[표지] 1
제출문 3
요약문 4
Executive Summary 7
목차 11
제1장 서론 22
1. 연구배경 및 추진전략 22
1.1. 연구배경 22
1.2. 연구 필요성 25
1.3. 추진전략 26
2. 연구목표 및 주요 연구내용 27
2.1. 최종연구목표 27
2.2. 연차별 연구목표 및 주요 연구내용 27
제2장 행성 지상환경 구현 실대형 챔버 개발 및 검증기술 33
1. 연구개요 33
2. 당해연도 연구개발 내용 33
2.1. 지반열진공챔버 성능 고도화 33
2.2. 진공환경 지반냉각 효율화 기술 개발 39
2.3. 지반 대전 환경 측정 기술 개발 47
3. 결론 64
제3장 행성 현지재료 활용 인프라 건설 기술 65
1. 연구개요 65
2. 당해연도 연구개발 내용 66
2.1. 마이크로파 신터링 기반 블록 제조 기술 개발 66
2.2. 마이크로파 소결 장비 및 구성요소 형상에 따른 온도 변화 예측 81
2.3. 마이크로파 소결 성능 향상을 위한 시편의 다중스케일(multiscale) 시험 및 다중물리 유한요소 모델링 85
2.4. 태양광 신터링 장비구축 및 블록 제조 기술 개발 91
3. 결론 95
제4장 행성 지상 건설공간 정보화 기술 96
1. 연구개요 96
2. 당해연도 연구개발 내용 97
2.1. 무인 지형정보화 기술 고도화 97
2.2. 객체 매칭 딥러닝 영상처리 시스템 최적화 101
2.3. 무인 지형정보화 기술 성능 평가 106
3. 결론 116
제5장 행성 지반 조사 장비 개발 및 행성 지하 정보화 기술 117
1. 연구개요 117
2. 당해연도 연구개발 내용 119
2.1. 우주 행성 지반조사 장비 119
2.2. 우주 행성 지반정보화 기술 127
2.3. 행성 지하 굴착 및 원위치 조사 기술 137
3. 결론 157
제6장 차년도 연구계획 159
1. 개요 159
2. 행성 지상 환경 구현 및 현지재료 활용 기초 원천 기술 160
2.1. 행성 지상 환경 구현 실대형 챔버 개발 및 검증 기술 160
2.2. 극한환경 적용을 위한 소결 장비 제작 및 성능평가 160
2.3. 마이크로파 신터링 기반 블록 제조 기술 개발 161
2.4. 마이크로파 소결로 환경조건에 따른 시편 승온 거동 예측 161
3. 행성 지형 및 지반조사 기초 원천 기술 162
3.1. GPS 음역 지역 주야간 환경의 3차원 무인 지형정보화 기술 개발 162
3.2. 지반조사 장비 162
3.3. 지하 굴착 및 원위치 조사 기술 163
참고문헌 164
[부록 A] 대외홍보 177
1. 홍보성과 (1) : '[과학의 달인] "달로, 화성으로"…건설 기술로 우주 개발 앞당긴다 178
2. 홍보성과 (2) : '고요의 바다' 시각효과를 만든 사람들 "'도전'이 에너지… 발전시키며 한국만의 색 입혀" 179
3. 홍보성과 (3) : 첨단 건설의 꿈 '콘크리트, 철강재를 대체하다' 180
4. 홍보성과 (4) : 달 기지 건설…글로벌 대기업 각축장 시대 열린다 181
5. 홍보성과 (5) : 김병석 KICT 원장 "집단 지성으로 K 건축물 경쟁력 높이겠다" 182
6. 홍보성과 (6) : 한국도 달 현지자원 활용 기술 개발 시동 건다…한미 연구자들 모여 논의 183
7. 홍보성과 (7) : 아폴로가 가져온 달 토양에 지구 식물 싹틔웠다[사이언스샷] 184
8. 홍보성과 (8) : "누리호·다누리로 우주 문 여는 한국, 달기지 건설도 나서야" 185
9. 홍보성과 (9) : YTN 사이언스 다큐S 프라임"-다누리, 달 탐사 너머 우주로' 186
10. 홍보성과 (10) : 나사보다 앞선 기술 187
11. 홍보성과 (11) : "이젠 달이다"…현대차그룹, 달 탐사 모빌리티 개발 착수 188
12. 홍보성과 (12) : 국립중앙과학관, 달궤도선 '다누리' 발사 기념 특별전 개최 193
13. 홍보성과 (13) : 우주자원 개발 시작 '달 기지'도 건설한다 195
14. 홍보성과 (14) : 불붙은 달 탐사 경쟁..."독창적 K-우주 기술 확보하라" 196
15. 홍보성과 (15) : [우주시대 개막]①2031년 달 착륙...달 기지건설 준비 시작 197
16. 홍보성과 (16) : 달의 표면 환경을 재현하다 198
17. 홍보성과 (17) : [위클리 스마트] 달에서는 '전자레인지'로 벽돌을 굽는다 199
18. 홍보성과 (18) : "연말연시 식물 보며 우주여행을" 세종수목원, 초록 우주 특별전 200
