궤도 잔해 재구성: 통계적 접근에서 투여량 접근으로

미국 - 이크바리 뉴스 통신사

궤도 잔해 재구성: 통계적 접근에서 투여량 접근으로

인류는 위성을 발사할 때마다 우주 환경에서의 작동에 대한 귀중한 통찰력을 얻습니다. 그러나 진정한 학습은 실질적인 경험에서 비롯됩니다. 그렇지 않으면 우리는 잘못된 질문을 함으로써 발생하는 실험실 중심의 편견에 갇힐 위험이 있습니다. 이것은 우주 부문이 미세 운석 및 궤도 잔해(MMOD) 충돌과 관련하여 직면하고 있는 한계점입니다. 미래 임무에 대한 MMOD 위험을 고려하고 완화하는 방법에 있어 산업 전반에 걸친 중요한 변화가 임박했습니다.

자연 우주 환경이 균일하고 금지될 정도로 위험했다면, 그 위험은 오래전에 드러났을 것입니다. 스푸트니크와 같은 초기 위성들은 자연 운석, 혜성 꼬리, 소행성 파편에 의해 파괴되었을 것입니다. 대신, 우리는 우주가 비교적 안정적이라는 것을 발견했고, 이는 온도, 진공 및 전기적 전하와 같은 극한 특성을 완화하는 데 초점을 맞춘 공학 표준의 개발로 이어졌습니다. 1960년대 이후 근본적으로 변화한 것은 교통량의 기하급수적인 증가와 수백만 개의 궤도 잔해 조각에 의한 우주의 느리지만 지속적인 '오염'이며, 이는 현대 MMOD 환경을 만듭니다.

현재 대부분의 소형 위성(smallsats)은 특수 잔해 보호 시스템을 갖추고 있지 않습니다. 확립된 궤도 잔해 평가 보고서(ODAR) 분석은 상업 운영자의 관찰된 성공과 과거 성공을 복제하려는 자연스러운 경향과 결합하여, 겸손한 결과를 낳았습니다. 위성은 궤도 공간의 광대함에 비해 매우 작으며, 탑재된 추진 시스템은 잠재적인 접근 상황이 식별될 때 회피 기동을 가능하게 합니다. 고영향 사건과 위성 간 충돌은 추적 가능하고 시각적으로 볼 수 있기 때문에 관리 가능한 것으로 인식됩니다. 이러한 시각화는 믿음뿐만 아니라 지식에도 중요하며, 우려 빈도와 다양한 완화 전략의 효과에 대한 신뢰할 수 있는 직관을 키웁니다.

그러나 미세 MMOD는 독특한 도전을 제시하며, 잠재적으로 산업의 가장 큰 미스터리의 열쇠를 쥐고 있습니다. 미세 MMOD는 3밀리미터 미만의 입자 집단을 추적하지 않는 것을 의미합니다. 이 범주는 저궤도(LEO)에 있는 물체의 대다수를 수량으로 구성합니다. 중요한 질문이 제기됩니다. 이 입자를 추적할 수 없다면, 그 존재와 영향을 어떻게 정확하게 평가할 수 있을까요?

1984년부터 1990년까지 지구 궤도를 돌았던 NASA의 장기 노출 시설(LDEF)은 이러한 질문에 답하기 위해 특별히 설계되었습니다. 임무는 표준 재료와 하위 시스템을 장기간 LEO 환경에 노출시킨 다음, 결과적인 '흉터'에 대한 자세한 분석을 위해 지구로 다시 가져오는 것이었습니다. 연구 결과는 놀라웠습니다. 복잡하고, 방향성이 있으며, 높은 유량의 환경이었습니다. NASA의 요약에 따르면 LDEF 외부에서 30,000건 이상의 MMOD 충돌이 관찰되었습니다. 충돌은 후면에 비해 전면에서 약 20배, 지구를 향한 측면보다 전면에서 200배 더 빈번했습니다. 데이터는 5.75년 임무 동안 약 450km 고도에서 연간 약 5,217회의 충돌을 나타냈습니다. LDEF의 약 151.975제곱미터의 외부 면적을 고려할 때, 이는 1990년대 잔해 수준에서 제곱미터당 연간 약 34회의 충돌에 해당합니다. 현재 잔해 수가 1990년보다 약 3배 많다는 점을 감안할 때, 이는 혼잡한 LEO에서 제곱미터당 연간 약 100회의 충돌이라는 우려스러운 범위로 대략적으로 추정됩니다.

이것은 중요한 질문을 제기합니다. 현대 ESPA급 위성이 하루에 한두 번의 충돌을 겪고 있을까요? 이 가능성이 제기될 때, 위성자리 운영자들은 종종 믿을 수 없다는 반응을 보이지만, 동시에 MMOD가 중요한 임무 동인이 아니며 그들의 요구 사항은 ODAR을 넘어서지 않는다고 주장합니다. 이는 해결이 필요한 중요한 역설을 제시합니다.

설명의 일부는 모든 충돌이 동일하지 않다는 사실에 있습니다. 고속 충돌 영상은 종종 알루미늄을 색종이로 바꾸는 극적인 시나리오를 묘사하지만, 이는 평균적인 경험이 아닌 극한의 사례를 나타냅니다. LDEF의 대부분의 충돌 구멍은 1밀리미터 미만의 미세한 천공이었습니다. MMOD 충돌은 다양한 방식으로 나타납니다. 일부는 '그래비티'(2014) 영화에서 묘사된 연쇄 반응과 유사한 치명적인 것이고, 다른 많은 것은 구조물, 천, 또는 탱크를 통한 미세 천공입니다. 이러한 미세 천공은 위성의 즉각적인 고장을 일으키지 않고도 2차 잔해를 생성할 수 있습니다. 또한, 이러한 사건의 현장 관찰이 드물기 때문에 고장 원인에 대한 오인이 발생합니다. MMOD로 인해 얼마나 많은 위성이 조용히 고장났으며, MMOD 신호 중 얼마나 많은 것이 양성자 충돌 또는 다른 방사선 사건으로 잘못 인식될까요? 이러한 혼란은 예상됩니다.

