우주선 추진
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1. 개요
우주선 추진은 목적지에 안전하고 빠르게 도달하며, 많은 탑재체를 저렴하게 운반하는 것을 목표로 한다. 우주 공간에서 우주선의 속도를 변경하는 기술로, 로켓 추진, 반응 엔진, 궤도 유지, 자세 제어, 궤도 기동 등에 사용된다. 추진 방식은 뉴턴의 운동 제3법칙에 따라 추진제를 분사하여 추력을 생성하며, 화학 추진, 전기 추진, 핵 추진 등 다양한 기술이 존재한다. 효율성은 비추력으로 측정되며, 높은 비추력은 적은 추진제로 큰 속도 변화를 가능하게 한다. 우주선은 궤도 기동, 행성 간 여행, 항성 간 여행 등 다양한 영역에서 운용되며, 태양 돛, 자기 돛과 같은 반작용 질량 없는 추진 방식도 연구되고 있다. 또한, 행성 및 대기권을 활용한 추진 방법과 발사 지원 메커니즘, 첨단 추진 기술에 대한 연구 개발이 진행 중이며, 소설 속에서는 다양한 허구적 추진 방식이 등장하기도 한다.
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| 우주선 추진 |
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2. 목적 및 원리
우주선 추진은 우주선을 목적지에 안전하고 빠르게 도달시키고, 많은 양의 탑재체를 저렴한 비용으로 운반하는 것을 목표로 한다.[3] 지구에서 발사할 때 추진 방식은 중력 저항을 극복해야 하며, 우주 공간에서는 우주선의 속도를 변경하는 것이 주된 목적이다.[5]
궤도에서는 미세한 충격량으로도 궤도 경로에 변화를 줄 수 있는데,[6] 순행/역행 가속은 궤도 고도를, 궤도면에 수직 방향 가속은 궤도 경사각을 변경한다. 지구는 중력 우물이 깊어 궤도를 탈출하기 위한 탈출 속도는 초당 11.2km에 달한다.[7] 따라서 지구 궤도 밖의 목적지로 가기 위해서는 충분한 추진제와 높은 효율을 가진 추진 시스템이 필요하다.
인간은 1 ''g''(9.81m/s²)의 중력 환경에서 진화했기 때문에, 지속적으로 이와 같은 가속도를 제공하는 추진 시스템이 있다면 가장 편안하게 우주여행을 할 수 있을 것이다.[8] 이러한 추진 시스템은 무중력 상태의 부작용도 없앨 수 있다.[9][10]
2. 1. 추진의 기본 원리
우주 공간에서 우주선의 속도를 변화시키기 위해서는 뉴턴의 운동 제3법칙(작용-반작용 법칙)에 따라 추진제를 우주선의 반대 방향으로 분사해야 한다.[11][12] 다시 말해, 로켓은 우주선의 가속 방향과 반대 방향으로 질량을 배출해야 하며, 이러한 배출된 질량을 추진제 또는 반작용 질량이라고 한다.치올코프스키 로켓 방정식은 운동량 보존 법칙을 사용하여, 로켓 엔진 추진 방식이 우주선의 운동량을 변화시키려면 다른 무언가의 운동량을 반대 방향으로 변화시켜야 함을 보여준다.[11][12] 이 방정식은 로켓의 속도 변화가 추진제의 분사 속도와 질량비에 의해 결정됨을 나타낸다.
속도 변화율을 가속도라고 하며, 운동량 변화율을 힘이라고 한다.[13] 주어진 속도에 도달하기 위해, 짧은 시간 동안 큰 가속도를 가하거나, 오랜 시간 동안 작은 가속도를 가할 수 있다. 마찬가지로, 짧은 시간 동안 큰 힘을 가하거나, 오랜 시간 동안 작은 힘을 가하여 주어진 충격량을 얻을 수 있다. 이는 우주에서 기동할 때, 오랜 시간 동안 미세한 가속도를 생성하는 추진 방식이 짧은 시간 동안 큰 가속도를 생성하는 다른 추진 방식과 동일한 충격량을 생성할 수 있음을 의미한다.[14]
반작용으로 가속하기 위해서는 추진제에 운동량을 부여하는 에너지가 필요하다. 화학 로켓의 경우 연소 과정에서 열, 압력, 분자의 재결합, 해리 등에 에너지가 분산되어 추진제를 가속시키는 유효분은 작아진다. 고효율을 자랑하는 전기 추진에서도 추진제 전부가 플라즈마가 되는 것은 아니기 때문에 역시 에너지 손실이 존재한다. 따라서 효율이 100%인 엔진은 현재 존재하지 않는다.
