Orbit Fab: 위성 재급유를 위한 우주 주유소

자동차에 가스나 배터리가 떨어지면 주유소로 가서 다시 채우거나 충전기에 꽂기만 하면 됩니다. 일회용 차량은 매우 비효율적이고 비용이 많이 들고 지속 가능하지 않습니다. 오늘날 모든 자동차와 상용차를 가스 탱크 하나를 다 사용한 후에 폐기해야 한다면 인류의 존폐는 불투명합니다.

그러나 평균적으로 1억~3억 달러의 비용이 들고 개발에 몇 년이 걸리는 위성 시스템은 모두 일회용입니다. 위성 수명은 위성 자체가 작동 상태에 있더라도 지상에서 떠날 때의 연료 양에 따라 설정됩니다. 위성이 연료가 떨어지면 지구 대기에서 화상을 입거나 위치에 따라 다른 위성의 작동 궤도 외부에 있는 무덤 궤도로 밀려납니다. 2023년에 약 2,600개의 물체가 궤도에 진입하고 그 수가 매년 점차 증가하면서 많은 물체가 우주공간을 두고 경쟁하고 있습니다.

항공우주 커뮤니티가 위성을 보다 효율적이고 지속 가능하게 만들 수 있도록 돕기 위해 Orbit Fab은 최초의 상용 우주선 연료 보급 서비스를 만들고 있습니다. 일회용 우주선을 종식시키고 위성 수명 연장 및 무제한의 기동 유연성을 기반으로 차세대 임무를 가능하게 하는 것을 목표로 합니다. 2018년에 설립된 Orbit Fab은 국제 우주 정거장(ISS)에 물을 재공급하는 최초의 민간 기업이 되었으며, 최초의 연료 추진제 저장소를 출시 및 테스트했고, 향후 몇 년 동안 각 위성에 연료를 공급하기 위해 다른 정부 및 상용 고객과 파트너십을 확보했습니다.

가득 채우기: 우주선에 연료 공급

이 비전을 효율적이고 비용 효율적인 방식으로 현실화하기 위해 Orbit Fab은 본질적으로 우주의 주유소 역할을 하는 Gas Stations in Space™를 개발했습니다. 이 제품의 연료 보급 서비스는 재사용 가능한 연료 셔틀을 사용하여 저장고에서 우주선으로 연료를 직접 운반합니다. 고객 우주선에는 기존 추진 시스템에 연결할 수 있는 RAFTI™(고속 부착 가능한 유체 전달 인터페이스, Rapidly Attachable Fluid Transfer Interface)가 장착됩니다.

보급소에는 주로 연료의 스테이션 유지 및 열 조절을 위해 설계된 간단한 추진 및 항공 전자 시스템이 있습니다. 연료 셔틀은 다음과 같은 기능을 갖춘 우주선입니다.

• GRIP™(Grappling and Resupply Interface for Products) active refueling component
• 궤도 및 지상 연료 보급 작업을 가능하게 하며 많은 저장 가능한 추진제와 호환되는 도킹 및 연료 보급 인터페이스 RAFTI
• 6자유도를 구현하는 자세 결정 및 제어 시스템(ADCS)과 추진 시스템
• 랑데부 근접 작동 및 도킹RPOD(Rendezvous Proximity Operation and Docking) 시스템

셔틀과 보급소는 각 궤도를 활용하여 소비된 델타-V를 줄여 고객에게 도달할 수 있도록 전략적으로 배치되어 연료 공급 비용을 절감합니다.

Orbit Fab은 범용 임무 계획 소프트웨어(UMPIRE)를 사용하여 개별 고객 임무에 따라 연료 보급 서비스를 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 Orbit Fab은 고객이 언제, 어디서, 얼마나 많은 연료를 보충해야 하는지 결정할 수 있습니다. 셔틀은 보급소에서 연료를 공급받고, 고객 우주선으로 기동하고, GRIP 및 RAFTI를 사용하여 도킹하고, 연료를 공급한 다음 다시 보급소로 기동합니다.

우주에서 열 및 구조적 무결성 보장

우주와 다양한 시스템 사이에는 변수가 너무 많기 때문에 Orbit Fab은 시뮬레이션을 사용하여 인터페이스를 테스트합니다. Orbit Fab의 수석 엔지니어인 Kevin Smith는 "Ansys는 이러한 분석을 통해 메커니즘이 작동하는지 여부를 미리 파악할 수 있도록 지원합니다."라고 말합니다.

Orbit Fab 팀은 인터페이스의 열 및 구조 해석을 위해 Ansys Thermal Desktop 열 중심 모델링 소프트웨어와 Ansys Mechanical 구조 유한 요소 분석(FEA) 소프트웨어를 사용합니다.

Orbit Fab의 열 엔지니어인 Diarmuid Gregory는 "우리는 모든 제품 설계에 Thermal Desktop 소프트웨어를 적극적으로 활용하고 있습니다 있습니다."라고 말합니다. “우주선끼리 도킹할 때 부작용이 발생할 수 있는지 파악하는 데 도움이 되었습니다.”

