우주탐사 매뉴얼

7장. 다른 천체로 가기

그림 7-1

태양(⊙), 행성 p, 우주선 s 사이의 위치 벡터 rs⊙, rp⊙, rsp. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-2

a) 태양-지구 시스템의 유효 퍼텐셜과 라그랑주 점들(EL1~EL5; EL의 E는 태양-‘지구’ 시스템에서의 라그랑주점임을 의미). b) 지구 반경 부근을 잘 보이게 만들기 위해 지구 질량을 100배 키운 경우에 대한 태양-지구 시스템의 유효 퍼텐셜과 라그랑주 점들. c) b)의 유효 퍼텐셜을 XS축(검은 선)과 YS축(빨간 선)을 따라 그린 프로파일. d) c)를 로그 스케일로 그린 것. a), b) 모두 지구의 공전 각속도로 회전하는 좌표계이며, 유효 퍼텐셜의 내리막 방향으로 등고선에 발들이 그려져 있다. XS 축은 태양 중심의 태양-지구 회전 좌표계에서 태양과 지구를 잇는 축이고, YS 축은 이에 직각인 축이다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-3

태양-지구 시스템의 지구 주변 유효 퍼텐셜과 라그랑주 점들. 지구의 공전 각속도로 회전하는 좌표계이며, 태양은 항상 그림의 왼쪽(-XES축)에 위치한다. 지구의 위치와 달 공전궤도가 표시되어 있으며, 유효 퍼텐셜의 내리막 방향으로 등고선에 발들이 그려져 있다. XES 축은 지구 중심의 태양-지구 회전 좌표계에서 태양과 지구를 잇는 축이고, YES 축은 이에 직각인 축이다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-4

a) EL4 와 b) EL2 부근에서 배회하는 물체들의 궤적. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-5

r1=250 km 고도의 원궤도에서 더 높은 원궤도(r2)로 호만 전이할 때 필요한 Δv1, Δv2 및 이 두 속도 증분에 지상에서 250 km 고도로 진입하는데 필요한 속도 증분(9.0 km/s로 가정)까지 모두 포함한 Δvtot. r1, GEO 반경, 달의 공전 반경이 표시되어 있다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-6

지구 저궤도에서 달 궤도로의 직접 전이. 좌표계는 지구를 중심에 두고 지구의 공전을 따라 회전하고 있으며, 태양은 항상 두 그림의 왼쪽 먼 곳(-XES축)에 위치한다. a)에 있는 점선 상자가 b)의 위치와 크기를 나타내며, 달의 위치는 우주선이 궤적의 마지막 지점에 위치할 때의 것이다. 검은색 대시선은 달 공전 궤도를, 파란색 대시선은 호만 전이 궤도를 나타낸다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-7

지구 저궤도에서 달 궤도로의 위상 전이. 좌표계는 지구를 중심에 두고 지구의 공전을 따라 회전하고 있으며, 태양은 항상 왼쪽 먼 곳(-XES축)에 위치한다. 대시선은 달 공전 궤도를 나타낸다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-8

이중타원 호만 전이 이용 시 일반 호만 전이(직접 전이)에 비해 얻는 Δv 이득. 지구-달 시스템의 영향권 반경(SOI)과 EL1/EL2 반경이 표시되어 있다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-9

XES축을 따라 그린 지구만에 의한 중력 퍼텐셜(점선)과 태양-지구에 의한 유효 퍼텐셜(실선) 프로파일. XES축은 지구 중심의 태양-지구 회전계에서 태양과 지구를 잇는 축이다. 태양-지구 시스템의 L1/L2(EL1/EL2), 지구-달 시스템의 영향권(SOI), 달의 공전 궤도(rMoon)가 표시되어 있다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-10a

지상에 세워져 있는 로켓이 한쪽으로 기운 경우와 b) 공중에서 날아가고 있는 로켓이 한쪽으로 기운 경우 (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-10b

EL1-EL2 분지 내 II 사분면 한 지점에서의 유효 퍼텐셜 내리막 방향. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

* 책에는 이 그림이 빠져 있습니다.

그림 7-11

지구 주차 궤도로부터 EL1-EL2 분지 내 4개의 사분면 방향으로 투입된 저에너지 전이의 예. [Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0 / 데이터 출처: N. L. Parrish et al. (2019), “Survey of Ballistic Lunar Transfers to Near Rectilinear Halo Orbit”, AAS Astrodyn. Spec. Conf. , p 1003]

그림 7-12

2022년 8월 발사되었던 우리나라의 달 탐사선 다누리호가 택했던 저에너지 전이 궤도. a)는 지구 중심의 태양-지구 회전계이고 b)는 지구 중심의 지구-달 회전계다. XEL 축은 지구 중심의 지구-달 회전 좌표계에서 지구와 달을 잇는 축이고, YEL 축은 이에 직각인 축이다. 빨간 세모는 다누리호가 전이 중에 가졌던 Δv 기동이고, 빨간 십자는 EL1과 LL1, LL2의 위치이다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0 / 다누리 데이터 출처: 한국항공우주연구원)