2. 2. 효율성
비추력은 소모된 추진제 단위당 운동량 변화량으로, 고정된 양의 반응 질량으로부터 얻을 수 있는 충격량의 척도이다.[16] 비추력이 높을수록 효율이 더 좋다. 이온 엔진은 높은 비추력(약 3000초)과 낮은 추력을 가지는 반면,[17] 단일 추진제 로켓 또는 이중 추진제 로켓 엔진과 같은 화학 로켓은 낮은 비추력(약 300초)과 높은 추력을 가진다.[18]단위 지구 중량당 충격량(일반적으로 로 표시)은 초 단위를 가진다.[14] 반응 질량의 지구 중량은 종종 중요하지 않기 때문에, 비추력은 속도와 동일한 단위(예: 미터/초)로 단위 질량당 충격량 측면으로 논의될 수도 있다.[19] 이 척도는 엔진의 유효 배기 속도와 동일하며, 일반적으로 로 표시된다.[20] "비추력"은 우주선이 사용하는 추진제 단위당 운동량 변화량 또는 우주선에서 배출되는 추진제의 속도 중 하나를 사용하여 측정할 수 있다. 두 값은 표준 중력 가속도, ''g''n'', 9.80665 m/s² ()의 인자로 다르다.[21]
화학 로켓과 대조적으로, 전자기 로켓은 전하된 추진제를 가속하기 위해 전기장 또는 자기장을 사용한다. 이 방법의 장점은 화학 엔진보다 10배 이상 높은 배기 속도, 따라서 를 달성하여 훨씬 적은 연료로 꾸준한 추력을 낼 수 있다는 것이다. 일반적인 화학 추진 시스템에서는 로켓 총 질량의 2%가 목적지에 도달할 수 있으며, 나머지 98%는 연료로 소모된다. 전기 추진 시스템에서는 저궤도에 탑재된 것의 70%가 심우주 목적지에 도달할 수 있다.[22]
그러나 화학 로켓은 추진제 대부분을 추진에 필요한 에너지로 변환하지만, 전자기 로켓은 추진제를 생성하고 가속하는 데 필요한 전력을 운반하거나 생산해야 한다. 현재 우주선에서 사용할 수 있는 전력량에 대한 실제적인 제한이 있기 때문에, 이러한 엔진은 발사체나 우주선이 궤도 진입을 위한 제동과 같이 빠르고 큰 충격량이 필요할 때 적합하지 않다. 그럼에도 불구하고, 전자기 로켓은 매우 높은 를 제공하기 때문에, 임무 계획자들은 막대한 양의 추진제 질량을 절약하기 위해 전력과 추력(그리고 우주선을 원하는 곳으로 이동하는 데 걸리는 추가 시간)을 기꺼이 희생하고 있다.
반작용으로 가속하기 위해서는 추진제에 운동량을 부여하는 에너지가 필요하다. 화학 로켓의 경우 연소 과정에서 열, 압력, 분자의 재결합, 해리 등에 에너지가 분산되어 추진제를 가속시키는 유효분은 작아진다. 고효율을 자랑하는 전기 추진에서도 추진제 전부가 플라즈마가 되는 것은 아니기 때문에 역시 에너지 손실이 존재한다. 따라서 효율이 100%인 엔진은 현재 존재하지 않는다.
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전자기기를 이용한 추진 방법은 다음과 같다.
- 이온 엔진 (가속된 이온에 전자를 조사하여 이온을 중화)
- * 전극 정전 이온 추진기
- * 전계 방출식 전자 추진 (FEEP)
- * 홀 효과 추진기 (홀 슬러스터)
- * 콜로이드 추진기
- Plasma propulsion engine|플라즈마 추진기영어 (이온과 전자가 동시에 가속되므로 중화기가 필요하지 않음)
- * MPD 아크 제트
- * 헬리콘 이중층 플라즈마 추진기
- * Electrodeless plasma thruster|무전극 플라즈마 추진기영어
- * 펄스 유도 추진기 (PIT)
- * 비추력 가변형 플라즈마 추진기 (VASIMR)
- 매스 드라이버 (추진용)
3. 운용 영역
우주선은 궤도 기동, 행성간 여행, 항성 간 여행 등 다양한 우주 공간에서 운용된다.