서지자료(Bibliographic Data) 201
판권기 203
표 1-1. 국제달연구기지(ILRS) 로드맵 24
표 1-2. ISECG 월면 탐사 단계별 시나리오 25
표 1-3. 실대형 챔버 및 검증기술 연차별 주요 연구 내용 28
표 2-1. 고온 환경 모사 고도화 34
표 2-2. 압력에 따른 얼음 승화 온도 39
표 2-3. 달의 표면 조건에 따른 전류 밀도 61
표 2-4. 달의 조건에 따른 표면 전위 61
표 2-5. 측정값과 계산값으로 예측한 달의 환경에 따른 표면 전위 62
표 3-1. 영향인자에 따른 원통형 소결체 제작 결과 67
표 3-2. CT 이미지를 활용한 잔골재 혼합 유무에 따른 소결체 균열 분석 68
표 3-3. 전처리 유무에 따른 블록 형태 및 CT 이미지를 활용한 균열 분석 70
표 3-4. 인공월면토 200℃ 전처리 및 소결 조건 72
표 3-5. 인공월면토 500℃ 전처리 및 소결 조건 73
표 3-6. 가열 조건에 따른 인공월면토 소결체 형상 74
표 3-7. 진공 소결을 위한 최적 전처리 및 소결 조건 74
표 3-8. 마이크로파 소결 압력 및 온도에 따른 인공월면토 소결체 형상 76
표 3-9. 소결 온도 및 SiC 배치에 따른 소결체 형상 및 X-ray 투시 이미지 77
표 3-10. 수치해석에 사용된 열 물성 82
표 3-11. 매개변수연구에 사용된 영향인자들의 분포 범위 84
표 3-12. 모델에 적용된 마이크로파 구성 요소 87
표 4-1. Loop-Closing 조건에 따라 RMSE 비교 결과 109
표 4-2. BLK2GO 결과와 비교한 결과 115
표 5-1. 드릴장비 변수 최적화 135
표 5-2. The change of the bulk density of the lunar regolith with depth 141
표 5-3. Typical values of the cohesion and the internal friction angle of the lunar soil 142
표 5-4. The bulk density, the cohesion, the internal friction angle, the shear strength from the... 142
표 5-5. Density and Porosity Results 143
표 6-1. 차년도 연구분야별 주요 연구 내용 159
그림 1-1. 세계 각 국의 달 기지 건설 계획 23
그림 1-2. 아르테미스 계획 Phase 1 23
그림 1-3. NASA의 아르테미스 약정 서명국(The Artemis Accords, NASA) 24
그림 1-4. 달 탐사 시나리오 2B단계 종료 상태 : 달 탐사 영역 확대 및 인프라 구축 - 달에서의 장기 체류 및... 26
그림 1-5. 연구목표 및 전략 26
그림 1-6. 행성지상 환경모사 및 재료활용 기초원천기술의 연차별 연구개발 목표 및 주요 연구 내용 30
그림 1-7. 행성 지상, 지반 정보화 기술 및 지반 조사 장비 개발 관련 연차별 연구개발 목표 및 주요 연구 내용 31
그림 2-1. 가열시 시간에 따른 지반 중심부의 온도(좌), 가열 후 52.6 시간 뒤 위치별 지반 표면의 온도(우) 34
그림 2-2. 후면 쉬라우드 access door 부의 액화질소 라인 추가 35
그림 2-3. 잔류기체분석기의 모습과 주요 스펙 36
그림 2-4. 기체분석기의 측정범위 향상 설계 36
그림 2-5. 기체 분석기 기존 설치 모습(좌), 측정 범위 고도화 적용 후(우) 37
그림 2-6. 기체 분석 데이터 37
그림 2-7. 온도 데이터 로거 및 피드스루 38
그림 2-8. 챔버 내부 측정 채널 38
그림 2-9. 파일럿 DTVC 내 지반냉각 실험장비 모식도 41
그림 2-10. 진공압에 따른 KLS-1 열전도도 41
그림 2-11. 진공압에 따른 지반냉각 시 하부 냉각판 서리 발생 정도 42
그림 2-12. 진공압에 따른 지반 온도 분포(500 mbar) 43
그림 2-13. 진공압에 따른 지반 온도 분포(250 mbar) 44
그림 2-14. 진공압에 따른 지반 온도 분포(80 mbar) 44
그림 2-15. 진공압에 따른 지반 온도 분포(30 mbar) 44
그림 2-16. 진공압에 따른 지반 온도 분포(10 mbar) 45
그림 2-17. 진공압에 따른 지반 온도 분포(1 mbar) 45
그림 2-18. 진공압에 따른 지반 온도 분포(4E-3 mbar) 45