우주에는 대기가 없기 때문에 대류를 통해 열이 효과적으로 소산될 수 있는 방법이 없습니다. 이것이 바로 우주선에 비행 중에 생성된 열이 복사 열 전달을 통해 소산될 수 있는 복사 차폐막이 있는 이유입니다. GRIP 내부의 여러 모터에서 발생하는 열은 과열될 가능성이 있으며, GRIP 또는 고객의 RAFTI에 문제가 발생할 수 있습니다. 이를 테스트하고 연구하기 위해 팀은 초기 GRIP 모델을 생성하고 열 진공 챔버에서 테스트했습니다. 그런 다음 이 데이터를 Thermal Desktop 소프트웨어로 다시 입력하여 모델을 보다 정밀하게 보정했습니다. Gregory는 "항목을 매개변수화할 수 있다는 것은 대안 연구와 다양한 설계 옵션을 시도하는 데 매우 유용했습니다."라고 말합니다. “우리는 Thermal Desktop 소프트웨어를 사용하여 신속하게 반복하고 분석이 궤도에서 실제로 일어날 일을 입증하도록 합니다.”

열 설계 및 분석은 복잡한 퍼즐의 한 조각일 뿐입니다. 어떤 것을 우주로 보내면 많은 진동이 발생하여 적절하게 연결되지 않으면 사물이 흔들릴 가능성이 있습니다. GRIP 캡처 메커니즘은 연료 셔틀 상단에 볼트로 고정되어 있으므로 Orbit Fab은 Mechanical 소프트웨어를 사용하여 최적의 볼트 패턴을 시뮬레이션하고 공진 주파수를 테스트합니다.

Smith는 "우리는 볼트가 벗겨지는지, 올바른 재료를 사용하고 있는지, 볼트 패턴을 조정해야 하는지 평가하기 위해 Ansys Mechanical 소프트웨어를 사용합니다."라고 말합니다. “우리는 GRIP 내부에 대한 진동 연구도 수행합니다. GRIP의 이 부분이 특정 주파수에서 진동하기 시작하고 다른 부분에서 진동을 유도하면 상당히 파괴적인 힘을 얻을 수 있습니다.”

Delta-V로 더 많은 것을 얻을 수 있습니다

궤도를 자주 변경해야 하는 임무에는 신속하게 실행할 수 있는 임무 계획을 위한 분석 모델이 필요하며, 많은 기동이 필요한 계획에 대한 신속한 반복이 가능합니다. 이러한 요구사항을 해결하기 위해 Orbit Fab은 사내 임무 아키텍처 분석 및 계획 플랫폼인 UMPIRE를 개발했습니다. 이 플랫폼은 가장 낮은 비용과 영향으로 고객 우주선에 대한 최적의 연료 보급 물류 결정을 위해 Ansys Systems Tool Kit (STK) 디지털 미션 엔지니어링 소프트웨어를 통합했습니다.

Orbit Fab의 임무 분석 엔지니어인 Nate Wilson은 "위성에게 원하는 모든 작업을 입력할 수 있다는 것이 핵심 아이디어입니다.”"라고 말합니다. “이 궤도에서 시작하여 이 궤도로 이동하고, 스테이션 유지와 함께 (원하는) 지정한 시간 동안 이 궤도에 머무른 다음, UMPIRE를 사용하여 어떻게, 언제, 어디에서 연료를 공급할지 결정합니다.”

설계 단계에서 연료 보급을 고려하면, 연료 소비나 저장에 집중하기보다는 다른 요소에 최적화된 우주선 설계를 장려할 수 있습니다. 연료 재급유를 통해 더 작은 연료 탱크를 사용할 수 있으며, 이로 인해 우주선이 더 가볍게 만들어집니다. 고객은 이 공간을 다양한 적재물에 사용할 수 있으며 우주선 크기를 전체적으로 줄일 수도 있습니다.

Wilson은 "STK 소프트웨어를 사용하면 매우 정확한 연료 계산을 통해 각 지점에서 얼마나 많은 연료를 사용하고 있는지, 그리고 각 기동에 얼마나 많은 델타-V를 소비하고 있는지 정확하게 확인할 수 있습니다."라고 말합니다. “궤도 분석 관점에서 STK Astrogator 기능은 기동 계산 중에 연료 사용량을 정확하게 파악하는 데 매우 유용합니다.”

STK 소프트웨어는 연료 소비 외에도 Orbit Fab 팀이 연료 셔틀이 고객 위성과 제어 불가능한 충돌을 방지할 수 있도록 지원합니다. Orbit Fab은 뉴멕시코 주 커틀랜드 공군 기지의 로봇 작동 제어(ROC) 실험실을 사용하여 RPOD 플랫폼을 테스트했습니다. 팀은 3도 자유도 시스템을 사용하여 연료 셔틀과 고객 우주선 간의 통제된 충돌을 시뮬레이션할 수 있었습니다. 충돌의 힘은 볼펜을 누르는 데 필요한 만큼도 되지 않았습니다.

Smith는 "사람들이 위성을 작동하는 방식의 전체적인 요점은 서로 충돌하지 않도록 하는 것입니다."라고 말합니다. “우리가 직면한 가장 큰 과제 중 하나는 충돌을 통제하는 방법입니다. 어떻게 사람들에게 우주선이 서로를 향해 돌진하지 않는다고 설득할 수 있을까요? 시뮬레이션은 이를 가능하게 합니다.”

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