실시간 우주 날씨 대책을 위한 우주비행체 충전현상 분석

• 해당 논문은 한국항공우주학회 2025 춘계학술대회에서 발표되었습니다.

최낙헌, 장윤혁 ㈜모아소프트

Analysis of Spacecraft Charging Phenomena for Real-Time Space Weather Countermeasures Nakheon Choi, Younhyuck Chang

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Key Words : Space Weather(우주날씨), Spacecraft Charging(우주비행체 충전현상), Real Time(실시간),
Internal Charging(내부충전현상), ESD(정전기 방전)

I. 서론

우주비행체의 설계 및 운영에 있어서 우주 날씨에 대한 세심한 주의가 필요하다. 특히, 전자와 이온으로 구성된 우주 플라즈마의 변화에 의해 우주비행체 표면과 내부에 전하가 축적되는 충전현상 (Spacecraft Charging)은 우주비행체의 오작동 또는 영구 손상을 일으킬 수 있다. 실제로 이로 인해 우주 임무가 중단되는 사례가 빈번하여, 충전현상으로 초래된 임무중단이 우주 환경 영향으로 임무중단된 전체 사건의 46%에 달한다.
우주비행체의 충전현상은 약 100keV를 기준으로 저에너지 하전입자에 의한 표면충전과 고에너지 하전입자에 의한 내부 충전으로 일반적으로 구분된다.
표면충전은 우주비행체가 우주 플라즈마에 노출된 외함의 표면에 전하가 축적되는 현상이고, 내부 충전은 고에너지 전자가 우주비행체 외함을 관통하여 내부의 유전체 또는 격리된 도체에 전하가 축적되는 현상이다. 충전된 전하의 밀도가 유전체 파괴전압을 초과하는 전압을 생성하게 되면 정전기방전(ESD)이 발생하여 재료손상, 회로손상, 또는 RF 노이즈로 인해 우주비행체가 오동작할 수 있고, 임무중단까지 초래할 수 있다. 지금까지의 충전현상 분석연구는 우주비행체의 설계개선에 중점을 두었고, 현재 임무 수행중인 우주비행체를 운영함에 있어서 임무궤도에 따라 변화하는 우주날씨의 영향을 실시간으로 분석하여 빠르게 대책을 마련하는 목적으로는 한계가 있었다.
본 연구는 우주날씨 예보 데이터와 날씨모델을 활용하여, 시간적 날씨변화와 우주비행체의 임무궤도에 따른 공간적인 날씨의 영향을 함께 반영하는 우주비행체 충전현상 분석방법을 제안하고, 특정 임의궤도를 선회하는 위성에 대한 내부충전현상(Internal Charging)을 분석하였다.

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III. 결 론

우주날씨 특히 고에너지 전자 플럭스에 의한 내부충전의 영향을 우주비행체의 안전한 운영에 실시간 반영할 수 있는 방법을 제시하고, 서로 다른 두 위성궤도에 적용하였다.
충전전위를 분석하여 각 시점에서 ESD방전 위험도를 평가할 수 있으므로, 위험에 따른 대책을 실시간 결정함으로써 보다 효과적인 우주비행체 임무운영에 도움될 수 있다.