그림 7-13

a) 지구-달 시스템의 유효 퍼텐셜과 라그랑주 점들(LL1~LL5). b) a)와 같은 그림으로 달 주변을 확대한 것이며 다누리의 궤적이 표시되어 있다. a)와 b) 모두 달의 공전 각속도로 회전하는 좌표계다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0 / 다누리 데이터 출처: 한국항공우주연구원)

그림 7-14

지구에서 화성으로 전이하는 우주선이 거치는 중력 퍼텐셜들의 모양. 태양이 만드는 거대한 중력장 안에 지구와 화성에 의한 작은 중력장이 ‘때워져’ 있는 것으로 근사될 수 있다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-15

행성의 영향권으로 진입하는 우주선이 가지는 궤도. 충돌 파라미터 bB와 근점 rperi,B가 표시되어 있다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-16

a) 근점이 행성의 공전 방향 앞에 놓이도록 행성을 근접 통과하는 우주선의 궤적. b) 근점이 행성의 공전 방향 뒤에 놓이도록 행성을 근접 통과하는 우주선의 궤적. 초록색 벡터는 태양 중심 계에서 본 행성의 속도 벡터, 파란색 벡터는 행성 중심 계에서 본 우주선의 속도 벡터, 빨간색 벡터는 이 둘의 합으로, 태양 중심계에서 본 우주선의 속도 벡터다. 근접 통과를 통해 a)는 감속을, b)는 가속을 얻게 된다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-17

1997년 발사된 토성 및 타이탄 탐사선 Cassini–Huygens의 비행 궤적. 중력 지원을 위해 총 5번의 행성 근접 통과를 수행했다. (NASA / Wikimedia Commons / Public Domain)

그림 7-18

지구 공전 궤도로부터의 위상 변화 기동으로, 장반경 변화 없이 1/8의 위상을 따라잡는 기동(a=0.915 AU, P=0.875 yr)과 1/8의 위상을 늦추는 기동(a=1.082 AU, P=1.125 yr)을 보여준다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-19

회전 반경 rs를 가진 우주선이 1 g0, 1/2 g0, 1/6 g0의 인공 중력을 만들어 내기 위해 필요한 분당 회전수. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-20

회전 반경 rs와 회전 각속도 ωs를 가지고 회전하고 있는 우주선 안에 있는 물체가 회전축으로부터 거리 r에서 놓일 때 가지는 운동을 a) 관성계에서 본 모습과 b) 우주선의 각속도로 회전하는 계에서 본 모습. c) 물체가 바닥에 충돌할 때까지의 시간 동안 우주선이 회전한 각거리 θs(파란 선)와 관성계에서 본 물체의 출발 지점과 충돌 지점 사이의 각거리 θA(빨간 선)를 xr(≡r/rs)에 대해 그린 것. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-21

회전 반경 rs와 회전 각속도 ωs를 가지고 회전하고 있는 우주선의 바닥에 있는 물체가 수직 위 방향으로 초기 속도 vv를 가지고 던져졌을 때 가지는 운동을 a) 관성계에서 본 모습과 b) 우주선의 각속도로 회전하는 계에서 본 모습. c) 위로 던져졌던 물체가 바닥에 다시 떨어질 때까지의 시간 동안 우주선이 회전한 각거리 θs(파란 선)와 관성계에서 본 물체의 출발 지점과 충돌 지점 사이의 각거리 θA(빨간 선)를 χv[≡vv/(rsωs)]에 대해 그린 것. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-22

회전하고 있는 우주선 내에서 a) 회전축을 향해 사다리를 타고 올라가는 사람은 회전 방향으로 몸이 밀리게 되고, b) 회전축으로부터 바닥을 향해 사다리를 타고 내려가는 사람은 회전 반대 방향으로 몸이 밀리게 된다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 7-23

NASA Glenn Research Center가 개발한 이온 추력기인 NEXT의 환경시험 장면. (Courtesy NASA/JPS-Caltech)

그림 7-24

일본의 솔라 세일 우주선인 IKAROS가 우주에서 항행하는 모습의 상상도. (Andrzej Mirecki / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0 / GNU-FDL)

그림 7-25

솔라 세일의 돛이 받는 추력(Fthrust)의 방향. a) 빛이 돛에서 완전탄성충돌을 하는 경우(100 % 반사). b) 빛이 돛에서 완전비탄성충돌을 하는 경우(100 % 흡수). (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

* 책에 실린 그림은 a)와 b)가 바뀌어 있습니다. 이 그림이 맞는 그림입니다.

그림 7-26

솔라 세일에 의한 추력이 a) +t 방향을 향하면 태양으로부터 멀어지는 궤적을, b) -t 방향을 향하면 태양에 가까워지는 궤적을 가지게 된다. t 성분은 태양 중심 워궤도의 접선(tangential) 방향 성분이고, r 성분은 태양으로부터의 방사상(radial) 방향 성분이다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 저작권 안내

각 그림의 설명 마지막 부분에는 출처가 주어져 있는데, 출처에서 “CC”는 크리에이티브 커먼즈(Creative Commons) 라이선스를, “BY”는 사용 및 재배포 시 출처(작성자)를 밝혀야 함을, “SA”는 개작(수정) 후 재배포 시 같은 조건으로 재배포 되어야 함을 뜻하며, CC0는 아무 조건 없이 사용 및 재배포 가능함을 의미합니다.

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