자기 돛

자기 돛 애니메이션 **자기 돛** 또는 **마그네틱 세일**(magnetic sail)은 우주선 추진에 제안된 방식으로, 우주선의 자기장 발생원이 플라스마 바람(예: 태양풍)과 상호작용하여 인공 자기권을 형성한다(지구의 자기권과 유사). 이 자기권은 돛 역할을 하여 바람으로부터 우주선으로 힘을 전달하며, 이 문서의 제안된 자기 돛 설계에서 자세히 설명된 바와 같이 추진제가 거의 또는 전혀 필요 없다. 애니메이션과 다음 텍스트는 관련 자기 돛의 물리적 원리를 요약한다. 보라색 점으로 표시된 우주선의 자기장 발생원은 확장하는 검은색 원으로 표시된 자기장을 생성한다. 개요 섹션에 요약된 조건 하에서 이 자기장은 자기권계면과 활모양충격파를 형성하며, 이는 왼쪽에서 오는 플라스마 바람의 하전 입자를 자기장이 포획하여 파란색으로 표시된 대로 편향시킨다. 특정 설계에 대한 우주선 주변 인공 자기권의 특정 속성은 개요 섹션에 요약된 바와 같이 성능에 크게 영향을 미친다. 자기유체역학 모델(컴퓨터 시뮬레이션 및 실험실 실험으로 검증됨)은 인공 자기권이 다가오는 플라스마 바람과 상호작용하여 플라스마 바람에서 우주선의 자기장, 그리고 우주선의 자기장 발생원으로 이어지는 일련의 화살표로 표시된 대로 힘을 전달하는 효과적인 돛 차단 영역을 생성하여 우주선을 플라스마 바람과 같은 방향으로 가속시킨다고 예측한다. 이러한 개념은 모든 제안된 자기 돛 시스템 설계에 적용되며, 설계가 자기장을 생성하는 방식과 위에서 설명한 인공 자기권을 얼마나 효율적으로 생성하는지에 차이가 있다. 개념의 역사 섹션은 제안된 설계의 주요 측면과 배경으로서의 관계를 요약한다. 인용된 참고 자료는 많은 방정식을 포함하는 기술적인 내용이며, 정보를 더 쉽게 접근할 수 있도록 이 문서는 개요 섹션부터 시작하여 각 설계, 섹션 또는 기술 지향 독자를 위한 방정식 및 플롯 그룹 앞에 텍스트(가능한 경우 삽화 포함)로 먼저 설명한다. 각 제안된 설계 섹션의 시작 부분에는 중요한 측면에 대한 요약도 포함되어 있어 독자가 해당 설계의 방정식을 건너뛸 수 있다. 설계의 차이는 자기장 발생원 질량 및 필요한 전력과 같은 성능 측정을 결정하며, 이는 다시 힘, 질량 및 가속도와 속도를 결정하여 이 문서 끝에서 자기 돛 설계 간의 성능 비교를 가능하게 한다. 다른 우주선 추진 방법과의 비교에는 일부 자기 돛 설계가 포함되어 있으며, 독자는 열 머리글을 클릭하여 자기 돛 성능을 다른 추진 방법과 비교할 수 있다. 다음 관찰 결과가 이 비교에서 도출된다. 자기 돛 설계는 지구에서 발사하기에 불충분한 추력을 가지며, 성간 매질에서 자기 돛의 감속을 위한 추력(항력)은 상대적으로 크고, 자기 돛과 자성 플라스마 돛 모두 태양풍의 힘을 사용하여 지구에서 멀리 이동하기 위한 상당한 추력을 가진다.
# 개념의 역사
자기 돛에 대한 많은 제안된 설계의 개요와 참고 자료의 삽화는 2018년 드조조디하르조에 의해 발표되었다. 앤드루스와 주브린이 1988년에 처음 제안한 방법D. G. Andrews and R. Zubrin, "Magnetic Sails and Interstellar Travel", Paper IAF-88-553, 1988은 자기 돛이라고 불리며, 추진제가 필요 없다는 상당한 장점이 있어 무한히 작동할 수 있는 장 추진의 한 형태이다. 자기 돛 설계의 단점은 kg 정도의 질량을 가진 크고(반지름 50–100km) 초전도 루프에 대전류가 필요하다는 것이었다. 자기 돛 설계는 행성간 이동을 위한 작동 방식,issn=0022-4650 행성의 전리층 또는 자기권에 대한 추력, 지구 저궤도 탈출뿐만 아니라 다른 수단(예: 핵융합 로켓)으로 빛의 속도에 상당한 비율로 가속된 성간 우주선을 수십 년 동안 감속하는 것에 대한 자세한 설계가 2000년에 발표되었다.website=www.niac.usra.edu 2015년 프릴랜드via=bis-space.com는 초기 자기 돛 분석의 대부분을 검증했지만, 수치 통합 오류로 인해 추력 예측이 3.1배 낙관적이었다고 판단했다. 이후의 설계는 질량을 크게 줄이기 위한 수단을 제안하고 분석했다. 이 설계는 적거나 적당한 양의 배기 추진제를 필요로 하며 수년 동안 추력을 낼 수 있다. 모든 제안된 설계는 태양에서 바깥쪽으로 향하는 태양풍으로부터의 추력을 설명한다. 2000년, 윙글리와 슬로프는 낮은 전력을 필요로 하는 훨씬 작은 코일에 낮은 에너지 플라스마를 주입하여 질량을 훨씬 줄이는 미니 자기권 플라스마 추진(M2P2) 설계를 제안했다.doi=10.1029/1999JA000334 시뮬레이션은 질량 및 필요한 전력에 비해 인상적인 성능을 예측했지만, 여러 비판은 다음과 같은 문제를 제기했다. 가정된 자기장 감소율이 낙관적이었고 추력이 극적으로 과대평가되었다는 것이다. 2003년부터 후나키 등은 M2P2에 대한 비판에서 제기된 일부 문제를 해결하기 위해 일본 대학들과 협력하여 JAXA에서 일련의 이론적, 시뮬레이션 및 실험적 연구를 발표했으며, 그들의 접근 방식을 자성 플라스마 돛(MPS)이라고 명명했다. 2011년, 후나키와 야마카와는 자기 돛 이론과 개념에 대한 좋은 참고 자료가 되는 책의 한 장을 저술했다. MPS 연구는 자기 돛의 물리적 원리에 대한 이해를 발전시킨 많은 논문을 발표했다. M2P2에서 고려된 것보다 주입된 플라스마의 밀도와 속도가 낮을 때 최상의 성능이 나타났다. 추력 이득은 자기장만 있는 경우와 비교하여 2013년url-access=subscription 및 2014년에 계산되었다.doi-access=free 2015년 자기유체역학 추진기(일본에서는 MPD 아크 제트라고도 함) 사용을 고려한 실험적 및 수치적으로 증가된 추력을 보고하는 연구 및 실험이 계속되었으며,website= 2019년에는 다중 안테나 코일,url-access=subscription 2020년에는 다극 MPD 추진기가 보고되었다. 슬로프는 2004년website=www.niac.usra.edu과 2006년publisher=NASA에 플라스마 자석(PM)이라는 자기 돛을 위한 정적 자기 쌍극자를 생성하는 방법을 발표했는데, 이는 AC 유도전동기를 뒤집은 것이라고 설명되었다. 한 쌍의 작은 수직 방향 코일이 교류 전원으로 구동되는 고정자 역할을 하여 회전 자계(RMF)를 생성했는데, 분석에서는 이 자기장이 고정자 외부에서 회전자 역할을 하는 전류 디스크를 형성한다고 예측했고 실험실 실험을 통해 이를 입증했다. 전류 디스크는 플라스마 바람에서 포획된 전자로 형성되므로 플라스마 주입이 거의 또는 전혀 필요 없다. 