NASA 의소형위성기반달탐사프로젝트참여방안연구에관한 정책연구사업의최종보고서를별첨과같이제출합니다 년 9 월 30 일 주관연구책임자이창진 ( 인 ) 주관연구기관장건국대학교산학협력단장

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1 최종보고서 관리번호 기술분류 과제명 NASA 의소형위성기반달탐사프로젝트참여방안연구 주관연구기관주관연구책임자총연구기간총연구비총참여연구원 기관명소재지대표 건국대학교 서울광진구화양동 1 번지 성명소속및부서전공 이창진항공우주공학과우주공학 2012 년 06 월 1 일 ~ 2012 년 08 월 31 일 ( 3 개월 ) 일금일천만원정 ( 10,000,000) 3 명 ( 책임 : 1 명연구조원 :2 명 )) 2012 년도과학기술정책연구과제로수행한연구과제의최종보고서를 붙임과같이제출합니다 년 9 월 30 일 주관연구책임자이창진 ( 인 ) 교육과학기술부장관귀하

2 NASA 의소형위성기반달탐사프로젝트참여방안연구에관한 정책연구사업의최종보고서를별첨과같이제출합니다 년 9 월 30 일 주관연구책임자이창진 ( 인 ) 주관연구기관장건국대학교산학협력단장

3 제출문 교육과학기술부장관귀하 본보고서를 NASA 의소형위성기반달탐사프로젝트참여방안연 구 최종보고서로제출합니다 년 9 월 30 일 주관연구기관명 : 건국대학교 연구기간 : 2012/06/01~2012/08/31 주관연구책임자 : 이창진 참여연구원 연구원 : 박차렴 연구원 : 김윤경

4 요약문 ( 국문 ) 제목 과제명 : NASA 의소형위성기반달탐사프로젝트참여방안연구 사업기간 : ~ (3 개월 ) 사업비 : 10,000 천원 책임자 : 이창진 ( 건국대학교항공우주공학과 ) 달탐사과제개요 NASA Ames 연구소는 '11.4월최초한국측참여제안이후개념설계연구 (Pre Phase-A Study) 를진행하며 200kg 이하급소형위성을기반으로하는 PHH(Planetary Hitch Hiker) 프로그램진행을결정하고설계를표준화하여달탐사, 소행성탐사등으로확장하는계획확정. NASA Ames측은소형위성 (500kg급이하) 을기반으로한달탐사위성 Lunar Prospector('98), LCROSS (Lunar CRator Observation & Sensing Satellite, '09), LADEE (Lunar Atmosphere & Dust Environment Explorer, '13) 등다수의달탐사경험보유. OCT(Office of Chief Technologist) 에공고된 FY12 프로그램중친환경추진 시스템의기술검증을목적으로하는 PHH 프로그램 Proposal 을제출 NASA 제안사항 개요 NASA측은한국측에추진계를제외한궤도선 (Mothership) 의설계, 조립및시험, 발사초기운영지원, 한국측엔지니어의공동설계파견및 On-Site Engineering등을제안 주탑재체 ( 미정 ), 추진모듈, 큐브샛을탑재할수있는 3축안정화방식의달궤도선버스모듈의설계, 조립및시험 사업개시후 26개월내 ARC(Ames Research Center) 로송부 연구목적 - 4 -

5 NASA의달탐사활동에참여함으로써우리나라가얻을수있는기술적발전, 탑재체독자개발을위한기초기술확보가능성, 향후활용방안, 우리나라의독자적우주탐사계획과기술적연계성을파악하고분석하는노력필요. NASA 의달탐사계획에참여함으로써얻을수있는장기적인기술발전의 이득과참여에따른소요비용, 인력양성효과, 그리고우주과학에응용 - 활 용방안등에대한전반적인분석이필요함 검토사항 차세대소형위성개발 ( ~ ( 총 4 년 )) 핵심기술우주검증및우주과학임무를수행할 100kg 급소형위성 국내독자개발. 우주 지구과학연구수행지원, 관련분야전문인력양성 주요제원및형상 항목시스템요구사항 궤도 650 ~8 0 0 km 태양동기궤도 임무수명 2년위성본체무게 60 kg 소비전력 250 W@EOL 자세제어방식 3 축자세안정화방식 지향정밀도 ± 0.0 2de g ( 2σ) 관제통신 S 대역 자료전송 X 대역탑재체우주핵심기술검증및과학임무 - 1 -

6 달궤도선개발방안요약 기타확인및고려사항 실제개발기간및납품예정일의격차존재 NASA ARC의본체인도희망시기 : 2014년 8월 (TBD) 차세대소형위성구성요소개발완료예상시기 : 2015년상반기 소형화, 경량화, 저전력화, 모듈화전략에따른예비설계, 상세설계및비행모델제작완료시점을감안할때, 2015년상반기로예상됨. ( 최소 2년 6개월 ) 달탐사에필요한미확보기술의 NASA 지원가정가정1: 발사체의달궤도천이궤도 (TLI) 진입서비스가정2: 궤도수정, 달궤도진입, 자세제어용추력기 NASA 지원가정3: 임무해석및항행제어 S/W NASA 지원가정4: Deep Space Network NASA 지원 차세대소형위성의일부구성요소와미국우주인증 Avionics 기술혼합검토 안정적인임무지원도는높아지나, 국내기술활용범위와역할감소. ( 전력계일부, 통신계, 자세제어계, 열구조계로국한 ) - 2 -

7 해외구입및신규개발필요아이템 : NASA Mission Heritage가있는 Avionics ( 해외구입 ) Low/Medium/High Gain Antenna ( 신규개발또는해외구입 ) IMU ( 신규해외구입 ) NASA Ames 방문확인사항 (Design Class Definition) All avionics designs in the Korean small satellite bus module do not adhere to the highest standards in space flight hardware design. (All the parts used are not space- qualified). For the cost-effective design, some parts are space qualified, but even military-grade or commercial-grade parts can be applied to avionics design. However, TID and SEU test should be performed in qualification design phase in available facilities in Korea. What kind of design class is expected for Lunar Impactor? (Mass Budget) In this phase, the overall mass budget has some uncertainty because we can not guess the appropriate mass of green propulsion system and the required fuel mass for mission completion. We can only describe the mass of bus module excluding propulsion system as 60kg. It is the main target for compact and lightweight spacecraft design based on the next small satellite technology. What is the feasible range of mass budget allocated to spacecraft bus & payload according to LV selection? Some items including star tracker, RW, IMU, Li-ion cell, s-band gain antenna are not commercialized in Korea and mostly imported from US. We expect that ARC recommends the detail specifications on those items for possible GNC implementation and communication between the moon and the Earth for lunar impactor mission. (Collaboration Principle) KARI has built up and operated only LEO and GEO satellites up to now; thus we do not currently have the reliable experience in the field of lunar guidance, navigation and control (GNC) such as TLI(transfer lunar injection), cruise to weak stability boundary and LOI(lunar orbit insertion), etc. We hope that NASA ARC is willing to co-work with us in the mission operation and GNC design for lunar impactor mission, based on the strong partnership between Korea and USA. Major Issues (Status of proposal submitted to OCT(Office of the Chief Technologist)) What is the current status of review process for PHH proposal in OCT? (Release of Proposal) KARI has not received the PHH proposal in hand so far. When can it be available for KARI? (Modification of Schedule) According to the milestone of the Next Small - 3 -

8 Satellite program in Korea, the flight hardware production is scheduled for March to May, This may cause some problems in overall project planning. Could you accept the delay of KARI spacecraft bus module delivery or could you recommend any mitigation plan regarding the risk on overall schedule? (Vision for Further Collaboration) Regardless of the results of OCT approval, is ARC willing to collaborate with KARI/MEST (or Korea) in further lunar or planetary mission by applying several NASA program with adoption of PHH(or small satellite)? What s the approval status of Space Act Agreement application for pre-phase A collaboration study of PHH with KARI? (Export License) Major avionics components for PHH spacecraft bus are EL items. KARI would like to have ARC s support for EL approval process in order to avoid the schedule delay. (Note that KARI has no problems for acquiring EL in the purchase of satellite bus avionics from US companies so far.) (AIT process) KARI is willing to support final AIT process including propulsion system with the aid of expertise in ARC. 기타협의사항 - Lunar Impactor 계획서 ( 제출) 는중간질의과정또는보완요구없이심사중이며선정결과발표가 8월로연기됨 - 한국측은차세대소형위성프로그램에대한개요와연계방안을설명하고한국소형위성과의설계및제작연계와추진일정의연기가능성을타진 - Redundancy 등신뢰도수준을문의하였으며, 본과제는기술검증이주목적이고저예산이므로 Redundancy가없는 Class D수준으로설계하는것이일반적이라고답변 * 차세대소형위성의설계수준과유사하여 Radiation 요구조건도유사 - 위성의총중량은 SS/L 통신위성버스이용발사시 140kg ESPA이용시최대 180kg까지가능하다고답변 - Pre-Phase A 설계를위한 KARI와의국제협력연구를위해현재 NASA본부에협력승인을신청, 처리중이며향후 TAA체결이후 Technical Guidance 가능 - NASA측은 Lunar Impactor 임무의성공을위해시스템요구사항, 서브시스템사양및설계방향, 달항법및제어알고리즘에대한기술적협조를제공할의사가있음 - 4 -

