우주 테더

frame|right|테더 위성의 예술가 상상도

우주 테더 또는 스페이드 테더(space tether)는 추진, 운동량 교환, 안정화 및 자세 제어 또는 대규모 분산 위성/우주선 센서 시스템 구성 요소의 상대적 위치 유지에 사용될 수 있는 긴 케이블이다. 임무 목표와 고도에 따라 이러한 형태의 우주선 추진을 이용한 우주 비행은 로켓 엔진을 이용한 우주 비행보다 훨씬 저렴할 것으로 이론화되고 있다.

주요 기술
테더 위성은 테더 추진, 조석 안정화 및 궤도 플라스마 역학 연구를 포함한 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 우주 테더를 활용하는 5가지 주요 기술이 개발 중이다.

전기역학 테더

전기역학 테더는 주로 추진에 사용된다. 이들은 전동기와 거의 같은 방식으로 행성 자기장으로부터 추력 또는 항력을 생성할 수 있는 전류를 흐르게 하는 전도성 테더이다.

운동량 교환 테더

이들은 회전하는 테더이거나 회전하지 않는 테더일 수 있으며, 도착하는 우주선을 포획한 다음 나중에 다른 속도로 다른 궤도에 방출한다. 운동량 교환 테더는 궤도 조작 또는 행성 표면-궤도 / 궤도-탈출 속도 우주 운송 시스템의 일부로 사용될 수 있다.

테더 편대 비행

이것은 일반적으로 편대 비행하는 여러 우주 비행체 간의 설정 거리를 정확하게 유지하는 비전도성 테더이다.

전기 돛

태양풍 이온의 운동량에 의해 밀려나는 전하를 띤 테더를 가진 태양풍 돛의 한 형태이다.

범용 궤도 지원 시스템

우주 궤도를 도는 테더에서 물체를 매다는 개념이다.

우주 테더는 우주 엘리베이터와 스카이훅으로 배치하는 것, 추진제 없이 궤도 이동을 수행하는 것 등 많은 용도가 제안되었다.

역사
콘스탄틴 치올콥스키 (1857–1935)는 한때 지구의 자전에 의해 그곳에 고정될 만큼 높이가 우주에 닿는 탑을 제안했다. 그러나 당시에는 그것을 현실적으로 건설할 방법이 없었다.

1960년에 또 다른 러시아인인 유리 아르추타노프는 정지 위성에서 지상으로, 그리고 위로 케이블이 균형을 유지하도록 배치될 인장 케이블에 대한 아이디어를 더 자세히 기술했다. 이것은 지구와 함께 회전하는 동기 테더의 일종인 우주 엘리베이터 아이디어이다. 그러나 당시의 재료 기술로는 지구에서는 이것도 비실용적이었다.

1970년대에 제롬 피어슨은 독립적으로 우주 엘리베이터(때때로 동기 테더라고 불림) 아이디어를 고안했으며, 특히 L1 및 L2 점을 통과할 수 있는 달 엘리베이터를 분석했는데, 이는 당시 존재하는 재료로도 가능하다고 밝혀졌다.

1977년에 한스 모라벡 그리고 나중에 로버트 L. 포워드는 비동기 스카이훅, 즉 회전하는 스카이훅의 물리학을 조사하고, 달, 화성 및 기타 행성에서 물체를 집어 올리고 놓는 테이퍼링된 회전 테더의 상세한 시뮬레이션을 수행했는데, 이는 에너지 손실이 거의 없거나 오히려 순수하게 에너지를 얻는 것으로 나타났다.

1979년에 NASA는 아이디어의 타당성을 조사하고 테더 시스템, 특히 테더 위성 연구에 방향을 제시했다.

1990년에 이글 사르몽(Eagle Sarmont)은 "궤도 스카이훅: 합리적인 우주 접근(An Orbiting Skyhook: Affordable Access to Space)"이라는 논문에서 지구-궤도 / 궤도-탈출 속도 우주 운송 시스템을 위한 비회전 궤도 스카이훅을 제안했다. 이 개념에서는 준궤도 발사체가 스카이훅의 아래쪽 끝으로 비행하고, 더 높은 궤도로 향하거나 더 높은 궤도에서 돌아오는 우주선은 위쪽 끝을 사용한다.