코일 크기(및 질량) 감소와 상당한 추력을 위한 훨씬 낮은 전력 요구 사항 측면에서 상당한 개선을 예측했지만, M2P2에서 가정한 것과 동일한 낙관적인 자기장 감소율을 가설로 삼았다. 2022년에는 목성 관측 속도 실험(JOVE)이라는 우주 비행 시험에서 플라스마 자석 기반 돛을 사용하여 윈드 라이더(Wind Rider)라는 우주선을 지구 근처 지점에서 멀리 가속시키고 목성의 자기권에 대해 감속시키는 것을 제안했다.doi-access=free 2012년 커틀리(Kirtley)와 슬로프(Slough)의 연구는 행성의 전리층 플라스마를 제동 메커니즘으로 사용하기 위해 플라스마 자석 기술을 조사했으며, 이를 플라스마 자석 쉘(Plasma Magnetoshell)이라고 불렀다.s2cid=67801776 이 논문은 M2P2에 대한 비판에서 제안된 값으로 자기장 감소율을 재진술했는데, 이는 분석적으로 예측된 성능을 극적으로 감소시킨다. 초기 임무는 화성 전리층에서의 감속을 목표로 했다. 2019년 켈리와 리틀(Little)은 플라스마 자석이 아닌 다중 회전 코일을 사용한 시뮬레이션 결과를 발표하여 자석 쉘이 화성, 목성, 해왕성 및 천왕성 주위 궤도 진입에 유효하며, 2021년에는 해왕성의 경우 에어로캡처보다 효율적이라고 밝혔다. 2021년, 양전위 등은 자기 돛과 전기 돛의 조합인 전자기 돛이라고 불리는 추진 시스템에 대한 분석, 수치 계산 및 실험적 검증을 발표했다.url-access=subscription 코일 중앙에 전자총으로 보강된 초전도 자기 돛 코일은 전기 돛처럼 전기장을 생성하여 플라스마 바람의 양이온을 편향시켜 추가적인 추력을 제공하며, 이는 전체 시스템 질량을 줄일 수 있다.
# 개요
upright 작동 방식 섹션은 다음 사용 사례와 관련된 플라스마 입자 밀도 및 바람 속도의 중요한 매개변수를 설명한다. * 항성(예: 태양) 바람에서의 작동. * **성간매질**(ISM)에서의 감속. * 행성 전리층 또는 행성 자기권에서의 작동. 물리적 원리 섹션은 플라스마 바람의 하전 입자가 자기장과 상호작용하는 방식과 플라스마 바람에서 입자의 거동, 그리고 제안된 설계마다 다른 자기권 내 조건과 관련된 자기장의 형태 및 크기 측면에서 우주선에 얼마나 많은 추력 힘이 발생하는지를 결정하는 조건을 자세히 설명한다. thumb 전자, 양성자, 이온과 같은 하전 입자는 자기장이 없을 경우 진공에서 직선으로 이동한다. 녹색으로 표시된 자기장이 있을 경우 그림에서 볼 수 있듯이 하전 입자는 원형 아크에서 선회하며, 파란색은 양전하 입자(예: 양성자), 빨간색은 전자를 나타낸다. 입자의 자이로반지름은 입자의 운동량(질량과 속도의 곱) 대 자기장의 비율에 비례한다. 1 천문단위(AU)(태양에서 지구까지의 거리)에서 양성자의 자이로반지름은 약 72km이며, 양성자가 전자 질량의 약 1,836배이므로 전자의 자이로반지름은 약 40m이다(그림은 실제 비율로 그려지지 않음). 자기 돛의 성간매질(ISM)에서의 감속 작동 방식의 경우 속도는 빛의 속력의 상당 부분(예: 5% c)이며, 자이로반지름은 양성자의 경우 약 500km, 전자의 경우 약 280m이다. 자기 돛 자기권계면 반지름이 양성자 자이로반지름보다 훨씬 작을 경우, 2017년 그로스(Gros)가 양성자만 고려한 자기 돛 운동학 모델은 감속 전에 초기 우주선 속도가 빛의 속도 10%보다 클 때 추력 힘이 현저히 감소한다고 예측한다. 자기권 반지름이 우주선의 자기장 발생원 반지름보다 훨씬 클 때, 자기 돛을 제외한 모든 제안된 설계는 그림 중앙에 X는 페이지 안으로 흐르는 전류를, 점은 페이지 밖으로 흐르는 전류를 나타내는 암페어 루프에 대해 자기 쌍극자 근사치를 사용한다. 그림은 결과적인 자기장 선과 그 방향을 보여주며, 선 간격이 좁을수록 더 강한 자기장을 나타낸다. 자기 돛은 자기권과 같은 크기의 큰 초전도 코일을 사용하므로, 해당 설계의 세부 사항은 비오-사바르 법칙을 사용하는 자기 돛 MHD 모델을 사용하며, 이는 쌍극자 모델보다 코일 근처와 내부에 더 강한 자기장을 예측한다. 로런츠 힘은 자기장 선에 수직인 하전 입자 속도 부분에만 발생하며, 이는 요약 애니메이션에 묘사된 자기력을 구성한다. 중성자, 원자, 분자와 같은 전기적으로 중성인 입자는 자기장의 영향을 받지 않는다. 자기 유체 역학(MHD) 이론(하전 입자를 유체 흐름으로 모델링)의 적용 가능성 조건은 최대 힘을 얻기 위해 인공 자기권의 반지름이 특정 작동 방식에 대한 플라스마 환경의 이온 자이로반지름과 같은 정도여야 한다는 것이다. 또 다른 중요한 조건은 제안된 설계가 자기권 내부의 자기장 감소율에 어떻게 영향을 미치는지이며, 이는 자기장 발생원 질량 및 전력 요구 사항에 영향을 미친다. 진공에서 우주선의 자기장 발생원으로부터의 반경 거리 r에 대해 자기장은 1/r^{f_o}로 감소하며, 여기서 f_o는 감소율이다. 고전적인 자기 쌍극자 이론은 자기 돛 설계에 사용된 f_o=3의 경우를 다룬다. 플라스마가 자기장 발생원 근처에 주입되거나 포획될 때 자기장은 1 \leq f_o \leq 2의 속도로 감소하는데, 이는 많은 연구, 비판의 대상이 되어 왔으며 설계마다 다르고 플라스마 자석의 경우 시간이 지남에 따라 변했다. M2P2 및 플라스마 자석 설계는 처음에 f_o=1을 가정했는데, 이는 해당 설계 섹션 끝에 요약된 수치 예에서 매우 큰 성능 이득을 예측했음을 보여준다. 여러 연구자들은 독립적으로 1 \leq f_o \leq 3인 자기장 모델을 만들고 f_o=2의 감소율이 최대로 달성할 수 있는 값이라고 주장했다. 2011년 플라스마 자석 저자는 감소율 f_o를 1에서 2로 변경했으며, 이 문서의 성능 비교에 플라스마 자석에 사용된 값은 이 값이다. 자성 플라스마 돛(MPS) 설계는 M2P2 개념의 진화형으로, 광범위하게 문서화되고 수치적으로 분석 및 시뮬레이션되었으며 1.5에서 2 사이의 감소율 f_o를 보고했다. upright=1.5 감소율 f_o는 성능 또는 태양으로부터 가속하는 작동 방식에 상당한 영향을 미치며, 여기서 플라스마의 이온 질량 밀도는 태양으로부터의 거리(예: AU)가 증가함에 따라 역제곱 법칙에 따라 감소한다. 그림은 반대수 그래프에서 방정식 MFM.6의 상대적 힘 F에 대한 감소율 f_o의 영향을 태양으로부터 1~20 AU(해왕성의 대략적인 거리) 범위에서 보여준다. 목성까지의 거리는 약 5 AU이다. f_o=1일 때 태양으로부터의 거리에 관계없이 일정한 힘은 슬로프(Slough)와 프리즈(Freeze)와 같은 여러 플라스마 자석 참고 자료에서 언급되었으며, 자기 돛 우주선이 태양으로부터 멀어지는 플라스마 바람 힘에 반응하여 가속할 때 돛 차단 영역의 효과적인 증가가 감소된 플라스마 질량 밀도를 정확히 상쇄하기 때문에 발생한다. 그림에서 볼 수 있듯이 힘에 대한 감소율 f_o의 영향, 즉 가속도는 태양으로부터의 거리가 증가함에 따라 커진다. 인공 자기권 객체 반지름이 이온 자이로반지름보다 훨씬 작지만 전자 자이로반지름보다 큰 규모에서는 실현되는 힘이 현저히 감소하며, 전자는 이온에 대한 상대 질량보다 훨씬 큰 비례로 힘을 생성하는데, 이는 일반 운동학 모델 섹션에서 연구자들이 자기장 발생원과 개별 입자 상호작용을 시뮬레이션하는 계산 집약적인 방법의 결과를 보고한 바와 같다.