그림 2-19. 고진공 및 극저온 환경 재현 최적 운영 매뉴얼 46
그림 2-20. Hamamatsu 社 VUV ionizer lamp(30W deuterium lamp(D2))의... 48
그림 2-21. 대표적인 도체, 부도체의 일함수 비교 49
그림 2-22. 광자 에너지에 따른 알루미늄의 광전자 방출 수율 50
그림 2-23. 알루미늄의 광전자 방출에 의해 발생하는 전류밀도 계산 결과 51
그림 2-24. 광전자 방출에 의한 알루미늄의 표면전위 변화 측정 장치 모식도 52
그림 2-25. 시간에 따른 알루미늄 표면의 전기포텐셜 변화 52
그림 2-26. 월면토 14259,116의 파장에 따른 광전 수율 54
그림 2-27. KLS-1과 월면토 14259의 구성 성분 비교 54
그림 2-28. KLS-1의 광전자 방출에 의한 전류밀도 55
그림 2-29. 태양으로부터 1 천문단위(약 150,000 km) 거리에서 측정된... 56
그림 2-30. KLS-1의 광전자 방출에 의한 전류 및 전위 변화 측정용 스테이션 사진 56
그림 2-31. KLS-1의 광전자 방출에 의한 전류 및 전위 변화 측정 장치 모식도 57
그림 2-32. VUV 광원의 조사 유무에 따른 KLS-1의 전위, 전류값 비교 58
그림 2-33. 실험실 조건의 예측값 계산 63
그림 3-1. 원통형 소결체 제작을 위한 장비 및 모식도 67
그림 3-2. 잔골재 유무에 따른 소결체 파괴 형상 68
그림 3-3. 소결 벽돌 제작을 위한 장비 및 모식도 69
그림 3-4. 마이크로파에 의한 승온 속도 69
그림 3-5. KLS-1 열분석 및 질량분석 70
그림 3-6. 일반 튜브가열로를 활용한 인공월면토 기초 실험 71
그림 3-7. 진공 일반소결 실험 중 시간에 따른 온도 및 압력 변화 72
그림 3-8. 전처리 조건에 따른 시간에 대한 온도 및 압력 변화 73
그림 3-9. (a) 진공 마이크로파 소결로, (b) 인공월면토를 채운 알루미나 도가니 및 (c) 석영관에 인공월면토를 채워 소결 75
그림 3-10. 인공월면토 진공 마이크로파 소결 시 시간에 따른 온도 및 압력 변화 76
그림 3-11. 소결된 두 종류 샘플의 CT이미지에 대한 CT 분석 흐름도 78
그림 3-12. 큰 공극 및 균열이 있는 시료의 분석결과 79
그림 3-13. KICT에서 개발한 SPF 분석 프로그램 80
그림 3-14. (a) 소결체 및 PMMA 팬텀의 CT 단면 이미지 및 (b) CT값과 진밀도 간의 상관관계 80
그림 3-15. 해석에 의한 KLS-1 내부 온도분포 및 실험 결과 83
그림 3-16. 소결로 내 매질조건(공기, 진공)에 따른 시편의 승온 거동 차이 평가 84
그림 3-17. 마이크로파 가열 시 인공월면토의 물리적 성질에 의한 민감도 85
그림 3-18. (a) NASA 및 (b) ESA에서 수행 중인 직접 가열 방식의 마이크로파 소결 기술 85
그림 3-19. 각 구성요소에 대한 경계조건 87
그림 3-20. 마이크로파 조사 시간에 따른 저항 손실 및 온도 분포 88
그림 3-21. 마이크로파 출력에 따른 전계 강도 및 온도 분포 89
그림 3-22. 인공월면토의 상변화를 고려한 마이크로파 조사 시간 따른 온도 분포 90
그림 3-23. 마이크로파 조사 시간에 따른 인공월면토의 상변화 90
그림 3-24. 마이크로파 조사 시간에 따른 단방향 및 양방향 전자기-열 전달 시뮬레이션 결과 91
그림 3-25. 자연광을 이용한 인공월면토 소결 기초 실험 92
그림 3-26. 고광도 태양광 모사 시스템 및 태양광 신터링 장비 시작품 92
그림 3-27. (a) 고광도 태양광 모사 시스템을 이용한 인공월면토 가열 실험 결과, (b) ESA의 고광도 태양광 모사시스템 93
그림 3-28. Optiforms사에서 판매 중인 반사경 E813 제품군 94
그림 4-1. IMU 결합하여 개발된 무인지형정보화 알고리즘 97
그림 4-2. IMU Preintegration의 Rotation, Velocity, Position, Covariance Matrix 98
그림 4-3. FLIR BFS 카메라 GPIO 배선도 98
그림 4-4. 카메라(25Hz) IMU(200Hz) PWM 신호 99
그림 4-5. 저조도 영상 강화(GLADNet)를 위한 전처리 프로세스 99
그림 4-6. Loop closing 모듈 적용 전 후 비교 100