2000년에 NASA와 보잉은 회전하는 테더가 극초음속 항공기(궤도 속도의 절반)에서 궤도로 화물을 운반하는 HASTOL 개념을 고려했다.

임무
섬네일|right|upright|미국 해군 연구소의 TiPS 테더 위성 그래픽. 4km 테더 중 일부만 전개된 모습이다.

테더 위성은 우주 테더로 다른 위성과 연결된 인공위성이다. 테더 기술을 테스트하기 위해 여러 위성이 발사되었으며, 성공 여부는 다양하다.

유형
다양한 (그리고 중첩되는) 유형의 테더가 존재한다.

운동량 교환 테더, 회전식

운동량 교환 테더는 우주 테더의 많은 응용 분야 중 하나이다. 운동량 교환 테더는 회전식과 비회전식 두 가지 유형이 있다. 회전하는 테더는 원심 가속도로 인해 시스템의 말단 질량에 제어된 힘을 생성한다. 테더 시스템이 회전하는 동안 테더 양쪽 끝의 물체는 지속적인 가속을 경험한다. 가속의 크기는 테더의 길이와 회전율에 따라 달라진다. 운동량 교환은 회전 중에 말단 물체가 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 소비가 거의 없거나 전혀 없이 자체적으로 다시 추진할 수 있다.

스카이훅

섬네일|right|궤도에서 회전하는 스카이훅과 조석으로 안정화된 스카이훅
스카이훅은 페이로드를 높은 고도와 속도로 들어 올리기 위한 이론적인 궤도 테더 추진의 한 종류이다. 스카이훅에 대한 제안에는 고속 페이로드 또는 고고도 항공기를 포획하여 궤도에 진입시키기 위해 극초음속으로 회전하는 테더를 사용하는 설계가 포함된다.

전기역학
섬네일|right|70mm 카메라로 촬영한 테더 위성 시스템 전개 모습의 중간 클로즈업 뷰.

전기역학 테더는 테더 위성에서 전개되는 것과 같은 긴 전도성 전선으로, 운동 에너지를 전력량으로 변환하여 발전기로 작동하거나, 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하여 전동기로 작동하는 전자기 원리에 따라 작동할 수 있다. 전도성 테더는 지구 자기장을 통과하는 움직임에 의해 전위가 생성된다. 전기역학 테더에 사용될 금속 전기 전도체의 선택은 다양한 요인에 의해 결정된다. 주요 요인으로는 일반적으로 높은 도전율과 낮은 밀도가 포함된다. 적용 분야에 따라 이차적인 요인으로는 비용, 강도, 녹는점이 포함된다.

전기역학 테더는 다큐멘터리 영화 오펀스 오브 아폴로에서 러시아 우주정거장 미르를 궤도에 유지하는 데 사용될 기술로 소개되었다.

편대 비행

이것은 (일반적으로) 비전도성 테더를 사용하여 여러 우주선을 연결하는 것이다. 화성 행성 간 작전용 테더 실험 (TEMPO³)는 이 기술을 연구하기 위한 2011년 제안된 실험이다.

범용 궤도 지원 시스템

섬네일|범용 궤도 지원 시스템을 사용한 가능한 배치 예시
회전하지 않는 테더 위성 시스템의 이론적 유형으로, 천체 위에 매달린 물체에 우주 기반 지지대를 제공하기 위한 개념이다. 궤도 시스템은 상부 지지 질량(A)이 주어진 천체 주위의 궤도에 배치되어 천체 표면 위 특정 높이(A보다 낮지만)에 매달린 질량(B)을 지지할 수 있도록 하는 결합 질량 시스템이다.

기술적 어려움

중력 경사 안정화

테더는 양 끝이 회전하는 대신 길이에 따른 중력의 미세한 강도 차이에 의해 똑바로 유지될 수도 있다.