9 - 추진시스템을포함한전체위성시스템의시험, 조립 (AIT) 과정도한국 측엔지니어참여가가능하다는것이 NASA 의입장 - Critical Point에서는상호합의 (Mutual Agreement) 방식으로진행 - Lunar Impactor 과제선정여부와관계없이 NASA Ames측은 PHH 개념을발전시켜지속적으로협력추진의사를표명 - NASA 달과학연구소 (NLSI) 는소행성, 화성등으로연구범위를확장할계획이며, Lunar Science Institute의 Associate Member로서의가입을위해 Dr. Greg Schmidt가 DLR 제안서사례에대한정보를제공하여한국측제안서작성을지원키로함. 결론및의견 - Lunar Impactor의설계요구조건을충족하는범위에서차세대소형위성과의연계가능성은열려있으며추가적인기술검토는선정후진행키로함 - 차세대소형위성과연계시위성본체제공시기는과제선정후추후협의 - NASA Ames측에서는 PHH설계개념을항우연과지속적으로발전시켜추후공고되는과학임무등에서도제안서제출, 공동설계등의형태로지속적으로한국과의협력을희망 1) An AO release for a Astrophysics Mission of Opportunity with a $50-60M cost cap in Sept/Oct ) An AO for a Small Explorer mission with an estimated cap of $120M in late NASA측은 ITAR 규정이허락하는범위에서기술협조를할예정이나과제의성공을위한실질적인 On-Site 기술지도는지원할의사가있음. - 한국측이 NLSI(NASA 달과학연구소 ) Member 가입절차를연내완료하고지속적인달탐사국제협력을추진하기를 NASA측은기대 - 5 -

10 Lunar Impactor 임무를통한기술적이득 요약및결론 NASA Ames 연구센터에서제안하고있는달탐사과제참여제안은 - 6 -

11 지속적이며실질적인협력을포함하고있음. 참여범위는탐사선모선을제공하는하드웨어참여와우주과학분야의협력을제안하고있음. NASA AO로부터 2012년과제선정이이루어지지못하였지만앞으로계속적인과제제안이이루어질예정임. 한국의참여요청도계속이루어질것으로보임. 우주과학분야의참여는그동안원활하게이루어지지못하고있었다는점에동의하였음. 따라서적절한방법으로한국의참여를활성화하기로하였음. 달탐사과제참여와는별도로우주과학분야의활발한연구교류를기대할수있음. 달탐사과제에참여한다면위성기술이나, 심우주탐사를위한항행소 프트웨어등의기술적이득이기대됨. 그외에도우주 Avionics, 고지향성 S- 대역안테나, 고정밀 IMU, 별 추적기등의독자개발에필요한국내의기술발전을도모할수있음. 저궤도위성, 정지궤도위성과다른임무를수행할수있는우주탐사 선의시스템개발기술확보가가능함. 나로호 3 차발사이후에제기될가능성이있는우주개발에대한국민 들의지대한관심에대하여잘구성된우주과학프로그램으로제시할 수있음. 차세대첨단소형위성개발과연계하여진행한다면예산의커다란부담없이 NASA Ames 연구센터의달탐사과제에참여가가능하며이로인하여위성부품기술과우주과학분야에서상당한기술적, 과학적발전을이룰수있다고판단됨

12 S U M M A R Y Recently, NASA Ames research center proposed KARI for joint research project of PHH (planetary Hitch Hiker) which are in the planning phase (pre-phase A study) to develop Lunar expedition module to investigate Lunar surface. KARI is invited to provide satellite bus system of 100kg class to accomodate many science payloads including surface impact module, newly designed environment friendly propulsion module. Also, advance small satellite program was newly initiated in korea this year to develop compact, modular, low energy consumption and high performance satellite of weight less than 60 kg excluding propulsion module. So it is required to analyze the current technical capability of KARI supporting NASA proposal by preparing bus system on time and possible beneficiaries that KARI can take from this joint research project. Some items and issues are needed to be estimated in detail before KARI may take any actions of participation to this joint project. This include followings: 1. Time line to meet NASA delivery requirement of satellite bus system 2. Technical assistances and benefits from NASA in case of KARI's participation. 3. Any possible technical linkage in preparing lunar mothership module with recently initiated advance small satellite program in the country. After several meetings with experts in lunar science and satellite bus system, some issues are identified and successfully resolved by the direct discussion with NASA prior to draw final decision. Conclusion of the current study includes that this solicitation from NASA is very promising one and worth participating for expanding technical capabilities of satellite for future deep space science mission. And it is also recommended that the final conclusion of participation will be released after 3rd launch campaign of NARO space vehicle in order to emphasize national interests on space science missions as a part of space development program of up to

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14 1. 제목 과제명 : NASA의소형위성기반달탐사프로젝트참여방안연구 사업기간 : ~ (3개월) 사업비 : 10,000 천원 책임자 : 이창진 2. 연구의목적및필요성 2.1. 연구의필요성우리나라는우주개발진흥 2차기본계획 ( ) 을수립하면서우주개발선진화를위한국제협력확대방안을추진하고자함 우주선진국과의국제협력강화를통한우주기술공동개발기반마련 MEST-NASA 공동보고서서명 ('09) 및정례회의 ( 10) 개최, MOU( 국가간 2건, 전문기관간 6개국 8건 ) 체결 우주개발진흥기본계획은국제협력으로우주탐사를진행할계획을갖고있음. 우리나라의달탐사계획을구체적으로수립하고자하는시점에미국의 ILN 참여제의는자력달탐사를위한국제협력의좋은기회를제공하고있음. 자력달탐사전에국제협력은비교적적은예산과낮은위험도로달탐사에관한경험을축적할수있는기회이며, 독자적인달탐사를위한준비를앞당길수있는기회를제공함 이를바탕으로 2021년한국형발사체의개발후달궤도선과달착륙선의자력발사를계획하고있음. 선진국의예에서보듯이인공위성을지구궤도위로올린후달로보내는것은발사체임무수행의순연으로한국형발사체를이용한우리나라달궤도선의자력발사는우리나라의우주개발능력의획기적인도약이될것임 인공위성분야의축적된기술력을바탕으로향후 7~8 년내에충분히자력으 로달궤도선을개발할수있다는타당성도확보하였음 ( 달탐사계획수립 을위한기획연구, 한국항공우주연구원, ) 국제달네트워크 (ILN) 참여추진 * 이후국내달탐사추진방향설정필요 * 정부차원에서 ILN 의참여가검토되었으나 NASA 의사업착수연기 ( 13 18)

15 에따라국내의관련활동은중단된상태임 국내연구기관및대학등을중심으로참여추진중인 NASA 의소형위성기반 달탐사프로젝트참여활동이활발해지고있으며이런참여에대한구체적타당성과 성과검토요구됨 제2차우주개발진흥기본계획 ('12~ 16) 과 2012년도우주개발시행계획 에따라핵심기술자립화및위성개발과정의효율화를도모하여독자적우주개발및우주산업화역량강화를위한 차세대소형위성개발계획 ( 안 ) 을수립 추진하고있음 위성의독자개발능력확보를위하여차세대소형위성개발계획을추진하고 있으며다음은개발목표임 - 기술검증및과학임무를효과적ㆍ효율적으로수행할표준화, 모듈화, 소형화된 100Kg 급소형위성국내독자개발 - 우주핵심기술개발사업과의연계를강화하여핵심기술및국산화부품의우주검증실시및창의적인과학임무수행 - 대학, 산업체의위성개발참여기회를확대하여전문인력양성. - 공개공모를통해우주ㆍ지구관측, 과학기초및응용분야등우주과학연구분야의창의적과제선정 미국주도의국제달네트워크 (ILN) 계획사업착수가연기된이후에이와흡사한루나임팩터계획에대한참여요청이 NASA Ames 연구소로부터공식적으로항공우주연구원에접수되었음. 이를활용하여우리의우주탐사능력의향상과위성개발에필요한독자기술을축적할수있는방안의모색이필요함

