Mission Trajectory Design using Three-Body Dynamics

Most mission trajectory design technologies for space exploration have been utilized the Patched Conic Approximation which is based on Hohmann transfer in two-body problem. The Hohmann transfer trajectory is basically an elliptic trajectory, and Patched Conic Approximation consists of Hohmann transfer trajectories in which each trajectory are patched to the next one. This technology is the most efficient method when considering only one major planet at each patch trajectory design. The disadvantages of the conventional Patched Conic Approach are more fuel (or mass) needed and only conic trajectories are designed. Recent space exploration missions need to satisfy more various scientific or engineering goals, and mission utilizing smaller satellites are needed for cost reduction. The geometrical characteristics of three-body dynamics could change the paradigm of the conventional solar system. In this theoretical concept, one can design a trajectory connecting around the solar system with comparably very small energy. In this paper, the basic three-body dynamics are introduced and a spacecraft mission trajectory is designed utilizing the three-body dynamics.

3체 역학 방정식을 이용한 위성 임무 궤도 설계

이제까지 수행된 우주 탐사 임무에서 임무 궤도의 설계는 행성 혹은 위성과 인공위성의 2체 문제 (two-body problem)에 기초한 Hohmann transfer를 기반으로 하는 Patched Conic Approximation 방식이 주로 사용되어져 왔다. Hohmann transfer는 원 궤도에서 다른 원 궤도로 천이할 수 있는 타원 천이 궤도의 설계 방식으로서, Patched Conic Approximation은 태양계를 여러 개의 2체 문제로 분해하고 각기 분해된 2체 시스템 사이의 Hohmann 천이 궤도를 설계하여 조합함으로써 행성 간의 임무 궤도를 설계하는 방식이다. 이 방식은 하나의 행성만을 고려했을 때, 즉 행성과 인공위성의 2체 문제일 때, 가장 효율적인 천이 방식으로 알려져 있고 현재까지의 우주 탐사 임무 설계에 주로 이용되고 있다. 하지만, 우주 탐사 임무가 점차 다양화되고 소형 위성을 이용한 임무 수행의 필요성이 증가함에 따라 기존의 Patched Conic Approximation은 요구되는 연료의 양이 크다는 점과 원뿔꼴(conic) 특성을 가지는 궤도만을 표현할 수 있다는 점에서 한계점을 보이기 시작하고 있다. 이에 반해 3체 동역학의 기하학적 특성은 기존의 태양계의 패러다임을 획기적으로 변화시킨다. 개념적으로는 요구되는 에너지가 매우 적은 에너지로 태양계를 모두 연결하는 궤도를 구성할 수 있기 때문이다. 본 논문에서는2체문제 기반의 임무 궤도 설계 기술의 한계성에서 벗어나 유연하고 효율적인 탐사 임무를 설계한다.