경로점을 고려한 우주비행체의 스킵 궤적 최적화 = Skip Trajectory Optimization of Spacecraft considering Waypoints

국문 초록 (Abstract)

우주비행체가 스킵 비행을 하면서 임무를 수행할 수 있도록 경로점을 고려하여 스킵 궤적을 최적화하였다. 스킵 궤적 최적화 문제는 하강제어단계, 임무 단계 및 상승제어단계로 구분하였다. 하강제어단계에서는 비행체가 대기권 진입을 시작으로 경로점 1로 하강하여 첫 번째 임무를 수행한다. 임무 단계에서는 경로점 1에서 경로점 2로 고도를 유지하여 비행하며 지정한 임무를 수행한다. 상승제어단계는 비행체가 임무를 모두 수행한 후 스킵아웃하여 궤도요소로 지정한 최종 궤도로 상승하는 단계이다. 비행체가 스킵 단계 후에 다음 임무나 기동을 수행하기 위해서는 충분한 연료가 필요하기 때문에 비행체의 연료 소비를 최소화하는 목적함수를 사용하였다. 또한 비행체가 안전하게 비행할 수 있도록 열 유속, 동압, g-load와 같은 경로구속조건을 설정하였다. 또한 각 단계를 수행하기 위하여 필요한 경계 조건을 지정하였다. 임무 프로파일은 우주비행체가 스킵 단계를 수행하면서 각 경로점을 경유하며 무기투하와 같은 임무를 수행하도록 설정하였다. 스킵 궤적 최적제어문제를 수치 방법으로 해결하기 위하여 hp-adaptive Radau 유사 스펙트럴 기법을 기반으로 하는 상용 최적 제어 소프트웨어인 GPOPSⅡ를 이용하여 스킵 궤적을 최적화하였다. 최적화한 결과로 최종 궤도의 경사각의 크기에 따른 연료소비를 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The skip trajectory optimization problem for a spacecraft considering waypoints is divided into a down-control phase, a mission phase, and an up-control phase. The down-control phase descends to the waypoint to perform the mission. During the mission phase, the aircraft maintains the altitude and passes through the waypoint. At each waypoint, the aircraft can perform missions such as dropping weapons and strike at desired area. In the up-control phase, the aircraft performing all missions uses the thrust to ascend to the final orbit specified by the orbital element. In addition, path constraints such as heat flux, dynamic pressure, g-load and boundary conditions for each phase were set. Changes in the trajectory and mass of the spacecraft were confirmed by varying the magnitude of the inclination in the final boundary conditions. The skip trajectory optimization problem was solved numerically using GPOPSⅡ based on the hp-adaptive Radau pseudospectral method.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장. 서론 1
• 1.1. 연구 동기 및 목적 1
• 1.2. 연구 동향 4
• 1.3. 논문의 구성 6
• 제 2장. 이론적 배경 7
• 2.1. 스킵 재진입 문제 7
• 2.2. 최적제어 9
• 2.3. hp-adaptive Radau 유사 스펙트럴 기법 12
• 2.4. GPOPSⅡ 17
• 제 3장. 문제 설정 19
• 3.1. X-33 비행체 개요 19
• 3.2. 문제 설정 21
• 3.2.1. 목적함수 21
• 3.2.2. 동적제약조건 22
• 3.2.3. 경로제약조건 23
• 3.2.4. 경계조건 24
• 3.2.5. 공력 및 공력계수 29
• 3.2.6. 임무 프로파일 31
• 제 4장. 결과 32
• 제 5장. 결론 39
• 참고문헌 40
• Abstract 43
• 감사의 글 44