16 2.2. N A S A 제안사항 개요 NASA측은한국측에추진계를제외한궤도선 (Mothership) 의설계, 조립및시험, 발사초기운영지원, 한국측엔지니어의공동설계파견및 On-Site Engineering Support등을제안 NASA측은 ITAR(International Traffic on Arms Regulations) 규정의제약으로인해부분품위주의참여대신궤도선전체제작을희망 제안내역 주탑재체 ( 미정 ), 추진모듈, 큐브샛을탑재할수있는 3축안정화방식의달궤도선버스모듈의설계, 조립및시험 사업개시후 26개월내 ARC(AmesResearch Center) 로송부 임무탑재체의조립및시험 인터페이스검증을위한 Avionics중심의위성 EM모델을한국이제작시, S/W검증명목으로 KARI-NASA간엔지니어의 S/W공동설계 (FSW, 항법제어 ) 가능 ARC에서추진모듈과궤도선버스모듈결합및시험시항우연인력지원 발사장에서의발사체결합및시험참여 발사및초기운영시항우연인력의참여 역할분담 KARI : 궤도선본체설계 / 제작및환경시험 NASA : 전체사업관리, 추진시스템개발및시험, 발사체제공, 지상국 S/W, DSN( 심우주네트워크 ) 기반관제운영 국내대학 / 미국대학 : 큐브샛설계 / 제작 ( 미국내예산신청중 ) 추진일정 : NASA제안서 OCT 제출 (KARI는 Funding Commitment Letter 송부 ) '12.7월 : 본사업선정후 KARI-NASA 양해각서 (MOU) 서명 : Lunar Impactor 과제 NASA OCT 선정탈락 13년말 : 상세설계완료 14.10월 : 버스모듈시험 / 조립완료 15.5월 : 총조립시험완료

17 16.3 월 : 발사 17.1 월 : 임무종료 ( 임무수명 300 일 ) 예산 제안서상총예산 : 4천만불 ($40M) 한국측분담분 : 2천만불 ($20M) ( 한국측실질부담금액 : 170억 ) 실질적인직접비 ( 부분품구매, 용역, 파견비 ) 는 80~100억추정 따라서우리의달탐사계획과의연관성을분석하고우주개발계획의효율성을높일수있는우리의대응방안모색이필요함. 또한선진국과의우주개발국제협력을강화할수있는방법과, 우리의첨단소형위성개발계획과어떤연계성이있는가를분석하여우리나라위성발전에기여할수있는참여방안수립이필요함. NASA Ames연구센터에서제출한달탐사연구계획서를부록으로첨부. 추진경과 2012년 6월 22일 1차전문가회의 2012년 7월 5일 2차전문가회의 2012년 7월 24일 3차위성기술전문가회의 2012년 8월 2일 NASA Ames 방문회의 2012년 8월 9일 4차전문가회의 2012년 8월 30일교육과학기술부중간보고 전문가자문위원회 소속및부서성명직책핸드폰번호 항우연주광혁책임연구원 ghju@kari.re.kr KAIST 위성센터장태성책연 tsjang@satrec.kaist.ac.kr 경희대진호교수 benho@khu.ac.kr 천문연최영준선임 yjchoi@kasi.re.kr KAIST 민경욱교수 kwmin@kaist.ac.kr

18 항우연이서림선임 이화여대박일흥교수 공주대이준호교수 위성기술전문가 공주대학교 이준호 교수 KAIST위성센터 장태성 책연 새트랙아이 김병진 부사장 항우연 이승우 실장 항우연 이상곤 책연 항우연 김성훈 선연

19 2.3. 연구의목표 NASA가참여요청하고있는 Lunar Impactor 프로그램의구성과연구방법, 연구기간, 후속프로그램여부, NASA의프로그램결정과정등과같이 NASA의달탐사프로그램에대한전반적이해와앞으로의전망에대한분석이필요함 올해 2012년에시작되는첨단소형위성개발프로그램은위성기술의자립화를위한핵심기술의테스트베드역할과우주과학발전을위한과학적임무를수행할예정임. 따라서달탐사를위한위성개발과첨단소형위성개발사이의관련성, 상호보완성, 기술발전성, 등의관점에서위설발전과의기술적연계성에관한참여방안재정립이필요함. NASA의달탐사활동에참여함으로써얻을수있는기술적발전, 탑재체독자개발을위한기초기술확보가능성, 활용방안, 향후우리나라가추진하려는독자적인우주탐사와의기술적연계성을파악하고적극적으로실현할수있는계획이필요. NASA 의달탐사계획에참여함으로써얻을수있는장기적인기술발전의 이득과참여에따른소요비용, 인력양성효과, 그리고우주과학에응용 - 활 용방안등에대한전반적인분석이필요함 본연구는우리나라의우주개발진흥계획에따라올해부터시행될예정인첨단소형위성개발사업, 우주개발진흥계획로드맵에있는달탐사, 한국형발사체의개발이후 2025 년경에실행예정인달탐사궤도선, 착륙선등달탐사와관련된우리의계획을분석, 재정립하고 NASA의달탐사계획참여에따른비용대비기술획득, 장기적관점에서국제공동협력에대한전략적접근방법에대한연구를수행할예정임

20 3. 연구내용 3.1. 우리나라소형위성개발및기술개발로드맵분석 인공위성시스템설계기술등일부기술은항우연을중심으로상당부분자립하였으나, 우주개발추진과정에서근본적인기술적문제에봉착할경우, 국내기술만으로는해결하기어려운실정임 고도의배타적경쟁체제로재편되고있는우주개발환경변화에능동적으로대처하기위해국가의전략적수요에따른하향식우주개발과우주기술력의 Spectrum 확대및특화된우주기술확보를위한상향식우주개발의조화가필요함 우주에대한국가적니즈를만족시키기위하여이미계획된 ( 우주개발진흥기본계획등 ) 우주시스템개발을기술적으로지원할필요있음 실질적인독자적우주개발력및자주적우주운용력확보를위해서는수출제한 (E/L: Export License) 품목중심의우주급핵심서브시스템및부품 기술등전략형우주핵심기술확보가시급함. 따라서대상기술을비행모델급 (Flight Model) 으로개발할수있도록지원하고, 모든대상기술에대한우주환경검증 ( 지상또는우주 ) 과연계가의무화되어야함 우주기초 핵심기술개발및검증 목표달성을위한전략 우주기초핵심기술개발단계별목표및전략

21 NASA 등세계유수기관협력을통한국제공동연구 지상의우주환경시험인프라및 100kg급차세대소형위성과연계를통한시험 인증추진 우주기술기반확충을위하여우주기초원천기술, 우주핵심기술개발사업을추진중에있으며, 개발될결과물을탑재하여우주검증을수행할위성이필요함 미국과일본등우주개발선진국은소형위성을이용한우주핵심기술의우주검증프로그램을운영하였음 미국은 NMP(New Millenium Program) 의소형위성을이용한차세대우주핵심기술의우주검증및심우주탐사, 지구관측임무를병행추진하였고, 일본은 100kg급 SDS위성시리즈와 60kg급 SOHLA위성시리즈등 98년부터소형위성을이용한핵심기술의우주검증을수행하였음. 차세대소형위성개발사업은소형위성의임무및역할을검토하여, 우주핵심기술의검증수단으로사용할차세대소형위성의개발방안을마련하고자하는사업임. 동시에개발된위성을활용할수있는과학임무를마련하고제시하여야함. 2012년우주기술완성도분석결과에의하면위성구조믈에대한기술, 시스템엔지니어링, 제품보증등의기술수준은경쟁력을갖추었으나, 자세제어, 추진계, 원격측정명령, 그리고탐재소프트웨어부분은기초수준이거나본격적인기술응용이가능한수준으로나타났다. 다음그림은기술수준분석을나타내고있는도표임. 인공위성우주기술 TRL 분석결과

22 우주시스템개발의기술적하부구조강화를위한우주기초연구강화 우주기술선진국의수출통제등으로기술도입이제한되는전략형우주핵심기술개발 그동안개발된우주기술을 IT, NT 등우리의강점기술과접목시킴으로써우주기술의산업화촉진 그동안축적된우주기술력을바탕으로우주선진국간배타적경쟁과협력에의참여를통해미래형우주기술확보 위성본체기술을확보하기위하여아래와같이총 138개의중점기술영역도출 중점추진영역 2차분류 3차분류 시스템 3 구조계 26 열제어계 9 위성본체 (SB) 자세및궤도제어계 14 추진계 31 전력계 9 원격측정명령계 22 탑재소프트웨어 24 총계 ( 수 ) [ 표 4-2] 위성본체연구개발역량분석결과 TRL 평균 중점추진영역 시스템 구조계 열제어계 자세및궤도제어계 추진계 전력계 원격측정명령계 탑재소프트웨어 계

