비로켓 우주 발사는 로켓을 사용하지 않고 우주로 물체를 발사하는 다양한 기술을 의미한다. 이러한 기술들은 역사적 배경을 가지며, 소모성 로켓을 포함한 다른 발사 방식과 비교된다. 비로켓 발사 방식에는 정적 구조물(우주 엘리베이터, 우주 타워), 인장 구조물(스카이훅, 우주 엘리베이터, 대기권 내 테더), 동적 구조물, 우주 분수, 궤도 링, 발사 루프, 팽창식 독립 타워 등이 있다. 이 외에도 발사체 발사기(전자기 가속, 매스 드라이버, 스타트램, 우주총, 램 가속기, 폭발파 가속기, 슬링아톤, 스핀런치), 공중 발사, 우주왕복선, 기구, 하이브리드 발사 시스템 등 다양한 방식이 연구되고 있다. 이러한 기술들은 발사 효율을 높이기 위해 여러 방식을 결합하기도 한다.
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비로켓 우주 발사
비로켓 우주 발사
개요
로켓을 사용하지 않고 우주로 물체를 발사하는 다양한 방법들을 총칭함
개념 및 접근 방식
일반적인 설명
로켓 기술의 대안으로 연구됨 높은 비용, 낮은 발사 빈도, 로켓 발사의 환경적 영향과 관련된 문제 해결을 목표로 함
주요 접근 방식
운동 에너지 전달 전자기 가속 구조물 기반 접근 방식 공기 역학적 접근 방식 레이저 추진
운동 에너지 전달
스페이스 건 (Space Gun)
매우 큰 총을 사용하여 발사체를 궤도로 쏘아 올림 줄 베른의 소설 《지구에서 달까지》에 묘사됨 높은 가속력으로 인해 사람이나 민감한 화물에는 적합하지 않음
램 가속기 (Ram Accelerator)
화학 추진을 사용하여 발사체를 극초음속으로 가속 스페이스 건의 대안으로 연구됨
회전식 케이블 (Rotating Tethers)
회전하는 긴 케이블을 사용하여 발사체를 우주로 던져 올림 스카이훅 (Skyhook)과 같은 개념이 있음
질량 운반 장치 (Mass Drivers)
선형 모터를 사용하여 발사체를 가속 달 표면에서 자원을 우주로 운반하는 데 사용될 수 있음
전자기 가속
레일건 (Railgun)
전자기력을 사용하여 발사체를 가속 높은 에너지가 필요하며, 발사체 손상 가능성이 있음
코일건 (Coilgun)
전자기 코일을 사용하여 발사체를 가속 레일건보다 효율적일 수 있지만, 복잡성이 높음
마이크로파 추진 (Microwave Propulsion)
지상에서 마이크로파를 발사체에 집중시켜 추진력을 얻음 에너지 전달 효율성이 중요함
구조물 기반 접근 방식
스페이스 엘리베이터 (Space Elevator)
지구 표면에서 정지 궤도까지 케이블을 연결하여 엘리베이터처럼 화물을 운반 케이블 재료 강도와 안전성이 주요 과제
스페이스 타워 (Space Tower)
매우 높은 타워를 건설하여 높은 고도에서 발사 스페이스 엘리베이터의 대안으로 연구됨
궤도 링 (Orbital Ring)
지구를 둘러싸는 거대한 링 구조물을 건설하여 화물을 지지 기술적, 경제적 실현 가능성이 낮음
공기 역학적 접근 방식
스페이스 플레인 (Space Plane)
활주로에서 이륙하여 궤도에 도달하는 항공기 재사용이 가능하며, 기존 로켓보다 유연성이 높음
궤도 간 항공기 (Transatmospheric Vehicles)
대기권과 우주를 모두 비행할 수 있는 항공기 극초음속 기술과 로켓 기술을 결합
레이저 추진
레이저 어블레이션 (Laser Ablation)
레이저를 사용하여 추진제를 가열하고 폭발시켜 추진력을 얻음 높은 에너지 효율과 정밀한 제어가 필요함
레이저 열 추진 (Laser Thermal Propulsion)
레이저를 사용하여 추진제를 가열하여 추진력을 얻음 레이저 어블레이션보다 효율적일 수 있지만, 더 높은 에너지가 필요함
과제 및 고려 사항
기술적 과제
재료 과학, 에너지 효율, 안전성, 비용 효율성 등이 주요 과제 대부분의 비로켓 발사 방식은 아직 개념 단계에 머물러 있음
경제적 고려 사항
초기 투자 비용이 매우 높을 수 있음 장기적인 운영 비용 절감 가능성을 고려해야 함
환경적 영향
로켓 발사보다 환경 친화적일 수 있지만, 에너지 소비와 오염 가능성을 고려해야 함
미래 전망
연구 개발
다양한 비로켓 발사 방식에 대한 연구 개발이 진행 중 새로운 재료와 기술 발전이 필요함
