2016년 일본 히토미 위성 유실

출처: 웹문서

https://www.manufacturing.net/aerospace/news/13108043/the-mystery-of-the-hitomi-satellite-is-finally-solved

https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-017-0633-3

https://spaceflightnow.com/2016/04/18/spinning-japanese-astronomy-satellite-may-be-beyond-saving/

https://skyandtelescope.org/astronomy-news/recovery-for-hitomi-observatory-now-unlikely/

 

히토미(또는 ASTRO-H 미션) 위성 유실 사고

• 일본항공우주탐사국(JAXA)이 310억엔(약 2억 8000만 US$)을 들여 "히토미"라는 이름의 새로운 X-선 천문 관측 위성을 개발함. 2016년 2월 17일, 히토미가 3년의 블랙홀 및 갤럭시 연구 미션을 위해 일본의 다네가시마 우주센터에서 발사됨
• 발사 5주 후까지는 모든 것이 순조롭게 진행됨. 히토미가 시험 관측을 수행하였고, 고도의 감독 하에 운영되는 시운전 모드에서 일반 작동 모드로 전환하는 과정에 있었음
• 2016년 3월 26일 토요일 3:00 AM JST 직후, 히토미가 지구의 지속적인 모니터링 없이 사전 계획된 첫 기동(maneuver)을 수행하였으며, JAXA 과학자들은 히토미의 궤도가 스페인과 호주의 일본 지상국을 지나면서 무선 교신을 재개하기를 기다림. 위성은 4:40 PM에 호주 지상국에 체크인 할 예정이었지만 끝내 연락이 오지 않음
• 지상의 망원경이 히토미를 찾기 위해 하늘을 스캔했고, 위성의 예상 위치 근처에서 파편을 발견함. JAXA 엔지니어들이 다음 몇 주 동안 계속해서 히토미에게 연락을 시도함
• 2016년 4월 28일, JAXA는 결국 히토미 위성이 유실됐다고 선언함. 전력을 공급했던 두 개의 태양열 어레이 패들을 포함하여 적어도 10개의 조각이 위성의 본체로부터 떨어져 나온 것으로 확인

 

Hitomi/Astro-H 다이어그램, credit: JAXA

 

 

사고 원인 추정 – 자세 제어 문제(Attitude Control Problems)

2016년 5월 31일 JAXA는 히토미 해체로까지 이어진 일련의 이벤트를 설명하는 자세한 보고서를 발표했으며, 히토미가 유성이나 우주 쓰레기에 부딪힌게 아니라 기본 엔지니어링 에러가 원인이라고 밝혔다.

 

JAXA는 파편 위치를 역추적하여 히토미의 해체가 3월 26일 UTC 1시 37분경에 발생한 것으로 추정했다. 자세 제어 시스템(ACS: the attitude control system)에 의한 스핀업으로 인해 위성의 태양광 전지판과 확장 광학 벤치(the extensible optic bench)가 떨어져 나간 것으로 판단했으며, 이를 야기한 것으로 의심되는 4가지 주요 '메커니즘'을 식별했다.

 

(1) 3월 26일 계획대로 망원경 방향을 바꾼 움직임 직후 히토미의 자세 제어 시스템(ACS)이 실제는 회전하지 않고 있는 자세 상태를 회전 중인 것으로 잘못 판단했다. 이 회전에 대응하기 위해 반작용 휠(reaction wheel)을 가동하였고, 이로 인해 위성이 반대 방향으로 회전하기 시작했다.

 

(2) 마그네틱 토커(magnetic torquers)에 의한 반작용 휠의 모멘텀 언로딩이 제대로 작동하지 않았다. 

당시 ACS가 회전 속도를 정확하게 측정하지 못하고 있었기 때문에 반작용 휠에 각운동량(angular momentum)이 축적되었고, 곧 그 한계에 도달했다. 반작용 휠이 최대 스핀에 도달하면 대개 자기봉이 전개되어 제어 불가능한 가속을 방지하는 데, 자기봉이 제대로 작동하지 않아 반작용 휠의 속도를 늦추지 못했고 히토미는 점점 더 빠르게 회전했다.

 

(3) 히토미의 ACS가 자세 상황이 위험하다고 판단하고 위성을 ‘Safe-Hold 모드’로 자동 전환했고, 위성을 안정 자세로 되돌리기 위해 자세 추력기(thrusters)가 활성화되었다. 

일반적으로 위성의 안전 모드는 최대 전력을 위해 태양광 어레이를 태양 방향으로 돌리고 안테나는 통신을 위해 지구를 향하는 것을 의미한다. 그러나 이 마지막 기동(maneuver)이 관에 마지막 못을 박는 격이었는 데, ACS가 이 자세 제어를 위해 추력기를 작동시켰고 여기에 에러가 존재했기 때문이다. 몇 주 전 2월 28일에 지상 관제사가 히토미의 태양 전지판과 확장 광학 벤치를 전개한 후의 변화된 질량 특성과 관성 모멘트에 맞도록 새로운 추력기 제어 패러미터를 위성에 업로드하였는 데, 이 패러미터가 부정확한 것으로 판명되었다(이 인스트럭션이 히토미의 컴퓨터 시뮬레이션 상에서 테스트되었다면 에러를 발견할 수 있었지만, 이런 테스트가 수행되었는지를 확인하는 체크가 마련되어 있지 않았다). 사고 이후에 이 업데이트된 ACS 제어 패러미터를 가지고 위성 자세를 시뮬레이션 해보니 추력으로 인해 위성 자세가 예상치 못한 방식으로 반응하고 위성 회전 속도가 더 증가했을 가능성이 있음이 나타났다.

 

(4) 구조적 반응을 테스트하기 위해 히토미의 지상 기반 관측으로부터 끌어낸 각속도(angular rates)를 유한 요소 방법(finite element method) 시뮬레이션에 입력하였고, 시뮬레이션 결과 태양광 패널과 확장 광학 벤치 모두에서 구조적으로 버틸 수 있는 한계를 넘어서는 것으로 나타났다. 따라서 위성의 자세 제어 시스템이 유도한 스핀업이 히토미 해체의 가능한 원인으로 확립되었다.

   

 

아래는 히토미 위성 사고에 대해 보도한 2016년 6월 9일자 News World의 영상이다. 

출처 https://www.youtube.com/watch?v=H15pgRsE8oE