# 작동 방식
자기 돛 작동 방식은 임무 프로필과 플라스마 환경(pe)을 다루며, 예를 들어 태양풍(sw), 행성 전리층(pi) 또는 자기권(pm), 또는 성간매질(ism)이 있다. 이 문서의 방정식은 일반 변수의 아래 첨자로 pe 약어를 사용한다. 예를 들어 이 섹션에서 설명된 바와 같이 플라스마 질량 밀도 \rho_{pe}와 우주선 관점에서의 겉보기 바람 속도 u_{pe}가 있다.
## 플라스마 질량 밀도 및 속도 용어 및 단위
플라스마는 자기장이나 전기장과 상호작용할 수 있는 하전 입자만으로 구성된다. 중성자, 원자, 분자와 같은 중성 입자는 포함하지 않는다. 자기유체역학 모델에 사용되는 플라스마 질량 밀도 ρ는 이온에 중성자를 포함하는 하전 입자의 가중 평균 질량 밀도만을 필요로 하며, 운동학 모델은 각 특정 이온 유형의 값과 경우에 따라 전자의 매개변수를 사용한다. 이는 자기유체역학 모델 섹션에 자세히 설명되어 있다. 이온과 전자의 속도 분포는 또 다른 중요한 매개변수이지만, 종종 분석에서는 특정 플라스마 환경(pe)에 대한 플라스마 바람의 입자 집합체에 대한 평균 속도 v_{pe}만을 사용한다. 특정 플라스마 환경(pe)에 대해 속도 v_{sc}로 이동하는 우주선(바람과 같은 방향으로 가속할 때 양수, 바람과 반대 방향으로 감속할 때 음수)이 보는 겉보기 바람 속도 u_{sc}는 u_{sc}=v_{pe}-v_{sc}이다.
## 항성 플라스마 바람에서의 가속/감속
많은 설계, 분석, 시뮬레이션 및 실험은 태양풍 플라스마에서 자기 돛을 사용하여 우주선을 태양으로부터 멀리 가속시키는 데 중점을 둔다.doi-access=free 지구 궤도 근처 1AU에서 플라스마는 역동적으로 250~750 km/s(일반적으로 500)의 속도로 흐르며, NOAA 실시간 태양풍 추적 웹사이트access-date=June 12, 2022에 따르면 밀도는 입방 센티미터당 3~10개(일반적으로 6개)이다. 태양풍의 8%가 헬륨이고 나머지가 수소라고 가정할 때, 1AU에서의 평균 태양풍 플라스마 질량 밀도는 4\times10^{-21}>R_0에서 목표 값과 일치하도록 한다. 자기장 발생원에서 멀리 떨어져 있을 때는 자기 쌍극자가 좋은 근사치이며, 위의 B(R_0) 값과 자기장 발생원 근처의 C_0=2는 앤드루스와 주브린이 사용했다. 자기 모멘트에 대한 암페어 루프 모델은 \mathbf m = I_c S이며, 여기서 I_c는 암페어(A) 단위의 전류이고 S= \pi \, R_c^2는 반지름 R_c의 코일(루프)의 표면적이다. R_0 \approx R_c라고 가정하고 자기 모멘트 \mathbf m에 대한 표현을 방정식 MFM.2에 대입하면 다음과 같다.MFM.3 자기장 자속 밀도 B(R_0)가 지정되면, 방정식 MHD.2에서 얻은 B_{mp}를 위의 식에 대입하고 R_{mp}에 대해 풀면 다음과 같다.MFM.4 이것은 f_o=3일 때 C_{SO}=1/2location=Eq (4) 및 C_{SO}=2location=Eq (4)인 L에 대한 표현이며, 지구 자기권계면 거리와 같은 형태이다. 방정식 MFM.4는 주어진 자기장 발생원 자기 모멘트 \mathbf m와 압력 균형 방정식 MHD.1에서 결정된 B_{mp}에 대해 감소율 f_o가 감소함에 따라 유효 돛 면적 S=\pi R_{mp}^2가 어떻게 극적으로 증가하는지를 직접적으로 보여준다. 이를 방정식 MHD.3에 대입하면 감소율 f_o, 플라스마 밀도 \rho, 코일 반지름 R_c \approx R_0, 코일 전류 I_c 및 플라스마 바람 속도 u의 함수로서 플라스마 바람 힘이 다음과 같이 주어진다.NumBlk2|:|F_w(f_o)=\frac {C_d}{2} \rho u^2 \, \pi \, R_0^2 \, \biggl(\frac {B(R_0)}{B_{mp} } \biggr)^{2/f_o} = \frac {C_d}{2} \rho u^2 \, \pi \, R_0^2 \, \biggl(\frac {\sqrt{\mu_0} I_c C_0}{4 R_0 \, u \sqrt{\rho \,C_{SO} } } \biggr)^{2/f_o} |MFM.5 B(R_0)에는 방정식 MFM.3을, B_{mp}에는 방정식 MHD.2를 사용한다. 이것은 f_o=3이고 C_{SO}=1/2일 때 방정식 (10b)와 동일한 표현이며, 그리고location=Eq (108) C_d 항에 다른 수치 계수가 묶인 M2P2에 특별히 적용된 방정식 (20)의 오른쪽 항과 동일하다. 감소율이 감소함에 따라 힘이 증가한다는 점에 유의한다. 태양풍의 경우, MHD.2를 MFM.5에 대입하고 태양풍 플라스마 질량 밀도 \rho_{sw}(a_\odot)=\rho_{sw}(1)/a_\odot ^2 함수를 사용하면,location=Fig 5 a_\odot는 태양으로부터의 천문단위(AU) 거리이며, 다음 표현을 얻는다. MFM.6여기서 C_{f_o}= \frac {C_d}{2} \biggl(\frac {B(R_0)^2}{\mu_0 C_{SO\biggr)^{1/f_o} , \mathsf{and} \, S = \pi \, R_{mp}^2 는 효과적인 돛 차단 면적이다. 이 방정식은 태양풍 플라스마 질량 밀도 \rho_{sw}(a_\odot)와 태양으로부터의 거리 a_\odot의 관계를 명시적으로 보여준다. f_o=1인 경우 자기권계면 반지름 R_{mp}의 팽창은 태양으로부터의 거리 a_\odot가 증가함에 따라 \rho_{sw}(a_\odot)의 감소하는 값과 정확히 일치하여 태양권 내에서 일정한 힘과 따라서 일정한 가속도를 초래한다. C_{f_o}가 B(R_0)^{2/f_o} 항을 포함한다는 점에 유의한다. 이는 f_o가 증가할수록 더 작은 f_o 값과 비교하여 동일한 힘을 유지하려면 자기장 발생원 근처의 자기장 B(R_0)이 증가해야 한다는 것을 의미한다. 개요 섹션의 예에서는 C_{f_o}=1, u=1, R_0=1, S=1로 설정하여 a_\odot=1에서의 힘이 1AU에서 모든 f_o 값에 대해 1과 같도록 했다.
