SLS로켓의도움으로달로가는Orion우주선
달에서장기체류를목로삼은nasa의아르테미스계획
bmp류는거의50년전bmp 1972년이후로는달에발을딛지않았습니다。하지만모든게계획대로진행된다면우리는얼마후에달에다시갈것입니다。Nasa는현재그리스신화에서사냥과달의여신의이름을딴아르테미스계획을개발하고있습니다。무인아르테미스1호임무에서는SLS(우주발사시스템)라는신형로켓을테스트할것입니다。SLS는지금까지제작된로켓중가장강력한로켓으로서39.1메가뉴턴(880만파운드)이라는막대한추력을자랑합니다。
하지만sls는아르테미스기술의일부분에지나지않습니다。30층높이에달하는SLS의상단에는최대6명을달너머까지태워보낼수있는猎户座이실릴것입니다。猎户座은심우주의극한조건에서승무원을보호하도록설계되어있습니다。SLS는Orion을달궤도로올리는역할을맡을것입니다。
아르테미스1호는달을탐사하고미래에달베이스캠프를건설하기위한중요한발걸음입니다。아르테미스2호는일년뒤에같은여정을떠나지만,그때는猎户座기체에우주인이승선할것입니다。그리고아르테미스3호는2024년에최초로여성과유색인종우주인을달표면에보낼것입니다。미래의아르테미스임무에서는달에인프라를건설하여탐사,산업,혁신을실현하고화성까지여행할수있는능력을보여줄계획입니다。
그리스의여신인아르테미스는쌍둥이인아폴로보다약간일찍태어났지만NASA의아르테미스는아폴로보다젊고더스마트합니다。1969년에최초로인간을달에보낸아폴로11호에탑재된컴퓨터는RAM이4킬로바이트였습니다。최신의iPhone RAM은그보다수백만배이고,아르테미스의소프트웨어를개발하고실행하는데사용되는컴퓨터는그보다도용량이훨씬큽니다。메모리만이아닙니다。엔지니어들은설계과정을간소화하여더스마트하게일할수있도록돕는새롭고다양한툴을갖고있습니다。
NASA우주발사시스템삽화。(이미지출처:洛克希德马丁公司)
보이지않는곳으로
赫克托·赫尔南德斯는대학을졸업한후猎户座개발을위해洛克希德·马丁公司에입사했습니다。“우리는달에장기간체류할계획입니다。”그가말한다。화성에간다는더큰도전을준비하기위한것이죠。정말로기대되는부분이바로그부분입니다。”
赫尔南德斯는猎户座의전력시스템首席分析师입니다。그의팀은모든오류를예상하고피할수있도록소프트웨어를사용하여모든하드웨어를모델링합니다。“저희는시스템에연결된모든구성요소와시스템자체가함께잘작동하도록하고있습니다。”그가말합니다。
저희는달에장기간체류할계획입니다。화성에간다는더큰도전을위해준비하기위한것이죠。정말로기대되는부분이바로그부분입니다。”
NASA猎户座의전력시스템首席分析师赫克托·埃尔南德斯
전력시스템에는배터리,태양광패널,컴퓨터,전선,연결부(노드)가포함되어있습니다。전력의품질이임무의성공과승무원의생존을좌우합니다。즉모든구성요소가올바른범위의전압을받고전압에큰”리플“이없도록해야합니다。모델을사용하여팀은다양한모델을사용하여팀은다양한。모델을통해임무를모니터링하고중모델을통해임무를모니터링하고중。실제우주선에서뭔가잘못되면그들은결함을시뮬레이션하고모델이어떻게반응하는지살펴보고,임무를중단할지또는다른조치를취할지임무운영자에게제안할수있습니다。
埃尔南德斯는또한Simulink®를사용하여SPoC(航天器功率容量)라는모델을개발하였습니다。그는전기시스템의물리를모델링하는Simscape电气™을사용하여모델안에많은블록을만들었습니다。배터리，태양전지등에대한블록이있습니다。과거에는微软®Excel®스프레드시트를사용하여작업을수행했습니다。埃尔南德斯는빠르게질문에답하는용도로아직까지스프레드시트를사용하고있지만,이는케이블연결점이많은멀티노드시스템을모델링할수는없습니다。“더복잡한질문에답하려할때는SPoC를사용합니다”“라고말합니다。”그의말입니다。
NASA케네디肯尼迪操作和结帐大楼빌딩猎户座우주선。(이미지출처:洛克希德马丁公司)
