운동량 교환 테더

운동량 교환 테더()는 이론적으로 발사 시스템이나 우주선 궤도를 변경하는 데 사용될 수 있는 우주 테더의 일종이다. 운동량 교환 테더는 시스템의 종단 질량에 구심력을 생성하여 물체가 원심력으로 알려진 가상 힘을 경험하게 한다. 테더 시스템이 회전하는 동안 테더 양쪽 끝에 있는 물체는 지속적인 가속을 경험한다. 가속의 크기는 테더의 길이와 회전 속도에 따라 달라진다. 운동량 교환은 회전 중에 종단체가 방출될 때 발생한다. 방출된 물체로의 운동량 전달은 회전하는 테더가 에너지를 잃게 하여 속도와 고도를 잃게 한다. 그러나 전기역학 테더 추진 또는 이온 추진을 사용하면 시스템은 소모성 반응 질량의 거의 또는 전혀 소모 없이 스스로 재부스팅할 수 있다.

비회전 테더는 궤도당 정확히 한 번 회전하여 항상 모체에 대해 수직 방향을 유지하는 회전 테더이다. 이 테더의 아래쪽 끝에 도착하거나 위쪽 끝에서 출발하는 우주선은 테더에서 운동량을 가져가는 반면, 테더의 아래쪽 끝에서 출발하거나 위쪽 끝에 도착하는 우주선은 테더에 운동량을 추가한다.

어떤 경우에는 운동량 교환 시스템이 도착하는 우주선이나 페이로드가 동일한 속도와 질량으로 떠나는 우주선과 교환되는 균형 잡힌 운송 체계로 작동하도록 의도되어 운동량이나 각운동량에 순 변화가 발생하지 않는다.

 테더 시스템 
 조석 안정화 

섬네일|right|궤도에서 회전하는 테더와 조석 안정화된 테더

중력 경사 안정화는 "중력 안정화" 및 "조석 안정화"라고도 불리며, 전자 제어 시스템, 로켓 모터 또는 추진제가 필요 없는 위성 자세를 제어하는 간단하고 신뢰할 수 있는 방법이다.

이러한 유형의 자세 제어 테더는 한쪽 끝에 작은 질량이 있고 다른 쪽 끝에 인공위성이 있다. 조석력은 두 질량 사이의 테더를 늘린다. 조석력을 설명하는 두 가지 방법이 있다. 하나는 시스템의 상단 질량이 해당 고도에서 궤도 속도보다 더 빠르게 움직이므로 원심력이 행성에서 더 멀리 떨어지게 하려는 경향이 있다는 것이다. 동시에 시스템의 하단 질량은 해당 고도에서 궤도 속도보다 느리게 움직이므로 행성에 더 가까이 이동하려는 경향이 있다. 최종 결과는 테더가 지속적인 장력 아래에 있으며 수직 방향으로 매달리려는 경향이 있다는 것이다. 간단한 위성은 종종 이러한 방식으로 안정화되었는데, 테더를 사용하거나 위성 내 질량 분포를 통해 이루어졌다.

자유롭게 매달린 물체와 마찬가지로 방해를 받아 흔들리기 시작할 수 있다. 우주에는 흔들림을 늦출 대기 항력이 없으므로, 유체의 점성 마찰을 통해 진자 진동을 감쇠시키기 위해 우주선에 배플이 있는 작은 유체병을 장착할 수 있다.

 전기역학 테더 

섬네일|left|전자는 테더의 전도성 구조를 통해 전력 시스템 인터페이스로 흘러가서 관련 부하에 전력을 공급한다(표시되지 않음). (출처: 미국 특허 6,116,544, "전기역학 테더 및 사용 방법").

지구 주변과 같은 강한 행성 자기장에서는 전도성 테더를 전기역학 테더로 구성할 수 있다. 이것은 다이너모로 사용하여 위성의 궤도 속도를 늦추는 대신 전력을 생성하거나, 위성의 전력 시스템에서 테더에 전력을 공급하여 위성의 궤도 속도를 증가시키는 데 사용할 수 있다. 따라서 테더는 로켓 추진제를 사용하지 않고도 궤도를 도는 우주선을 가속하거나 감속하는 데 사용할 수 있다.NASA, Tethers In Space Handbook, edited by M. L. Cosmo and E. C. Lorenzini, third edition December 1997 (accessed 20 October 2010); see also version of NASA MSFC ; available on Scribd

회전하는 테더와 함께 이 기술을 사용할 때, 테더를 통해 흐르는 전류는 지속적인 감속력 또는 지속적인 가속력을 생성하기 위해 테더의 회전 속도와 위상이 교대로 바뀌어야 한다.

