Recently, Tiangong-1 space lab, China's first space station, reentered and burned up in the atmosphere over the southern Pacific Ocean on April 1. This issue brought a serious alert to the public in the world, regarding collision risks of the orbiting object and a possibility of a consequent threat to the survivability when the object survives and impacts human. In this study, reentry analysis and experiment of space debris considering dynamical separation process have been investigated. The contents of this study are threefold. Firstly, the experiments to analyze the separation process of reentry space debris were conducted using a shock tunnel in a Mach 6 flow. Iron or acetal models with different shapes and sizes were considered. By varying the size, shape, and number of models, the lateral velocity and the separation behaviour were measured and analyzed. Furthermore, a new equation to account for the lateral velocity of the multi-spheres was proposed. Secondly, an integrated system for the orbit, orbital lifetime, and reentry survivability estimation modules of space debris has been developed for the first time. To ensure the reliability of the system, each module was compared and validated with results of the well-known existing codes. Finally, the developed integrated system was combined with the presented experimental data to analyze the reentry trajectory and survivability of space debris. The results showed that the separation process leads to large discrepancies in survivability, downrange, and ground footprint prediction because it causes a change in ballistic coefficient, heat of ablation, and lateral velocity. Caution should therefore be exercised in the reentry trajectory and survivability analysis when the effect of separation induced due to fragmentation is not considered.
최근에 중국 우주정거장 톈궁 1호가 4월 1일 지구 대기에 재진입한 경우와 관련하여 전 세계적으로 우주파편의 충돌 위험 및 재진입 생존성에 대한 많은 관심이 대두되고 있다. 본 연구에서는 동적 분리 과정을 고려한 우주파편의 재진입 분석 및 실험이 수행되었으며, 크게 세 가지로 구성되었다. 첫째, 재진입 우주파편의 분리 현상을 분석하기 위하여 충격파 터널을 활용한 마하 6 유동에서의 실험이 수행되었다. 아세탈 또는 쇠로 만들어진 모델이 사용되었으며, 모델의 종류 및 개수에 따른 측면 속도와 분리 현상이 측정되고 분석되었다. 그리고 다중 객체의 측면 속도에 대한 새로운 방정식이 정립되었다. 둘째, 우주파편의 궤도, 궤도 수명, 재진입 생존성 예측을 수행하기 위한 통합시스템이 개발되었다. 개발된 시스템의 신뢰성을 확보하기 위하여 기존 코드들의 해석 결과와 비교하여 검증되었다. 마지막으로, 개발된 통합시스템에 실험 데이터를 접목하여 우주파편의 재진입 궤적 및 생존성에 대한 분석이 수행되었다. 우주파편의 분리 과정이 고려되는 경우에는 탄도 계수, 삭마열, 측면 속도에 대한 변화를 가져오기 때문에 재진입 생존성 및 궤적 예측에 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서 부서짐으로 인한 동적 분리 과정이 고려되지 않은 경우에는 우주파편의 재진입 궤적 및 생존성 분석에 대한 주의가 필요하다.