그림 4-7. 좌안/우안 영상의 2D marker 기반 특징 매칭 결과 101
그림 4-8. 스테레오 카메라 좌안-우안 이미지 102
그림 4-9. 스테레오 카메라 좌안-우안 feature 매칭 결과 102
그림 4-10. Least-squres 방법을 이용해 matrix 계산과정 103
그림 4-11. 최적의 Feature correspondence 산출 결과 103
그림 4-12. 스테레오 카메라 거리 측정 방법 104
그림 4-13. 스테레오 카메라를 통한 측정 절대 거리 104
그림 4-14. 모의 기술시험 부지 지형정보 취득 비교 결과 105
그림 4-15. SLAM의 전체 블록다이어그램 106
그림 4-16. Loop-Closing 검증 실험 방법 107
그림 4-17. Loop-Closing 조건에 따른 모의 지형 정보 결과 108
그림 4-18. Feature 기반과 Direct 기반 방법론 비교 110
그림 4-19. BLK2GO 장비 모습 110
그림 4-20. BLK2GO 기반 모의 기술 시험 실험실 스캔 결과 111
그림 4-21. Vicon motion capture 112
그림 4-22. 미리 지정된 경로로 무인 이동체 이동 112
그림 4-23. 지정된 위치에 2D marker, 3D primitive 설치 113
그림 4-24. BLK2GO로 취득한 모의 지형 topview 113
그림 4-25. 다양한 밝기 조건에서 달 모의 지형 정보 결과 114
그림 5-1. The Apollo Lunar Surface Drill 120
그림 5-2. Components of the Icebreaker drill 121
그림 5-3. CAST Schematic diagram of the drilling test-bed 122
그림 5-4. 우주 행성 지반 드릴링 시스템 123
그림 5-5. 드릴 비트 회전용 DC 유도 전동기 124
그림 5-6. 유성기어드모터 - 헬리컬기어타입 124
그림 5-7. 드릴 비트의 종류 126
그림 5-8. 비트 오거의 설계 및 개발 126
그림 5-9. 시료 준비 127
그림 5-10. 드릴 코어 샘플 128
그림 5-11. 석고 & 월면토 일축압축강도 시험 128
그림 5-12. 석고 & 월면토 일축압축강도 128
그림 5-13. 얼음 강도 그래프 129
그림 5-14. 얼음의 압축강도 시험 130
그림 5-15. 시추 반력(WOB) 132
그림 5-16. 분당 회전(RPM) 132
그림 5-17. ICE 시편 1,000mm 드릴링 측정 데이터 133
그림 5-18. 석고시편 1,000mm 드릴링 측정 데이터 134
그림 5-19. 1,000mm 얼음을 뚫은 측정 데이터(-15℃) 136
그림 5-20. 드릴링 비에너지와 UCS 사이에는 비례 관계 137
그림 5-21. Locations of three vertical lunar holes discovered by SELENE 139
그림 5-22. Uniaxial compressive strength of frozen soils as a function of water content 141
그림 5-23. The hyperbolic dependence of the bulk density of the lunar regolith on the depth 142
그림 5-24. Lunar Tunneler 147
그림 5-25. Rotating Mechanical Head with Disc Cutters 147
그림 5-26. Heating section 149
그림 5-27. Ceramic section 150
그림 5-28. Cooling section 151
그림 5-29. 벨트컨베이어를 이용한 버력 반출 152
그림 5-28. 버력 반출을 위한 덤프 트럭 152
그림 5-29. 디스크 커터의 일반적인 모습 154
그림 6-1. 행성 지상환경 구현 관련 차년도 연구 아이템 160
그림 6-2. 진공 챔버용 소형 마이크로파 소결 장비 제작 계획] 161
그림 6-3. 방사선 차폐 특성 평가 161
그림 6-4. 블록시편 균질성 평가 계획 161
그림 6-5. 무인지형정보화 기술 평가환경 조성 (좌) 및 무인 지형정보화기술 검증 GIS 연계방안 수립 (우) 162
그림 6-6. 다연장 무인 자동화 지반 조사 장비 경량화 162
그림 6-7. 달 지반 굴착 및 지하 달기지 건설 163