위성을 감속하든 가속하든 전기역학 테더는 행성의 자기장에 대항하여 밀고, 따라서 얻거나 잃는 운동량은 궁극적으로 행성에서 온다.

 스카이훅 

스카이훅은 페이로드를 높은 고도와 속도로 들어 올리는 것을 목표로 하는 이론적인 궤도 테더 추진의 한 종류이다.H. Moravec, "A non-synchronous orbital skyhook". Journal of the Astronautical Sciences, vol. 25, no. 4, pp. 307–322, 1977.G. Colombo, E. M. Gaposchkin, M. D. Grossi, and G. C. Weiffenbach, “The sky-hook: a shuttle-borne tool for low-orbital-altitude research,” Meccanica, vol. 10, no. 1, pp. 3–20, 1975..M. L. Cosmo and E. C. Lorenzini, Tethers in Space Handbook, NASA Marshall Space Flight Center, Huntsville, Ala, USA, 3rd edition, 1997. 간단한 스카이훅은 기본적으로 부분적인 엘리베이터로, 기지 궤도 아래로 어느 정도 연장되어 화물을 들어 올려 궤도에 진입시킨다. 대부분의 제안은 테더를 회전시켜 그 각운동량이 화물에 에너지를 공급하고, 궤도 속도 이상으로 가속시키면서 테더를 감속시킨다. 그런 다음 어떤 형태의 추진을 테더에 적용하여 각운동량을 다시 얻는다.

 볼로 
볼로 또는 회전 테더는 궤도당 한 번 이상 회전하며 끝점이 상당한 끝단 속도(~)를 가지는 테더이다. 끝점의 최대 속도는 케이블 재료의 강도, 테이퍼 및 설계된 안전 계수에 의해 제한된다.

볼로의 목적은 우주선의 온보드 추진제를 사용하지 않고 우주선을 가속하거나 감속하고 우주선의 궤도 비행 경로를 변경하는 것이다. 효과적으로 볼로는 도킹하는 모든 우주선의 재사용 가능한 상단 단 역할을 한다.

볼로가 우주선에 부여하는 운동량은 공짜가 아니다. 볼로가 우주선의 운동량과 이동 방향을 변경하는 것과 마찬가지로 볼로의 궤도 운동량과 회전 운동량도 변경되며, 이는 교체해야 할 에너지가 소모된다. 교체 에너지는 화학 로켓 모터보다 효율적이고 저렴한 원천에서 나올 것이라는 생각이다. 이 교체 에너지의 두 가지 가능한 저렴한 원천은 이온 추진 시스템 또는 볼로의 일부가 될 전기역학 테더 추진 시스템이다. 본질적으로 자유로운 교체 에너지원은 다른 방향으로 가속될 페이로드에서 얻은 운동량으로, 균형 잡힌 양방향 우주 상업에서는 추진 시스템에서 에너지를 추가할 필요가 거의 없음을 시사한다.

 로토베이터 

로토베이터는 테더의 하단 끝점이 테더의 궤도 속도보다 느리게 움직이고 상단 끝점은 더 빠르게 움직이는 회전 방향을 가진 회전 테더이다. 이 단어는 로터(rotor)와 엘리베이터(elevator)에서 파생된 혼성어이다.

