 계산을 자주 수행한다. 항법 계산과 제어 계산은 1초에 50회 전후, 유도 계산은 l 초에 1회 정도의 빈도로 계산한다.

③ 상단 엔진의 연소 정지

직접 유도, 간접 유도의 어느 방식에서도 유도 소프트웨어는 상단(2단) 엔진의 연소 정지 시점을 끊임없이 계산하며, 로켓의 위치와 속도가 목표 궤도 조건을 만족했을 때 즉시 연소를 정지하는 지령을 보낸다. 상단 엔진의 연소 정지로 유도는 그 임무를 종료한다.