3. 1. 궤도 기동
인공위성은 먼저 기존의 액체/고체 추진 로켓으로 원하는 고도까지 발사되며, 이후 위성은 궤도 유지를 위해 탑재된 추진 시스템을 사용할 수 있다. 원하는 궤도에 진입하면 지구, 태양, 그리고 관심 있는 일부 천문학적 대상에 대해 올바르게 위치해야 하는데, 이를 위해 종종 자세 제어가 필요하다.[23] 또한 희박한 대기에서 항력을 받기 때문에, 장기간 궤도를 유지하기 위해 때때로 작은 보정(궤도 유지 관리)을 위한 추진력이 필요하다.[24] 많은 위성은 때때로 한 궤도에서 다른 궤도로 이동해야 하며, 이 또한 추진력을 필요로 한다.[25] 위성의 수명은 일반적으로 궤도를 조정할 능력을 소진하면 종료된다.[26]3. 2. 행성 간 여행
행성간 여행을 위해 우주선은 지구 궤도를 벗어나기 위해 엔진을 사용할 수 있다. 로켓이 제공하는 초기 부양력, 중력 쐐기 효과, 단일 추진제/이중 추진제 자세 제어 추진 시스템만으로도 태양계 탐사에는 충분하다. (뉴 호라이즌스 참조) 일단 궤도를 벗어나면 목적지로 이동해야 한다. 현재의 행성간 우주선은 일련의 단기 궤도 조정을 통해 이를 수행한다.[27] 이러한 조정 사이에서 우주선은 일반적으로 가속 없이 궤도를 따라 이동한다. 하나의 원형 궤도에서 다른 궤도로 이동하는 가장 연료 효율적인 방법은 호만 전이 궤도를 이용하는 것이다. 우주선은 태양 주위를 대략 원형 궤도로 시작한다. 짧은 기간 동안의 추력을 운동 방향으로 가하면 우주선이 태양 주위를 타원 궤도로 가속 또는 감속되어 이전 궤도와 목적지 궤도에 접한다. 우주선은 이 타원 궤도를 따라 자유 낙하하여 목적지에 도달하며, 여기서 또 다른 짧은 기간의 추력은 목적지의 궤도에 맞춰 가속 또는 감속한다.[28] 이러한 최종 궤도 조정을 위해 대기 제동 또는 에어로캡처와 같은 특수 방법이 사용되기도 한다.[29]
태양 돛과 같은 일부 우주선 추진 방법은 매우 낮지만 고갈되지 않는 추력을 제공한다.[30] 이러한 방법 중 하나를 사용하는 행성간 차량은 다소 다른 궤도를 따를 것이다. 즉, 태양과의 거리를 줄이기 위해 운동 방향에 반하여 지속적으로 추력을 가하거나, 태양과의 거리를 늘리기 위해 운동 방향으로 지속적으로 추력을 가할 것이다. 이 개념은 일본의 IKAROS 태양 돛 우주선에 의해 성공적으로 시험되었다.[31]
3. 3. 항성 간 여행
항성 간 거리는 매우 멀기 때문에, 우주선이 합리적인 시간 안에 목적지에 도달하려면 엄청난 속도가 필요하다. 발사 시 그러한 속도를 얻고 도착 시 속도를 없애는 것은 우주선 설계자에게 여전히 어려운 과제로 남아있다.[32] 인간의 수명에 비해 짧은 기간의 항성간 여행이 가능한 우주선은 아직 만들어지지 않았지만, 많은 가설적인 설계가 논의되었다.4. 추진 기술
우주선 추진 기술은 임무 목적지에 안전하고 빠르게 도달하고, 많은 양의 탑재체를 저렴한 비용으로 운반하는 것을 목표로 한다.[3] 우주선 추진 기술은 크게 화학 추진, 전기 추진, 핵 추진 등으로 분류되며, 각 기술은 추력 생성 방식과 기술적 성숙도에 따라 다양한 하위 기술을 포함한다.
거의 모든 유형의 우주선 추진은 뉴턴의 운동 제3법칙에 따라 반작용 질량을 배출하여 추력을 생성하는 반작용 엔진이다.[33][34][35] 제트 엔진, 로켓 엔진, 펌프 제트 등이 대표적이며, 홀 효과 추력기, 이온 엔진, 매스 드라이버, 핵 펄스 추진과 같은 덜 흔한 변형도 있다.[36]
로켓 엔진은 대부분 내연 기관이며, 노즐에 의해 추진 효율이 달라진다. 이온 추진 로켓은 플라즈마 또는 대전된 기체를 전자기 작용으로 가속하여 반동으로 추진력을 얻는다. 비추력은 높지만, 큰 추력을 얻을 수 없기 때문에 궤도상에서 진로 수정 등에 사용된다.
자세한 내용은 로켓 엔진 문서를 참조하면 다양한 종류의 로켓 엔진과 그 특징을 확인할 수 있다.