상업적 가능성
비로켓 발사 방식이 상용화되면 우주 접근 비용을 크게 절감할 수 있음 우주 관광, 자원 채굴 등 새로운 산업 분야를 개척할 수 있음
2. 역사적 배경
로켓을 사용하지 않는 우주 발사 방식에 대한 아이디어는 20세기 초부터 제시되었다. 콘스탄틴 치올코프스키는 1895년에 우주 엘리베이터에 대한 개념을 처음으로 제안했다. 쥘 베른은 1865년 소설 《지구에서 달까지》에서 대포를 이용하여 우주선을 발사하는 아이디어를 제시했다.[1] 로켓을 사용하지 않는 방식의 대부분은 대포나 투석기와 유사한 개념을 이용한 것이다.[1]
로켓 엔진을 사용하지 않는 방식을 추구하는 주요 동기는 발사 경비 절감이다. 현재 궤도에 물체를 투입하는 데 드는 비용은 물체의 질량 1 파운드당 10000USD에서 25000USD로 추산된다.[1]
1865 year|쥘 베른의 소설 지구에서 달까지. 뉴턴의 대포알은 1728년 책 세계 체계론에서 사고 실험으로 간주됨[17]영어
0.5
450
200[18]
6
우주 활주로
1979[19]
1-2[20]
0.25[21]-250[20]
램 가속기
2004
6
스핀런치[22]
2022
6
슬링어트론[23][24]
1998[25]
100
2~4
4. 정적 구조물
"정적"이라는 용어는 시스템 구조 내부에 움직이는 부품이 없다는 것을 의미한다.[26]
4. 1. 우주 타워
우주 공간에 도달하는 타워를 말한다. 궤도 속도로 발사된 차량이 근지점을 높여야 하는 즉각적인 필요성을 피하기 위해, 타워는 우주의 경계(100 km 카르만 선 이상)를 넘어 확장되어야 한다.[26] 그러나 훨씬 낮은 타워 높이로 상승 중의 대기 항력 손실을 줄일 수 있다. 타워가 대략 35999km에 달하는 정지 궤도까지 뻗어 있다면, 그러한 높이에서 방출된 물체는 최소한의 동력으로 이동할 수 있으며 원형 궤도에 있게 된다. 정지 궤도에 도달하는 구조물에 대한 개념은 콘스탄틴 치올코프스키에 의해 처음 구상되었다.[27]
치올코프스키가 구상한 원래의 개념은 압축 구조였다. 지상에서 압축 구조를 건설하는 것은, 그러한 조건에서 자체 무게를 지탱할 만큼 충분한 압축 강도를 가진 재료가 존재하지 않아 비현실적인 작업임이 입증되었다.[28]
다른 아이디어는 발사체의 요구 사항을 줄이기 위해 매우 높은 압축 타워를 사용한다. 차량은 타워를 따라 "상승"하며, 타워는 대기를 넘어 확장될 수 있으며 꼭대기에서 발사된다. 20km의 근우주 고도에 접근하기 위한 그러한 높은 타워가 다양한 연구자들에 의해 제안되었다.[29][30]
2019년 현재 다양한 방식이 제안되었지만, 어느 것도 실용화에 이르지 못했다.
4. 2. 인장 구조물
인장 구조물은 매우 길고 강한 케이블(탯줄)을 사용하여 탑재체를 우주로 들어 올리는 방식이다. 탯줄은 우주에 진입한 후 궤도를 변경하는 데에도 사용될 수 있다.
궤도 탯줄은 조석 고정(스카이훅) 또는 회전(로토베이터) 방식이 있을 수 있으며, 탑재체가 정지해 있거나 극초음속(높지만 궤도 속도는 아님)일 때 탑재체를 들어 올리도록 설계할 수 있다. 대기권 내 탯줄은 대형 일반 항공기(아음속 또는 낮은 초음속) 등과 소형 공기역학적 차량 사이에서 운동 에너지를 전달하여 특이한 추진 시스템 없이 극초음속 속도로 추진하는 데 사용된다.
2019년 현재 다양한 방식이 제안되었지만, 어느 것도 실용화에 이르지 못했다.
4. 2. 1. 스카이훅
스카이훅은 탑재물을 고고도 및 고속으로 들어 올리기 위해 고안된 이론적인 궤도 테더 추진 방식이다.[31][32] 회전형 스카이훅은 극초음속으로 회전하는 테더를 사용하여 고속 탑재물 또는 고고도 항공기를 포획하고 궤도에 배치하는 방식을 포함한다.[33]
우주 엘리베이터는 제안된 우주 수송 시스템의 한 형태이다.[34] 주요 구성 요소는 지구 표면에 고정되어 정지 궤도 위 우주 공간까지 뻗어 있는 리본 모양의 케이블(테더라고도 함)이다. 행성이 회전함에 따라 테더 상단에서 발생하는 원심력은 중력에 반작용하여 케이블을 팽팽하게 유지한다. 그러면 차량은 테더를 타고 로켓 추진 없이 궤도에 도달할 수 있다.
