매스 드라이버

매스 드라이버(mass driver) 또는 전자기 투석기(electromagnetic catapult)는 직선형 전동기를 사용하여 페이로드를 고속으로 가속하고 투척하여 비로켓 우주 발사를 수행하는 제안된 방법이다. 기존 및 제안된 매스 드라이버는 전기로 동력을 공급받는 코일을 사용하여 전자석을 만들지만, 회전식 매스 드라이버도 제안되었다. 일련의 전자석을 순차적으로 발사하여 페이로드를 경로를 따라 가속시킨다.

탄도 페이로드를 추진하는 데 사용되는 모든 장치는 기술적으로 매스 드라이버이지만, 이 맥락에서 매스 드라이버는 본질적으로 자화 가능한 홀더와 페이로드로 구성된 패키지를 자기적으로 가속시키는 코일건이다. 페이로드가 가속되면 둘은 분리되고, 홀더는 감속되어 다른 페이로드를 위해 재활용된다. 또는 매스 드라이버는 항공모함 의 전자식 항공기 발진시스템 (EMALS)에 사용되는 직선형 유도 전동기를 기반으로 할 수도 있다.

매스 드라이버는 세 가지 다른 방식으로 우주선을 추진하는 데 사용될 수 있다. 지상 기반의 대형 매스 드라이버는 지구, 달, 또는 다른 천체에서 우주선을 발사할 수 있다. 소형 매스 드라이버는 우주선에 탑재된 로켓 엔진으로 작동하여 물질 조각을 우주로 던져 자신을 추진할 수 있다. 또 다른 변형은 달이나 소행성에 있는 대규모 시설이 원거리 우주선을 돕기 위해 발사체를 보내는 것이다.

소형화된 매스 드라이버는 고전적인 총기나 화학 연소를 이용하는 캐넌과 유사한 방식으로 무기로도 사용될 수 있다. 코일건과 레일건의 하이브리드인 나선형 레일건도 가능하다.

고정식 매스 드라이버

매스 드라이버는 동적 자기 부상을 통해 발사체를 안내하므로 움직이는 부품 사이에 물리적인 접촉이 필요 없어 고체 상태 전력 스위칭의 경우 극도의 재사용성과 이론적으로 수백만 번의 발사 수명을 제공한다. 한계 비용은 따라서 낮게 유지되는 경향이 있지만, 초기 개발 및 건설 비용은 성능, 특히 발사체의 의도된 질량, 가속도 및 속도에 크게 의존한다. 예를 들어, 제라드 K. 오닐은 1976~1977년에 2,000달러 예산으로 그의 첫 번째 매스 드라이버를 제작하여 40m/s의 속도와 33g로 발사체를 발사하는 짧은 시험 모델을 만들었지만,Compare: 그의 다음 모델은 비슷한 자금 증가 후 10배 더 큰 가속도를 가졌고,Compare: 몇 년 후 텍사스 대학교 연구원들은 6000m/s로 10kg 발사체를 발사하는 매스 드라이버가 4,700만 달러가 들 것이라고 추정했다.IEEE Transactions on Magnetics, Vol Mag-18, No. 1, January 1982. Retrieved May 10, 2011.Electromagnetic Launchers for Space Applications. Retrieved May 10, 2011.

주어진 에너지량에 대해 무거운 물체는 비례적으로 느리게 움직인다. 가벼운 물체는 20km/s 이상으로 투사될 수 있다. 한계는 일반적으로 충분히 빠르게 방전될 수 있는 에너지 저장 장치의 비용과 전력 스위칭 비용이며, 이는 반도체 또는 기체상 스위치(여전히 극단적인 펄스 전력 응용 분야에서 틈새 시장을 차지하는 경우가 많음)로 이루어질 수 있다. 그러나 에너지는 초전도 코일에 유도적으로 저장될 수 있다. 1km 길이의 초전도 코일로 만들어진 매스 드라이버는 20kg 차량을 80%의 변환 효율과 5,600g의 평균 가속도로 10.5km/s까지 가속할 수 있다.

