Survivability and hazard analysis of reentry space debris have been conducted in many research centers worldwide including NASA over the past decade. Recently, South Korea has also expressed a keen interest in space debris research because of their threat to the survivability of Korean satellites such as the Science and Technology Satellite-3. A lot of space debris orbiting the Earth have begun to fall towards the Earth in the last few decades. While most space debris at hypersonic speeds undergo ablation or melting due to aerodynamic heating and are burned up in the atmosphere, surviving space debris collide on the Earth, damaging ground installations and injuring people. It is therefore vital to develop a code that analyzes survivability and reentry trajectory of space debris.
Several space agencies and research centers have their own reentry analysis tools; NASA’s ORSAT and ESA’s SCARAB are both representative analysis tools. Although ORSAT and SCARAB use different methods for trajectory and heat rates, both codes show good agreement under the same conditions. Based on ORSAT, KARI has independently developed its own code SAPAR. In this study, a new code was developed to analyze survivability and reentry trajectory of space debris more accurately. First, the results of the code’s survivability analysis for simple-shaped space debris such as a sphere, a cylinder, and a box were validated by comparing with the results of ORSAT, SCARAB, and SAPAR.
The next step consisted in adding non-equilibrium gas-surface interactions to the new code. All codes mentioned use Lees and Fay-Riddell formulas which have several assumptions; the surface of the object is considered super-catalytic, and the boundary layer, in equilibrium state. These assumptions overestimate the heat transfer in the stagnation region and can lead to discrepancies in the prediction of the survivability. In order to account for finite catalytic recombination rates at the wall, Goulard’s formula was used in the Aerothermodynamics module.
Finally, analysis on reentry trajectory and survivability was performed for 24 cases of small space debris, using the code developed. Space debris radii between 2.5 cm and 10 cm were considered, and the catalytic efficiencies for oxygen and nitrogen were both 0.01. The results show that 16 out of 24 cases survived, while only 8 cases survived with a super-catalytic wall, and 19 cases with a non-catalytic wall. It is shown that a super-catalytic wall overestimates the heat transfer and consequently predicts a low survivability of space debris. The reentry analysis code considering non-equilibrium gas-surface interactions, as developed in this paper, shows significant increase in the survivability of space debris which emphasizes the importance of an accurate treatment of small space debris.
재진입하는 우주쓰레기의 생존성 및 위험 분석은 지난 몇 년 동안 NASA를 비롯한 많은 연구 기관들에 의해 수행되어왔다. 최근에 한국과학기술위성3호가 우주쓰레기와 충돌을 가까스로 피한 경우와 관련하여 국내에서도 우주쓰레기의 위험성에 대한 많은 관심이 대두되고 있다. 지구 궤도에 있는 많은 우주쓰레기들이 지난 수십 년 동안 지구로 재진입하였다. 재진입하는 우주쓰레기의 상당수는 대기에서 높은 공력 가열 현상이 발생하므로 용융이나 삭마와 같은 과정을 거친다. 이러한 과정을 거친 우주쓰레기는 대부분 살아남지 못하지만, 살아남은 우주쓰레기는 지상에 도달함으로써 인명, 재산 등에 상당한 피해를 줄 수 있다. 그러므로 우주쓰레기의 생존성 및 재진입 궤적을 분석하는 프로그램 개발이 중요하다.
몇몇 발사체 선진국의 연구 기관에서는 재진입 해석 프로그램을 개발하여 보유하고 있으며, NASA의 ORSAT 및 ESA의 SCARAB프로그램이 가장 대표적인 해석 프로그램이다. 두 프로그램은 궤적 분석, 열 계산 등에 있어 서로 다른 접근 방법을 사용하였지만, 같은 조건으로부터 서로 잘 일치하는 결과를 나타낸다. 국내에서는 ORSAT을 기반으로 한 SAPAR프로그램을 개발하여 보유하고 있다. 본 연구에서는 우주쓰레기의 재진입 궤적 및 생존성을 예측하는 프로그램을 개발하였다. 그리고 ORSAT, SCARAB, SAPAR의 해석 결과를 활용하여 구, 실린더, 박스와 같은 간단한 형상에 대한 프로그램 검증을 수행하였다.
다음으로 기체-표면의 화학적 비평형 현상을 고려한 새로운 해석 프로그램을 개발하였다. 기존의 재진입 해석 프로그램들은 물체의 벽면이 super-catalytic 조건, 평형 경계층 유동 등과 같은 가정들을 기반으로 한 Lees와 Fay-Riddell 공식을 사용하였다. 이러한 가정들은 정체점 열 유속을 크게 예측하므로 생존성 예측에 있어 큰 오차를 발생시킨다. 본 연구에서는 물체 벽면에서의 유한한 재결합률을 고려하기 위해서 Aerothermodynamics 모듈에 Goulard 공식을 접목하였다.
마지막으로 본 연구에서 개발한 프로그램을 활용하여 24가지 작은 우주쓰레기에 대한 재진입 궤적 및 생존성 분석을 수행하였다. 우주쓰레기의 반경은 2.5 cm ~ 10 cm 으로 구성하였으며 산소와 질소의 촉매 반응 계수는 0.01을 사용하였다. 총 24가지 중에 16가지 케이스가 생존하였으며, super-catalytic 조건은 8개, non-catalytic 조건은 19개의 우주쓰레기가 생존하였다. Super-catalytic 조건은 열 유속을 크게 예측하므로 가장 낮은 생존률을 나타냈다. 본 연구에서는 기체-표면의 화학적 비평형 현상을 고려하여 개발한 재진입 해석 프로그램을 활용하여 작은 우주쓰레기 생존성 분석의 중요성을 확인하였다. 그리고 작은 크기부터 큰 크기의 우주쓰레기를 모두 고려할 수 있는 재진입 해석 프로그램을 개발하였다.