## 일반 운동학 모델
MHD 적용 가능성 테스트 r_g/L 1이면 M2P2에서 제안된 고속, 고밀도 플라스마를 자기권에 주입하는 것은 자기장의 움직임을 플라스마 흐름에 동결시켜 자기권을 팽창시킨다고 믿어졌다. 그러나 실험과 수치 분석 결과 태양풍은 자기권을 압축할 수 없으며, 운동량은 자기권 밖으로 흐르는 주입 플라스마로 전달되므로 우주선으로의 운동량 전달이 제한된다는 것이 밝혀졌다. 이는 M2P2에 대한 또 다른 비판과 유사하다. 자성 플라스마 돛 (MPS) 개략도 대안은 플라스마 주입 속도와 밀도를 줄여 \beta_kL일 때 방정식 GKM.1으로 계산한다. 그들은 MHD 적용 가능성 테스트보다 작은 자기권에 대해 약 40, MHD 적용 가능성이 나타나는 더 큰 자기권에 대해 3.77의 G_{MPS}를 보고했는데, 이는 2012년에 보고된 각각 20 및 3.3보다 큰 값이다. 시뮬레이션 결과 \beta_k> L인 경우에 대한 운동학적 모델에 대한 PIC(Particle In Cell) 시뮬레이션 결과hdl-access=free를 문서화했다. 그들의 연구 방정식 (12)에는 이온과 전자의 운동량 및 정압으로 구성된 주입 플라스마 제트 F_{jet}의 추가 힘이 포함되었고, 추력 이득을 F_{MPS}/(F_{mag}+F_{jet})로 정의했는데, 이는 다른 연구에서 동일한 이름으로 사용된 용어의 정의와 다르다. 이는 자기 돛 힘과 플라스마 주입 제트 힘을 단순히 합한 것에 대한 MPS의 이득을 나타낸다. 결론에 인용된 값에 따르면 방사형 방향에서 F_{MPS}/F_{mag}는 7.5이다. MPS 추력 이득 결과 요약 다른 저자들이 다른 시기에 많은 결과들을 발표했으므로, 이 그림은 자기권 크기(또는 특성 길이 L)에 대한 보고된 추력 이득 G_{MPS}를 요약하며, 범례에 표시된 출처는 시뮬레이션 결과인 Arita14, Ashida14, Funaki13, 그리고 Kajimura10이다. 시뮬레이션 결과는 상당한 계산 시간을 요구하는데, 예를 들어 가장 간단한 경우를 시뮬레이션하는 데 1024개의 CPU가 4일, 더 복잡한 경우를 시뮬레이션하는 데 4096개의 CPU가 일주일이 걸렸다. 2에서 10 사이의 추력 이득이 일반적이며, 자기 노즐이 태양풍과 반대 방향으로 플라스마를 주입할 때 더 큰 이득이 발생한다.publication-place=Hyogo-Kobe, Japan 태양풍에 대한 방정식 MHD.5의 MHD 적용 가능성 테스트는 L \approx72km이다. 따라서 MPS의 추정 힘은 방정식 MHD.3에 경험적으로 결정된 그림의 추력 이득 G_{MPS}를 곱하고, 운동학적 영역에서의 작동으로 인한 추력 손실 비율 T_{loss}를 방정식 MHD.6에서 곱한 것이다. MPS.2 예를 들어, 태양풍 매개변수 \rho=8x10−21 kg/m3, u=500km/s를 사용하면 r_g=72km, B_{mp}=4x10−8 T이다. f_o=3에 대해 L=105 m이면 r_g >F_{mag}+F_{jet}임을 보고하며, MPS가 자기장을 팽창시켜 자기 돛만 있을 때보다 더 많은 추력을 생성하는 방식을 보여주었다. 실험의 결론은 축척된 특성 길이 L = 60km에 대해 추력 이득 G_{MPS}가 약 12였다는 것이다. 위 그림에서 플라스마 주입만 있을 때와 비교하여 L = 60km에서 추력 이득이 크게 향상되었음을 주목한다. 이 예에서는 태양풍 매개변수 \rho=8x10−21 kg/m3, u=500km/s를 사용하면 r_g=72km, B_{mp}=4x10−8 T이다. f_o=3에 대해 L=60km이면 r_g \approx L이고 방정식 MHD.6에서 T_{loss}\approx 28%이다. 코일 반경 R_c=2,900m, 코일 전류 I_c=1.6x106A인 자기장만 있는 힘은 방정식 MFM.2에서 B_0=3.5x10−4 T를 산출하고, C_d=5이면 자기력은 51N이다. 자기장만 있는 힘의 승수로 G_{MPS}=12를 가정하면 MPS 힘 F_{MPS} \approx611N이다. 2017년 우에노(Ueno)는 추력 생산을 늘리기 위해 더 복잡한 자기장을 생성하기 위해 다중 코일을 사용하는 설계를 제안했다.website=www.ea.u-tokai.ac.jp 2020년 무라야마(Murayama) 등은 다극 MPD 추진기에 대한 추가 실험 결과를 발표했다. 2017년 드조조디하르조(Djojodihardjo)는 소형(~500kg) 지구 관측 위성을 위한 MPS를 사용하는 개념 설계를 발표했다.via=Academia.edu 2020년 펭(Peng) 외 연구진s2cid=216501435은 지구 전리층 내 500km 지구 저궤도에서 작동하는 플라스마 주입 자기 쌍극자에 대한 MHD 시뮬레이션 결과를 발표했는데, 이온 개수 밀도는 약 1011 m−3이다. 그림 3에 보고된 바와 같이 자기장 강도는 처음에는 1/r로 감소하다가 자기 쌍극자에서 멀리 떨어진 거리에서는 1/r2에 접근한다. 이 시나리오에서 인공 미니 자기권의 반경은 최대 200m까지 확장될 수 있다. 그들은 주입된 플라스마가 자기장 감소율을 줄이고 드리프트 전류를 생성하며, 이는 태양풍에 대한 초기 MPS 결과와 유사하다고 보고했다.