테더가 충분히 길고 회전 속도가 충분히 높으면 하단 끝점이 테더의 궤도 속도를 완전히 상쇄하여 하단 끝점이 테더가 궤도를 도는 행성 표면에 대해 정지 상태가 되는 것이 가능하다. 모라벡이 설명한 바와 같이,Hans Moravec, “Orbital Bridges” (1986) (accessed Oct. 10, 2010)Hans Moravec, "Non-Synchronous Orbital Skyhooks for the Moon and Mars with Conventional Materials" (Hans Moravec's thoughts on skyhooks, tethers, rotavators, etc., as of 1987) (accessed 10 October 2010) 이것은 "바퀴처럼 회전하는 위성"이다. 테더의 끝은 대략 사이클로이드를 따라 움직이며, 그 지점에서 지면에 대해 순간적으로 정지한다. 이 경우, 정지 순간에 회전하는 테더의 포획 메커니즘에 의해 "붙잡힌" 페이로드는 픽업되어 궤도로 들어 올려지고, 회전 상단에서 방출될 수 있으며, 이 지점에서 탈출 속도보다 훨씬 빠른 속도로 움직이므로 행성 간 궤도로 방출될 수 있다. (위에서 논의한 볼로와 마찬가지로 페이로드에 주어진 운동량과 에너지는 고효율 로켓 엔진 또는 다른 방향으로 움직이는 페이로드에서 얻은 운동량으로 보충되어야 한다.)

지구와 같이 대기가 있는 천체에서는 테더 끝이 밀집된 대기 위에 머물러야 한다. 달과 (가능하면 화성)과 같이 궤도 속도가 상당히 낮은 천체에서는 저궤도 로토베이터가 지면에 닿을 수 있어 저렴한 지상 운송뿐만 아니라 지구-달 공간으로 물질을 발사할 수 있다. 2000년 1월, 보잉은 NIAC가 의뢰한 두 단계 테더를 포함한 테더 발사 시스템에 대한 연구를 완료했다.

 지구 발사 보조 볼로 
불행히도 지구 궤도 로토베이터는 현재 사용 가능한 재료로는 건설할 수 없는데, 로토베이터의 하중을 처리하기 위한 두께와 테더 질량이 비경제적으로 크기 때문이다. 그러나 회전 속도를 3분의 2로 줄인 "희석된" 로토베이터는 구심 가속 응력을 절반으로 줄일 것이다.

따라서 더 낮은 응력을 달성하기 위한 또 다른 방법은 지상에서 0 속도로 화물을 픽업하는 대신, 로토베이터가 움직이는 차량을 픽업하여 궤도로 던지는 것이다. 예를 들어, 로토베이터는 지구의 상부 대기에서 마하 12 항공기를 픽업하여 로켓을 사용하지 않고 궤도로 이동시킬 수 있으며, 마찬가지로 그러한 차량을 포획하여 대기 비행으로 낮출 수 있다. 로켓이 더 낮은 팁 속도를 달성하는 것이 더 쉽기 때문에 "단일 단계 테더"가 제안되었다. 그 중 하나는 극초음속 항공기 우주 테더 궤도 발사(HASTOL)라고 불린다. 공기 흡입식 또는 로켓 테더는 비행당 많은 연료를 절약할 수 있으며, 더 간단한 차량과 더 많은 화물을 허용할 것이다.

테더스 언리미티드 (로버트 포워드와 로버트 P. 호이트가 설립)는 이 접근 방식을 "테더 발사 보조"라고 불렀다. 또한 이것은 우주 볼라스라고도 불렸다. 이 회사의 목표는 2020년에는 궤도 감속 보조 모듈과 해양 테더로 바뀌었다.

2013년 "테더 발사 보조" 개념에 대한 조사는 충분히 높은 (~10 W/kg) 전력 대 질량 비율을 가진 로토베이터가 개발되는 즉시 이 개념이 가까운 미래에 간신히 경제적일 수 있음을 시사했다.

 지구 대 지구 스카이훅 
지구 대 지구 스카이훅은 지구 발사 보조 볼로와 유사하게 항공기가 상부 대기에 도달해야 한다. 그러나 발사 보조 기능을 제공하는 대신 도킹된 차량을 지구의 한 위치에서 다른 위치로 운송하는 데 사용된다. 항공기는 스카이훅이 천저를 향할 때 도킹하고 회전하는 스카이훅이 동일한 방향으로 돌아올 때 방출된다. 이 시나리오에서 항공기는 다른 위치로 운송되고 스카이훅은 이전과 유사한 에너지 상태를 유지한다.
alt=지구 대 지구 이동에 사용되는 회전하는 스카이훅|섬네일|지구 대 지구 이동에 사용되는 회전하는 스카이훅

 우주 엘리베이터 

섬네일|right|upright|1990년 E. Sarmont가 처음 제안한 비회전 스카이훅

우주 엘리베이터는 행성체에 부착된 우주 테더이다. 예를 들어, 지구에서는 우주 엘리베이터가 적도에서 정지 궤도 위로 한참 올라갈 것이다.