4. 1. 화학 추진
오늘날 사용되는 로켓 엔진의 상당수는 화학 로켓이다. 화학 로켓은 화학 반응을 통해 추력을 얻는 데 필요한 에너지를 얻어 뜨거운 가스를 생성하고 이를 팽창시켜 추력을 발생시킨다.[37] 이러한 화학 반응을 얻기 위해 하이드라진, 액체 산소, 액체 수소, 아산화 질소, 과산화 수소 등 다양한 추진제 조합이 사용된다.[38] 단일 추진제 로켓 또는 2액체 추진제 로켓 구성으로 사용할 수 있다.[39]
로켓 엔진은 우주선 추진에 사용되는 모든 엔진 중에서 본질적으로 가장 높은 비출력과 높은 비추력을 제공한다.[21] 대부분의 로켓 엔진은 내연 기관 열기관이다(비연소 형태도 존재한다).[40] 로켓 엔진은 일반적으로 연소실 내에서 고체, 액체 또는 기체 연료와 산화제를 연소시켜 고온의 반응 질량을 뜨거운 가스로 생성한다.[41] 그런 다음 매우 뜨거운 가스는 고확장 비율의 종 모양 노즐을 통해 배출된다.[40] 노즐의 효과는 질량을 가속화하여 대부분의 열 에너지를 운동 에너지로 변환하는 것이며, 배기 속도는 해수면에서 음속의 10배에 달하는 것이 일반적이다.
화학 로켓은 연료와 산화제의 화학 반응을 통해 추력을 얻는 방식이다. 현재 가장 널리 사용되는 추진 방식이며, 고체 로켓, 액체 로켓, 하이브리드 로켓 등이 이에 해당한다.
최근에는 독성이 강한 하이드라진을 대체하기 위해 아산화 질소 기반의 친환경 추진제 개발이 활발하게 진행되고 있다.
4. 1. 1. 친환경 화학 추진
위성 추진의 주된 형태는 역사적으로 하이드라진이었으나, 이 연료는 독성이 매우 강하여 유럽 전역에서 사용 금지될 위험이 있다.[43] 하이드라진을 대체할 비독성 '친환경' 대안이 현재 개발되고 있다. 아산화 질소 기반의 대안이 주목을 받으며 정부의 지원을 받고 있고,[44][45] 개발은 상업 회사인 Dawn Aerospace, Impulse Space,[46] 및 Launcher[47]가 주도하고 있다. 우주에서 처음으로 비행된 아산화 질소 기반 시스템은 2021년 D-Orbit가 ION 위성 운반선 (우주 예인선)에 탑재하여 Dawn Aerospace B20 추력기 6개를 사용했으며, SpaceX 팰컨 9 로켓에 실려 발사되었다.[48][49]4. 2. 전기 추진
전기 추진은 고온과 유체 역학에 의존하는 대신, 정전기 또는 전자기 힘을 사용하여 반응 질량(일반적으로 이온)을 직접 가속한다. 이온을 고속으로 배출하기 위해 전압 구배를 이용한다.[51]
높은 비추력 덕분에 전기 추진은 상업용 통신 위성의 자세 제어와 일부 우주 탐사 과학 우주 임무의 주요 추진력으로 사용된다.[52] 화학 로켓보다 10배 이상 높은 배기 속도를 달성하여 적은 연료로 꾸준한 추력을 낼 수 있다. 일반적인 화학 추진 시스템에서는 로켓 총 질량의 2%만이 목적지에 도달하고, 나머지 98%는 연료로 소모된다. 반면 전기 추진 시스템에서는 저궤도에 탑재된 것의 70%가 심우주 목적지에 도달할 수 있다.[22]
전기 추진의 개념은 1906년 로버트 고다드가 개인 노트에서 처음 고려했으며,[56] 콘스탄틴 치올코프스키가 1911년에 발표했다.[57]
전기 추진 방법은 다음과 같다:[58]
- 이온 추력기: 이온을 가속한 후 중화기(음극에서 방출되는 전자 흐름)로 이온 빔을 중화한다.[59]
- *정전기 이온 추력기
- *전계 방출 전기 추진
- *MagBeam 추력기
- *홀 효과 추력기
- *콜로이드 추력기
- 전기 열 추력기: 전자기장으로 플라즈마를 생성하여 추진제의 열을 증가시키고, 이를 노즐을 통해 운동 에너지로 변환한다.
- *DC 전류 또는 마이크로파를 사용하는 아크젯
- *헬리콘 이중층 추력기
- *저항 제트
- 전자기 추력기: 로렌츠 힘이나 전자기장 효과로 이온을 가속하며, 전기장은 가속 방향과 일치하지 않는다.