23 기술분류체계 INDE X SB 중점추진영역 2 차분류 3 차분류 영역명 INDEX 기술명 위성본체 01 시스템 02 구조계 03 열제어계 INDE X 기술명 01 달탐사위성임무설계 / 분석 SW 5 02 영상위치보정소프트웨어 7 03 동역학위성시뮬레이터 5 01 스킨프레임형주구조물 9 02 복합재실린더형주구조물 8 03 트러스형주구조물 3 04 위성체어댑터 9 05 부구조물 9 06 태양전지판구조체 9 07 격자보강태양전지판구조체 6 08 테이프힌지방식태양전지판전개기구 5 09 동기식케이블방식태양전지판전개기구 6 10 힌지 & 스트럿방식태양전지판전개기구 6 11 비폭발성전개장치 5 12 광학탑재체용접속구조물 7 13 기상탑재체용접속구조물 7 14 통신탑재체용접속구조물 7 15 다자유도김벌형구조물 6 16 센서지지구조물 8 17 구동기지지구조물 안테나전개기구 (ADTM) (Antenna Deployment & Trim Mechanism) 안테나구속 / 전개기구 (HDRM) (Hold Down & Release Mechanism) 20 다기능구조체 5 21 접이식태양전지판전개장치 1 22 착륙장치 5 23 팽창형전개구조물 1 24 팽창형태양돛 (Solar Sail) 1 25 팽창전개형응집구조물 1 26 팽창형충격완화구조물 1 01 다층박막단열재 9 02 온도센서 6 03 히터 6 04 방열판 9 05 히트파이프 9 TRL

24 INDE X SB 중점추진영역 2 차분류 3 차분류 영역명 INDEX 기술명 위성본체 04 자세및궤도제어계 05 추진계 INDE X 기술명 06 루버 (Louver) 4 07 온도스위치 6 08 차세대형히트파이프 4 09 극저온냉각기 5 01 저정밀태양센서 9 02 고정밀태양센서 7 03 자이로 (HRG) 2 04 정지궤도급광학식자이로 (FOG) 6 05 저궤도급광학식자이로 (FOG) 6 06 별추적기 6 07 초고정밀복합형별추적기 6 08 자장센서 6 09 자기토커 6 10 반작용휠 6 11 태양전지판구동기 3 12 지구센서 2 13 제어모멘텀자이로 (CMG) 4 14 영상기반항법장치 4 01 격막식추진제탱크 (10 리터이하급 ) 5 02 격막식추진제탱크 (10~100 리터급 ) 4 03 래치밸브 6 04 소형추력기밸브 ( 수 N 급 ) 6 05 중형추력기밸브 (10N 급이상 ) 4 06 충전 / 배출밸브 7 07 저유동래치밸브 5 08 역지밸브 5 09 파이로밸브 5 10 추진제필터 5 11 압력변환기 5 12 촉매대히터 N 급단일추진제추력기 N 급단일추진제추력기 N~100N 급단일추진제추력기 N~200N 급단일추진제추력기 6 17 이원추진제추력기 ( 수십 N 급 ) 3 TRL 18 열제어부품

25 INDE X 중점추진영역 2 차분류 3 차분류 영역명 INDEX 기술명 06 전력계 07 원격측정명령계 INDE X 기술명 19 이리듐촉매 9 20 추진제배관 ( 저압 ; 수십 bar 급 ) 9 21 추진제배관 ( 고압 ; 수백 bar 급 ) 6 22 가압제탱크 5 23 추진제탱크 5 24 액체원지점엔진 ( 수백 N 급 ) 2 25 압력조절기 5 26 제논탱크 4 27 제논피딩시스템 4 28 추진전력조절장치 4 29 홀추력헤드장치 4 30 이온추력기헤드장치 3 31 친환경추진제추력기 2 01 전력조절분배장치 9 02 전력공급기 6 03 전력분배장치 7 04 파이로유닛 7 05 하니스 9 06 태양전지배열기셀배열조립및시험 07 배터리 6 08 극한환경용우주용연료전지 3 09 극한환경용원자력전지 3 01 종합탑재컴퓨터 9 02 탑재컴퓨터 6 03 S- 대역트랜스폰더 6 04 초고주파신호분배기 9 05 위성항법장치 (GPS+Galileo) 6 06 S 대역안테나 6 07 X- 대역안테나 6 08 추력기구동장치 5 09 탑재체접속장치 7 10 기상탑재체접속장치 7 11 릴레이장치 7 12 L/X- 대역변조기 5 13 S- 대역수신기 5 TRL 14 S- 대역입력필터

26 INDE X 중점추진영역 2 차분류 3 차분류 영역명 INDEX 기술명 08 탑재소프트웨어 INDE X 기술명 15 L- 대역잡음제거필터 7 16 L- 대역고주파전력증폭모듈 4 17 L- 대역출력필터 7 18 L- 대역안테나 6 19 S- 대역시험커플러 7 20 L- 대역시험커플러 7 21 X- 대역고주파전력증폭모듈 4 22 RF 하니스 6 01 운영체제 6 02 운영시스템소프트웨어 5 03 BSP, DD (Board Support Package, Device Driver) 04 시스템관리소프트웨어 9 05 데이터전송소프트웨어 9 06 원격명령처리소프트웨어 9 07 원격측정처리소프트웨어 9 08 데이터처리소프트웨어 5 09 자세제어소프트웨어 9 10 자세제어로직소프트웨어 5 11 자세제어장치관리소프트웨어 5 12 전력제어소프트웨어 9 13 전력제어로직소프트웨어 5 14 전력제어장치관리소프트웨어 5 15 열제어소프트웨어 9 16 열제어로직소프트웨어 5 17 기본서비스소프트웨어 5 18 HW 접속 / 관리소프트웨어 5 19 명령처리소프트웨어 5 20 운영지원소프트웨어 5 21 IP 실행소프트웨어 5 22 탑재체접속장치관리소프트웨어 5 23 범용플랫폼및임무 S/W 기술 2 TRL 24 위성탑재 S/W 용객체지향설계기술

27 4. 해외우주선진국들의달탐사동향분석 4.1. 해외달과학연구동향 NASA는달탐사에서가치있는연구결과를얻기위해 National Research Council(NRC) 에 년간달의과학적탐사에관한방향제시를요청하였으며, NRC는달과학의개념과목적을중요도에우선순위를정하였다. 다음은미국 NRC가정리한 2023년까지의달과학의개념과목적에대한정리이며달의과학적개념의우선순위는다음과같다. 1 내태양계의초기폭발역사는달에유일하게남아있다. 2 달내부의구조와구성성분은분화된행성의진화에관한정보를제공한다. 3 주요한행성의형성과정은다양한달표면의암석에나타난다. 4 달의극지방은휘발성물질을보유하고있어태양계시스템의휘발성물질의특성을알수있다. 5 달의화산은달의열과구성물질의진화단서를제공한다. 6 달은충돌과정을연구할수있는행성크기의실험실이다. 7 달은물이없고공기가없는천체의표토화과정과풍화과정을연구할수있는자연실험실이다. 8 더이상인간의활동에의해교란되기전에달의대기와먼지환경에관계된연구를할수있다

28 국외전반 21세기들어유럽과아시아국가가가세한제2의달탐사경쟁심화 70년대이전미 소중심의우주탐사에서탈피, 유럽뿐아니라중국, 인도, 일본까지달을포함한태양계탐사계획을수립 2020년대이후유인탐사와우주기지건설의비전과함께무인탐사위주로추진중 한국가의역량만으로우주탐사를지속적으로진행하기에어려운점이많다는인식하에, 우주탐사를위한국제공조체제강화중 국제우주탐사협력네트워크인 ISECG 구성을통해 GES(Global Exploration Strategy), GER(Global Exploration Roadmap) 수립을통해달, 소행성, 화성탐사의협력프레임수립 찬드라얀 -1( 인도 + 미국 + 유럽 ), 찬드라얀 -2/Luna-Glob 2( 인도 + 러시아 ) 등달탐사협력프로그램이활발히진행중 우주선진국들은우주협력다변화정책에따라한국측에직 간접적으로우주탐사프로그램에참여의사를계속해서제안해오고있음 NASA ILN, Lunar Impactor 제안, 일본 SELENE-2 탑재체공동설계, 중국과인도도차기달탐사프로그램에한국참여희망 (1) 미국 (NASA) 미국의 ILN 추진현황 미국은전체 WG 지원과 NASA 자체개발을위해 SDT (Science Definition Team) 과 MSFC/APL ILN EDT(Engineering Definition Team) 을별도로조직, 운영중임. 또한, Pre-Phase A Study (Conceptual Designs & Study) 를완료한후 MSFC, APL, JPL, ARC, DOD를주축으로 3개의개념설계팀을구성하였음 - Team1: Mission Design Concepts for Soft Landing Capability - Team2: Mission Design Concepts for Hard Lander (penetrators) - Team3: Inter-center Concept Evaluation Team for existing H/W 월획득전략 (Acquisition Strategy) 을심사했으며 ILN 예비설계를위한 RFI 공고를통한업체계약추진 ( ). 2009년 6월에임무개념설계검토회의 (MCR, Mission Concept Review) 개최 4기의 ILN 착륙선 ( 수명 6년, 원자력전지사용 ) 을 1기의 Atlas-V에동시발사하여달전면에만배치하기로확정하였으나오바바정부에서달탐사에관한 ILN 계획은전면적으로보류되었음

