이미지 크레디트 : NASA
모두가 알다시피, 화학 로켓은 우주 탐사를하기에는 너무 느립니다. 아마도 가장 효율적인 것은 여행의 다른 지점에서 사용되는 다양한 종류의 추진력을 가진 하이브리드 시스템 일 것입니다. 이 기사에서는 NASA가 현재 작업중인 기술에 대해 설명합니다.
“엄마, 아직 있습니까?”
모든 부모님은 차 뒷좌석에서 울음을 들었습니다. 일반적으로 가족 여행 시작 약 15 분 후에 시작됩니다. 우리가 집에서 몇 백 또는 수천 마일 이상을 여행하는 일은 거의 없습니다.
그러나 화성으로 여행한다면 어떻게 될까요? 붉은 행성은 2 년마다 지구와 가장 가까운 거리에서도 항상 3 천 5 백만 마일 떨어져 있습니다. 6 개월이 있고 6 개월이 다시 돌아 왔습니다.
“휴스턴, 아직 거기 있니?”
NASA의 Marshall Space Flight Center의 우주 비행 기술 관리자 인 Les Johnson은“화학 로켓이 너무 느립니다. "비행기가 시작될 때 모든 추진제를 태운 다음 우주선이 나머지 해안을 막을 수 있습니다." 비록 우주선이 Voyager 1을 태양계의 가장자리에 떨어 뜨린 토성 주변과 같은 중력 지원으로 행성을 가속시킬 수 있지만, 행성 간 왕복 시간은 여전히 몇 년으로 측정됩니다 수십 년 그리고 가장 가까운별로의 여행은 수천 년이 아니라면 몇 세기가 걸릴 것입니다.
더 나쁜 것은 화학 로켓이 너무 비효율적입니다. 주유소가없는 국가의 주유소에서 운전하는 것을 고려하십시오. 보트에는 많은 양의 가스를 운반해야합니다. 우주 임무에서 연료가 아닌 여행을 위해 운반 할 수있는 것을 사람, 센서, 샘플러, 통신 장비 및 음식과 같은 페이로드 질량이라고합니다. 가스 마일리지가 자동차의 연료 효율에 대한 유용한 장점 인 것처럼,“페이로드 질량 비율”(미션의 페이로드 질량과 총 질량의 비율)은 추진 시스템의 효율성에 유용한 값입니다.
오늘날의 화학 로켓으로 페이로드 질량 분율이 낮습니다. Bret G. Drake는“최소 에너지 궤도를 사용하여 6 인 승무원을 지구에서 화성으로 보내더라도 화학 로켓만으로는 총 발사 질량이 1,000 미터 톤에 달할 것”이라고 Bret G. Drake는 말했다. Johnson Space Center에서 우주 발사 분석 및 통합 관리자. 연료만으로는 완성 된 국제 우주 정거장의 두 배에 달합니다.
오늘날의 화학 추진 기술을 사용한 단일 화성 탐사에는 수십 번의 발사가 필요하며, 대부분은 단순히 화학 연료를 발사하는 것입니다. 마치 1 톤 소형차가 뉴욕시에서 샌프란시스코까지 운전할 때 9 톤의 휘발유가 필요한 것처럼 갤런 당 평균 1 마일에 불과하기 때문입니다.
다시 말해, 저 성능 추진 시스템은 인간이 아직 화성에 발을 딛지 않은 주요 이유 중 하나입니다.
보다 효율적인 추진 시스템은 공간에서 더 나은 "가스 마일리지"를 제공함으로써 페이로드 질량 분율을 증가시킵니다. 추진제를 많이 필요로하지 않기 때문에 더 많은 물건을 운반하거나 더 작은 차량에 탑승하거나 더 빠르고 저렴하게 이동할 수 있습니다. Drake는“핵심 메시지는 화성에 저비용 임무를 수행 할 수있는 고급 추진 기술이 필요하다는 것입니다.
따라서 NASA는 현재 수십 년 동안 인간을 다른 행성과별로 몰아 넣은 이온 드라이브, 태양 돛 및 기타 이국적인 추진 기술을 개발하고 있지만 공상 과학 페이지에만 있습니다.
거북이에서 토끼까지
과학 사실 옵션은 무엇입니까?
NASA는 두 가지 기본 접근법에 대해 열심히 노력하고 있습니다. 첫 번째는 화학 추진보다 연료 효율이 큰 차수의 로켓을 개발하는 것입니다. 두 번째는 깊은 우주의 진공 상태에서 풍부한 자원에 의해 구동되는 "추진제없는"시스템을 개발하는 것입니다.
이 모든 기술은 하나의 핵심 특성을 공유합니다. 속담과 같이 느리게 시작하지만 시간이 지남에 따라 실제로 화성과 경쟁하는 토끼로 변합니다. 그들은 몇 달에 걸쳐 작은 연속 가속이 궁극적으로 한 번의 거대한 초기 차기보다 훨씬 빠른 속도로 우주선을 추진할 수 있다는 사실에 의존합니다.
