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시향 경
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항공우주산업기술동향 15 권 2 호 (2017) pp. 175~181 기술동향 http://library.kari.re.kr 에서보실수있습니다.

1 항공우주산업기술동향 15 권 2 호 (2017) pp. 175~181 기술동향 에서보실수있습니다. 달착륙선착륙장치형상연구 김진원 1) Moon Lander Configuration Study ABSTRACT The advanced space leading countries have been successful in several moon landings and planetary landings in recent decades. This study investigated the issues to be considered for successful lunar landing and made guidelines for the determination of the landing gear configuration. The landing gear of the lunar lander should minimize impact load by vertical and horizontal speeds at landing. In addition, efforts should be made to minimize overturning by proper landing gear layout and configuration. The shock absorber (damper) is mounted on the strut or footpad, and its combination should be considered. 초록 우주선진국은 최근수십년간여러차례 달착륙과행성착륙을 성공적으로 해왔다. 본 연구 는 달착륙을 위하여고려해야할사항을조사하였으며, 최적의 달착륙장치의 형상을결정 하기위한참고자료가되도록하였다. 달착륙선의 착륙장치는 착륙시 수직속도와 수평속도 에 따른 충격하중을 완화하여 임무장비에 영향을 최소화하여야 한다. 또한, 적절한 착륙장치 배치와 형상으로 전복을 최소화 하는 노력이 필요하다. 충격완화장치 ( 댐퍼 ) 는 스트럿이나 풋패드에도 추가로장착할수있는데, 이의 적절한조합도 고려해야 한 다. Key Words : Lunar Lander( 달착륙선 ), Landing Gear( 착륙장치 ), Configuration( 형상 )

176 김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~181 1. 서론 달착륙은극심한우주의극한환경하에서이루어지며안전하게착륙하는것은매우중요한관심사가되어왔다. 적절한착륙장치의배치와형상설계는착륙시의전복가능성을낮추고장착된기기로의충격하중을낮출수가있다. 발생하여구조적으로유리하나약 40도정도로기울어진상태로장착됨에따라충분한댐핑이어려움에따른구조형상이다.

1 미국의무인달착륙, [1] 참고문헌 [1] 의그림 8 미국의서베이어 (surveyor) 호는 1966~1968년에걸쳐달탐사를목적으로발사되어, 서베이어호 1, 3, 5, 6, 7호가월면착륙에성공하였다. 2.2 러시아의무인달착륙, [4] 러시아의달착륙은개발초반여러회에걸쳐실패후 Luna 9, 13, 16, 17, 20, 21, 24호가연착륙에성공했다.

2 176 김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~ 서론 달착륙은극심한우주의극한환경하에서이루어지며안전하게착륙하는것은매우중요한관심사가되어왔다. 적절한착륙장치의배치와형상설계는착륙시의전복가능성을낮추고장착된기기로의충격하중을낮출수가있다. 발생하여구조적으로유리하나약 40도정도로기울어진상태로장착됨에따라충분한댐핑이어려움에따른구조형상이다. 착륙장치스트럿이바깥으로크게벌어져있고무게중심이낮게설계되어전복안정성이상당히좋을것으로판단된다. 본연구에서는해외의착륙사례를검토하여달착륙을성공하기위하여착륙장치의구조의형상설계관점에서고려할점을조사하였다. 2. 우주탐사선착륙사례연구 2.1 미국의무인달착륙, [1] 참고문헌 [1] 의그림 8 미국의서베이어 (surveyor) 호는 1966~1968년에걸쳐달탐사를목적으로발사되어, 서베이어호 1, 3, 5, 6, 7호가월면착륙에성공하였다. 2.2 러시아의무인달착륙, [4] 러시아의달착륙은개발초반여러회에걸쳐실패후 Luna 9, 13, 16, 17, 20, 21, 24호가연착륙에성공했다. 그림 1. 서베이어호, National Air And Space Museum 복제전시품 서베이어호는착륙장치가 3개로구성되어있으며충격흡수는 (1) 주스트럿 (primary strut) (2) 풋패드 (foot pad) 의허니컴샌드위치 (3) Lower Deck 밑에정6면체의충격흡수용댐퍼가담당하고있다. 이런복합적인설계는착륙장치주스트럿이수직에가까울수록스트럿에수직방향하중이 그림 2. Luna 16 착륙선착륙장치는 4개로이루어져있으며착륙시전복을방지하기위하여무게중심이낮추고착륙장치가바깥쪽으로상당히벌어진모습을하고있다.