비회전 테더 시스템은 (지구나 다른 천체의) 국지적 수직선과 정렬된 안정적인 방향을 갖는다. 이것은 오른쪽에 있는 그림에서 두 개의 다른 고도에 있는 두 우주선이 테더로 연결되어 있는 것을 보면 이해할 수 있다. 일반적으로 각 우주선은 중력(예: Fg1)과 원심력(예: Fc1)의 균형을 이룰 것이지만, 테더로 함께 묶이면 이 값들이 서로에 대해 변하기 시작한다. 이 현상은 테더가 없으면 더 높은 고도의 질량이 더 낮은 질량보다 느리게 이동하기 때문에 발생한다. 시스템은 단일 속도로 움직여야 하므로 테더는 더 낮은 질량의 속도를 늦추고 더 높은 질량의 속도를 높여야 한다. 테더로 연결된 상부 물체의 원심력은 증가하고, 하부 고도 물체의 원심력은 감소한다. 이로 인해 상부 물체의 원심력과 하부 물체의 중력이 지배적이 된다. 이러한 힘의 차이는 그림에서 볼 수 있듯이 시스템을 국지적 수직선을 따라 자연스럽게 정렬시킨다.

원자 산소

저궤도에 있는 물체는 분자가 충돌하는 높은 공전 속도와 높은 반응성으로 인해 원자 산소로부터 눈에 띄는 침식을 받는다. 이것은 테더를 빠르게 침식시킬 수 있다.

미세 운석 및 우주 쓰레기
단순한 단일 가닥 테더는 유성진과 우주 쓰레기에 취약하다. 이후 파편 저항성을 향상시키기 위해 여러 시스템이 제안되고 테스트되었다.
 미 해군 연구소는 Spectra 1000 브레이드 외부층과 아크릴사 코어를 가진 길이, 직경의 테더를 성공적으로 비행했다. 이 위성, 테더 물리 및 생존성 실험(TiPS)은 1996년 6월에 발사되어 10년 이상 작동했으며, 2006년 7월에 최종적으로 파손되었다.
 로버트 P. 호이트는 잘린 가닥의 응력이 손상된 가닥 주변으로 자동으로 재분배되는 공학적인 원형 그물을 특허받았다. 이것을 호이트테더라고 부른다. 호이트테더는 이론적으로 수십 년의 수명을 갖는다.
 일본 우주항공연구개발기구 연구원들도 미래 임무를 위해 그물 기반 테더를 제안했다.

대형 쓰레기는 여전히 여기에 나열된 개선된 버전을 포함하여 대부분의 테더를 절단하겠지만, 현재는 레이더로 추적되며 궤도가 예측 가능하다. 추진기를 사용하여 시스템의 궤도를 변경할 수도 있지만, 테더를 적절한 위치에서 일시적으로 흔들어 알려진 쓰레기 조각을 피하는 데 더 적은 에너지를 사용할 수도 있다.

방사선
자외선 방사선을 포함한 방사선은 테더 재료를 손상시켜 수명을 단축시키는 경향이 있다. 밴 앨런대를 반복적으로 통과하는 테더는 저궤도에 머무르거나 지구 자기권 밖에 있는 테더보다 수명이 현저히 짧을 수 있다.

건설

유용한 재료의 특성
섬네일|right|alt=TSS-1R|TSS-1R 테더 구성 (NASA) 

테더의 특성과 재료는 적용 분야에 따라 달라진다. 그러나 몇 가지 공통적인 특성이 있다. 최대 성능과 저비용을 달성하기 위해 테더는 고강도 또는 전기 전도성과 저밀도가 결합된 재료로 만들어져야 한다. 모든 우주 테더는 우주 쓰레기나 미세 운석에 취약하다. 따라서 시스템 설계자는 자외선 및 원자 산소에 대한 보호를 포함하여 보호 코팅이 필요한지 여부를 결정해야 한다.