우주 엘리베이터는 로토베이터처럼 동력을 공급할 필요가 없는데, 이는 행성체에서 필요한 각운동량을 얻기 때문이다. 단점은 훨씬 길고, 많은 행성에서 우주 엘리베이터는 알려진 재료로는 건설할 수 없다는 것이다. 지구의 우주 엘리베이터는 현재 기술적 한계를 넘어서는 재료 강도가 필요할 것이다 (2014년). 그러나 화성과 달 우주 엘리베이터는 현대 재료로 건설될 수 있다. 포보스에 우주 엘리베이터를 건설하는 것도 제안되었다.

우주 엘리베이터는 또한 로토베이터보다 더 많은 양의 위치 에너지를 가지고 있으며, 만약 무거운 부품 (예: "떨어진 렌치")이 떨어지면 가파른 각도로 재진입하여 거의 궤도 속도로 표면에 충돌할 것이다. 대부분의 예상 설계에서는 케이블 구성 요소 자체가 떨어지더라도 지면에 닿기 전에 불타버릴 것이다.

 달-지구간 수송 시스템 
이것이 지속적인 에너지 입력을 필요로 한다고 생각될 수 있지만, 실제로는 달 표면에서 화물을 들어 올려 저지구 궤도로 떨어뜨리는 것이 에너지적으로 유리하다는 것을 보여줄 수 있으며, 따라서 달 표면이 비교적 높은 위치 에너지 상태에 있기 때문에 추진제를 크게 사용하지 않고도 달성할 수 있다. 또한 이 시스템은 페이로드 질량의 28배 미만의 총 질량으로 구축될 수 있다.

로토베이터는 따라서 운동량 교환으로 충전될 수 있다. 운동량 충전은 로토베이터를 사용하여 중력장에서 "더 높은" 곳에서 "더 낮은" 곳으로 질량을 이동시킨다. 이를 수행하는 기술은 오베르트 효과를 사용하는데, 테더가 더 높은 선형 속도로 움직일 때 페이로드를 방출하면 더 높은 중력 퍼텐셜에서 페이로드를 픽업하는 데 잃은 에너지보다 더 많은 비에너지와 궁극적으로 더 많은 속도를 얻는다. 이는 회전 속도가 같더라도 마찬가지이다. 예를 들어, 두 개 또는 세 개의 로토베이터 시스템을 사용하여 달과 지구 사이의 교환을 구현하는 것이 가능하다. 로토베이터는 지구에 버려진 (수출품이 없으면 흙) 달 질량으로 충전되며, 이렇게 얻은 운동량을 사용하여 지구 물품을 달로 보낼 수 있다. 운동량 및 에너지 교환은 양방향으로 동일한 흐름으로 균형을 맞추거나 시간이 지남에 따라 증가할 수 있다.

유사한 로토베이터 시스템은 이론적으로 태양계 전반에 걸쳐 저렴한 운송을 가능하게 할 수 있다.

 테더 케이블 투석기 시스템 
테더 케이블 투석기 시스템은 두 개 이상의 길고 전도성 있는 테더가 무거운 질량에 부착되어 직선으로 단단히 고정된 시스템이다. 테더에 전력이 공급되고, 선형 자석 모터를 장착한 차량이 케이블 길이를 따라 스스로 추진하여 전력을 공급받는다. 케이블 끝 근처에서 차량은 페이로드를 방출하고 속도를 줄여 멈추고 페이로드는 매우 빠른 속도로 계속 나아간다. 이 시스템의 계산된 최대 속도는 매우 높으며, 케이블 내 음속의 30배 이상이며,  이상의 속도가 가능한 것으로 보인다.US patent 6290186

 같이 보기 
 요요 스핀 감속

 각주 

분류:우주 비행 개념