스타트램 개념과 같이 지구에서 궤도로 차량을 추진하는 지구 기반 매스 드라이버는 상당한 자본 투자를 필요로 할 것이다. 지구의 상대적으로 강한 중력과 상대적으로 두꺼운 대기는 실용적인 해결책의 구현을 어렵게 만든다. 또한, 모든 것은 아닐지라도 대부분의 그럴듯한 발사 장소는 잦은 항공 교통 경로를 통해 우주선을 추진할 것이다. 이러한 발사가 유발할 대규모 난류로 인해 해당 지역에서 운항하는 다른 항공기의 안전을 보장하기 위해 상당한 항공 교통 관제 조치가 필요할 것이다.

지구에서 발사할 재사용 가능 로켓(특히 1단 로켓)의 확산과 함께, 매스 드라이버가 지구에서 로켓을 대체할 대안으로 가질 수 있었던 경제적 이점은 점점 더 의심스러워지고 있다. 이러한 이유로 많은 제안은 달에 매스 드라이버를 설치하는 것을 특징으로 한다. 달의 낮은 중력과 대기가 없는 환경은 달 궤도에 도달하는 데 필요한 속도를 크게 줄여주기 때문이다. 고정된 위치에서 달 발사는 낮은 인구 밀도와 달 항공 여행의 어려움으로 인해 교통 통제와 같은 문제와 관련하여 문제를 일으킬 가능성이 훨씬 적다.

대부분의 진지한 매스 드라이버 설계는 합리적인 에너지 효율(설계에 따라 종종 50%에서 90% 이상)을 달성하기 위해 초전도 코일을 사용한다. 장비에는 초전도 버킷 또는 알루미늄 코일이 페이로드로 포함될 수 있다. 매스 드라이버의 코일은 페이로드의 알루미늄 코일에 와전류를 유도한 다음, 생성된 자기장에 작용할 수 있다. 매스 드라이버는 두 부분으로 나뉜다. 최대 가속도 부분은 코일을 일정한 거리에 배치하고 코일 전류를 버킷에 동기화한다. 이 섹션에서는 버킷이 견딜 수 있는 최대치까지 속도가 증가함에 따라 가속도가 증가한다. 그 후에는 일정한 가속도 영역이 시작된다. 이 영역은 단위 시간당 일정한 속도 증가를 제공하기 위해 코일을 증가하는 거리에 배치한다.

이러한 방식에 기반하여, 매스 드라이버의 주요 제안은 달 표면 물질을 태양 에너지를 사용하여 처리하기 위한 우주 거주지로 운송하는 것을 포함한다.NASA, 1975: Space Settlements: A Design Study . Retrieved 2011-05-09. 우주연구소는 이 응용이 합리적으로 실용적임을 보여주었다.

일부 설계에서는 페이로드를 버킷에 담아 발사한 다음 버킷을 감속하여 재사용한다. 반면에 일회용 버킷은 트랙 전체에서 가속을 이용할 수 있다. 또는 트랙이 달(또는 상당한 대기가 없는 다른 천체)의 전체 둘레에 걸쳐 건설된다면 재사용 가능한 버킷의 가속도는 트랙의 길이에 제한되지 않을 것이다. 그러나 이러한 시스템은 승객 및 화물을 매우 높은 속도로 가속시키기 위한 것이라면 상당한 원심력에 견디도록 설계되어야 한다.

지구에서
화물 전용 화학 우주 총 개념과 달리, 매스 드라이버는 어떤 길이든 가능하며, 합리적인 가격에 상대적으로 부드러운 가속을 제공하고, 선택적으로 승객에게 과도한 g-힘을 주지 않고 목표 속도에 도달할 수 있을 만큼 길게 만들 수 있다. 우주 발사를 위한 매우 길고 주로 수평으로 정렬된 발사 트랙으로 건설될 수 있으며, 트랙을 위로 구부리거나 지구의 곡률을 이용하여 끝부분이 위로 향하게 된다.