- *플라즈마 추진 엔진
- *자기 플라스마 역학 추력기
- *무전극 플라즈마 추력기
- *펄스 유도 추력기
- *펄스 플라스마 추력기
- *가변 비추력 자기 플라스마 로켓 (VASIMR)
- *진공 아크 추력기
- 추진용 매스 드라이버
4. 2. 1. 전력원
전기 추진은 많은 전력을 필요로 한다. 태양에 비교적 가까운 우주선 임무의 경우, 태양 에너지를 사용할 수 있으며, 실제로도 종종 사용되어 왔다. 그러나 더 멀리 떨어져 있거나 더 높은 출력이 필요한 임무의 경우에는 핵 에너지가 필요하다. 핵을 동력원으로 사용하는 엔진을 원자력 전기 로켓이라고 한다.[60]
현재의 원자력 발전기는 태양으로부터 지구 거리에서 공급되는 와트당 에너지 기준으로 태양 전지판의 대략 절반의 무게를 가진다. 화학적 동력 발전기는 총 가용 에너지가 훨씬 낮기 때문에 사용되지 않는다.[61] NASA와 콜로라도 대학교 볼더에 따르면 우주선으로의 빔 전송 방식이 잠재력을 가지고 있다고 여겨진다.[62][63]
화학, 핵, 태양 에너지 등 현재의 모든 전기 동력원은 생성할 수 있는 최대 전력량을 제한하며, 이는 곧 생성 가능한 추력량을 작은 값으로 제한한다. 전력 생산은 우주선에 상당한 질량을 추가하며, 궁극적으로 동력원의 무게가 차량의 성능을 제한한다.[64]
4. 3. 핵 추진
핵연료는 일반적으로 매우 높은 비에너지를 가지며, 이는 화학 연료보다 훨씬 높아서 단위 질량당 많은 양의 에너지를 생성할 수 있음을 의미한다. 이는 높은 비추력을 가능하게 할 수 있으며, 때로는 높은 추력에서도 가능하므로 우주 비행에 매우 유용하다. 이를 위한 기계 장치는 복잡하지만, 연구를 통해 추진 시스템에 사용하기 위한 방법이 개발되었으며 일부는 실험실에서 테스트되었다.[65]여기서 핵 추진은 핵 전기 로켓처럼 다른 유형의 전기 추진을 위해 원자로가 전력(태양 전지 대신)을 공급하는 것이 아니라, 추진의 근원이 핵이라는 것을 의미한다.
핵 추진 방법에는 다음이 포함된다.
- 핵분열 파편 로켓
- 핵분열 돛
- 핵융합 로켓
- 핵 열 로켓(NTR)
- 핵 펄스 추진
- 핵 염수 로켓
- 방사성 동위원소 로켓
4. 4. 반작용 질량이 없는 추진
일반적인 추진 방식과 달리, 반응 질량을 사용하지 않고 우주선의 운동량을 변화시키는 방법도 연구되고 있다.기존 방식에서는 반동을 얻기 위해 어떤 질량을 기체 내에 축적했지만, 태양광의 복사압에 의해 추진하는 태양 돛과 같은 방식은 에너지를 절약할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 태양 (항성)으로부터 가까운 거리에서만 동력을 얻을 수 있으며, 낼 수 있는 속도에 한계가 있고, 기체의 질량을 가볍게 할 필요도 있다.
- 태양 돛 (솔라 세일)
- 자기 돛 (마그네틱 세일)
- 테더 추진
- * 전기 역학 테더 (EDT)
- * 모멘텀 테더
- * 자기 테더
- 우주 먼지 추진
4. 4. 1. 반작용 휠
반작용 휠은 우주선의 자세 제어를 위해 사용되는 장치이다. 각운동량 보존 법칙에 따라, 우주선은 외부에서 작용하는 힘(알짜힘)이 없을 때 각속도를 유지한다. 따라서 우주선이 연료를 소모하지 않고 자세를 변경하려면, 우주선의 다른 부분이 반대 방향으로 회전해야 한다. 중력이나 대기와 같은 외부 요인으로 인해 각운동량이 하루에 몇 도씩 증가할 수 있는데, 반작용 휠은 이러한 불필요한 회전 에너지를 제거하는 역할을 한다.[1]4. 4. 2. 전자기파 기반 추진
운동량 보존 법칙에 따르면 일반적으로 반응 질량을 사용하지 않는 엔진은 우주선의 질량 중심을 가속할 수 없다고 알려져 있다. 그러나 우주는 비어 있지 않으며, 특히 태양계 내부는 중력장, 자기장, 전자기파, 태양풍, 태양 복사 등이 존재한다.[68] 특히 전자기파는 질량이 없더라도 운동량을 가지고 있다. 구체적으로, EM파의 운동량 플럭스 밀도 '''P'''는 포인팅 벡터 '''S'''의 1/c2배이며, 즉 '''P''' = '''S'''/c2이며, 여기서 c는 빛의 속도이다. 따라서 반응 질량에 의존하지 않는 장 추진 방식은 이러한 사실을 이용하여 우주선 근처에 존재하는 전자기파와 같이 운동량을 전달하는 장에 결합하려고 시도해야 한다. 하지만 이러한 현상 중 많은 수가 본질적으로 확산되어 있기 때문에, 이에 상응하는 추진 구조는 비례적으로 커야 한다.
