Young-Joo Song;Jonghee Bae;SeungBum Hong;Jun Bang;Donghun Lee
Journal of Astronomy and Space Sciences
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v.40
no.3
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pp.123-129
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2023
This paper presents an analysis of the trans-lunar trajectory insertion performance of the Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO), the first lunar exploration spacecraft of the Republic of Korea. The successful launch conducted on August 4, 2022 (UTC), utilized the SpaceX Falcon 9 rocket from Cape Canaveral Space Force Station. The trans-lunar trajectory insertion performance plays a crucial role in ensuring the overall mission success by directly influencing the spacecraft's onboard fuel consumption. Following separation from the launch vehicle (LV), a comprehensive analysis of the trajectory insertion performance was performed by the KPLO flight dynamics (FD) team. Both orbit parameter message (OPM) and orbit determination (OD) solutions were employed using deep space network (DSN) tracking measurements. As a result, the KPLO was accurately inserted into the ballistic lunar transfer (BLT) trajectory, satisfying all separation requirements at the target interface point (TIP), including launch injection energy per unit mass (C3), right ascension of the injection orbit apoapsis vector (RAV), and declination of the injection orbit apoapsis vector (DAV). The precise BLT trajectory insertion facilitated the smoother operation of the KPLO's remainder mission phase and enabled the utilization of reserved fuel, consequently significantly enhancing the possibilities of an extended mission.
In this study, the uncertainty requirements for orbit, attitude, and burn performance were estimated and analyzed for the execution of the $1^{st}$ lunar orbit insertion (LOI) maneuver of the Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO) mission. During the early design phase of the system, associate analysis is an essential design factor as the $1^{st}$ LOI maneuver is the largest burn that utilizes the onboard propulsion system; the success of the lunar capture is directly affected by the performance achieved. For the analysis, the spacecraft is assumed to have already approached the periselene with a hyperbolic arrival trajectory around the moon. In addition, diverse arrival conditions and mission constraints were considered, such as varying periselene approach velocity, altitude, and orbital period of the capture orbit after execution of the $1^{st}$ LOI maneuver. The current analysis assumed an impulsive LOI maneuver, and two-body equations of motion were adapted to simplify the problem for a preliminary analysis. Monte Carlo simulations were performed for the statistical analysis to analyze diverse uncertainties that might arise at the moment when the maneuver is executed. As a result, three major requirements were analyzed and estimated for the early design phase. First, the minimum requirements were estimated for the burn performance to be captured around the moon. Second, the requirements for orbit, attitude, and maneuver burn performances were simultaneously estimated and analyzed to maintain the $1^{st}$ elliptical orbit achieved around the moon within the specified orbital period. Finally, the dispersion requirements on the B-plane aiming at target points to meet the target insertion goal were analyzed and can be utilized as reference target guidelines for a mid-course correction (MCC) maneuver during the transfer. More detailed system requirements for the KPLO mission, particularly for the spacecraft bus itself and for the flight dynamics subsystem at the ground control center, are expected to be prepared and established based on the current results, including a contingency trajectory design plan.
The first Korea lunar orbiter, Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO), has been in development since 2016. After launch, the KPLO will execute several maneuvers to enter into the lunar mission orbit, and will then perform lunar science missions for one year. Among these maneuvers, the lunar orbit insertion (LOI) is the most critical maneuver because the KPLO will experience an extreme velocity change in the presence of the Moon's gravitational pull. However, the lunar orbiter may have a delayed LOI burn during operation due to hardware limitations and telemetry delays. This delayed burn could occur in different captured lunar orbits; in the worst case, the KPLO could fly away from the Moon. Therefore, in this study, the burn delay for the first LOI maneuver is analyzed to successfully enter the desired lunar orbit. Numerical simulations are performed to evaluate the difference between the desired and delayed lunar orbits due to a burn delay in the LOI maneuver. Based on this analysis, critical factors in the LOI maneuver, the periselene altitude and orbit period, are significantly changed and an additional delta-V in the second LOI maneuver is required as the delay burn interval increases to 10 min from the planned maneuver epoch.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.30
no.8
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pp.87-93
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2002
In general, station relocation for a geostationary orbit satellite is formulated as a request for moving the spacecraft from its present longitude to the target longitude within a given time interval. The station relocation maneuver is composed of drift orbit insertion maneuver and target orbit insertion maneuver. During station relocation, the satellite orbit is continually influenced by the non-spherical geo-potential. When we plan a maneuver, if we do not consider the influence, the satellite may not be relocate to desired longitude successfully. To solve this problem, we applied the linearised orbit transfer equation to acquire maneuver time and delta-V. Nonlinear simulation for the station relocation of multiple satellites is performed in order to verify the distance between two satellites.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.15
no.3
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pp.267-280
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2014
A spacecraft placed in an Earth-Moon L2 quasi-halo orbit can maintain constant communication between the Earth and the far side of the Moon. This quasi-halo orbit could be used to establish a lunar space station and serve as a gateway to explore the solar system. For a mission in an Earth-Moon L2 quasi-halo orbit, a spacecraft would have to be transferred from the Earth to the vicinity of the Earth-Moon L2 point, then inserted into the Earth-Moon L2 quasi-halo orbit. Unlike the near Earth case, this orbit is essentially very unstable due to mutually perturbing gravitational attractions by the Earth, the Moon and the Sun. In this paper, an insertion maneuver of a spacecraft into an Earth-Moon L2 quasi-halo orbit was investigated using the global optimization algorithm, including simulated annealing, genetic algorithm and pattern search method with collision avoidance taken into consideration. The result shows that the spacecraft can maintain its own position in the Earth-Moon L2 quasi-halo orbit and avoid collisions with threatening objects.