산과 같은 자연 고지대는 멀리 떨어진 상향 목표 지점의 건설을 용이하게 할 수 있다. 트랙이 더 높이 끝날수록 발사된 물체는 대기로부터의 저항을 덜 받게 된다.

지구 저궤도를 향해 최대 9000m/s의 속도(항력 손실에 대한 추가분을 포함할 경우)로 발사되는 발사체의 킬로그램당 40 메가줄 이하의 운동 에너지는 효율이 비교적 높을 경우 킬로그램당 몇 킬로와트시에 해당하며, 이에 따라 LEO로 운송되는 킬로그램당 1달러 미만의 전기 에너지 비용이 들 것으로 가설화되었지만, 총 비용은 전기료만으로는 훨씬 더 많을 것이다. 주로 지상, 또는 지하에 위치함으로써 매스 드라이버는 비로켓 우주 발사의 다른 많은 구조물에 비해 유지보수가 더 쉬울 수 있다. 지하에 있든 없든, 내부 공기 항력을 방지하기 위해 진공펌프로 진공 처리된 파이프 안에 설치되어야 하며, 대부분 닫혀 있지만 발사 순간에 플라스마 창이 사용되어 진공 손실을 방지하는 기계식 셔터와 같은 것이 필요하다.

지구의 매스 드라이버는 보통 타협적인 시스템이 될 것이다. 매스 드라이버는 궤도에 도달하기에 충분하지 않은 속도까지 페이로드를 가속할 것이다. 그리고 나서 페이로드를 방출하고, 페이로드는 로켓으로 발사를 완료할 것이다. 이는 로켓이 궤도에 도달하기 위해 제공해야 하는 속도량을 급격히 줄일 것이다. 작은 로켓 추진기로부터 궤도 속도의 10분의 1 미만도 근지점을 높이는 데 충분하지만, 하이브리드 제안은 선택적으로 로켓 연소(또는 궤도 운동량 교환 테더)에 의해 델타 V의 더 큰 부분을 가짐으로써 매스 드라이버 자체에 대한 요구 사항을 줄인다. 지구에서는 매스 드라이버 설계가 잘 검증된 자기부상 부품을 사용할 수도 있다.

사람이 탑승한 우주선을 발사하려면 매스 드라이버의 트랙은 지구 저궤도로의 거의 모든 속도를 제공할 경우 거의 1000킬로미터에 달해야 하지만, 그보다 짧은 길이도 상당한 발사 보조를 제공할 수 있다. 승객에게 허용되는 일정한 최대 G-힘에 가깝게 주로 가속하는 경우 필요한 길이는 속도의 제곱에 비례한다. 예를 들어, 동일한 가속도에 대해 목표 속도의 절반은 건설해야 할 터널 길이가 4분의 1에 해당할 수 있다. 견고한 물체의 경우 훨씬 더 높은 가속도가 충분할 수 있으며, 훨씬 짧은 트랙, 잠재적으로 원형 또는 나선형이 가능하게 한다. 또 다른 개념은 대형 고리형 디자인으로, 우주선이 고리를 여러 번 돌며 점차 속도를 얻은 후 하늘로 향하는 발사 통로로 방출되는 방식이다.

매스 드라이버는 우주로 핵 폐기물을 처리하는 데 제안되어 왔다. 지구의 탈출 속도보다 훨씬 빠른 속도로 발사된 발사체는 태양계를 탈출할 것이며, 그러한 속도에서의 대기 통과는 길쭉한 발사체와 매우 견고한 열 차폐를 통해 생존 가능한 것으로 계산되었다.

우주선 기반 매스 드라이버
우주선은 매스 드라이버를 주요 엔진으로 사용할 수 있다. 적절한 전력원(아마도 원자로)이 있다면, 우주선은 매스 드라이버를 사용하여 거의 모든 종류의 물질 조각을 가속하여 반대 방향으로 자신을 추진할 수 있다. 가장 작은 규모의 반응 질량에서는 이러한 유형의 추진을 이온 추진이라고 부른다.