테더에 높은 인장력을 가하는 응용 분야의 경우 재료는 강하고 가벼워야 한다. 일부 현재 테더 설계는 초고분자량 폴리에틸렌, 아라미드 또는 탄소섬유와 같은 결정질 플라스틱을 사용한다. 가능한 미래 재료는 탄소 나노튜브이며, 예상 인장 강도는 140-177GPa 사이이고, 일부 개별 나노튜브의 입증된 인장 강도는 50-60GPa 범위이다. (2011년 현재 CNT 기반 로프는 그 규모에서 기존 탄소 섬유보다 아직 강하지 않으며, 한 자릿수 덜 강하다.)

일부 응용 분야의 경우 테더에 가해지는 인장력은 미만으로 예상된다. 이 경우 재료 선택은 임무 목적 및 설계 제약 조건에 따라 달라진다. TSS-1R에 사용된 것과 같은 전기역학 테더는 높은 전도도를 위해 얇은 구리 전선을 사용할 수 있다 ( EDT 참조).

설계자가 재료 선택을 유도하는 일반적인 양을 식별하는 데 도움이 되는 특정 응용 분야에 대한 설계 방정식이 있다.

우주 엘리베이터 방정식은 일반적으로 "특성 길이" Lc를 사용하는데, 이는 "자체 지지 길이"라고도 알려져 있으며, 일정한 1g 중력장에서 지지할 수 있는 테이퍼링되지 않은 케이블의 길이를 나타낸다.
,
여기서 σ는 응력 한계(압력 단위)이고 ρ는 재료의 밀도이다.

극초음속 스카이훅 방정식은 재료의 "특정 속도"를 사용하는데, 이는 회전하는 고리가 파손되지 않고 도달할 수 있는 최대 접선 속도와 같다.

회전하는 테더(로토베이터)의 경우 재료의 '특성 속도' 값이 사용되는데, 이는 회전하는 테이퍼링되지 않은 케이블이 파손되지 않고 도달할 수 있는 최대 끝단 속도이다.

특성 속도는 특정 속도에 2의 제곱근을 곱한 것과 같다.

이 값들은 로켓 방정식과 유사한 방정식에 사용되며, 비추력 또는 배기 속도와 유사하다. 이 값들이 높을수록 테더는 운반할 수 있는 페이로드에 비해 더 효율적이고 가벼워질 수 있다. 그러나 궁극적으로 테더 추진 시스템의 질량은 운동량 저장과 같은 다른 요인에 의해 낮은 수준에서 제한된다.

실용적인 재료
제안된 재료로는 케블라, 초고분자량 폴리에틸렌, 탄소 나노튜브 및 M5 섬유가 있다. M5는 케블라 또는 스펙트라보다 가벼운 합성 섬유이다. 피어슨, 레빈, 올드슨, 와익스(Pearson, Levin, Oldson, and Wykes)는 그들의 논문 "달 우주 엘리베이터(The Lunar Space Elevator)"에서 너비 에 두께 인 M5 리본이 달 표면에서 을 지지할 수 있을 것이라고 언급했다. 또한 각각 의 질량을 가진 100대의 화물 운반 차량을 엘리베이터 길이를 따라 균등하게 배치할 수 있을 것이라고 했다. 사용될 수 있는 다른 재료로는 T1000G 탄소 섬유, 스펙트라 2000 또는 자일론이 있다.

모양

점진적인 가늘기
중력에 의해 안정화된 테더의 경우, 자체 지지 길이를 초과하려면 테더 재료를 가늘게 만들어 케이블 길이의 각 지점에서의 총 하중에 따라 단면적이 달라지게 할 수 있다. 실제로 이는 중앙 테더 구조가 끝 부분보다 두꺼워야 함을 의미한다. 올바른 점진적인 가늘기는 케이블의 모든 지점에서 인장 응력이 정확히 동일하도록 보장한다. 지구 우주 엘리베이터와 같은 매우 까다로운 응용 분야의 경우, 점진적인 가늘기는 케이블 무게 대 페이로드 무게의 과도한 비율을 줄일 수 있다. 점진적인 가늘기 대신 동일한 목표를 달성하기 위해 모듈식 단계별 테더 시스템을 사용할 수 있다. 단계 사이에 여러 테더가 사용된다. 테더의 수는 주어진 단면의 강도를 결정한다.

