Research Highlight

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- 달 착륙선 달빛2호 (권세진교수님 연구실) -

 

착륙선 지상비행시험기의 필요성

 

 착륙선 지상비행시험기는 착륙 관련 기술의 검증과 개발을 위해 우주 임무에 앞서 지상에서 실험하기 위해 운용하는 실험체입니다. 지상비행시험기는 지상에서 수직이착륙 비행하여 착륙 종말 단계인 동력 강화(Powered descent) 과정을 모사하며, 착륙선에 적용되는 유도 항법 및 제어, 위험 감지 및 회피 시스템, 센서 등의 검증 및 개발에 활용됩니다. 해외의 지상비행시험기 운용 사례로는 NASA의 Morpheus, Mighty Eagle lander, JAXA의 SELENE-B 등이 있으며, 비행 실험을 통한 성능 평가를 수행한 바 있습니다.

 

 국내 개발 사례는 카이스트 로켓연구실의 달 착륙 추진 모듈과 한국항공우주연구원이 개발한 달 착륙 지상시험모델이 있습니다. 달 착륙 추진 모듈은 수직이착륙 비행 실험을 성공적으로 수행했지만, 모듈에 적용된 추력 제어 방식이 한국형 달 착륙선과 달라 상사성이 부족하고, 제어 알고리즘이 탑재되지 않아 수동으로 추력을 제어해야 하는 한계가 있었습니다. 달 착륙 지상시험모델은 실제 착륙선과 상사성을 갖도록 설계됐으며, 가상 비행 실험을 성공적으로 수행했지만, 독성 추진제인 하이드라진(N₂H₄)을 사용하는 추진 시스템이 유독한 추진제 및 배기가스를 외부에 유출할 수 있어 비행 실험을 진행하지 못했습니다.

 

 지상비행시험기를 통한 착륙 기술 검증 및 개발을 위해서는 실제 착륙선과 상사성을 가지며, 친환경 추진제를 사용하는 지상비행시험기의 설계 및 개발이 필수적입니다. 항공우주공학과 로켓연구실은 한국형 달 착륙선과 하부 체계가 같으며, 친환경 추진제를 사용하고, 연구실 수준에서 운용 가능한 소형 지상비행시험기 시스템의 설계 및 개발을 수행했습니다. 설계 요건에 따라 추진 시스템, 구조체, 제어 알고리즘, 수직이착륙 실험 장치 등을 설계 및 개발했습니다.

 

 

착륙선 지상비행시험기 설계 과정

 

 지상비행시험기는 추진 시스템을 포함한 다른 하부 체계를 착륙선과 최대한 일치시키면서, 연구실 수준에서 안정적으로 운용할 수 있도록 선정했습니다. 최대 이륙 중량은 40 kg 미만으로 제한했으며, 연구 개발의 기간과 비용을 낮추기 위해 상용 제품을 사용했습니다.

 

 착륙선 지상비행시험기는 상승, 수평 기동 및 고도 유지(호버링), 하강, 연착륙으로 구성된 일련의 비행 시험을 통해 착륙 기술의 검증 및 보완이 목적으로 운용했습니다. 본 연구에서는 자세 제어와 수평 기동을 제외한 고도 변경 및 유지만을 수행하도록 임무 요건을 선정했고, 표 1과 같이 비행 시나리오를 선정했습니다. 지상비행시험기가 최대 상승 고도에 도달하면 호버링을 시작하며, 하강 기동을 모사할 수 있도록 비행 시나리오를 선정했습니다.

 

 

Time (sec)	Maneuver type	Altitude (m)
0 - 2	Take-off	0  2.0
3 - 10	Hovering	2.0
10 - 12	Descent	2.0  1.0
12 - 18	Hovering	1.0
18 - 20	Descent + engine cutoff	1.0  0.3  0

 

표 1. 지상비행시험기 비행 시나리오

 

 지상비행시험기의 추진 시스템은 한국형 달 착륙선의 하부 체계와 상사성을 가지고, 운용 중 추력의 균일성을 확보하기 위해 고압 질소 가스를 이용한 가압식 사이클로 구성됐습니다. 목표 추진제 유량을 추력기로 주입하기 위해 고압 질소 가스가 약 150 bar로 충전된 탄소복합재 가압 탱크를 압력 레귤레이터와 체결해 추진제 탱크를 일정하게 가압하도록 했습니다. 소형 지상비행시험기의 추력기 선정은 한국형 달 착륙선과 달 착륙 지상시험모델의 추진 시스템 설계안을 반영하여 이루어졌습니다. 착륙선의 질량 및 활용도를 고려했을 때 비교적 작은 추력을 내는 다수의 추력기를 활용하는 방안을 선택했고, 달 착륙선에는 200 N 추력기 4기를 클러스터링 형태로 장착했습니다. 소형 지상비행시험기는 최대 이륙 중량을 40 kg 미만으로 제한했기 때문에 100 N 급 하강 추력기 4기가 클러스터링 형태로 지상비행시험기의 하단에 장착되도록 했고, 각 추력기의 개별 추력 차이에 의한 지상비행시험기 전도 현상을 방지하기 위해 최대한 무게 중심축에 가깝게 위치하도록 설계했습니다. 각 추력기는 펄스폭 변조 방식을 활용하여 추력을 제어하며, 대각선 반대 방향에 있는 추력기 2기가 하나의 세트를 이루어 동시에 작동합니다.

 

 지상비행시험기의 구조체는 경량화를 위해 트러스 타입의 구조체 설계를 수행했습니다. 트러스 타입의 구조체는 탄소복합재 파이프와 같은 가볍고, 튼튼한 부품이 구조체의 버팀목(Strut) 역할을 하며, 금속 재질의 고정 장치(Fastener)가 추진제 및 가압 탱크 등의 추진 시스템의 주요 부품을 고정하는 특징을 가지고 있습니다. 설계 및 개발 후 측정한 최대 이륙 중량은 약 27 kg 으로 초반에 선정한 설계 요건을 만족하는 것을 확인할 수 있습니다.

 

 

원고         최석민[csm9420@kaist.ac.kr]

편집         박진우[jinpark57@kaist.ac.kr]