In this paper, it is studied to optimize trajectories of a satellite passing through the shadow area of the Earth using electric propulsion system for transferring orbits.
Electric propulsion system has lower thrust and higher specific impulse than chemical propulsion system. Therefore, the total mass of propellant for satellite mission can be reduced. For these reasons, electric propulsion system has been applied to an interplanetary mission and deep space mission. In addition electric propulsion system is utilized for attitude control for low thrust.
Electric propulsion system has to be applied to a small satellite in a tentative way for acquisition of orbit transfer technology. Considering the missions of the small satellites which are carried out on a low earth orbit, it is important that the satellite is in the earth's shadow area. During this time, supplying electric power to the satellite is going to be difficult due to the solar array which is under insufficient sun power. Henceforth, the Earth's shadow effect should be taken into account for obtaining optimal trajectory for orbit transfer.
There are numerous numerical optimization techniques. While the direct method requires many parameters to get a solution, the indirect method needs a few. In addition, orbit transfer time is not specified, it is difficult to get final time using the direct method. For this reason, optimal trajectory was calculated using the indirect method.
And the fact of turning off the electric propulsion system in the earth shadow area mean that it is possible to ON/OFF control of electric propulsion system. Therefore, in this study, the variable thrust system is also considered with direction control of thrust vector.
본 논문에서는 지구 그림자 영역을 지나는 저궤도 위성의 전기추진 시스템을 이용한 궤도천이의 최적화 궤적을 구하는 방법에 대하여 논의할 것이다.
전기추진 시스템은 화학추진 시스템에 비해 낮은 추력을 갖지만 비추력이 높은 장점이 있다. 따라서 임무수행을 위한 추진제의 양을 줄일 수 있다. 이러한 이유로 행성간의 임무나 심우주 탐사에 전기추진 시스템이 적용되어왔다. 또한 낮은 추력으로 인해 자세제어용으로도 활용되고 있다.
이러한 전기추진 시스템을 이용한 궤도천이 기술의 확보를 위해 시험적으로 소형위성에 적용해 보아야 할 것이다. 이 때 소형위성의 대부분의 임무가 저궤도에 있음을 감안할 때 위성이 지구 그림자 영역에 들어갔을 때에 대한 상황을 고려할 필요가 있다. 지구 그림자 영역에서는 태양 전지판에 의한 전력 공급이 이루어지지 않게 되고 따라서 전기추진 시스템의 가동이 어려워진다. 그러므로 지구 그림자에 대한 효과를 고려하여 궤도천이에 대한 최적화 궤적을 산출하고자 한다.
최적화 궤적을 구하는 방법으로는 수치적 접근법중의 하나인 간접적 방법을 사용하였다. 직접적 방법의 경우 변수의 수가 많아져서 수치해를 구하기가 어렵다. 또한 지구 그림자 효과에 의해 궤도천이 시간이 고정되어있지 않기 때문에 직접적 방법의 접근이 더욱 어렵다. 그러므로 Hamiltonian을 이용한 간접적 방법을 이용하여 수치해를 구하였다.
또한 지구 그림자 영역에서 전기추진 시스템의 작동을 멈춘다는 것은 추력기의 추력크기의 변화에 대한 ON/OFF 제어가 가능하다는 것이다. 따라서 추력벡터의 방향뿐만 아니라 추력벡터의 크기 또한 제어를 해보고자 한다.