## 플라스마 자석 (PM)
플라스마 자석 작동 원리 플라스마 자석(PM) 돛 설계는 그림에 설명된 바와 같이 정적 자기 쌍극자를 생성하기 위한 다른 접근 방식을 도입했다. 오른쪽 상세 보기에서 보듯이 자기장 발생원은 각각 반지름 R_c (m)를 가진 두 개의 상대적으로 작은 교차된 수직 방향 안테나 코일로 구성되며, 각각 온보드 전원 공급 장치에 의해 생성된 총 전류 I_c (A)를 가진 정현파 교류 전류를 흘린다. 각 코일에 인가되는 AC 전류는 90° 위상차를 가지며, 결과적으로 회전 자계(RMF)를 생성하는데, 회전 주파수 (s−1) \omega_{RMF}는 양이온은 회전하지 않고 질량이 적은 전자가 이 속도로 회전할 만큼 충분히 빠르게 선택된다. 그림은 자기장 선이 아닌 일정한 자기 강도의 색상 코드 등고선을 사용하여 회전을 보여준다. 자기권 거품을 팽창시키려면 열 플라스마 베타 \beta_t가 높아야 하며, 초기에는 자기권이 작고 내부 장력이 높을 때 풍선을 팽창시키는 것과 유사하게 플라스마 주입이 필요할 수 있다. 초기 팽창 후, 양성자와 회전하는 전자는 새는 자기권계면을 통해 플라스마 바람에서 포획되며, 왼쪽에서 보듯이 코일 쌍 근처에서 가장 밀도가 높고 자기권계면 반지름 R_{mp}까지 확장되는 전류 디스크(그림에서 투명한 빨간색으로 표시, 어두운 음영은 가장 높은 밀도를 나타냄)를 생성한다. R_{mp}는 코일 반지름 R_c보다 몇 배 더 크다(그림은 실제 비율로 그려지지 않음). 이 효과에 대한 애니메이션은 RMDCartoon.avi를 참조한다.website=earthweb.ess.washington.edu 유도된 전류 디스크는 입력 교류 전류 I_c보다 몇 배 더 큰 직류 I_{cd}를 흘리며, 인공 자기권의 MHD 모델에 따라 자기권계면 경계에서 거리 R_{mp} \approx L에서 플라스마 바람 압력과 균형을 이루는 정적 쌍극자 자기장을 형성한다. 자기장 감소율은 2001년location=Eq (7)과 2006년location=Eq (8)에 f_o=1로 가정되었다. 그러나 2003년 카자노프(Khazanov)가 설명하고 2011년 슬로프(Slough), 커틀리(Kirtley), 판코티(Pancotti)s2cid=99132947location=Eq (2) 및 2012년 커틀리(Kirtley)와 슬로프(Slough)의 NIAC 보고서location=Eq (4)에 다시 언급된 바와 같이 자기 플럭스 보존에 의해 요구되는 f_o=2이다. 여러 MPS 연구는 f_o가 2에 더 가깝다고 결론지었다. 감소율 f_o는 성능 결정에 중요한 매개변수이다. RMF로 유도된 회전하는 전자 디스크는 f_o=1일 때 안테나로부터의 거리 r에서 전류 밀도(A m−2) j_\theta(r)를 가지며,location=Eq (5) f_o=2일 때,location=Eq (6) 이는 플럭스 보존이 이 감소율을 요구하며, 카텔(Cattell)의 M2P2에 대한 비판과 일치한다고 명시한다. PM.1 여기서 B(R_0) T는 안테나 코일 근처의 반지름 R_0 \approx R_c m에서의 자기장 자속 밀도이다. 전류 밀도는 r=R_0에서 가장 높고 f_o+1의 속도로 감소한다는 점에 유의한다. 플라스마 자석 설계의 중요한 조건location=Eq (1a)은 RMF 주파수 \omega_{RMF} rad/s에 대한 하한을 제공하여 플라스마 바람의 전자는 자화되어 회전하지만 질량이 적은 이온은 자화되지 않고 회전하지 않도록 한다. PM.2 여기서 \omega_{ci}는 안테나 코일 근처 RMF에서의 이온 자이로 주파수(s−1), Z는 이온의 전하 수, e는 기본 전하, m_i kg는 이온의 (평균) 질량이다. R_0 반지름의 코일 근처에서 자기장을 지정하는 것이 중요한데, 여기가 전류 밀도가 가장 높은 곳이기 때문이다. 자기권계면에서 자기장을 선택하면 \omega_{RMF} 값이 낮아지지만, 코일에 더 가까운 이온은 회전할 것이다. 또 다른 조건은 \omega_{RMF}가 충돌이 발생할 가능성이 극히 적을 만큼 충분히 작아야 한다는 것이다. RMF를 생성하는 데 필요한 전력 P_{RMF}는 방정식 PM.1의 전류 밀도 제곱과 플라스마의 저항률 \eta_p의 곱을 R_0부터 R_{mp}까지 적분하여 얻어지며, 그 결과는 다음과 같다. PM.3 여기서 \eta_p는 스피처 저항률(W m)website=nrl.navy.mil이며, T_e는 전자 온도(15 eV로 가정)인 ~1.2x10−3 T_e^{-3/2}이다. 이는 f_o=1location=Eq (7) 및 f_o=2location=Eq (7)에 대해 동일한 결과이다. 방정식 MFM.5에서 플라스마 바람 힘의 정의부터 시작하여, P_w=F_w u임을 주목하고 재배열한 다음, 방정식 PM.3이 B(R_0)에 대한 해를 제공하고 이를 대입할 수 있으며, 그 후 B_{mp}에 대한 방정식 MHD.2를 사용하면 다음 표현을 얻는다. PM.4 C_d/2를 곱하고 C_SO=1일 때, 이는 f_o=1location=Eq (10)과 동일하다. P_{RMF}와 R_0에 대한 해는 또한 방정식 MHD.3을 만족해야 하는데, location=Eq (10) 다음의 "엄청난 전력 활용"에 대한 언급은 이를 다루지 않는다. 참고 에 인용된 여러 예시에서 자기권계면 반지름 R_{mp}가 방정식 MHD.5의 MHD 적용 가능성 테스트를 충족하지 못한다는 점에 유의한다. 일률 (물리학)의 정의에서 일정한 힘은 일률을 속도로 나눈 것이므로, 플라스마 자석(PM) 돛에 의해 생성되는 힘은 방정식 PM.4에서 다음과 같다.PM.5위의 식을 방정식 (MFM.6)과 비교하면, 플라스마 질량 밀도 \rho에 대한 의존성이 \rho ^{1-1/f_o}와 같은 형태임을 알 수 있다. 방정식 PM.5에서 감소율 f_o가 증가함에 따라 플라스마 바람에서 파생되는 힘이 감소하거나, 동일한 힘을 유지하려면 P_{RMF} 및 R_0가 증가해야 동일한 힘 F_{PM}을 유지할 수 있다는 점에 유의한다. 