이것은 저자의 반복적인 주장, 즉 비디오 기록과 샘플 반환 임무가 정직한 MMOD 위험 평가의 전제 조건이라는 것을 강조합니다. 관점은 역학자의 관점으로 전환되어야 하며, 개별적인 결합 사건에만 집중하는 대신 입자 집단과 누적 노출을 분석해야 합니다. '투여량'이라는 개념이 중요해집니다. 이러한 재구성은 MMOD 위험을 알파 및 베타 방사선 위험과 유사하게 위치시킵니다. 둘 다 민감한 시스템이 피하는 것이 가장 좋은 입자 집단을 포함합니다. 투여량이 올바른 렌즈라면, 최적의 보호 전략은 명확해집니다. 중요한, 대체 불가능한 시스템 주변의 차폐를 강화하고 보호를 최대화하기 위해 이러한 시스템을 중앙 집중화합니다.

우주 산업의 지속적인 미스터리 중 하나는 우주선의 정확한 고장 원인입니다. 우주 환경의 고유한 모호성은 직접적인 검사가 불가능하다는 것을 의미합니다. 우리는 종종 수백 킬로미터 떨어진 곳에서 몇 분씩 지연되어 수신되는 원격 측정 데이터에 의존합니다. 저자는 궤도 상의 고장이 일관되게 잘못 귀속된다고 주장합니다. 현재 방사선, 소프트웨어 또는 제작 문제로 분류되는 고장의 일부는 실제로 미세 MMOD 및 그 2차 효과로 인해 발생할 수 있습니다. 제작 결함과 MMOD 충돌 모두 밀리미터 규모에서 하드웨어를 최적에서 벗어나게 미묘하게 교란시킬 수 있으며, 이는 지상에서 분석될 때 거의 구별할 수 없는 고장을 초래할 수 있습니다. 이러한 오인 귀속은 특히 배치 단계에서 중요하며, 미세 MMOD 또는 불충분한 제작으로 인한 밀리미터 규모의 교란조차도 원격 측정 데이터에서는 구별할 수 없지만 결과적으로 치명적인 고장으로 이어질 수 있습니다.

정확한 고장 귀속은 Atomic-6와 같은 부품 제조업체에게 매우 중요합니다. 이들의 사업은 고객이 그들의 제품이 임무 실패의 원인이 되지 않을 것이라는 신뢰에 달려 있습니다. 각 구성 요소가 제작 또는 불확실성으로 인해 잠재적인 고장 지점을 도입한다는 점을 인식하고, Atomic-6은 주력 제품인 Light Wing 태양광 패널 어레이의 부품 수를 최소화하는 데 집중해 왔습니다. 이러한 감소는 이러한 연쇄적인 고장의 가능성을 줄이는 것을 목표로 합니다.

2차 효과의 개념은 특히 직관에 반합니다. 금속 우주선은 분해될 때뿐만 아니라 충격을 받을 때마다 잔해를 생성합니다. 미세 MMOD 입자가 금속 피부를 관통하지 않더라도, 결과적인 비산 및 박리는 원래 발사체보다 더 크고 더 해로운 파편을 생성할 수 있습니다. 일부 연구에 따르면 이러한 2차 파편화는 원래 충돌보다 우주선 주변에 수십 배 더 많은 충돌 흔적을 유발한다고 합니다. 이러한 파편화를 방지하려면 운영자는 금속 기반 MMOD 솔루션에 대한 대안을 고려하고, 충격 에너지를 흡수하고 단단한 미세 MMOD 파편을 방출하지 않고 자체를 보존하는 복합 재료 기반 솔루션을 선택해야 할 수 있습니다.

흔한 질문이 제기됩니다. 위성이 매년 수백 번의 충돌을 겪는다면 왜 매주 추락하지 않을까요? 대답은 MMOD가 평균적으로 예상보다 덜 해로울 수 있지만, 특정 고에너지 시나리오에서는 훨씬 더 심각할 수 있다는 사실에 있을 가능성이 높습니다. 이러한 미묘한 이해는 자기 만족보다는 우리의 정신 모델을 심화시켜야 합니다. Atomic-6은 표준 MMOD 가정에 대한 이러한 직관에 반하는 도전을 적극적으로 탐구하고 있으며, 이를 해결하기 위한 제품을 개발하고 있습니다.

앞으로 잔해 생성 사건의 위험은 증가하는 것으로 보입니다. 국방 기상 위성 프로그램(DMSP)의 여러 위성은 퇴역 후 몇 년이 지나 '분해'되었으며, 16개는 여전히 궤도에 있으며, 분해 시기는 예측할 수 없습니다. 우주에서의 변화하는 갈등 역학은 위성 수의 증가, 더 공격적인 기동, 결과적으로 더 많은 오류 기회를 의미합니다. 고체 로켓 모터로 구동되는 요격 개념의 확산과 만남 및 근접 운영(RPO)은 이점과 잔해를 생성하는 새로운 실패 모드를 모두 도입합니다. 잘 수행된 RPO는 기동 수명을 연장하여 잔해를 줄일 수 있지만, 잘못 관리된 접근 방식은 위성의 치명적인 손실을 초래할 수 있습니다. 산업은 능력의 상당한 도약이 잔해 문제를 해결할 수 있는 중대한 시점에 있으며, 사소한 증가는 문제를 악화시킬 수 있습니다.

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