위 :이 낮은 추력 우주선 (예술가의 개념)은 이온 엔진에 의해 추진되고 태양 전기에 의해 구동됩니다. 결국 고속선은 끊임없는 가속의 결과로 속도를 높이고 초당 수 마일을 달리게됩니다. 이미지 크레디트 : John Frassanito & Associates, Inc.
기술적으로 말해서,이 시스템은 추력이 낮고 (손바닥에 놓인 종이 무게와 거의 같은 가속도를 거의 느끼지 못함) 작동 시간이 긴 모든 시스템입니다. 몇 달 동안 작은 가속을 계속하면 초당 몇 마일 씩 클리핑됩니다! 반대로, 화학 추진 시스템은 높은 추진력과 짧은 작동 시간입니다. 엔진이 발사되는 동안 시트 쿠션으로 다시 뭉개졌습니다. 그 후 탱크가 비었습니다.
연료 효율적인 로켓
존슨은“로켓은 앞으로 나아 가기 위해 배 밖으로 무언가를 던지는 것”이라고 지적했다. (그 정의를 믿지 않습니까? 고압 호스가 한쪽으로 향한 스케이트 보드에 앉으면 반대 방향으로 추진됩니다).
고급 로켓의 주요 후보는 이온 엔진의 변형입니다. 현재의 이온 엔진에서, 추진제는 크세논과 같은 무색, 무미, 무취 불활성 기체이다. 가스는 전자 빔을 통과시키는 자석 고리 형 챔버를 채운다. 전자는 기체 원자에 부딪쳐 외부 전자를 녹아웃시키고 중성 원자를 양전하 이온으로 바꿉니다. 구멍이 많은 전기 그리드 (오늘의 버전에서는 15,000)는 우주선의 배기 가스를 향한 이온에 집중합니다. 이온은 시간당 최대 100,000 마일 이상의 속도로 그리드를 지나쳐 발사합니다 (225mph에서 Indianapolis 500 레이싱 카와 비교). 엔진을 우주로 가속시켜 추력을 생성합니다.
가스를 이온화하고 엔진을 충전하기 위해 어디에서 전기가 공급됩니까? 태양 전지판 (소위 태양 전기 추진) 또는 핵분열 또는 핵융합 (소위 핵 전기 추진)에서 발생합니다. 태양 전기 추진 엔진은 태양과 화성 사이의 로봇 임무와 햇빛이 약한 화성 이외의 로봇 임무 또는 속도가 핵심 인 인간 임무에 가장 효과적입니다.
이온 드라이브가 작동합니다. 그들은 지구 테스트뿐만 아니라 9 월에 혜성 보렐리 (Fort Borrelly)의 사진을 찍는 태양 전기 추진력으로 구동되는 작은 기술 테스트 임무 인 딥 스페이스 1 (Deep Space 1)에서 가장 잘 알려진 우주 비행선에서 실력을 입증했습니다. Deep Space 1을 추진 한 것과 같은 이온 드라이브는 화학 로켓보다 약 10 배 효율적입니다.
추진제없는 시스템
그러나 최저 질량 추진 시스템은 온보드 추진 제가 전혀없는 시스템 일 수 있습니다. 사실 그들은 로켓조차 아닙니다. 대신, 진정한 개척자 스타일에서, 그들은 우주에서 풍부한 천연 자원에 대한 에너지에 의존하는,“땅에서 산다”– 동물 개척자들이 동물을 덫에 걸리고 국경에서 뿌리와 열매를 찾는 데 의존했던 것처럼 우주에서 풍부한 천연 자원에 대한 에너지에 의존합니다.
두 가지 주요 후보는 태양 돛과 플라즈마 돛입니다. 효과는 비슷하지만 작동 메커니즘은 매우 다릅니다.
태양 돛은 태양으로부터의 빛 (또는 지구의 마이크로파 또는 레이저 빔)을 포착하기 위해 깊은 공간에서 펼쳐지는 고 반사 물질의 거대한 영역으로 구성됩니다. 매우 야심 찬 임무의 경우, 돛은 지역에서 수 평방 킬로미터에이를 수 있습니다.
태양 돛은 질량이 없지만 태양 광자가 지구 거리에서 제곱미터 당 운동량-수 많은 마이크로 뉴턴 (동전의 무게에 대해)을 가지고 있다는 사실을 이용합니다. 이 온화한 복사압은 천천히 그리고 확실하게 돛과 페이로드를 태양으로부터 멀어지게하여 시간당 최대 150,000 마일 또는 초당 40 마일 이상의 속도에 도달합니다.
일반적으로 오해는 태양 돛이 태양의 바깥 공기에서 끓는 활력 전자와 양성자의 흐름 인 태양풍을 잡는다는 것입니다. 별로. 태양 돛은 햇빛 자체에서 모멘텀을 얻습니다. 그러나 소위 "플라즈마 항해"를 사용하여 태양풍의 운동량을 활용할 수 있습니다.