방정식 CMC.2는 반경 R_c m인 각 물리적 코일의 질량을 제공한다. RMF는 교류를 필요로 하고 반도체는 고주파수에서 효율적이지 않으므로, 질량 밀도 \delta_c = 2,700 kg/m3인 알루미늄이 지정되었다. 코일 질량 추정치는 코일 하나만 크기가 지정되었고 코일 둘레가 2 \pi R_c 대신 R_c로 지정되었으므로 4 \pi만큼 낙관적이다. 코일 저항은 코일 재료의 저항률 (Ω m) \eta_c (예: 알루미늄의 경우 ~3x10−8 Ωm)와 코일 길이 2 \pi R_c를 코일 와이어 단면적(여기서 r_c는 코일 와이어의 반지름)으로 나눈 값이다.PM.6 일부 추가 전력은 저항 손실을 보상해야 하지만 P_{RMF}보다 몇 배 작다. 코일에 의해 전달되는 최대 전류는 물리학의 전기 일률 정의에서 RMF 전력과 코일 저항에 의해 다음과 같이 지정된다. NumBlk2|:|I_c = \sqrt{\frac {P_{RMF} }{\Omega_c} }|PM.7 RMF에 의해 디스크에 유도되는 전류 I_{ic}는 방정식 PM.1의 전류 밀도 j(r,f_o)를 내부 반지름 R_c, 외부 반지름 R_{MP}인 디스크 표면에서 적분한 값이며, 결과는 다음과 같다.PM.8 이는 f_o=1에 대해 동일한 결과이다.location=Eq 11 실험실 실험은 RMF가 자기권 거품을 생성하고, 코일 근처 전자 온도가 증가하여 회전하는 전자 디스크의 존재를 나타내며, 추력이 생성된다는 것을 검증했다. 지상 실험의 규모가 제한적이므로 시뮬레이션 또는 비행 시험이 권장되었다. 이러한 개념 중 일부는 전리층 플라스마 환경에 적용되어 플라스마 자석 쉘 설계로 이어졌다. 2022년 프리즈(Freeze), 그레이슨(Greason) 외 연구진은 윈드 라이더(Wind Rider)라는 우주선을 위한 플라스마 자석 기반 돛에 대한 상세 설계를 발표했는데, 이 우주선은 지구 근처에서 태양풍의 힘을 사용하여 가속하고 목성 자기권에 대해 감속하는 목성 관측 속도 실험(JOVE)이라는 우주 비행 시험 임무에 사용될 것이다. 이 설계는 각각 반지름 R_c가 9m인 한 쌍의 초전도 코일과 \omega_{RMF}/(2\pi)의 교류 전류 I_c 112A, 그리고 f_o=1의 감소율을 사용했다.location=Eq (5) 21kg의 우주선(16U 큐브 위성 형태로 발사됨)에 대해 목성까지 25일의 비행 시간이 보고되었다. f_o=1을 사용하면 매우 낙관적인 성능 수치가 나오지만, 슬로프(Slough)가 2011년과 2012년에 이를 f_o=2로 변경했으므로, 이 문서에서는 f_o=1의 경우는 비교하지 않는다. f_o=2의 예시로 태양풍 매개변수 \rho=8x10−21 kg/m3, u=500km/s를 사용하면 r_g=72km, B_{mp}=4x10−8 T이며, R_{mp}=105m일 때 MHD 적용 가능성이 발생하는 r_g < L이 된다. 코일 반지름 R_c=1,000m를 사용하면 방정식 MFM.2에서 B_0=4x10−4 T가 나온다. 방정식 PM.3에서 필요한 RMF 전력은 13kW이며, 필요한 AC 코일 전류 I_c=10A는 방정식 PM.3에서 유도 전류 I_{ic}=2kA를 산출한다. C_d=5일 때 방정식 PM.3의 플라스마 자석 힘은 197N이다. 위 매개변수에 대한 자기력만 있는 힘은 방정식 MFM.5에서 2.8N이며, 따라서 플라스마 자석 추력 이득은 71이다. 성능 비교 섹션에서는 f_o=2에 대한 일정한 가속도를 사용하여 낙관적인 추정치를 제시하며, 약 100일의 비행 시간이 나온다.
## 플라스마 자석 쉘 (PMS)
2011년 슬로프(Slough) 외 연구진과 2012년 커틀리(Kirtley)의 NIAC 보고서는 행성의 전리층에서 제동 메커니즘으로 1/r2 자기장 감소율을 가진 플라스마 자석 기술을 사용하는 것을 조사했으며, 이를 플라스마 자석 쉘(PMS)이라고 불렀다. 자석 쉘은 행성 전리층의 중성 원자를 이온화한 다음 자기적으로 편향시켜 항력을 생성한다. 플라스마 자석 코일을 우주선에 연결하는 테더는 운동량을 전달하여 궤도 진입이 이루어지도록 한다. 분석 모델, 실험실 시연 및 해왕성과 화성으로의 임무 프로필이 설명되었다. 2017년 켈리(Kelly)는 1/r3 자기장 감소율을 가진 단일 코일 자석과 더 많은 실험 결과를 사용하는 것을 설명했다.location=Atlanta, GA 2019년 켈리(Kelly)와 리틀(Little)은 자석 쉘 성능 확장에 대한 시뮬레이션 결과s2cid=195225221를 발표했다. 반지름 R_c=1m인 자석이 1,000초 작동(에어로캡처 설계보다 길다)을 위한 배터리가 있는 우주선에 테더로 연결되었다. 시뮬레이션은 자석 질량 M_c=1,000kg, 총 자석 쉘 시스템 질량 1,623kg을 가정했는데, 이는 카시니-하위헌스 또는 주노 크기 궤도선에 적합하다. 행성의 질량과 대기 원자 구성 및 밀도는 자석 쉘 작동이 가능한 임계 속도를 결정한다. 토성과 해왕성은 수소 대기를 가지며 임계 속도는 약 22km/s이다. 해왕성 임무에서는 5,000kg 우주선에 대해 \Delta v=6km가 필요하며, 기동 시간 동안 평균 50kN을 유지해야 한다. 이 모델은 여러 이온 종이 생성되고 더 복잡한 상호작용이 발생하므로 N2(지구, 타이탄) 및 CO2(금성, 화성) 대기에 대한 성능을 과대평가한다. 또한 금성과 화성의 상대적으로 낮은 질량은 임계 속도를 실용적인 자석 쉘 작동 속도보다 낮춘다. 이 논문은 에어로캡처 기술이 이러한 임무 프로필에 충분히 성숙되었다고 명시한다. 2021년 켈리와 리틀은 에어로브레이킹과 비교하여 드래그 변조 플라스마 에어로캡처(DMPA) 사용에 대한 추가 세부 정보s2cid=235383575를 발표했는데, 이는 해왕성으로의 드래그 변조 에어로캡처(DMA)를 위한 적응형 전개식 진입 및 배치 기술(ADEPT)website=ntrs.nasa.gov과 비교했을 때website=ntrs.nasa.gov 70% 더 높은 궤도선 질량을 전달하고 30% 더 낮은 정체 가열을 경험할 수 있다고 한다.