선형 모터의 크기, 가속도 또는 포구 에너지에 대한 절대적인 이론적 한계는 알려져 있지 않다. 그러나 전력 대 질량 비율, 폐열 소산, 공급 및 처리 가능한 에너지 섭취량과 같은 실질적인 공학적 제약이 적용된다. 배기 속도는 너무 낮거나 너무 높지 않은 것이 가장 좋다.

제한된 양의 온보드 우주선 전력에 의해 제약을 받는 모든 추진기에는 임무에 따라 제한된 최적의 배기 속도와 비추력이 존재한다. 배기 가스로부터의 추력 및 운동량은 배출된 단위 질량당 속도에 비례하여 증가하지만(운동량 = mv), 운동 에너지 및 에너지 입력 요구 사항은 속도 제곱에 따라 더 빠르게 증가한다(운동 에너지 =  mv2). 너무 낮은 배기 속도는 로켓 방정식에 따라 필요한 추진제 질량을 과도하게 증가시키며, 아직 사용되지 않은 추진제를 가속하는 데 너무 많은 에너지가 소비된다. 더 높은 배기 속도는 추진제 사용 효율(배출된 추진제 단위 질량당 더 많은 운동량)을 증가시키는 이점과 함께, 가용한 입력 전력이 일정할 경우 추력과 현재 우주선 가속도율을 감소시키는 단점을 가진다(추진제에 주어진 에너지 단위당 더 적은 운동량).

매스 드라이버와 같은 전기 추진 방식은 추진제 자체에서 에너지가 나오지 않는 시스템이다. (이는 화학 로켓과 대조된다. 화학 로켓에서는 추진 효율이 당시 배기 속도와 차량 속도의 비율에 따라 달라지지만, 최대의 비추력을 얻는 것이 반응 추진제에서 가장 많은 에너지를 방출하는 것에 해당할 때 설계 목표가 되는 경향이 있다.) 전기 추진기 자체의 비추력은 매스 드라이버가 미세 입자에 대해 광속에 가까운 배기 속도를 가진 입자 가속기와 합쳐지는 지점까지 도달할 수 있지만, 훨씬 느린 우주선을 가속하기 위해 극도의 배기 속도를 사용하려고 시도하면 우주선의 원자로 또는 전력원에서 사용할 수 있는 에너지가 제한될 때 최적이 아닌 낮은 추력이 될 수 있다(온보드 전력을 일련의 스포트라이트에 공급하는 것과 유사하게, 광자는 에너지 대비 운동량 비율이 극도로 낮은 예시이다).

예를 들어, 만약 가상의 우주선이 운반할 수 있는 페이로드의 양에 대한 지배적인 한계가 엔진에 공급되는 제한된 온보드 전력(외계 토양이나 얼음 사용으로 추진제 본질적인 경제적 비용이 미미한 경우 등)이라면, 일정 비추력으로 작동할 경우 이상적인 배기 속도는 총 임무 델타 V의 약 62.75%가 될 것이다. 다만, 매스 드라이버 및 가변 비추력 자기 플라스마 로켓을 포함한 일부 추진기 유형과 같이 임무 프로필 동안 배기 속도를 변화시켜 더 큰 최적화를 이룰 수 있다.

매스 드라이버는 우주선을 움직이기 위해 어떤 종류의 질량이든 반응 질량으로 사용할 수 있기 때문에, 매스 드라이버 또는 그 변형은 발견된 자원에서 반응 질량을 채취하는 심우주 탐사선에 이상적으로 보인다.

매스 드라이버의 한 가지 잠재적인 단점은 위험할 정도로 높은 상대 속도로 고체 반응 질량을 유용한 궤도와 교통로로 보낼 가능성이 있다는 것이다. 이 문제를 극복하기 위해 대부분의 계획은 미세하게 분할된 먼지를 던지는 것을 계획한다. 또는 액체 산소를 반응 질량으로 사용할 수 있으며, 방출되면 분자 상태로 끓어 증발할 것이다. 반응 질량을 태양 탈출 속도로 추진하는 것도 위험 물질로 남지 않도록 보장하는 또 다른 방법이다.