태양 돛은 전자기 에너지에서 나오는 복사압에 의존하지만, 효과적으로 작동하려면 넓은 표면이 필요하다.[69] E-돛은 전하를 띠는 매우 얇고 가벼운 전선을 사용하여 입자를 굴절시키는 것을 제안하며, 이는 더 제어 가능한 방향성을 가질 수 있다.
자기 돛은 자기장을 이용하여 태양풍으로부터 하전 입자를 굴절시켜 우주선에 운동량을 전달한다.[70] 예를 들어, 소위 Magsail은 태양풍에서의 가속/감속 및 성간 매질에서의 감속을 위해 제안된 대형 초전도 루프이다.[71] 변형으로는 미니 자기권 플라즈마 추진 시스템[72]과 후속 모델인 자력 플라즈마 돛이 있으며,[73] 플라즈마를 낮은 속도로 주입하여 자기장을 강화하여 플라즈마 바람에서 하전 입자를 보다 효과적으로 굴절시킨다.
일본은 2010년 5월에 태양 돛 동력 우주선인 IKAROS를 발사하여 추진 및 유도를 성공적으로 시연했다. 태양 돛 개념의 추가적인 증거로, NanoSail-D는 지구 궤도를 도는 최초의 동력 위성이 되었다.[74] 2017년 8월 현재, NASA는 Sunjammer 태양 돛 프로젝트가 2014년에 완료되었으며 향후 우주 돛 프로젝트에 대한 교훈을 얻었다고 확인했다.[75] 영국 Cubesail 프로그램은 저궤도에서 태양 돛을 시연하는 최초의 임무이자, 태양 돛의 완전한 3축 자세 제어를 시연하는 최초의 임무가 될 것이다.[76]
기존 방식에서는 반동을 얻기 위해 어떤 질량을 기체 내에 축적했지만, 태양광의 복사압에 의해 추진하는 태양 돛 등도 있다. 에너지 절약이라는 장점이 있지만, 태양 (항성)으로부터 가까운 거리에서만 동력을 얻을 수 있으며, 낼 수 있는 속도에 한계가 있을 뿐만 아니라, 기체의 질량을 가볍게 할 필요도 있다.
- 태양 돛 (솔라 세일)
- 자기 돛 (마그네틱 세일)
4. 4. 3. 기타 추진 방식
중력 렌즈는 반응 질량을 소모하지 않고 우주 탐사선을 다른 목적지로 운반하는 추진 방식의 일종이다. 다른 천체의 중력 에너지를 활용하여 우주선이 운동 에너지를 얻을 수 있다.[77] 오베르트 효과를 통해 로켓을 사용하면 중력 보조를 통해 더 많은 에너지를 얻을 수 있다.테더 추진 시스템은 행성의 자기장과 상호 작용하거나 다른 물체와 운동량을 교환하는 방식으로 우주선의 궤도를 변경하기 위해 높은 인장 강도를 가진 긴 케이블을 사용한다.[78]
빔 추진은 반응 질량 없이 추진하는 또 다른 방법으로, 레이저 추진에 의한 레이저, 마이크로파 또는 입자 빔에 의해 밀리는 돛을 포함한다.[79]
4. 5. 첨단 추진 기술
첨단 추진 기술은, 경우에 따라서는 이론적인 수준이지만, 추력을 생성하기 위해 화학적 또는 비화학적 물리학을 사용할 수 있다. 하지만 일반적으로 극복되지 않은 과제와 함께 기술적 성숙도가 낮은 것으로 간주된다.[80] 유인 탐사 및 로봇 탐사 모두에게 태양계 횡단은 시간과 거리와의 싸움이다. 가장 멀리 떨어진 행성은 태양으로부터 45억km~60억km 떨어져 있으며, 합리적인 시간 내에 도달하려면 기존의 화학 로켓보다 훨씬 더 성능이 뛰어난 추진 시스템이 필요하다. 발사 날짜가 유연한 태양계 내부의 빠른 임무는 어렵고, 오늘날의 최첨단을 넘어선 추진 시스템이 필요하다. 달, 화성 또는 지구 근접 천체와 같은 목적지까지 지구 너머의 지속적인 유인 탐사를 지원하는 데 필요한 물류, 즉 전체 시스템 질량은 더 효율적인 우주 추진 기술이 개발되고 배치되지 않으면 엄청나다.[80]공간의 특성, 특히 관성 좌표계 및 진공 상태에 대한 더 깊은 이해가 필요한 다양한 가설적 추진 기술이 고려되었다. 이러한 방법은 매우 추측성이 있으며 다음을 포함한다.
