순차 컨벡스 최적화 기법을 적용한 재사용 우주비행체 재진입 가능 영역 분석 (Entry Interface Envelope Evaluation for Reusable Spaceplanes Using Sequential Convex Programming)

서지정보

· 발행기관 : 한국항공우주학회
· 수록지 정보 : 한국항공우주학회지 / 53권 / 5호 / 513 ~ 526페이지
· 저자명 : 구현준, 김윤중, 김종한

초록

재사용 우주비행체의 귀환 비행에서는 높은 열과 압력으로부터 기체를 보호하며 착륙지로 복귀하는 궤적을 설계하는 것이 중요하다. 기체가 손상되지 않으면서 비행할 수 있는 비행 영역(Flight Envelope)은 잘 알려져 있으나, 해당 영역이 매우 좁기 때문에 재진입 경로 최적화 문제는 해결하기 까다로운 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 재사용 우주비행체가 임무를 마치고 안전하게 복귀할 수 있는 재진입 가능 영역을 산출하기 위하여 컨벡스 최적화 기반의 재진입 문제를 설계하고, 그리드 탐색(Grid Search)을 통해 최적화 문제가 안정적으로 해를 산출할 수 있는 재진입 가능 영역을 산출한다. 이때, 복잡한 비선형 역학에 효과적인 알고리듬인 순차 컨벡스 최적화(Sequential Convex Programming, SCP) 기법을 이용하여 궤적 최적화 문제를 설계하였으며, 수치 오차에 민감한 SCP 기법의 한계를 개선하기 위해 활용되는 신뢰 영역 업데이트(Trust Region Update) 기법을 도입해 다양한 초기조건에 대해서 안정적으로 해를 구할 수 있는 알고리듬을 설계하였다. 수 치 시뮬레이션을 통해 제안된 알고리즘을 검증하였으며, 위도와 경도 초기조건을 변화시키며 설계한 알고리즘이 동역학 및 구속조건을 만족하며 비행하는 경로를 산출할 수 있는 재진입 가능 영역을 탐색하였다.

영어초록

The reentry flight of a spacecraft is a critical phase that requires safeguarding the vehicle against extreme heat and pressure, while ensuring a precise return to a predetermined ground location. The permissible flight envelope for an undamaged return is notably restrictive, thereby complicating the trajectory optimization challenge. This study introduces a reentry problem formulated through sequential convex optimization, aimed at identifying a viable reentry envelope that assures safe return upon mission completion. A grid search is employed to identify a reentry envelope within which the optimization problem can consistently yield feasible solutions. The Sequential Convex Programming (SCP) algorithm, known for its efficacy in managing complex nonlinear dynamics and nonconvex constraints, is employed to solve the trajectory optimization problem. Furthermore, to overcome the numerical sensitivity of SCP, a trust-region update technique is incorporated, enabling the algorithm to reliably find solutions across various initial conditions. The proposed algorithm is validated via numerical simulations, and the reentry envelope is assessed by varying the initial latitude and longitude conditions. This approach guarantees that the algorithm produces feasible trajectories that satisfy all specified dynamics and constraints.

참고자료

· 없음