두께
중력의 영향을 크게 받지 않는 회전 테더의 경우 두께도 달라지며, 단면적 A는 r(중심으로부터의 거리)의 함수로 다음과 같이 주어진다.

여기서 R은 테더의 반지름, v는 중심에 대한 속도, M은 끝 질량, 는 재료 밀도, T는 설계 인장 강도이다.

질량비
섬네일|right|재료의 특성 속도 배수로 끝 속도에 대한 테더 질량 대 페이로드 비율 그래프

면적을 적분하여 부피를 구하고 밀도를 곱한 다음 페이로드 질량으로 나누면 페이로드 질량/테더 질량 비율이 된다.

여기서 erf는 정규 확률 오차 함수이다.

 라고 하자.

그러면:

이 방정식은 속도의 제곱이 아닌 단순한 지수에 비례하는 로켓 방정식과 비교할 수 있다. 이 차이는 단일 테더에서 얻을 수 있는 델타 V를 효과적으로 제한한다.

중복성

또한 케이블 모양은 미세 운석과 우주 쓰레기에 견딜 수 있도록 제작되어야 한다. 이것은 호이트테더와 같은 중복 케이블을 사용하여 달성할 수 있다. 중복성은 여러 개의 중복 케이블이 케이블의 같은 지점 근처에서 손상될 가능성을 매우 낮게 보장하며, 따라서 실패가 발생하기 전에 케이블의 다른 부분에 걸쳐 매우 많은 양의 총 손상이 발생할 수 있다.

재료 강도

빔스톡과 로토베이터는 현재 사용 가능한 재료의 강도에 의해 제한된다. 초고강도 플라스틱 섬유 (케블라 및 스펙트라)는 로토베이터가 달과 화성 표면에서 질량을 뽑아낼 수 있게 하지만, 이 재료로 만든 로토베이터는 지구 표면에서 들어 올릴 수 없다. 이론적으로는 고고도 초음속 (또는 극초음속) 항공기가 지구의 열대 (및 온대) 지역 전체의 예측 가능한 위치에서 잠시 지구 상층 대기로 내려오는 로토베이터에 페이로드를 전달할 수 있다. 2013년 5월 현재, 모든 기계적 테더(궤도 및 엘리베이터)는 더 강한 재료가 나올 때까지 보류 중이다.

화물 포획
로토베이터의 화물 포획은 중요하며, 포획 실패는 문제를 야기할 수 있다. 화물에 그물을 발사하는 것과 같은 여러 시스템이 제안되었지만, 모두 무게, 복잡성 및 또 다른 실패 모드를 추가한다. 하지만 작동하는 갈고리 시스템의 실험실 규모 시연이 최소 한 번 이루어졌다.

수명
현재 인장 강도가 가장 강한 재료는 플라스틱으로, 자외선 복사와 (궤도에 따라) 원자 산소의 침식으로부터 보호하기 위해 코팅이 필요하다. 진공 상태에서 폐열 처리는 어렵기 때문에 과열은 테더 고장이나 손상을 유발할 수 있다.

제어 및 모델링

진자 운동 불안정성
국지적 수직선을 따라 배치된 전기역학 테더('매달린 테더')는 동적 불안정성에 시달릴 수 있다. 진자 운동은 전자기 상호 작용의 작용으로 테더 진동 진폭이 커지게 한다. 임무 시간이 증가함에 따라 이 행동은 시스템 성능을 손상시킬 수 있다. 몇 주에 걸쳐 지구 궤도의 전기역학 테더는 자기장과 중력장의 불규칙성과 상호 작용하면서 여러 모드에서 진동을 축적할 수 있다.