획기적인 추진 물리학 프로그램에 대한 NASA의 평가는 이러한 제안을 추진 목적으로 실행 불가능한 것, 불확실한 잠재력을 가진 것, 그리고 현재 이론에 따르면 불가능하지 않은 것으로 나눈다.[81]
5. 행성 및 대기권 추진
행성 대기 또는 표면을 활용하여 우주선의 속도를 조절하는 방법도 연구되고 있다.
- 공기 제동: 우주선이 궤도의 최저점에서 대기와의 반복적인 접촉을 통해 타원 궤도의 최고점을 줄이는 방법이다.[111] 여러 궤도에 걸쳐 제동이 이루어지므로 가열은 비교적 적으며, 열 차폐가 필요하지 않다. 이는 ''화성 탐사선'', ''2001 화성 오디세이'', ''화성 정찰 궤도선''과 같은 여러 화성 탐사선과 ''마젤란''과 같은 금성 탐사선에서 사용되었다.
- 공기 포획: 들어오는 쌍곡선 궤도를 한 번의 대기 통과로 타원 궤도로 변환하는 방법이다. 열 차폐와 정밀한 항법이 필요하며, 추가적인 추진 기동이 필요하다. 아직 행성 탐사선에서 시도되지는 않았지만, 존드 6호 및 존드 7호가 달 귀환 시 수행한 재진입 스킵이 이와 유사한 기동이었다.
- 밸루트: 공기 주입식 항력 장치이다.[112]
- 낙하산: 열 차폐 후 대기가 있는 행성이나 위성에 탐사선을 착륙시키는 데 사용된다.
- 에어백: 최종 착륙을 부드럽게 하는 데 사용된다.
- 리소브레이킹: 탐사선이 표면에 충돌하여 정지하는 방법으로, 의도적으로 사용될 수도 있다.
5. 1. 발사 지원 메커니즘
궤도 진입 비용을 실질적으로 줄일 수 있는 발사 지원 메커니즘에 대한 많은 아이디어가 제안되었다. 제안된 비로켓 우주 발사 발사 지원 메커니즘은 다음과 같다.[104][105]- 스카이훅 (재사용 가능한 준궤도 발사체 필요, 현재 사용 가능한 재료로는 실현 불가능)
- 우주 엘리베이터 (지구 표면에서 정지 궤도까지의 밧줄, 기존 재료로는 건설 불가)
- 발사 루프 (높이 약 80km의 매우 빠른 폐쇄형 회전 루프)
- 우주 분수 (기저부에서 발사된 질량의 흐름으로 지탱되는 매우 높은 건물)
- 궤도 링 (베어링에서 매달린 스포크가 있는 지구 주위의 링)
- 전자기식 투석기 (레일건, 코일건) (전기식 총)
- 로켓 썰매 발사
- 우주총 (HARP 프로젝트, 램 가속기) (화학적으로 구동되는 총)
- 빔 추진 빔을 통해 지상에서 동력을 공급받는 로켓과 제트기
- 초기 단계를 지원하는 고고도 플랫폼
- 궤도 엘리베이터
- 궤도 비행선
- 스페이스 펀틴
- 초음속 스카이 훅
- 매스 드라이버 (전자기식 캐터펄트, 레일건, 코일건)
- 프로젝트 HARP (램 가속기, 다약실포)
- 레이저 추진 (라이트 크래프트)
5. 2. 공기 흡입 엔진
일반적으로 램제트 또는 터보제트와 같은 기존의 공기 흡입식 엔진은 기본적으로 너무 무거워서(추력/무게 비율이 너무 낮음) 발사체에 장착했을 때 상당한 성능 향상을 제공하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 발사체는 B-29, 페가수스 로켓, 화이트 나이트와 같이 이러한 추진 시스템을 사용하는 별도의 리프트 차량에서 공중 발사될 수 있다. 발사 레일에 장착된 제트 엔진도 이와 같이 사용할 수 있다.반면에, 상승 중 공기를 활용하는 매우 가볍거나 매우 고속의 엔진이 제안되었다.
- SABRE – 예냉기를 갖춘 경량 수소 연료 터보제트[106]
- ATREX – 예냉기를 갖춘 경량 수소 연료 터보제트[107]
- 액체 공기 사이클 엔진 – 로켓 엔진에서 연소하기 전에 공기를 액화하는 수소 연료 제트 엔진
- 스크램제트 – 초음속 연소를 사용하는 제트 엔진
- 슈크램제트 – 스크램제트 엔진과 유사하지만, 연소실에서 항공기에서 생성된 충격파를 활용하여 전반적인 효율성을 높이는 데 도움을 준다.
