지구 저궤도 (LEO) 물류 수송을 위한 코일건 기반 발사 플랫폼의 적용 가능성 및 성능 분석

Feasibility of a Coilgun Electromagnetic Launcher for Transportation into Low Earth Orbit

국제우주정거장은 외권을 연구의 중요 기점인 만큼, 주기적으로 자원 보충이 필수적이다. 현재 대부분의 항공우주기관은 화학 연료 기반의 추진체를 사용해 자원을 수송하고 있으나, 이러한 방식은 연료의 불안정성과 각 시행별 재설계가 필요하다는 비효율성을 지닌다. 이에 본 연구는 차세대 우주 발사체로 주목받고 있는 전자기 발사체 (Electromagnetic Launcher) 중 코일건(Coilgun)의 기존 화학 기반 발사 추진체 대체 가능성을 확인하였다. 본 연구에 서는 코일건 발사체의 유한요소해석(FEM) 및 구조 해석을 수행하여 발사체의 구조적 한계치를 분석하고, 운동방정 식을 풀어 최소 속력을 도출하였다. 또한 유한요소해석 결과를 기반으로 구축한 머신러닝 대체모델을 활용하여 설계 변수 탐색 및 제약 조건 최적화 분석을 수행하였다. 본 연구는 이러한 최적화 과정을 통해 코일건 기반 전자기 발사체의 기술적 실현 가능성과 지구 저궤도 물류 수송 적용 가능성을 평가한다.

Given the importance of the International Space Station (ISS) as a critical starting point for research on outer space, the resources needed onboard the station must be replenished periodically. Currently, most aerospace institutions transport resources into orbit using rockets that employ chemical fuel-based propellants. However, this method poses some notable risks owing to fuel instability and inefficiency, requiring redesigning for each implementation. Therefore, this study evaluated the feasibility of replacing the existing chemical-based launch vehicle of coilgun electromagnetic launchers, which are attracting attention as next-generation space launchers. In this study, finite element analysis and structural analysis of the coilgun projectile were performed to determine the structural limit value of the projectile. The equations of motion were solved to derive the minimum speed. In addition, a machine learning surrogate model trained on the results of the finite element analysis was used to explore the design space and optimize some relevant constraints. Through this optimization process, this study evaluated the technical feasibility of coilgun-based electromagnetic launchers and their applicability as a launch system for low earth orbit logistics transport.