29 미국 NASA 의우주탐사의주요목표및특징은인류가살고있는지구와태양계에대한분명한이해를통해인류의지속성과안정성을강화하고인류의존재공간을지구밖으로확대하는데있음 70년대중반까지유무인달탐사계획운영 90년대들어달탐사재개 Clementine, Lunar Prospector, LRO('09), GRAIL('11), LADEE('13) 달탐사계획대신 25년까지소행성유인탐사와 30년중반까지화성유인탐사계획추진 (2) 일본 (JAXA) 자체달탐사프로그램인 SELENE-2 달탐사선을 ILN참여와연계하는계획을추진중에있음 SELENE-2 개요 주요임무목적은고정밀착륙기술, 달표면기동성, 야간생존기술등미래우주탐사를위한핵심기술의개발이며, 이를통한과학및미래달자원활용을위한현장관측, 즉 In-situ 기술구현및탐사임 - 또한 ILN 참여, 타국탑재체공유, HDTV(TBD), 대학제작소형위성 (TBD) 개발등을통한국제달탐사활동에기여및대중의관심추구도목적중의하나임 1톤급착륙선 1기, 로버 1기, 통신릴레이궤도선 1기로구성 ( 착륙선 2기방안도연구중 ) - 야간생존을위한 Fuel-Cell Battery 개발과극지방에서의전력생산을위한 Extendable Solar Cell Tower를연구를병행중이며, 레이저고도계, 항법용영상센서, 착륙용레이더를이용한고정밀착륙기술개발중임. 또한장애물탐지용 Laser Scanning 센서도연구중임. 과학탑재체후보군 - 지질관측을위하여다중채널파노라믹카메라, X선 / 감마선 / 적외선분광계, 레이더 Sounder등이고려되고있으며, 지구물리학관측을위하여는지진계, 지열계측기, 자장계, 레이저반사경, 달운동관측용극천저망원경등이거론 일본은착륙지점선정에따른 Trade-Off와위성형상의최적화를논의중 ( 극지방의준영구 sunlit 영역이후보지역중하나 ) 이며, 년과 년 H-2A 또는 H-2B 발사체로발사하여운용할계획임

30 SELENE-2 (3) 유럽 (ESA) ESA는화성탐사프로그램인 ExoMars (2013) 와 MSR (2020) 의행성탐사Gap 을보충하기위한 NEXT (Next Exploration Science & Technology Mission) 프로그램의일환으로선정하였음 Mission Objectives - 주목적은화성탐사선 MSR을위한정밀장애물회피연착륙기술개발이며, 달표면현지에서의과학저활동의수행과기동성을확보하는것이목표임 Science Objectives - 달지질물리학분야에서는달의기원, 내부구조, 진화연구, 달지질화학및광물학분야에서는달남극지방분지조사 (Aitken Basin), 달남극지방환경분야에서는방사능, 먼지, 미소운석충돌, 자장분포연구등임 - 달표면에서의전파천문학분야도주요연구분야이며, In-situ 기술검증분야에서는미래탐사가능성을대비하여 Life Support System과 Fuel Cell을시험할것임 Mission Architecture - 착륙선 1기 (100kg 탑재체 + 로버, TBC) 와로버 (20km range) 1기로구성 - 발사목표시기 : 발사체 ( 기준 ) : Soyuz-SM - 착륙정밀도 : 500m - 임무수명 : 1년 ( 달남극지방기준 ) (4) 영국 (BNSC) MoonLITE 개요

31 극궤도선에서투하되어달표면에충돌하는복합소형충돌기 (Micro- Penet rator) 가장착되어있음. 이충돌기는 Far-Side와 Near-Side 양쪽에투하되며달표면현장에서지질물리와화학을연구하는것이목적임. 2010년발사를목표로하고있음 MoonRaker 개요 소형착륙선으로준경착륙및연착륙을목표로하고있으며달의북쪽 Nearside에서지질물리와화학연구가목적임. 1km 주행능력을가진소형로버가탑재되어있으며 2013년인도의 PSLV 발사체로발사될예정임 (5) 캐나다 (CSA) 2008 년 8 월우주청 CSA 가우주탐사 ( 달탐사포함 ) 관련한 9 개의 RFP 를공 모하였음 (6) 이탈리아 (ASI) 캐나다탐사로버상상도 과학적관심사 이탈리아는상대성이론연구에국제적으로명성이높고관심이크므로상대성이론 (General Relativity) 이론에대한정밀실험, 상대성이론을넘어서는새로운이론에대한실험, Quantum Gravity and Unification of the four interaction, 차세대 Lunar Laser Ranging 을통한실험을계획. 우주탐사기술개발경험 ASI-MLRO (Matera Laser Ranging Observatory) ILRS (International Laser Ranging Service) 의데이터분석주요기관 달표면에탑재체를설치하기위한 Robotics Thermal sensors, heat pipes (7) 프랑스 (CNES/iPGP) 프랑스는화성탐사를중점적으로수행하면서화성탐사를위해개발되었던

32 장비및탑재체를달탐사에활용할계획임 - 화성탐사 ExoMars의광대역 (VBB) 지진계를달탐사착륙선 (Lander) 에활용하는것과, 화성탐사용분광계 LIBS를달탐사로버 (Rover) 에활용하는것을계획하고있음 프랑스광대역 (VBB) 지진계 (8) 인도 (ISRO) 독자달탐사위성 Chandrayaan-1 을 2008 년 10 월발사하여운영중인데, 이탐사위성에는외국의탑재체가다수탑재되어있음 찬드라얀 -1 호구성도 러시아 구소련은 59년부터 '76까지무인달탐사위주로공격적인프로그램을운영 무인달탐사 ( 궤도선, 착륙선, 샘플귀환선, 로버 ) 프로그램인 Luna 계획과 유인탐사준비프로그램인 Zond 프로그램 ('Zond 1('67) - Zond 8('70)) 을운영하였으나유인탐사를진행하지는않음 러시아우주청 Roscosmos 는 2030년까지유인달탐사추진계획발표 ( 12.4) 년까지무인달탐사선인 Luna-Glob 와 Luna-Resurs 를발사 달궤도선 Luna-Glob('16), 달착륙선 Luna-Glob 1( 15 년이후 ), Luna-Glob 2(Luna-Resurs 1)('17), Luna-Resurs 2('18, 로버포함 ), 달샘플귀환선 Luna-Grunt( 20, 21)

33 5. 우리나라달탐사계획 5.1. 달탐사이슈및필요성 우주탐사경쟁심화및국제협력을통한인류의보편적가치제고노력에참 여하는기회확대에따른한국의공조노력필요 우주선진국은과학기술의발전의동기부여, 우주의근원및미래에대한대비, 국민자긍심함양, 미래자원확보등을위해우주탐사경쟁이더욱더심화되고있 음 나아가서는자국의우주영토확대를통한생존의지속가능성과인류의보편적 가치를보존하고제고하기위한범세계적인노력에한국도참여할수있는기 회가많아지는상황이며한국측의기여를통한국제협력제안이최근들어활발 해지고있음 우리나라가우주탐사를꼭추진해야하는가에대한명확한논리와해법이 확립되어있지않음 선진국에서 년대에이미이루어놓은우주탐사의영역을추격형으로추진 해야만하는가? 우주탐사와병행하여이루어질과학적인연구는선진국이이루어놓지못한 창조형이될수있는가? 한국형우주발사체 (KSLV-II) 개발후독자적달탐사실현으로세계수준의기 술적진보의청사진을제시함과더불어 1 류국가로서의국민적자긍심을고 취할필요 지속적인우주탐사와과학연구를통해과학탐구의욕의고취및과학기술의혁신 을위한동기부여필요 인류는아직도지구와달을비롯한태양계에대한기원과내외부환경등에 대한이해를충분히하지못해이를규명하기위한과학적탐사가필요함 ( 참고 ) Global Exploration Strategy(GES) 에서정의한달탐사이유 외계탐사준비 : 화성과심우주로가기위해효율성을높이고위험을줄이는탐사기술및시스템운영기술등을검증 과학적지식의추구 : 지구, 태양계, 우주의탄생에대한기본적인의문을파악하기위한과학적연구증진 인류의거주영역확장 : 달및외계까지의인류의정착영역확대 국제협력강화 : 국제협력체제강화를통한공통의목적추구 경제적이윤추구 : 지구경제영역의확대, 지구의생활에직접적인이윤을주는달에서의경제활동발굴, 자원확보 일반대중의참여의식확대 : 교육, 꿈, 기술향상을위한개인적능력및공동체적단합력고취로부강한사회건설