## 빔 추진 자기 돛 (BPM)
2011년 M2P2의 빔 추진 변형인 MagBeam이 제안되었다.website=earthweb.ess.washington.edu 이 설계에서는 고출력 입자 가속기를 사용하여 하전 입자 빔을 우주선에 발사하여 자기 돛과 함께 사용된다.G. Landis, "Interstellar Flight by Particle Beam," Acta Astronautica. Vol 55, No. 11, 931–934 (December 2004). 자기 돛은 이 빔을 편향시켜 차량에 운동량을 전달할 수 있으며, 이는 레이저로 구동되는 태양광 돛단배보다 더 높은 가속도를 제공할 수 있지만, 하전 입자 빔은 구성 입자의 정전기적 반발로 인해 레이저보다 짧은 거리에서 분산될 것이다. 이 분산 문제는 조르딘 케어가 제안한 대로 일련의 돛을 가속시켜 자기 돛 차량에 운동량을 전달함으로써 해결될 수 있다.
# 성능 비교
아래 표는 자기 돛 설계의 성능 측정을 1AU에서의 태양풍(sw)에 대한 다음 매개변수와 비교한다. 속도 u_{sw}= 500km/s, 개수밀도 n_i= 5x106 m−3, 이온 질량 m_i = 1.67x10−27 kg(양성자 질량), 결과 질량 밀도 \rho_{sw}= m_i n_i = 8.4x10−21 kg/m3, 그리고 해당되는 경우 항력 계수 C_d=5이다. 방정식 MHD.2는 자기권계면에서의 자기장을 B_{mp}≈ 36 nT로 제공하며, 방정식 MHD.5는 C_{Li}=2에 대한 이온 자이로반지름 r_g ≈ 72km를 제공한다. 굵은 글씨로 된 표 항목은 다음에서 설명된 인용된 출처에서 가져온 것이다. 자기 돛(MS)에 대한 힘은 방정식 MS.4를 프릴랜드(Freeland) 보정 계수 3.1로 나눈 값으로 결정되며, 플라스마 자석(PM)에 대한 힘은 가정된 자기장 감소율 f_o=2를 사용하여 방정식 PM.5로 정의된다. 자기 돛 단독의 힘 F_{mag}는 방정식 MFM.5에서 가져온다. 자성 플라스마 돛(MPS)의 추력 이득 G_T는 운동학적 영역에서의 작동으로 인한 추력 손실을 고려하기 위해 방정식 MPS.2로 정의된 힘을 가진 시뮬레이션 및 실험적으로 결정된 값이다. MPS+MPD라는 제목의 마지막 열은 실험 및 시뮬레이션을 통해 더 높은 추력 이득을 가지는 자기유체역학 추진기(MPD)를 추가한다. 추가 세부 사항은 특정 설계 섹션에 있다. MPS 및 MPS+MPD를 제외한 설계의 경우 추력 이득 G_T는 첫 번째 행의 달성된 힘을 두 번째 행의 자기 돛 단독 힘으로 나눈 값이다. 자기권계면 거리 R_{mp} \approx L와 코일 반지름 R_c는 설계 매개변수이다. 방정식 MFM.1을 r=R_{mp}로 사용하여 코일 근처의 자기장을 B_0=B(R_0)=B_{mp}(R_{mp}/R_0)^{1/f_o}로 정의한다. 초전도 코일 설계는 태양계 내의 더 따뜻한 온도를 고려하여 임계 전류 밀도 J_c=2x106 A/m를 사용했다. 플라스마 자석은 회전하는 자기장에 AC 전력(PRMF)을 사용하며, 방정식 PM.3에 명시된 대로 초전도 코일을 사용할 수 없으며, 재료 밀도 \delta_c = 2,700 kg/m3, 코일 와이어 반지름 r_c=5mm인 알루미늄 코일을 가정했다. 다른 모든 설계는 재료 밀도 \delta_c =6,500 kg/m3, 코일 와이어 반지름 r_c=5mm, 임계 전류 \max I_c \approx 1.6 x106 A(이 전류 이상에서는 코일이 정상 도체가 됨)인 초전도 코일을 가정했다. 초전도 코일 기반 설계의 자기권계면 거리 R_{mp} \approx L 및 코일 반지름 R_c는 이 임계 전류 제약 조건을 충족하도록 조정되었다. 플라스마 자석의 값은 속도 및 거리에 도달하는 시간을 최소화하도록 선택된 f_o=2에 대한 R_c 값을 사용했다. MPS의 R_{mp} \approx L 및 R_c 값은 시뮬레이션 및 스케일링된 실험 결과의 추력 이득과 일치하고 초전도 코일 임계 전류 제약 조건을 충족하도록 선택되었다. 방정식 CMC.2는 코일 와이어 반지름 r_c=5mm를 가정할 때 물리적 코일 질량 M_c(phy)를 제공한다. 방정식 PM.7은 플라스마 자석 교류 전류 I_c를 제공한다. 방정식 MFM.3은 다른 모든 설계에 대해 C_0=2인 직류 I_c를 제공한다. 플라스마 자석 RMF는 입력 교류 전류 I_c(kA)를 사용하여 포획된 플라스마의 전자를 회전시켜 방정식 PM.8에 정의된 유도 직류 디스크 I_{ic} kA를 생성한다. 초전도 코일은 지속적인 전력(아마도 냉각용은 제외)을 필요로 하지 않지만, 플라스마 자석 설계는 방정식 PM.3에 명시된 대로 필요하다. 플라스마 자석 전원 공급 장치 질량에 대한 추정치는 우주 원자력에 대해 ~3kg/W를 가정한다. 기타 질량은 MS의 경우 10톤, PM 및 MPS의 경우 1톤으로 가정되었다. 가속도 a는 첫 번째 행의 추력 F를 총 질량(코일 + 기타)으로 나눈 값이다. 낙관적인 근사치는 일정한 가속도 a이며, 이 경우 태양풍 속도의 10%인 목표 속도 V에 도달하는 시간 T_V \approx V/a이고, 지정된 거리 D ≈ 7.8x108 km(지구에서 목성까지의 대략적인 거리)를 이동하는 시간은 T_D \approx \sqrt{ 2D/a}이다. 비교 목적으로 지구 궤도에서 목성 궤도까지 호만 전이 시간은 2.7년(거의 1,000일)이지만, 이는 궤도 진입을 허용하는 반면, 자기 돛은 목성의 자기권과 중력이 감속을 제공하지 않는 한 플라이바이만 할 것이다. 또 다른 비교는 명왕성으로 가는 길에 405일 만에 목성을 지나간 30kg의 페이로드를 가진 뉴 허라이즌스 행성간 탐사선이다. {| class="wikitable" |+ !매개변수 !설명 !자기 돛 !PM, fo=2 !MPS !MPS+MPD !