플라즈마 돛은 지구의 자기장을 모델로합니다. 강력한 온보드 전자석은 15 또는 20km에 걸쳐 자기 거품이있는 우주선을 둘러싸고 있습니다. 태양풍에서 고속으로 충전 된 입자는 지구의 자기장처럼 자기 거품을 밀어냅니다. 이런 식으로 지구를 밀면 지구는 움직이지 않습니다. 지구는 너무 큽니다. 그러나 우주선은 태양으로부터 점차 멀어 질 것입니다. (추가적인 보너스 : 지구의 자기장이 태양 폭발과 방사능 폭풍으로부터 지구를 보호하는 것처럼, 자기 플라즈마 항해는 우주선의 탑승자를 보호 할 것입니다.)
위 : 자기 거품 (또는 "플라즈마 돛") 내부의 공간 프로브에 대한 예술가의 개념. 태양풍에 충전 된 입자는 기포에 부딪 히고 압력을 가하며 우주선을 추진합니다. [더]
물론, 시도되지 않은 진정한 추진제없는 기술은 중력 지원입니다. 우주선이 행성에 의해 흔들리면 행성의 궤도 운동량을 훔칠 수 있습니다. 이것은 거대한 행성과 거의 차이가 없지만 우주선의 속도를 인상적으로 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 갈릴레오가 1990 년 지구에 휩쓸 렸을 때 우주선의 속도는 11,620mph 증가했습니다. 한편 지구는 궤도에서 1 년에 50 억분의 1 인치 이하로 느려졌다. 이러한 중력 보조 장치는 모든 형태의 추진 시스템을 보완하는 데 유용합니다.
이제 행성 간 공간을 가로 지르면서 주차 궤도에 진입하고 착륙 준비를 할 수있을 정도로 목적지에서 속도를 줄이려면 어떻게해야합니까? 화학 추진을 통해 일반적인 기술은 레트로 로켓을 다시 발사하여 대량의 선상 연료를 필요로하는 것입니다.
대상 지구의 대기와 마찰하여 우주선을 제동하는 방식으로 훨씬 더 경제적 인 옵션이 보장됩니다. 물론이 비결은 고속 행성 간 우주선을 태우는 것이 아닙니다. 그러나 NASA의 과학자들은 적절하게 설계된 열 차폐를 이용하면 많은 대기권을 한 번의 통과로 목적지 행성 주위의 궤도에 포획 할 수 있다고 생각합니다.
앞으로!
Johnson은“단일 추진 기술이 모든 사람을 위해 모든 것을 할 수있는 것은 아닙니다. 실제로 태양의 항해와 플라즈마의 항해는 지구에서 화성으로 사람이 아닌화물을 추진하는 데 주로 유용 할 것입니다. "기술이 속도를 벗어나기까지 너무 오래 걸리기 때문"이라고 Drake는 덧붙였습니다.
그럼에도 불구하고, 여러 기술의 하이브리드는 화성에 유인 임무를 수행하는 데 실제로 매우 경제적 일 수 있습니다. 실제로, 화학 추진, 이온 추진 및 에어로 캡처의 조합은 6 인 화성 임무의 발사 질량을 화학 추진만으로는 달성 할 수있는 절반보다 적은 450 미터 톤 (6 회의 발사 만 필요)으로 줄일 수 있습니다.
이러한 하이브리드 임무는 다음과 같이 진행될 수 있습니다. 평소와 같이 화학 로켓은 우주선을 지상에서 내릴 것입니다. 지구 궤도가 낮 으면 이온 드라이브 모듈이 점화되거나 지상 제어기가 태양 또는 플라즈마 돛을 배치 할 수 있습니다. 6 개월에서 12 개월 동안 우주선은 지구의 반 알렌 방사선 벨트에서 선원들을 다량의 방사선에 노출시키지 않기 위해 일시적으로 무인으로 나선을 타면서 점차 최종적인 높은 지구 출발 궤도까지 가속합니다. 승무원들은 고속 택시를 타고 화성 차량으로 향했다. 작은 화학 단계는 속도를 피하기 위해 차량을 걷어차 고 화성으로 향할 것입니다.
지구와 화성이 각각의 궤도에서 회전함에 따라 두 행성 사이의 상대적인 기하학은 끊임없이 변화하고 있습니다. 화성에 대한 발사 기회는 26 개월마다 발생하지만, 가장 저렴하고 가능한 가장 빠른 여행에 대한 최적의 조정은 15 년마다 이루어지며, 다음에 2018 년에 나옵니다.
아마도 그때까지 우리는“휴스턴, 아직 있습니까?”라는 질문에 다른 답을 갖게 될 것입니다.
원본 출처 : NASA Science Story