진동을 제어하는 한 가지 방법은 진동 성장을 억제할 때 테더 전류를 줄이고, 진동을 반대할 때 테더 전류를 늘려 능동적으로 변경하는 것이다. 시뮬레이션은 이것이 테더 진동을 제어할 수 있음을 입증했다. 이 접근 방식은 테더 진동을 측정하는 센서가 필요한데, 이는 테더 한쪽 끝에 있는 관성항법장치이거나, 테더에 장착되어 끝에 있는 수신기로 위치를 전송하는 범지구 위성 항법 시스템일 수 있다.

또 다른 제안된 방법은 매달린 테더 대신 회전하는 전기역학 테더를 사용하는 것이다. 자이로스코프 효과는 수동 안정화를 제공하여 불안정성을 피한다.

급증
앞서 언급했듯이 전도성 테더는 예상치 못한 전류 급증으로 인해 실패한 적이 있다. 예상치 못한 방전은 테더를 절단하고 (예: STS-75의 TSS-1R 참조), 전자 장비를 손상시키고, 테더 처리 기계를 용접했다. 지구 자기장이 일부 엔지니어들이 생각했던 것만큼 균일하지 않을 수도 있다.

진동
컴퓨터 모델은 테더가 진동으로 인해 파손될 수 있음을 자주 보여준다.

기계식 테더 처리 장비는 진동을 감쇠시키는 복잡한 제어 장치와 함께 종종 놀랍도록 무겁다. 브래드 에드워즈가 우주 엘리베이터를 위해 제안한 1톤 클라이머는 속도와 방향을 변경하여 대부분의 진동을 감지하고 억제할 수 있다. 클라이머는 또한 더 많은 가닥을 회전시켜 테더를 수리하거나 보강할 수 있다.

문제가 될 수 있는 진동 모드에는 줄넘기, 횡방향, 종방향 및 진자가 포함된다.

테더는 거의 항상 테이퍼져 있으며, 이는 채찍과 같은 방식으로 가장 얇은 끝 부분의 움직임을 크게 증폭시킬 수 있다.

기타 문제
테더는 구형 물체가 아니며 상당한 크기를 가진다. 이는 확장된 물체이므로 점원으로 직접 모델링할 수 없으며, 이는 질량 중심과 무게 중심이 일반적으로 동일한 위치에 있지 않음을 의미한다. 따라서 큰 거리에서 전체 테더의 동작에는 역제곱 법칙이 적용되지 않는다. 따라서 궤도는 완전히 케플러적이지 않으며, 일부 경우에는 실제로 혼란스럽다.

볼러스 설계의 경우, 타원 궤도에서 발견되는 비선형 중력장과 상호 작용하는 케이블의 회전은 궤도 각운동량과 회전 각운동량의 교환을 야기할 수 있다. 이는 예측과 모델링을 극도로 복잡하게 만들 수 있다.

 같이 보기 

 STARS-II
 우주선 추진
 비로켓 우주 발사
 궤도 고리 – 지구 궤도에 배치된 이론적 인공 고리

 각주 

 외부 링크 

텍스트
 ProSEDS, 테더 기반 추진 실험
 특별 프로젝트 그룹
 NASA 테더 개요
 Tethers Unlimited Incorporated
 "Tethers In Space Handbook" M. L. Cosmo and E. C. Lorenzini 3판, 1997년 12월 
 NASA IAC 궤도 시스템 보고서
 SpaceTethers.com, 우주 테더 시뮬레이터 애플릿
 USA 국영 라디오 – 우주 테더: 궤도에서 물체 던지기?
 ESA – YES2 프로젝트
 ESA – 포톤 임무 중 학생들 '우주 우편 서비스' 테스트
 더 스페이스 쇼 #531 로버트 P. 호이트 더 스페이스 쇼에서 우주 테더에 대해 논의
 NASA TSS-1R 사이트
 NASA 테더 오리가미
 뉴 사이언티스트 기사
 테더 물리 및 생존성 실험 
 Tethers Unlimited • 출판물 
 우주 테더 핸드북 (PDF)
 우주 테더, 무추진 궤도 내 시연 

비디오
 테더 작동 방식을 설명하는 비디오 애니메이션

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