Dynamic anaylsis of a tethered satellite system for space debris capture and release

Abstract

이 논문에서는 우주 잔여물의 포집과 방출이 있는 인공위성 테더 시스템의 동적 거동이 분석되었다. 인공위성 테더 시스템은 인공위성에 테더를 연결하여 다양한 목적을 수행하는 시스템을 말한다. 본 연구에서는 인공위성 테더 시스템에 그물을 부착하여 잔여물을 포집하고 제거하는 응용분야에 대한 연구에 집중하였다. 테더는 매우 얇은 재질로 되어 있기 때문에 잔여물이 포집되면 대변형 운동이 나타나는데, 테더의 대변형을 적절하게 해석하기 위해 동적모델링이 수행된다. 또한, 잔여물 포집시의 그물과 잔여물의 모멘텀 방정식을 수립하여 잔여물 포집이 있는 인공위성 테더 시스템의 동적거동이 분석되었다. 끝으로, 시스템의 동적거동 분석을 통해 잔여물을 대기권으로 재진입시킬 수 있는 가능성을 분석하기 위한 연구가 수행되었다. 2장에서는 인공위성 테더 시스템의 동적 모델링 방법이 제시되었다. 대변형이 있는 테더의 동적거동을 효율적으로 표현할 수 있는 모델링 방법인 절대절점좌표계를 통해 인공위성 테더 시스템의 운동방정식을 유도하였다. 또한, 우주 잔여물의 포집 후 잔여물이 포집되는 테더 끝단의 속도를 계산하기 위해 테더와 우주 잔여물들의 모멘텀 방정식이 도출되었다. 끝으로, 절대절좌표계를 통해 유도된 인공위성 테더 시스템의 운동방정식의 동적응답해석결과는 테더의 휨 거동이 있을 때와 없을 때의 비교를 통해 검증되었다. 3장에서는 우주 잔여물을 포집이 있는 인공위성 테더 시스템의 동적거동이 분석되었다. 먼저, 잔여물 포집각도와 포집속도에 따라 인공위성 테더 시스템의 동적거동이 분석되었다. 이 분석결과를 통해 잔여물 포집으로 인해 테더의 늘어짐과 인장으로 인해 테더의 출렁임이 나타나는 것이 분석되었다. 또한, 테더의 출렁임으로 인해 장력이 급격하게 증가하여 인공위성 테더 시스템의 궤도 불안정성이 나타나는 것을 확인하였다. 끝으로, 테더의 길이와 영률 등의 설계 파라미터와 잔여물의 질량에 따른 시스템의 동적거동 분석을 통해 테더의 장력이나 흔들림각 등을 분석하고, 안정적인 포집조건에 대해 논의되었다. 4장에서는 포집된 잔여물을 제거하기 위한 잔여물의 방출이 있는 인공위성 테더 시스템의 동적거동이 분석되었다. 본 연구에서는 포집된 잔여물의 제거를 위해 잔여물 포집후 나타나는 테더의 동적거동을 활용하여 잔여물을 방출하고, 이를 통해 방출된 잔여물을 지구대기권으로 이동시키는 방법을 제시하였다. 먼저, 인공위성 테더 시스템에서 방출된 잔여물의 궤도와 재진입각 예측을 위해 잔여물의 운동학을 분석하였다. 잔여물을 대기권으로 재진입시키기 위해 잔여물이 포집된 그물의 속도와 고도를 계산하여 잔여물의 방출시점을 분석되었다. 또한, 잔여물의 포집속도, 시스템의 궤도편심, 그리고 테더의 길이 등에 따른 인공위성 테더 시스템의 다양한 방출자세가 분석되었다. 끝으로, 잔여물이 방출된 후의 모선의 궤도변화를 분석하여 궤도안정성이 논의되었다.; The dynamic behavior of a tethered satellite system with debris capture and release is analyzed. The tethered satellite system performs various purposes by using a tether connected with the satellite. We focused on the application field of capture and release of the debris by attaching the net to the tether. Since the tether is made of a very thin material, large deformation occurs when the debris is captured. So, the dynamic modeling is performed to properly analyze the large deformation of the tether. In addition, the momentum equations of the net and debris at the capture were established and the dynamic behavior of the tethered satellite system with the debris capture was analyzed. Finally, the study was conducted to analyze the possibility of re-entering debris into the atmosphere through analysis of the dynamic behavior of the system. In Chapter 2, the dynamic modeling method of the tethered satellite system is presented. The equations of motion for the tethered satellite system are derived by using the absolute node coordinate system (ANCF) which is a modeling method which can efficiently express the dynamic behavior of the tether with large strain. In addition, momentum equations of the net and debris were derived to calculate the velocity of the tether tip after the debris is captured. Finally, the equations of motion of the tethered satellite system derived through the ANCF were verified by comparing with and without tether bending behavior. In Chapter 3, the dynamic behavior of tethered satellite system with the debris capture was analyzed. First, the dynamic behavior of the system was analyzed according to the capture angle and the capture velocity of the debris. From this analysis, it was analyzed that the slack and extension of the tether due to the debris capture caused the tumbling of the tether. Also, it was confirmed that the tumbling of the tether resulted in a sudden increase in tension, resulting in orbital instability of the system. Finally, the tension and libration angle of the system are analyzed through dynamic behavior of the system according to the design parameters such as the tether length and the Young's modulus of the tether and the mass of the debris, and stable capture conditions are discussed. In Chapter 4, the dynamic behavior of the tethered satellite system with the debris release was analyzed. We proposed a method to deorbit the debris to the atmosphere by using the pendulum motion of the tether appearing after the debris capture to remove the captured debris. First, we analyzed the kinematics of the debris to predict the orbital flight and reentry angle of the released debris. In order to re-enter the debris into the atmosphere, the release timing of the debris was analyzed by calculating the velocity and altitude of the net captured by the debris. In addition, various release attitudes of the tethered satellite system were analyzed according to the capture velocity of the debris, the eccentricity of the tethered satellite system, and the length of the tether. Finally, the orbital stability of the system was discussed by analyzing dynamic response of the mother satellite after debris release.