하이브리드 매스 드라이버

우주선에 탑재된 매스 드라이버는 고정된 매스 드라이버에서 질량을 "반사"하는 데 사용될 수 있다. 질량의 각 감속 및 가속은 우주선의 운동량에 기여한다. 가볍고 빠른 우주선은 반응 질량을 운반할 필요가 없으며, 전자기기 손실을 대체하는 데 필요한 양 외에는 많은 전기가 필요하지 않지만, 고정된 지지 시설은 필요할 경우 우주선보다 훨씬 큰 발전소에서 전력을 공급받을 수 있다. 이는 빔 동력 추진의 한 형태로 간주될 수 있다(입자빔으로 추진되는 자성 돛의 거시적 규모의 아날로그). 유사한 시스템은 우주선에 연료 펠렛을 전달하여 다른 추진 시스템에 동력을 공급할 수도 있다.U.S. Patent #5305974, Spacecraft Propulsion by Momentum Transfer. Retrieved May 9, 2011.

이러한 추진 개념의 또 다른 이론적 사용은 스페이스 파운틴에서 찾을 수 있다. 스페이스 파운틴은 원형 트랙에 있는 연속적인 펠릿 흐름이 높은 구조물을 지탱하는 시스템이다.

무기로서의 매스 드라이버

소형에서 중형 규모의 고가속 전자기 투사체 발사기는 현재 미 해군에 의해 지상 또는 함정 기반 무기(대부분 레일건이지만 일부 경우 코일건)로 활발히 연구되고 있다. 현재 배치에 가까운 무기보다 더 큰 규모이지만 때로는 장기적인 미래 예측에서 제안되는 것으로, 충분히 높은 속도의 직선형 전동기인 매스 드라이버는 이론적으로 대륙간 포병(또는 달이나 궤도에 건설될 경우 지구 표면의 위치를 공격하는 데)으로 사용될 수 있다.Applications of coilgun electromagnetic propulsion technology. Retrieved May 9, 2011.Affordable Spacecraft: Design and Launch Alternatives, Chapter 5, Page 36. Retrieved May 9, 2011.QDR 2001: Strategy-Driven Choices for America's Security, Chapter 11, Global Reach/Global Power School . Retrieved May 9, 2011. 매스 드라이버는 이론적인 목표물보다 중력 우물 위쪽에 위치하므로 반격 측면에서 상당한 에너지 불균형을 누릴 것이다.

실질적인 시도

"전기 총"에 대한 최초의 공학적 설명 중 하나는 프린스턴 물리학자이자 전기 기업가인 에드윈 피치 노스럽의 필명인 "아카드 프세우도만"이 쓴 1937년 SF 소설 "제로에서 팔십까지"의 기술 보충 자료에 나타난다. 노스럽 박사는 kHz 주파수 3상 전기 발전기로 구동되는 코일건 시제품을 제작했으며, 이 책에는 이러한 시제품의 사진이 포함되어 있다. 이 책은 노스럽 전기 총으로 발사된 2인승 차량의 가상의 달 일주를 묘사한다.

이후 1976년부터 매스 드라이버 1호를 비롯한 시제품 매스 드라이버가 건설되었으며, 일부는 미국의 우주연구소에서 그 특성과 실용성을 입증하기 위해 제작되었다. 코일건에 대한 군사 R&D는 자기부상열차와 마찬가지로 관련이 있다.

2014년에 설립된 스핀론치(SpinLaunch)는 2021년 10월에 시험 가속기의 초기 시험을 수행했다.

 같이 보기 

 전자식 항공기 발진시스템
 레일건
 플라스마 레일건
 나선형 레일건
 코일건
 램 가속기
 경량 가스총
 직선형 전동기
 스타트램
 발사 루프
 스페이스 파운틴
 우주선 추진

인물
 에릭 레이스웨이트와 매그리프터 프로젝트
 제라드 K. 오닐
 헨리 콜름

 각주 

 외부 링크 
 전자기 총 —MIT의 선형 모터 연구를 설명하는 페이지
 달 물질의 전자기 발사


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