김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~181 177 2.3 미국의유인달착륙 미국은유인달탐사를위하여아폴로 11, 12, 14, 15, 16, 17호가 1969 ~ 1972년에걸쳐달표면에성공적으로착륙을하였다. 방지하기위하여바깥으로다리가벌어진상태로수직착륙하중을받기위하여가능한세운형상을하고있다.

착륙선은착륙시질량 6,000kg을고려하여매우튼튼한다리가장착되어있으며, 유인착륙선임을감안하여전복에유리한 3-leg 보다는 4-leg 형식의착륙장치를사용하여경사지착륙에대비하였다. 또한, 착륙선의주엔진이나추력기로부터고온에노출되지않도록단열재로보호를하고, 직접적인화염에닿지않도록바깥쪽으로충분히경사지게다리의설계가되어있다. 2.

3 김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~ 미국의유인달착륙 미국은유인달탐사를위하여아폴로 11, 12, 14, 15, 16, 17호가 1969 ~ 1972년에걸쳐달표면에성공적으로착륙을하였다. 방지하기위하여바깥으로다리가벌어진상태로수직착륙하중을받기위하여가능한세운형상을하고있다. 이착륙선의제원은충분하게정보가공개되어있지않은상태이다. 그림 4. 러시아달착륙시험모듈 (LK) 그림 3. 아폴로 11호달착륙선달착륙선의주스트럿은수직충격하중을직접많이받기위하여가능한수직으로세워서장착하였다. 보조스트럿은거의수평으로장착되어있으므로수직착륙하중을직접적으로감당하지는않는다. 착륙선은착륙시질량 6,000kg을고려하여매우튼튼한다리가장착되어있으며, 유인착륙선임을감안하여전복에유리한 3-leg 보다는 4-leg 형식의착륙장치를사용하여경사지착륙에대비하였다. 또한, 착륙선의주엔진이나추력기로부터고온에노출되지않도록단열재로보호를하고, 직접적인화염에닿지않도록바깥쪽으로충분히경사지게다리의설계가되어있다. 2.4 러시아의유인달탐사선연구 러시아는유인달탐사를계획은하였으나기술적인문제로포기한바가있다. 그림 4는러시아의달착륙선을보여주며, 착륙시의전복을 이시험선은 4차례발사가이루어져지구궤도에서성공적으로시험을하였으나 N1/L3 로켓의거듭된개발실패로실제달에가지는못하였다. 즉, 미국이먼저달착륙에성공하고거듭된로켓의기술적인문제로 1974년에러시아는우주정거장건설에집중하는쪽으로방향을바꾸었다. 2.5 러시아의금성탐사선, [4] 1960년대이후금성탐사는당시소련의여러차례에걸친실패에결국 Venera 7호가 1970년에최초로지면착륙을성공하고연이어 Venera 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14호가착륙을성공후 1985년 Vega-2도착륙을하였다. 금성은대기압이높아점성이극도로높은상태이므로착륙선에는낙하산이필요없는자유낙하 (free fall) 가가능하다. 따라서, 통상의착륙장치는없이트러스 (Truss) 모양의받침대

178 김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~181 가필요하다 [ 그림 5, 6].

미국은금성에연착륙한기록은없으나수차례의 flyby와궤도선 1회를성공시켰으며 Venus 2는금성표면에내려오면서대기의측정데이터를보내오기도하였다.

그림 5. Vega 금성착륙선 - 전체착륙선징량 = 98kg - 복합재착륙장치질량 = 10kg - Damping tube, d = 800-1200 N s/m -

5 m/s - Nominal forces due to foot up to 2.105 N 그림 6. Venera 7 금성착륙선상상도, [4] ESA 제공 그림 8.