34 5.2. 달탐사추진경과 우주개발진흥기본계획 ( 07.6) 및 우주개발사업세부실천로드맵 ( 07.11) 발사체기술자립전까지는국제협력을통해우주탐사에참여하여향후독자우주탐사추진을위한기반기술을확보하고임무수행을위한탑재체및본체선행기술연구수행, 년달탐사위성 ( 궤도선 ), 년달탐사위성 ( 착륙선 ) 개발 한국형달탐사계획수립을위한기획연구 ( 항우연, ) 달탐사시나리오 목표 임무 추진체계 개발일정, 달탐사선설계사양및소 요기술확보방안등 ILN(International Lunar Network) 참여의향서서명 ( ) 및 ILN 참여방안도출기획연구 [ 교과부 ( 09.12~ 10.4), 항우연 ( 08.8~ 09.3)] ILN은 NASA 의 New Frontier 사업에서제외되어 2016년이후에추진가능 한국형달탐사선개념설계및핵심기술연구 ( 항우연, ) 달탐사임무설계및시스템, 구조, 추진, 탑재체등 4개과제추진 달탐사관련우주개발진흥세부실천계획수립 ( 10.8) 달탐사핵심기반기술의선행연구개발 ( 13~ 15) 500kg 급차세대소형위성을달탐사표준플랫폼으로활용 ( 16~ 20) 달탐사궤도위성 ( 23) 및착륙위성 ( 25) 개발 발사 달탐사기반구축활동전개 항공우주학회우주탐사부문위원회발족 달탐사워크샵및달탐사심포지엄개최 ( 각2회 ) 달탐사관련단기강좌개설등

35 5.3. 국내외달탐사추진현황 국내연구현황 기관교육과학기술부한국항공우주연구원한국천문연구원한국지질자원연구원전자통신연구원대한항공경희대학교 KAIST 서울대학교순천대학교부경대학교연세대학교이화여자대학교전북대학교충남대학교한양대학교한국항공대학교 한화 달관련연구또는담당업무 달탐사계획정책수립및계획총괄 달탐사연구관련국제협력총괄 달탐사계획정책수립지원 달탐사위성개념설계연구및지상시험모델설계 / 제작 / 시험 달탐사용대용량추력기개발 달탐사용스테레오타입광학탑재체개발 달탐사로버개념연구 DSN( 심우주네트워크 ) 기본연구 우주탐사기본연구 LCROSS 관측데이터분석연구 달탐사및과학분야주파수관리 달지질기본연구 달자원탐사용탑재체연구 DSN( 심우주네트워크 ) 기본연구 달탐사궤도설계연구 달통신시스템기본연구 달탐사선지상시험모델설계 / 제작 ( 구조계 ) 달착륙장치설계 달탐사용탑재체설계 / 제작및달과학기반연구 ( 자기장, 달표면 ) 달임무설계기본연구 달탐사자세제어시스템기본연구 친환경추진제기반의달탐사용추력기개발 달항법 / 유도 / 제어기반연구 레이저기반정밀거리측정및분광기술 달과학탑재체시스템기술연구 달운석연구 행성탐사선열차폐구조물설계 우주추진로켓연구 달탐사탑재체연구 달착륙선착륙거동연구 달지진및지진탐지용탑재체연구 달탐사임무설계및최적화 천체관측및천체물리분석 달탐사용광학탑재체기초연구 우주고에너지관측탑재체개발 달탐사 LIDAR 기초연구 달탐사임무설계기초연구 플라즈마연구 미국달탐사선관측데이터분석및우주방사선환경관측 달탐사를위한심우주통신시스템기술연구 달탐사로버및달토양, 시뮬런트연구 달착륙장치설계 / 제작 / 시험 달탐사제어기술연구 달탐사용대용량추력기개발

36 과제별연구현황 구분수행기관책임자과제명지원규모 WCU 경희대이동훈달궤도우주탐사연구연 29 억, 5 년 NSL KAIST 김승우 NSL 서울대김규홍 지구관측및행성탐사를위한펨토초레이저기반정밀거리측정및분광기술기초연구 재활용우주비행체및행성탐사선의정확한표면삭마량예측을통한열차폐구조물최적설계 연 1.8 억, 5 년 연 1.3 억, 5 년 NSL KAIST 방효충심우주유도, 항행및제어기술연 1.3 억, 5 년 NSL 한양대윤동원달탐사를위한심우주통신시스템기초기술연 1.6 억, 5 년 NSL KAIST 민경욱달탐사용탑재체시스템기술연 1.8 억, 5 년 NSL 경희대선종호 우주탐사용고비추력전기추력기시스템핵심기술개발 연 2.1 억, 5 년 NSL 한양대이태식난지역탐사로버개발연구연 1.8 억, 5 년 NSL 서울대여재익분광기를활용한우주자원탐사연 1.8 억, 5 년 항우연위탁 항공대이상철 달탐사선의시뮬레이션을위한동력학적모델링및자세제어기법연구 총 1 억, 3 년 항우연위탁 경희대선종호 달탐사용후보탑재체의조사분석및개념설계연구 총 1 억, 3 년 항우연위탁 항우연위탁 충남대김인걸달탐사선용경량구조설계연구 3 천, 1 년 순천대이희남달표면분석및착륙선이착륙거동연구 3 천, 1 년 항우연위탁 전남대조성준 대형하이드라진단일추진제추력기용축매최적형상연구 총 9 천, 3 년 항우연위탁 항우연성과창출형항우연기관고유사업항우연기관고유사업 건국대변도영 대형단일추진제추력기용인젝터및노즐설계연구 총 9 천, 3 년 항공대박정선달착륙선용충격흡수구조체기술개발총 8 억, 3 년 항우연심은섭달탐사선개념설계및달탐사핵심기술연구연 28.7 억,3 년 항우연심은섭우주탐사효율성향상을위한핵심기술연구연 17.5 억,3 년

37 5.4. 달탐사추진상문제점및개선방안 달탐사목표및구심점결여 '08년이후부터항우연자체사업, WCU, NSL 등의형태로다양한기관에서달탐사관련연구가소규모로활발히진행중이나산발적으로이루어지는경향이있으며관련핵심기술확보에한계가있음 달탐사과제관리를위한컨트롤타워가없고정부차원의세부계획이나로드맵이없음 공학자중심의한국항공우주학회산하우주탐사부문위원회만으로우주과학자의적극적인참여를이끌어내기에는한계가있음 ( 가칭 ) 달탐사추진위원회또는협의체구성 운영을통해체계적인달탐사추진 1 조직 : 위원장 ( 전략기술개발관 ), 간사 ( 항우연위성연구본부장 ), 전략위원회 ( 분과별그룹장 ) 및분과별전문가그룹 2 활동 : 정기적워크샵개최를통해분과별연구상황을보고하고, 전략위원회를통해국내달탐사추진전략설정및우주개발진흥계획등국가계획에반영 전담조직및예산확보미흡 달탐사추진을위한국고예산이확보되어있지못하고, 교과부내달탐사 전담조직이설치되지않아효율적이고체계적인달탐사추진이미흡한실정임 5.5. 달탐사추진방향및전략 비전 : 우리땅에서우리발사체로우주우주선을발사하여달을탐사한다. 핵심목표 : 년대무인달탐사를통한우주탐사시대실현 년대소행성탐사및화성탐사착수 추진전략 : 무인달탐사는한국형우주발사체를기반으로자력추진이원칙 2010 년대는다양한국제협력달탐사참여 ( 탐사선, 탑재체 ) 를통해자력기반확보 한국형발사체개발후성능을향상시켜달궤도진입 차세대소형위성과정지궤도복합위성기술을토대로달탐사선을개발

38 달탐사핵심기반기술의선행연구개발달탐사국제협력참여 달탐사표준플랫폼위성 (500KG 급 ) 개발 패스파인더형달탐사위성발사 ( 한국형발사체 or 외국발사체 ) 달궤도위성개발 발사 달착륙위성개발 발사 13~ 17 16~ 18 19~ 22 18~ 23 20~ 25 달탐사국제협력다변화를통한우주탐사자립화기반마련후독자적달탐사추진

39 달탐사로드맵

40 6. Lunar Impactor 임무참여에따른기술적이득 (1) 달궤도선시스템설계기술 국내기술현황 우리나라는현재저궤도위성시스템전반에대한개발능력과운용능력을갖추고있으며, 정지궤도위성에대한시스템설계능력도보유하고있다. 달궤도선설계를위해서는, 기존의저궤도위성시스템설계기술대부분이활용될수있으며, 항행유도제어, 추진시스템및일부탐사용소요유닛에대하여는기술미확보상태로서, 이들핵심기술에대한독자기술확보또는국제간기술협력이필요한상태이다. 표 1. 국내기술대비미확보달탐사기술및해결방안분야핵심기술 ( 현재미확보기술 ) 비고 ( 해결방안 ) 발사체달천이궤도진입 (TLI) 용발사체기술미국의발사서비스지원통신 Low/Medium/High Gain Antenna 신규개발또는해외구매 자세및궤도제어 IMU 항행유도제어기술 (Guidance, Navigation & Control) 신규개발또는해외구매 자체기술개발및 NASA 기술지원기대 지상국 Deep Space Network NASA DSN 활용 추진계달궤도진입 / 궤도수정 / 자세제어용추력기 NASA 개발 Lunar Impactor 임무를통한기술적이득 달탐사의핵심기술인항행유도제어 (Guidance Navigation & Control flight S/W) 에대한국내자체개발노력이필연적으로수행될것으로예상되며, 국내에서자체적인연구그룹활성화를통해임무해석, 항행유도제어기술개발착수가예상된다. GNC 분야에서 NASA ARC(Ames Research Center) 와의기술협력이수반될경우, 국내주도달탐사계획대비단기간내상당한기술확보가기대되며, GNC 분야기술은국가적으로매우큰이득으로평가된다. 또한, 달탐사선의종합조립시험 (AIT) 에는본체개발주체 ( 한국 ) 의참여가필수적이며, AIT를통한탐사선시스템구성및운용에대한일정부분기술습득이가능하다고판단된다. (2) 위성전자 (Avionics) 기술