단위 |- |F |추력 |644 |197 |700 |611 |N |- |F_{mag} |자기력 |644 |2.8 |175 |51 |N |- |f_o |감소율 |**3** |**2** |**2** |**2** | |- |G_T |추력 이득 |1 |71 |**4** |**12** | |- |L, R_{mp} |자기권계면 |**520** |100 |100 |60 |km |- |R_c |코일 반지름 |**100,000** |1,000 |6,300 |2,900 |m |- |B(R_c) |코일 필드 |2.5x10−6 |4x10−4 |1.6x10−4 |3.5x10−4 |T |- |I_c |코일 전류 |405 |0.01 |1,593 |1,624 |kA |- |I_{ic} |유도 전류 |— |2 |— |— |kA |- |P_O |필요 전력 |— |13 |— |— |kW |- |M_c |코일 질량 |**474** |4 |30 |14 |톤 |- |M_O |기타 질량 |10 |5.3 |1 |1 |톤 |- |a |가속도 |0.0013 |0.021 |0.023 |0.042 |m/s2 |- |T_V |속도 도달 시간 |435 |27 |26 |14 |일 |- |T_D |거리 도달 시간 |396 |99 |96 |71 |일 |} 속도 T_V 및 거리 T_D에 대한 최상의 성능은 주로 코일 및 기타 질량의 대폭 감소로 인해 PM 및 MPS 설계에서 발생한다. M2P2 섹션에서 설명된 바와 같이, 여러 비판은 감소율 f_o=1이 의심스러웠으므로 이 표에는 포함되지 않았다. MPS 섹션에서 설명된 시뮬레이션 및 실험은 M2P2와 유사한 방식으로 자기장을 팽창시키기 위해 플라스마를 주입할 경우 f_o=2가 유효함을 보여주었다. PM 섹션에서 설명된 바와 같이, 플라스마는 주입되지 않고 대신 포획되어 f_o=2의 감소율을 달성하며, f_o=1을 가정한 계산은 매우 낙관적이다. 고전적인 자기 돛(MS) 설계는 가장 많은 추력을 생성하고 상당한 질량을 가지지만 여전히 상대적으로 좋은 시간 성능을 가진다. 다른 설계의 매개변수는 이전에 설명된 제약 조건을 조건으로 비교 가능한 시간 성능을 산출하도록 선택되었다. 위에서 설명하고 해당 설계 섹션에서 더 자세히 설명된 바와 같이, 이 문서는 다른 매개변수 선택에 대한 성능 추정치를 계산하는 방정식과 매개변수를 포함한다.
# 비판
1994년 불페티(Vulpetti)는 태양풍 운동량 플럭스 기반 우주 추진의 실현 가능성에 대한 비판적 검토를 발표했다.issn=0094-5765 이 논문은 자기장 발생원, 필요한 에너지, 태양풍과 우주선 자기장 간의 상호작용 측면에서 기술적 과제를 강조했지만, 이러한 문제가 극복 불가능한 것은 아니라고 요약했다. 주요 미해결 문제는 자기 돛 기술을 사용하는 우주선의 기동을 복잡하게 할 수 있는 잠재적으로 매우 가변적인 태양풍 속도와 플라스마 밀도를 고려하는 우주선 및 임무 설계이다. 추력을 조절하는 수단이 필요하다. 임무 목표가 태양계에서 빠르게 탈출하는 것이라면 이 문제는 덜 중요하다고 이 논문은 언급한다. 2006년 볼론킨(Bolonkin)은 자기 돛의 이론적 실현 가능성에 의문을 제기하고 일반적인 실수를 설명하는 논문을 발표했다.eprint=physics/0701060 방정식 (2)는 큰 코일에서 회전하는 전자의 자기장이 코일의 전류에 의해 생성된 자기장보다 크고 반대 방향이므로 추력이 발생하지 않을 것이라고 명시한다. 2014년 불페티(Vulpetti)는 반론website=centauri-dreams.org을 발표하여 플라스마 특성, 특히 플라스마가 준중성이라는 사실을 요약하고 방정식 (B1)에서 볼론킨 논문의 방정식 (2)가 플라스마가 큰 순수 음전하를 가진다고 가정했음을 지적했다. 플라스마 전하는 짧은 간격 동안 통계적으로 변하며, 최대 값은 자기 돛 성능에 무시할 수 있는 영향을 미친다. 또한 그는 많은 우주선 관측에서 입자 전하에 의존하지 않는 동압(또는 충차압)에 의한 자기장 압축이 관찰되었다고 주장했다. 2017년 그로스(Gros)는 이전 자기 돛 연구와 다른 결과들을 발표했다. 주요 결과는 대전류 초전도 코일에 의해 영향을 받는 양성자 궤적의 수치 분석에 대한 곡선 적합인 자기 돛 운동학 모델 방정식 MKM.2이다. 유효 돛 면적 A(v)에 대한 곡선 적합 스케일링 관계는 인자 c I / (v I_G)를 가진 로그 세제곱이었는데, 여기서 I는 루프 전류, I_G는 곡선 적합 매개변수, v는 함선 속도, c는 빛의 속력이다. 이는 이전 연구의 거듭제곱 법칙 스케일링 A(v) \sim (v/c)^\alpha와 달랐다. 그로스 논문은 이러한 차이를 근본적인 물리적 논리로 거슬러 올라갈 수 없었으며, 이러한 불일치의 원인이 불분명하다고 언급했다. 부록 B는 초기 우주선 속도 v_0가 크다면(예: 성간 이동 후 감속 시) 활모양충격파가 형성될 것인지에 의문을 제기했는데, 이 경우 예측된 유효 돛 면적 A_G(v)가 작기 때문이다. 한 가지 차이점은 이 분석이 이전 연구에서 자기권계면 반지름 R_{mp}를 사용한 것과 비교하여 이온 자이로반지름 계산에 코일 반지름 R_c를 사용했다는 것이다.
# 대중문화 속 가상의 용도
자기 돛은 SF (장르)의 많은 작품에서 인기 있는 트 로프가 되었지만, 태양광 돛단배가 더 인기가 많다. # 자기 돛의 선조인 버사드 자기 스쿠프는 폴 앤더슨 (작가)의 1967년 단편 소설 "영원히 살기 위하여"에 처음 등장했으며, 1970년 소설 "타우 제로"로 이어졌다. # 자기 돛은 제리 푸르넬과 S.M. 스털링의 "맨-크진 전쟁" 소설 "아이들의 시간"(1991)에서 중요한 줄거리 장치로 등장한다. # 또한 마이클 플린 (작가)의 SF 소설, 특히 "별강의 난파선"(2003)에서 두드러지게 다루어진다. 이 책은 판스워스-히르슈 푸저 기반 핵융합 로켓이 선호되는 기술이 되었을 때 자기 돛 우주선의 마지막 비행에 대한 이야기이다. # 겁스 우주선은 우주선 추진의 가능한 방법으로 태양광 돛단배와 자기 돛을 모두 특징으로 한다. "자기 돛"이라고 언급되지는 않았지만, 버즈 올드린과 존 반스 (작가)의 소설 "티베르와의 조우"에서 성간선이 상대론적 속도에서 감속하기 위한 제동 메커니즘으로 이 개념이 사용되었다.