4 178 김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~181 가필요하다 [ 그림 5, 6]. 러시아는현재 Vega-D를 2025년착륙을계획하고있으며, 통상의착륙장치의모습이보인다 [ 그림 7]. 미국은금성에연착륙한기록은없으나수차례의 flyby와궤도선 1회를성공시켰으며 Venus 2는금성표면에내려오면서대기의측정데이터를보내오기도하였다. 유럽우주국 (ESA) 는 2005년금성궤도선을성공적으로발사하였으며일본은 1회씩의 flyby와궤도선을성공시킨경험이있다. 2.6 유럽의혜성착륙사례 혜성탐사선필레 (Philae) 는인류최초로혜성에착륙하기위하여 ESA가개발하였으며, 자세한사양은다음과같다. 그림 5. Vega 금성착륙선 - 전체착륙선징량 = 98kg - 복합재착륙장치질량 = 10kg - Damping tube, d = N s/m - L/G rigidity per leg, k = 1.3x104 N/m - 착륙시수직설계속도 = 1.5 m/s - Nominal forces due to foot up to N 그림 6. Venera 7 금성착륙선상상도, [4] ESA 제공 그림 8. 필레착륙선 그림 7. Venera-D 금성착륙선상상도, [4] ESA 제공 필레는 1.5 m/sec의속도로착륙후혜성표면에 70m/s의속도로얼음표면을뚫고작살을발사해서닻을내리고, 착륙장치의다리는되튀김현상을억제하도록충격완화설계가되어있다. 필레의상단에있는추력기는충돌시바운스를줄이고작살의반동을줄이기위해사용된다.

김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~181 179 혜성표면이거의중력이없는상태 (10-3 m/s 2 ) 를고려하여수직으로세워서벽에충돌하는시험으로착륙장치의구조건정성시험을실시하였다.

7 화성착륙선사례, [7] 화성에착륙선으로써착륙장치를가지고완전히성공적으로착륙한경우는바이킹 (Viking) 1 과 2, 피닉스 (Phoenix) 의사례가있으며, 착륙장치는모두 3개를갖는다.

피닉스화성착륙선상상도, NASA 제공 2.8 중국달착륙사례 중국의최초로창어3호가 2013년에달착륙에성공하였다. 착륙선의중량은 1,200kg 이며그외에기술적인내용은공개가별로안된상태이다.

5 김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~ 혜성표면이거의중력이없는상태 (10-3 m/s 2 ) 를고려하여수직으로세워서벽에충돌하는시험으로착륙장치의구조건정성시험을실시하였다. 착륙장치의댐퍼는그림8에서화살표위치에위치한다. 필레착륙선은착륙장치를가능한최대로벌려무게중심을거의바닥까지낮추어중력이거의없는환경에서전복가능성을원천적으로방지하는독특한구조이다. 2.7 화성착륙선사례, [7] 화성에착륙선으로써착륙장치를가지고완전히성공적으로착륙한경우는바이킹 (Viking) 1 과 2, 피닉스 (Phoenix) 의사례가있으며, 착륙장치는모두 3개를갖는다. 두착륙선모두주스트럿을가능한세워서장착하도록하여충격하중의상당부분을주스트럿댐퍼에서흡수하는구조이다. 바이킹착륙선의중량은 572kg ( 연료제외 ) 이며연료는 85kg을실을수있다. 바이킹 1호는착륙시 22kg의연료가남아있었다. 그림 10. 피닉스화성착륙선상상도, NASA 제공 2.8 중국달착륙사례 중국의최초로창어3호가 2013년에달착륙에성공하였다. 착륙선의중량은 1,200kg 이며그외에기술적인내용은공개가별로안된상태이다. 착륙선은 4개의다리를갖고무게중심을낮춰전복에대비하는평범한형상이다. 피닉스착륙선의중량은 350kg 으로비교적경량의착륙선이다. 그림 11. 중국창어 3 호달착륙선 2.9 인도착륙선개발사례 그림 9. 바이킹화성착륙선, NASA 제공 인도는 2018년중에챤드라얀-2의월면착륙을앞두고있으며로보를포함한대략적인중량은 1,250kg이다. 달착륙선은러시아와인도가협력하여개발하는도중에러시아가계획된기간내에착륙선을제공할능력이없다고언급하자인도는자체적으로착륙선을개발하기로결정하였다.