41 국내기술현황 국내저궤도위성및정지궤도위성개발을통하여, 위성전자분야대부분의 기술확보가이루어진상태이다. 현재다목적실용위성에적용되는위성전자 기술은우주 - 인증급으로서, 높은신뢰성과안정된성능을제공하고있으며, 우주환경에매우강인한성능을갖추고있다. 다목적실용위성의위성전자기술은, Lunar Impactor 프로젝트에서고려하 고있는달궤도선의기술사양을대부분충족시킬수있으나, 문제는달궤 도선본체를 60kg 정도로구성하는것을목표로하므로, 위성전자분야의소 형, 경량화가매우중요한기술사항이된다. 한편, 2012 년하반기개발에착수한차세대소형위성의경우추진시스템을 제외한위성본체를 60kg 으로구성하는것을목표로하고있어, 위성전자기 술의소형화, 경량화, 저전력화설계가필연적이며, 이에따라해당기술의 달궤도선활용을고려할수있다. Lunar Impactor 임무용위성전자요구사양 NASA ARC(Ames Research Center) 에서제안한주요기술사양대비차세대 소형위성의목표기술사양을표 2 에비교하여제시하였다. NASA ARC 의 기본설계안의달궤도선총중량은 140kg 으로되어있다. 이중추진시스템을 제외한위성본체가 60kg, 추진시스템이 33.3kg, 탑재체및연료의중량은 약 47kg 으로추산된다. 표 2. NASA ARC 기술사양과차세대소형위성기술사양비교 항목 NASA ARC 개념설계안차세대소형위성주요기술사양 데이터처리 자세제어 전력 통신 프로세서 : PowerPC (O/S: VxWorks) 512MB~2GB memory CCSDS 프로토콜 프로세서 : Leon3 FT (O/S: RTEMS) 32MB on chip / 2GB memory CCSDS 프로토콜 미확인자세지향정밀도 < ±0.02 (2σ) 자세결정정밀도 < ±0.03 자세결정정밀도 < ±0.005 (2σ) Capacity: 24Ah 버스전압 : 22~34Vdc 80W~100W 예상 6dB, 960kbps, S-band Capacity: 30Ah 버스전압 : 22~34Vdc 80~100W 예상 TC 전송 : 1/2/4 kbps (S-band Omni 안테나 ) TM 전송 : 2/4/960kbps (S-band 지향성 Gain 안테나 )

42 Lunar Impactor 달궤도선구현을위해서는위성전자분야의집적화, 소형화, 경량화, 저전력화가크게요구되는실정이다. NASA ARC의상세한기술검토및상호협의를통해, 차세대소형위성의기술사양연계여부또는미국내적용가능한위성전자구성품의적용여부를고려해볼수있다. Lunar Impactor 임무를통한기술적이득 Lunar Impactor 임무는, 위성본체의소형, 경량화를목표로추진중인차세대소형위성의기술활용계획에상당한영향을줄수있으며, 차세대소형위성기술에기반한달궤도선검토가예상된다. 소형화, 경량화, 저전력화설계를위해서는, 기존위성전자분야의보수적설계접근방법으로부터, 최적화된설계접근방법으로의전환이예상되며, 소형 경량화기술에있어상당한기술적향상이예상된다. 차세대소형위성위성전자부문활용방안 또한, Lunar Impactor 임무는, 차세대소형위성의소형화, 경량화구현방안 ( 위성전자유닛구성배치또는위성전자통합모듈구성배치 ) 과더불어향후활용방안을고려한초기설계에중요한모티브가될것으로판단된다. 차세대소형위성위성에기반한달궤도선구현시, 개발완료시점에서의위성전자목표사양은아래표 3와같이요약될수있다

43 표 3. 소형경량화달궤도선위선전자기술사양 분류주요사양컴포넌트 명령및 데이터 처리 자세및궤도제어 전력 통신 Processor: Leon3 FT (Dual Core) O/S: RTEMS 40MIPS (max), Storage Memory: 2GB P/L Bus: CAN, RS-422, Serial LVDS CCSDS 3-axis Stabilization Pointing Accuracy <±0.02 (2σ) Pointing Knowledge <±0.005 (2σ) Capacity: 12Ah~30Ah (Li-Ion) Bus Voltage: 22~34Vdc DoD <20% ~ 30% TC: 1/2/4 kbps TM: 18dBi, 960kbps (High gain antenna) (in case of 34m DSN Antenna utilization) Processor module I/O module Memory module TM/TC module LVPS module Star-tracker (2EA) CSS(4EA~12EA) Reaction Wheel (4EA) IMU (1EA) Power Control & Distribution Unit (PCDU) Li-ion Battery &Controller S-band Digital Transponder S-band Omni Antenna (TC) S-band Gain Antenna (TM)

44 (3) 별추적기 (Star Tracker) 국내기술현황 별추적기는위성의 3축자세결정에활용되는가장정밀한센서로서, 대부분의위성에서고정밀자세제어를위해채택하고있을뿐만아니라, 대륙간미사일의유도제어에도사용되고있다. 국내별추적기개발은우리별 3호위성용별추적기를개발하면서시작된이래, 2003년까지총 6기의별추적기를제작하였다. 해외기술사양과비교할때, 기술개발수준은상대적으로낮은상태로달탐사또는우주탐사에필요한고속고정밀별추적기로의성능개선을위한하드웨어및알고리즘핵심기술개발이필요하다. 표 4. 국내개발별추적기예 과학기술위성 Razak-sat, Dubai-sat KAIST 개발 쎄트렉아이개발 표 5. 국내개발별추적기대표기술사양 ( 과학기술위성 ) Item Performance 자세결정성능 10 arcsec Field of View ( ) Dynamic Rate < 0.5 /sec (10 arcsec) Lunar Impactor 임무용별추적기요구사양 달탐사선또는심우주탐사에활용되었던별추적기의기술사양은표 6에제시한바와같다. 달궤도로의항행에필요한별추적기는높은정밀도와높은 update rate (10Hz정도) 이요구된다. 특히 Lunar Impactor 프로젝트가요구하는소형달궤도선에탑재할별추적기는전력소모량이적고, 무게와부피가적은소형, 경량화된기술로구현되어야한다. 참고로미국의달탐사선 LRO의경우, 별추적기를통한자세지향정밀도는 60arcsec (0.016 ), 자세인식정밀도는 30arcsec (0.008 ) 수준이다

45 표 6. 달탐사선및심우주탐사선의별추적기사양예시 Item Clementine Deep Space 1 Mass (kg) Power (W) Field of View ( ) Imager CCD CCD Format (pixels) Update rate (Hz) 10 - Noise Lunar Impactor 임무를통한기술적이득 달탐사용별추적기는달궤도로의항행및달궤도로의진입에필요한핵심기술이며, 고속 / 고정밀사양이요구된다. 이미핵심기술개발사업의일환으로저궤도위성용고속 / 고정밀별추적기기술개발에착수하였으며, 구체적인성능요구사항은다음과같다. 표 7. 우주핵심기술 - 별추적기 (2012년착수 ) 목표사양 Item Specification Field of View 25.0 deg CCD array 차폐각 25 deg half angle Update Rate 2/4/8/10Hz Angular Rate 1 /sec 바이어스오차 (3σ) 11.4 arcsec (X/Y), 10.6 arcsec (Z) 저주파오차 (3σ) 1.0 arcsec (X/Y), 6.0 arcsec (Z) 잡음각 (3σ) 12.0 arcsec (X/Y), 96 arcsec (Z) 현재는저궤도용위성에적용하기위한목표로별추적기의개발이진행되고있으나, Lunar Impactor 임무에적용할수있도록별추적기오차사양의개선이반영된다면, 달탐사선에적용이가능하다고판단된다. Lunar Impactor 임무참여를통하여, 달탐사선활용까지고려한국내별추적기기술강화가예상된다

