이상기후로 인한 문제가 커지고 있는 요즘, 항공우주공학 관점에서 문제를 해결해보고자 차세대 친환경 발전시스템인 우주태양광발전시스템(SSPS)에 관심을 갖게 되었으며 SSPS의 가장 큰 문제 중 하나인 우주파편(MMOD) 충돌위험성을 기존의 방법론과 다른 회피 알고리즘을 제안하여 개선하고자 하였다.
이를 위해 NASA의 GMAT을 이용해 SSPS의 궤도전이 과정을 정의하고 NASA의 ORDEM을 활용하여 정의한 궤도전이 과정 속에서 맞닥뜨리게 되는 Space Debris 및 Micro Meteorite Flux를 계산하여 이를 바탕으로 SSPS와 MMOD의 크기별 충돌 횟수 기댓값을 정의하여 구하였다. 크기별 충돌 횟수 기댓값을 바탕으로 유의미한 크기의 MMOD에 대해 Ansys Explicit Dynamics와 LS-Dyna를 통해 태양광 패널과 MMOD 충돌 시 생기는 피해를 분석하였다.
시뮬레이션을 통해 얻은 MMOD로 인한 피해량과 충돌 확률의 곱에 비례하는 Expected Damage Risk 값을 정의하여 회피 알고리즘의 판단 기준으로 삼았다. 접근하는 MMOD가 1개인 경우에는 EDR값이 최소가 되는 impact angle이 0도이며, n(n>1)개인 경우에는 EDR값들의 합이 최소가 되는 impact angle을 선택하도록 하였다.
다양한 조건의 MMOD에 대한 EDR값을 충돌 시뮬레이션을 바탕으로 구하여 귀납적으로 EDR의 일반식을 구하였다. EDR 일반식과 SLSQP 최적화 기법을 바탕으로 파이썬을 사용해, MMOD의 개수, 속도, 크기에 대한 정보를 기반으로 EDR값들의 합을 최소로 하는 impact angle의 값과 시각화 결과를 보여주는 소프트웨어 프로그램을 개발하였다.
본 연구는 우주 환경의 MMOD 충돌위험을 정량적 지표 EDR과 회피 알고리즘을 도입하여 우주태양광 산업이 본격적으로 상용화되기 전, 데이터 기반의 회피 시스템 개념을 선제적으로 제시하였고 다양한 우주시스템에서 쉽게 확장 및 적용할 수 있다는 점에 의의가 있다.