To ensure the successful launch of the Korea pathfinder lunar orbiter (KPLO) mission, the Korea Aerospace Research Institute (KARI) is now performing extensive trajectory design and analysis studies. From the trajectory design perspective, it is crucial to prepare contingency trajectory options for the failure of the first lunar brake or the failure of the first lunar orbit insertion (LOI) maneuver. As part of the early phase trajectory design and analysis activities, the required time of flight (TOF) and associated delta-V magnitudes for each recovery maneuver (RM) to recover the KPLO mission trajectory are analyzed. There are two typical trajectory recovery options, direct recovery and low energy recovery. The current work is focused on the direct recovery option. Results indicate that a quicker execution of the first RM after the failure of the first LOI plays a significant role in saving the magnitudes of the RMs. Under the conditions of the extremely tight delta-V budget that is currently allocated for the KPLO mission, it is found that the recovery of the KPLO without altering the originally planned mission orbit (a 100 km circular orbit) cannot be achieved via direct recovery options. However, feasible recovery options are suggested within the boundaries of the currently planned delta-V budget. By changing the shape and orientation of the recovered final mission orbit, it is expected that the KPLO mission may partially pursue its scientific mission after successful recovery, though it will be limited.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2011.04a
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pp.207-210
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2011
Chollian bipropellant propulsion system is composed of one main engine for orbit transfer and fourteen thrusters for on-station operations. The design and analyses of the propulsion system were carried out in the framework of international collaboration. Following the system integration and testings required, the Chollian was transported to Kourou Space Center in French Guiana and launched successfully. After it separated from the launcher, the propulsion system was initialised automatically. Then three times of main engine firing were successfully performed, and the target obit insertion was accomplished.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.24
no.1
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pp.17-23
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2020
Upper stage of launch vehicle mainly injects a lunar explorer from low earth orbit to the moon at a distance of 380,000 km. In foreign lunar explorer, the upper stage is separated from the explorer after the explorer is injected into the earth-moon transfer trajectory, and the lunar explorer then uses on-board propellant to carry out mid-course correction maneuvers and lunar orbit insertion maneuvers. This study describes a newly presented small liquid upper stage. Using a small liquid upper stage with a wet mass of 2.9 tonnes, the lunar explorer not only can be injected earth-moon transfer trajectory but also can be performed lunar orbit insertion. This study provides acceptable mass range of the lunar explorer and the scope of acceptable mission range also describes based on the launch from Naro Space Center.
Korea Aerospace Research Institute(here after KARI) has a plan to launch experimental lunar orbiter in 2018, and lunar orbiter and lander in 2020. There are several ways to go to the moon. Which one is direct transfer trajectory and another one is phasing loop transfer trajectory and the other one is WSB trajectory. Regardless of the transfer trajectories, LOI maneuver is the most important maneuver of all mission sequences because if this burn is failed, it is too difficult to get into the lunar orbit in the future. This paper describes first LOI target value of foreign lunar orbiters and analyzes orbital variations of experimental lunar orbiter according to various target values. By analyzing the variation of orbiter parameter after first LOI, proper orbital period for LOI target value are recommended to meet the inclination, apoapsis and periapsis altitude constraints.
This work deals with an explicit guidance and control architecture for autonomous lunar ascent and orbit injection, i.e., the locally-flat near-optimal guidance, accompanied by nonlinear reduced-attitude control. This is a new explicit guidance scheme, based on the local projection of the position and velocity variables, in conjunction with the real-time solution of the associated minimum-time problem. A recently-introduced quaternion-based reduced-attitude control algorithm, which enjoys quasi-global stability properties, is employed to drive the longitudinal axis of the ascent vehicle toward the desired direction. Actuation, based on thrust vectoring, is modeled as well. Extensive Monte Carlo simulations prove the effectiveness of the guidance, control, and actuation architecture proposed in this study for precise lunar orbit insertion, in the presence of nonnominal flight conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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