일반적인 로켓 발사체는 수십 킬로미터 고도에서 옆으로 연소하여 궤도에 진입하기 전에 거의 수직으로 비행한다. 이 초기 수직 상승은 추진제를 낭비하지만 공기 저항을 크게 줄이므로 최적이다. 공기 흡입식 엔진은 추진제를 훨씬 더 효율적으로 연소하며, 이는 훨씬 더 평평한 발사 궤도를 가능하게 한다. 차량은 일반적으로 대기권을 벗어날 때까지 지구 표면에 접선 방향으로 비행한 다음 로켓 연소를 수행하여 최종 델타-V를 궤도 속도로 연결한다.
이미 매우 낮은 궤도에 있는 우주선의 경우, 공기 흡입식 전기 추진은 대기 상층의 잔류 가스를 추진제로 사용할 수 있다. 공기 흡입식 전기 추진은 지구, 화성 또는 금성에서 장기간 운용되는 새로운 종류의 저궤도 임무를 가능하게 할 수 있다.[108][109]
5. 3. 행성 착륙 및 귀환
목적 행성의 궤도에 진입하거나 착륙할 때, 우주선은 속도를 조절해야 한다.[110] 이는 위에 나열된 모든 방법(충분한 추력을 생성할 수 있는 경우)을 사용하여 수행할 수 있지만, 행성 대기 및/또는 표면을 활용할 수 있는 방법도 있다.- 공기 제동은 우주선이 궤도의 최저점에서 대기와의 반복적인 접촉을 통해 타원 궤도의 최고점을 줄일 수 있게 해준다.[111] 이는 저궤도에 진입하는 것보다 타원 궤도에 진입하는 데 델타-V가 훨씬 적게 필요하기 때문에 상당한 양의 연료를 절약할 수 있다. 제동은 여러 궤도에 걸쳐 이루어지므로 가열은 비교적 작으며, 열 차폐가 필요하지 않다. 이는 ''화성 탐사선'', ''2001 화성 오디세이'', ''화성 정찰 궤도선''과 같은 여러 화성 탐사선, 그리고 적어도 하나의 금성 탐사선인 ''마젤란''에서 수행되었다.
- 공기 포획은 훨씬 더 공격적인 기동으로, 들어오는 쌍곡선 궤도를 한 번의 통과로 타원 궤도로 변환한다. 이는 한 번의 대기 통과로 완료되어야 하고, 공기 제동과는 달리 대기를 미리 볼 수 없기 때문에 열 차폐와 더 제어된 항법이 필요하다. 궤도에 남아 있으려면, 공기 포획 후 최소 한 번의 추진 기동이 더 필요하다. 그렇지 않으면 결과 궤도의 최저점이 대기에 남아 결국 재진입이 발생할 것이다. 공기 포획은 아직 행성 탐사선에서 시도되지 않았지만, Zond 6 및 Zond 7이 달 귀환 시 수행한 재진입 스킵은 쌍곡선 궤도를 타원 궤도로 바꾸었기 때문에 공기 포획 기동이었다. 이 탐사선에서는 공기 포획 후 원지점을 올리려는 시도가 없었기 때문에, 결과 궤도는 여전히 대기와 교차했고, 다음 원지점에서 재진입이 발생했다.
- 밸루트는 공기 주입식 항력 장치이다.[112]
- 낙하산은 보통 대기가 속도의 대부분을 줄인 후에 열 차폐를 사용하여 대기가 있는 행성 또는 위성에 탐사선을 착륙시킬 수 있다.
- 에어백은 최종 착륙을 부드럽게 할 수 있다.
- 리소브레이킹 (표면에 충돌하여 정지)은 일반적으로 사고로 발생한다. 그러나 탐사선이 생존할 것으로 예상되는 경우 의도적으로 수행될 수도 있다(예: 딥 임팩트 우주선 참조). 이 경우 매우 튼튼한 탐사선이 필요하다.
6. 각 추진 방법 비교
속도 (km/s)
지속 시간
델타-v (km/s)
준비 레벨
전기 추진 (FEEP)
0.1 AU에서 908/km2
4 ly에서 10−10/km2
추진기 (MPD)
자기 플라즈마 로켓
(VASIMR)
증폭 추진기 (MOA)
핵 펄스 추진)
(데달러스 계획' 추진기)
핵 펄스 추진
속도 (km/s)
지속 시간
델타-v (km/s)
준비 레벨