46 (4) S-대역지향성이득안테나 (Gain Antenna) 국내기술현황 국내위성의 S-대역안테나로는전방향성 (omni-directional) 안테나가원격명령송신및원격검침정보수신에적용되고있다. 예로써, 저궤도다목적위성, 정지궤도천리안위성에 S-대역전방향성 (omni-directional) 반구안테나가사용되고있다. 과학기술위성에는 Helix형과 Turnstile 형의안테나를국내개발하여사용하고있으며, 이들모두 S-대역전방향성 (Omni) 안테나이다. 또한정지궤도천리안위성에는국내개발한 Ka-대역피드혼 (horn) 및반사경안테나가장착되어사용되고있다. 지구 달궤도선 으로의원격명령 (TC, Tele-command) 을송신하는데는현재의전방향성 (Omni) 안테나의적용이가능하다. 그러나, 달궤도선 지구 로의원격검침정보및관측자료수신에는원거리로인하여지향성이득안테나가요구된다. 저궤도위성에서는전방향성안테나만으로원격명령및원격검침정보수신임무가가능하기때문에지향성이득안테나가필수적으로요구되지않았고, 이에따라지향성이득안테나는현재까지국내에서개발되지않았다. 표 8. 국내위성적용 S-대역안테나예 ( 전방향성 ) 다목적실용위성과학기술위성1호과학기술위성2,3호 Spiral antenna (Condor system) Helix antenna ( 국내개발 ) Turnstile antenna ( 국내개발 ) Lunar Impactor 임무용 S-대역지향성이득안테나요구사양 달탐사선 Clementine (1994년) 과 LRO (2008년) 에는각각직경 1.1m, 75cm 의원형접시 (dish) 형하이게인안테나 (HGA, High gain antenna) 가적용된바있다. 그러나접시형하이게인안테나 (HGA) 는기하학적치수가크고소요질량이커서 Lunar Impactor Mission이요구하는소형달궤도선에는적합하지않다. 따라서소형화, 경량화할수있는 S-대역지향성이득안테나가요구된다

47 여러가지형태의안테나가적용가능하나, 대표적으로는아래와같은형태의지향성이득안테나가추천되며, 데이터전송속도요구사항에따라게인의정도 ( Low/Medium/ High gain: 6dBi/12~15dBi/20dBi) 가영향받는다. 표 9. 대표적인지향성이득안테나형태안테나타입대역 Heritage 형상예 Microstrip Patch 타입 S-band, DSN Themis, Ladee, GRAIL ( 달궤도임무 ) Helix 타입 (MGA, Medium gain antenna) S-band, DSN Genesis (solar wind sample return 임무 ) Lunar Impactor 임무를통한기술적이득 이미핵심우주기술개발아이템으로 S-대역안테나가등재되어있으며, 저궤도 / 정지궤도위성및탐사선의원격측정, 원격명령및레인징신호의송수신기능을제공하는 S-대역반구형옴니안테나개발을목표로하고있다. Lunar Impactor용달궤도선에는지향성이득안테나의탑재가필수적이며, 지구 DSN(Deep Space Network) 과의통신에활용된다. 우주핵심기술개발사업을통한 S-대역안테나의개발에있어, Lunar Impactor 임무를염두에두고, DSN활용을고려한지향성이득안테나급으로개발범위및기술사양을확장함으로써, 국내기술확보및달궤도선적용이가능하다고판단된다. 표 10. 우주핵심기술개발사업내 S-대역안테나기술사양 Item Specification Coverage -90 ~ 90 Frequency 2025~2110MHz (S-대역) Margin 5W 입력기준 multi-faction margin 6dB 방사각 (θ) Z A 축기준 축비 (db) 원격명령 축비 (db) 원격측정 < 60 < 4.0 < < 5.5 < < 8.0 <

48 (5) 관성측정유닛 (IMU, Inertial Measurement Unit) 국내기술현황 달탐사나심우주탐사는지구궤도를완전히벗어나기때문에 GPS 정보를더이상이용할수없으며, 달또는심우주로의항행에필요한정확한위치, 속도및방위정보의획득을위해서는관성측정장치 (IMU) 를탑재하는것이필수적이다. 한편국내에서운용중인위성은모두저궤도및정지궤도에서임무를수행하며, 특별히 IMU를필수적으로적용할필요가없었기때문에, 현재까지위성에 IMU를적용한사례는없다. Lunar Impactor 임무용 IMU 기술사양 일반적으로 IMU는 3축가속도계, 3축자이로로구성되며, 신호처리및온도보상기능을수행하는디지털회로및 CPU가포함된다. 가속도계와자이로는속도증분 ( 가속도 ) 과각속도를각각출력하며, CPU는지구좌표계에대한위치 (position), 속도 (velocity), 방위 (orientation) 정보를고속으로산출한다. IMU의각속도측정에는, 광섬유광학자이로 (FOG, Fiber-optic gyro) 나링레이저자이로 (RLG, Ring laser gyro) 또는 MEMS 자이로가적용된다. 그러나 MEMS 자이로는가격이저렴한데비해정밀도가상대적으로떨어지는단점이있다. 따라서우주탐사용으로는정밀도가매우우수한링레이저자이로가채택된다. IMU의가속도측정에는, 온도에따른바이어스가매우적은안정성있는정밀가속도계가채택된다. 표 11. 우주급 IMU 에적용되는자이로및가속도계사양 Item Gyro (RLG) Accelerometer Range ±375 deg/sec ±25 g Bias (1σ) < deg/hr < 100 μg ARW (1) (1σ) < deg/rt-hr Scale factor (1σ) < 1 ppm < 175 ppm IA (2) Alignment (1σ) < 25arc-sec < 70 μrad 우주환경 온도범위 -30 ~+70 중량 / 소모전력 Space radiation hardened > 100krad latch up immune, SEU tolerant weight < 4.4kg / power < 34W (1) ARW (angular random walk) (2) IA (Inertial Axis)

49 우주 - 인증된대표적인 IMU (Honeywell 社 을표 11 및아래그림에제시하였다. Miniature IMU) 의사양과형상 소형화된 IMU (Honeywell International Inc.) Lunar Impactor 임무를통한기술적이득 IMU는위성뿐만아니라, UAV, 미사일등에사용되며, IMU에필요한가속도계와 RLG는 ITAR 품목에속한다. 따라서고성능 IMU는 ITAR 규정을따르기때문에해외구입이어려운품목중의하나이다. 한편, 핵심우주기술개발사업을통하여 2011년부터국내에서광섬유광학자이로 (FOG) 를개발중에있다. 현재의개발요구사양은표 12에제시된바와같으며, 표 11에제시된고성능링레이저자이로 (RLG) 의사양보다는낮은편이다. 표 12. 국내핵심우주기술 FOG 개발사양 Item FOG 핵심기술개발사양 Bias 3 우주환경기준 ARW (1) (1σ) < 0.15 우주환경기준 Scale factor (3σ) < 2000 ppm 핵심기술개발사업을통한 FOG 개발이성공한다면, FOG 에기반한중급성 능의 IMU 개발에기여를할수있을것으로판단된다. FOG 에기반한 IMU 는, RLG 에기반한 IMU 보다성능이낮으나, MEMS Gyro 에기반한

50 IMU 보다는성능이훨씬우수하다. 또한, IMU의핵심기능에해당하는온도보상및데이터처리기능과관련된전자회로의개발에나설필요성이대두되며, 추후핵심기술개발사업을통한 IMU 핵심기술개발이요구된다. 국내에서개발하는 FOG는일반적으로 RLG보다는상대적으로정밀도가떨어지나, 임무요구사항에따라가용성여부가결정될수있으며, 현재의핵심기술개발사업을통한성과물의활용이기대되는측면이있다. Lunar Impactor 임무참여를통한위성기술의발전

51 요약및결론 NASA Ames 연구센터에서제안하고있는달탐사과제참여제안은지속적이며실질적인협력을포함하고있음. 참여범위는탐사선모선을제공하는하드웨어참여와우주과학분야의협력을제안하고있음. NASA AO로부터 2012년과제선정이이루어지지못하였지만앞으로계속적인과제제안이이루어질예정임. 한국의참여요청도계속이루어질것으로보임. 우주과학분야의참여는그동안원활하게이루어지지못하고있었다는점에동의하였음. 따라서적절한방법으로한국의참여를활성화하기로하였음. 달탐사과제참여와는별도로우주과학분야의활발한연구교류를기대할수있음. 달탐사과제에참여한다면위성기술이나, 심우주탐사를위한항행소 프트웨어등의기술적이득이기대됨. 그외에도우주 Avionics, 고지향성 S- 대역안테나, 고정밀 IMU, 별 추적기등의독자개발에필요한국내의기술발전을도모할수있음. 저궤도위성, 정지궤도위성과다른임무를수행할수있는우주탐사 선의시스템개발기술확보가가능함. 나로호 3 차발사이후에제기될가능성이있는우주개발에대한국민 들의지대한관심에대하여잘구성된우주과학프로그램으로제시할 수있음. 차세대첨단소형위성개발과연계하여진행한다면예산의커다란부담없이 NASA Ames 연구센터의달탐사과제에참여가가능하며이로인하여위성부품기술과우주과학분야에서상당한기술적, 과학적발전을이룰수있다고판단됨

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90 4. NASA Ames 방문논의사항정리