그리고그는말합니다。“저는개적으로그림을좋아합니다。”상자들을이리저리옮기면서모든게어떻게연결되어있는지직관적으로느낄수있습니다。Simulink를사용하면많은로우레벨코드를다룰필가사라집니다。모델을다른사람이더잘이해할수있도록만들어주기도하고블록내특정IP를숨길수도있습니다。“지저분한많은것들을보이지않는곳으로숨길수있습니다。”埃尔南德斯의말이다。
지금까지SPoC는모든성능리뷰를통과했습니다。SPoC의동작은실제猎户座의그것과일치합니다。그리고猎户座으로부터실제테스트데이터를받을때마다팀은이를이용해모델을수정합니다。“제다음단계는아르테미스1호임무를성공리에마치는것입니다。”그가말합니다。“그다음에아르테미스2호로넘어갈겁니다。”
Nasa에서결함관리는임무필수
달로가는과정에서많은일이발생할수있습니다。美国宇航局SLS를설계하면서의엔지니어와과학자들은장비와최종선내승무원에게위험할수있는우주선의잠재적결함을모니터링하는임무필수알고리즘을시뮬레이션하기위해소프트웨어모델을만들었습니다。
SLS팀의과학자와엔지니어들이발표한논문에따르면,M&FM(임무및결함관리)알고리즘의신뢰성있는검증은임무의성공에매우중요합니다。SLS팀은"美国国家航空航天局우주발사시스템에서임무및결함관리알고리즘의발사체검증테스트지원을위한Stateflow환경에서의모델링이라는논문에서설계과정을설명했습니다。
해당논문에서는”임무(결함포함)관리시스템에서오류발생을방지하는것은SLS프로그램의焊(비행소프트웨어)구현을위한안전필수시스템알고리즘을제작하는M&FM테스트팀에게가장중요한테마이다”라고언급하고있습니다。
발사체나탑승인원에게치명적일수있는오류를포함해로켓안에서는많은오류가발생할수있습니다。아르테미스M&FM팀의업무는로켓의모든이상을선별하는소프트웨어알고리즘을개발하는것입니다。그다음에지상관제팀은예를들어발사시퀀스를중단할지또는임무전체를중단할지결정할수있습니다。
실제로켓에서알고리즘을개발하고테스트하는대신에아르테미스M&FM팀은山姆(状态分析模型)이라는이름의SLS소프트웨어시뮬레이션을만들었습니다。이가상로켓에서그들이결함모니터링알고리즘의성능에만족하면소프트웨어개발팀은SLS에업로드할수있는언어로코드를작성합니다。
SLS팀은모든항공전자구성소를모델링합니다。많은구성많은구성。예를들면,여분의관성항법장치같은기타장치에사용되는전기스위치가담긴상자인PDCU(전력분배및제어장치),HPU(유압동력장치),TAC (TVC액추에이터제어기)등이있습니다。TAC는PDCU에서전력을받아서유압을이용하여엔진을제어하는TVC(추력편향)액추에이터를제어합니다。다른장치들은엔진에대한펌프와밸브들을제어합니다。
이론적으로M&FM팀은전체시스템을나타내는상세한물리모델을만들수있지만,그러면실행속도가느릴것입니다。그들은대신에Stateflow®에서구축한선들로연결된상자모양의모델을사용합니다。그모델을상태머신이라고부르고,각각의상자는시스템의어떤측면의잠재적인상태를나타냅니다。상자하나가밸브가열린상태를나타낼수있고,다른상자는밸브가닫힌상태를나타낼수있습니다。선들은상태간의천이를나타내고，지정된이벤트에의해트리거됩니다。상자쪽을보면matlab®으로작성한코드또는상태를기술하고그정보를다른구성요소로전달하는仿真软件소프트웨어의그래픽모델을볼수있습니다。
Sls는과학과류탐사를위해새로운능력을제공할첨단대형로켓입니다。(이미지출처:nasa / msfc)
Stateflow다이어그램은시스템의로직을기술합니다。Stateflow와仿真软件모델은모두선으로연결된상자라는점에서닮았지만다른수준에서작동합니다。东德MathWorks의우주분야经理인Saarela는다음과같이말합니다。“가령길을걸어가다가교차로에도달했다고해보죠。”“Stateflow는여러분이오른쪽혹은왼쪽으로갈지결정하고,仿真软件는여러분이균형을유지하도록도와줄겁니다。”