그림 13과같이착륙선의형상이바뀌어왔으며, 따라서착륙장치의장착점, 지면과의각도, 풋패드의형상,

6 180 김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~181 인도는착륙시전복을방지하기위하여접개식 (retractble) 착륙장치를채택하여발사시에는약간접혀진상태이나착륙전에펼쳐지는방식을사용한다. 또한, 풋패드는허니컴샌드위치방식을사용하여스트럿의댐퍼와함께충격을이중으로분산하는방식을채택하고있다. 그림 13과같이착륙선의형상이바뀌어왔으며, 따라서착륙장치의장착점, 지면과의각도, 풋패드의형상, 부스트럿과주스트럿의결합위치등의형상도많은변화를겪었다. 그림 13. 달착륙선형상 Trade-off 연구 그림 12. 인도의챤드라얀달탐사선 2.2 항우연의달착륙선개발사례 2016년부터달탐사개발사업 2단계선행연구가시작되어달착륙선의형상연구가본격연구되었다. 착륙장치의설계를위한구조관련설계기준은다음과같이잠정적으로설정하였다. 현재착륙선의형상은그림 14와같으며풋패드에허니컴샌드위치가장착된모습이다. 이는착륙후에다리가벌어지는양을적게하여주저앉는정도를최소화하여 Lower Deck에장착된추력기가월면에닿기않게하기위함이다. 또한, 현착륙장치는고정식으로되어있어움직이지않지만착륙안정성을위하여전개식도고려해볼필요도있으나중량이늘어나는단점이있다. 항목기준 착륙시질량, M 수직착륙속도, V z 수평착륙속도수직방향최대가속도 230kg 3m/sec 1m/sec 11 g 그림 14. 한국형달탐사선의설계 ( 안 )

7 김진원 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 175~ 결론및향후계획 본연구에서는우주비행체의착륙장치설계시고려할사항과형상에대하여조사하였으며다음의결론을얻을수있었다. 1. 착륙선의높이가크면착륙장치도따라서길어지게되며, 이는보조착륙장치가주착륙장치의중간부분에링크로연결되는방식으로설계가된다. 2. 항우연달착륙선은추력기의길이가긴형식이어서댐퍼에서충격을흡수할때월면에추력기가닿을수도있으므로설계시이를고려하여야한다. 3. 달이나화성에착륙한경우착륙장치는 3개또는 4개가사용되었으며중량이무거운경우나지표면이편평하지않을경우에는착륙장치 4개를사용하는것이유리하다. 표 2. 착륙선착륙장치특징비교 착륙선착륙지주요특징 Surveyor 달 3-leg, 동체에도지면충격에대비한댐퍼가있음 Luna 달 4-leg (*) Apollo 달 전개식 4-leg Russia LK 달 4-leg (*) Chang'e 3 달 4-leg (*) 챤드라얀 2 달 전개식 4-leg 한국달탐사선 달 고정식 4-leg ( 복합재료적용검토중 ) Vega 금성 스탠드형받침대 Venera7 금성 스탠드형받침대 Venera-D 금성 4-leg (*) Viking 화성 3-leg (*) Phoeix 화성 3-leg (*) Philae 혜성 3-leg( 복합재료 ) (*) 전개식또는고정식착륙장치의여부확인불가 참고문헌 4. 최근에혜성탐사선에탄소섬유복합재료착륙장치를제작한것으로보아, 달착륙선에같은재료를적용하여도별다른문제가없을것으로보인다. 5. 착륙선의착륙장치형상은 3-leg 형식일경우에상대적으로 4-leg 형식에비하여전복위험성이높으므로무게중심을대비대폭낮추어경사지착륙에대비하는것으로판단한다. 다음표 2에착륙선의종류별주요특징을조사하여요약하였다. 본연구를통하여그동안수행되어왔던우주선진국들의우주탐사선착륙장치의형상과배치를전체적으로파악할수있었다. 향후국내에서개발중인달탐사선도본연구내용을참고하여착륙장치설계에참고할예정이다

Space Issue No10.hwp

Space Issue No10.hwp 중국, 달에착륙하다. S P A C E I S S U E N o. 10 D ecem ber 16, 2013 정책협력센터정책분석팀 이슈 1) 중국의국기, 여기서오성홍 기를꽂는다는표현은달에착 륙한다는상징적인의미로쓰임. 2) 비의바다 (Mare Imbrium) 라플라스 F 분화구남쪽 40km 지점. [ 그림 1] 비의바다 (Mare Imbrium) 3) 급강하지않고부드럽게고