M&fm팀에는물리기반모델bmp sil(시스템통합시험)도있습니다。美国国家航空航天局논문에따르면”SIL은실제비행소프트웨어와실제및시뮬레이션된SLS하드웨어와환경의조합을통합하는고충실도테스트베드입니다。”
하지만m&fm팀은두가지모델이모두필。SIL에는로켓과동일한소프트웨어와항공전자상자가있고,심지어는케이블링과길이도동일해서충실도가훨씬높습니다。모델들을비교함으로써그들은sil의출력을사용하여sam을개선할수있습니다。
M&FM팀은속도측면에서山姆을최적화하는데적합한스크립트를찾아내야했습니다。그들은시도해볼테스트케이스를결정하고시스템의통과여부를판별할방법을결정해야했습니다。지금M&FM팀은SIL에서무엇을예상할수있는지알려주는'수정구슬”같은역할을하는山姆에서아주빠르게반복할수있습니다。논문에따르면보통의PC에서임무발사프로파일후보를실행하는데山姆은약120초가걸립니다。여러테스트를실행하고몇가지이정표를통과한후에팀은대부분의경우山姆에의결과가SIL과거의일치한다는사실을알게되었습니다。
로켓을지상에고정하고엔진을점화하는지상연소테스트도획기적，이벤트였습니다。
“엔진이점화되면아주먼거리에서도느낄수있죠。”萨拉의말입니다。어마어마한양의출력이방출되고미리모든구성요소의정확한동작을예측할수있다는게핵심입니다。”
美国国家航空航天局(NASA)에는흥미로운프로그램이많이진행되고있기때문에이팀이발견한것은다른곳에서도적용할수있습니다。
“아르테미스의인간착륙시스템또는화성상승선로켓같은새로운설계는SLS에서사용하고있는새로운툴과프로세스의도움을받을게확실합니다。”萨拉의말입니다。“항공우주공학은급속한변혁기를거치고있습니다。”
우주선의오토파일럿
美国国家航空航天局(NASA)에서는알고리즘테스트와하드웨어시뮬레이션뿐만아니라승무원캡슐에사용되는실제코드를생성하는데도소프트웨어모델을사용하고있습니다。健安喜(유도항법제어)는기본적으로센서데이터를통합하고항적을계획하는우주선의오토파일럿입니다。과거에는GNC설계자들이요구사항을작성하고소프트웨어엔지니어들이이를사용해최종코드를작성했습니다。새로운방법은모델기반설계를사용하는것입니다。정적사양을작성하는대신설계자들은빠르게테스트하고반복할수있도록실행가능한모델을구축했습니다。다음으로소프트웨어가그모델에있는알고리즘을자동으로최종코드로변환합니다。
모델기반설계를사용하면설계자는정적사양을작성하는대신에실행가능한모델을구축하며,그다음에소프트웨어가그모델에있는알고리즘을최종코드로자동으로변환해줍니다。
猎户座의GNC설계자들은Simulink를사용합니다。설계자들은우주선과우주에서우주선의운동을정의하는물리학을표현하는NASA의고충실도소프트웨어시뮬레이션인에技巧模型모델을삽입할수있습니다。모델이완성되면嵌入式编码器®가c++로제어코드를생성하고，그것도诀窍에삽입할수있습니다。MATLAB에서는仿真软件모델과c++코드가정확히똑같이작동하는지확인할수있습니다。그다음에c++코드를우주선에실을수있습니다。
모델기반설계를사용하면알고리즘을개발하면서수작업으로코드를작성하고재작성할필요가없기때문에시간이절약됩니다。로우레벨코딩오류도줄어들게됩니다。알고리즘을검사하기도쉬워집니다。컴퓨터는이제로켓을날릴수도있고로켓을날리는코드를작성할수도있게될정도로똑똑해졌습니다。
猎户座우주선。(이미지출처:洛克希德马丁公司)
Nasa에따르면，“아르테미스임무에서는NASA과거어느때보다달표면을자세히탐사하기위한혁신적인기술을사용하여최초로여성및유색인종우주인을달에착륙시킬것입니다。Nasa는기업파트너및국제파트너와협력하고최초로달에장기간체류할것입니다。美国宇航局이어서는달에서배운것들을사용하여화성에최초로우주인을보내는획기적인도약을이룰것입니다。”
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