이러한 케이블은 지구 표면에 접근할 때 케이블 직경을 충분히 빠르게 가늘게 함으로써 장력 하에서 자체적으로 지지할 수 있는 모든 재료로 만들 수 있다. 그러나 지구는 상대적으로 강한 중력을 가지고 있어 현재 재료는 충분히 강하고 가볍지 않다. 기존 재료를 사용하면 테이퍼 비율이 매우 커야 하며, 총 발사 질량이 재정적으로 실행 불가능한 수준으로 증가한다. 그러나 탄소 나노 튜브 또는 질화 붕소 나노튜브 기반 재료가 테더 설계의 인장 요소로 제안되었다. 측정된 강도는 선형 밀도에 비해 높다. 이들은 지구 기반 우주 엘리베이터를 가능하게 하는 재료로서 유망성을 가지고 있다.[35]
랜디스와 카페렐리는 정지 궤도에서 아래로 뻗어 있는 인장 구조("우주 엘리베이터")를 표면에서 위로 뻗어 있는 압축 구조("치올코프스키 타워")와 결합하여 표면에서 정지 궤도에 도달하고 개별적으로 구조적 이점을 갖는 결합된 구조를 형성할 수 있다고 제안했다.[28]
우주 엘리베이터 개념은 다른 행성 및 천체에도 적용할 수 있다. 달 또는 화성과 같이 지구보다 약한 중력을 가진 태양계의 위치의 경우, 테더 재료에 대한 강도 대 밀도 요구 사항이 그리 크지 않다. 현재 사용 가능한 재료(예: 케블라)는 그곳의 엘리베이터에 대한 테더 재료 역할을 할 수 있다.
4. 2. 3. 대기권 내 테더
KITE 발사기 — 차량에 운동량 전달
대기권 내 궤도 발사체는 궤도에 도달하는 데 필요한 속도의 일부 또는 전부를 제공하기 위해 대기권 내의 긴 케이블을 사용한다. 이 케이블은 (일반적으로 크고 아음속 또는 낮은 초음속 항공기인) 거대하고 느린 끝단에서 공기역학 또는 원심력을 통해 초고속 끝단으로 운동 에너지(에너지 및 운동량)를 전달하는 데 사용된다. ''Kinetics Interchange TEther(KITE) 발사기''는 제안된 대기권 내 궤도 발사체 중 하나이다.[14]
5. 동적 구조물
동적 구조물은 구조물의 지지를 위해 운동량을 이용하는 시스템이다.
1982년 ''영국성간학회지''에 게재된 기사에서[13] 폴 버치는 궤도 고리 시스템의 개념을 제시했다. 그는 낮은 지구 궤도에 배치된 회전 케이블을 제안했으며, 이는 궤도 속도보다 약간 빠르게 회전한다. 궤도에 있는 것이 아니라, 이 고리 위를 타고, 초전도 자석으로 전자기적으로 지지되는 링 스테이션은 지구상의 지정된 지점 위에 한 자리에 머문다. 이 링 스테이션에서 아래로 늘어진 것은 인장 강도 대 질량 비율이 높은 케이블로 만들어진 짧은 우주 엘리베이터이다. 버치는 링 스테이션이 밧줄을 지지하는 것 외에도 궤도 고리를 동쪽으로 가속하여 지구 주위를 세차운동하게 할 수 있다고 주장했다.
1982년 벨라루스 발명가 아나톨리 유니츠키는 지구를 둘러싸는 전자기 트랙을 제안했으며, 이를 "스트링 수송 시스템"이라고 불렀다. 스트링의 속도가 10 km/초를 초과하면 원심력이 스트링을 지구 표면에서 분리하여 고리를 우주로 들어올릴 것이다.[38]
동적 구조물의 예시로는 우주 분수, 궤도 링, 발사 루프, 팽창식 독립 타워 등이 있다.
5. 1. 우주 분수
하이드 디자인 우주 분수
우주 분수는 정지 궤도에 있을 필요가 없고, 인장 강도에 의존하지 않는 우주 엘리베이터의 한 형태이다. 기존의 우주 엘리베이터 설계(묶인 위성)와는 대조적으로, 우주 분수는 지면에서 뻗어 올라가는 엄청나게 높은 탑이다. 그렇게 높은 탑은 기존의 재료로는 자체 무게를 지탱할 수 없기 때문에, 거대한 펠릿을 탑 바닥에서 위로 발사하여 꼭대기에 도달하면 다시 아래로 방향을 바꾸어 탑 꼭대기를 떠받치도록 한다.[36]
5. 2. 궤도 링
궤도 링은 낮은 지구 궤도에 매달린 거대한 인공 고리 형태의 개념이다. 지상으로 늘어진 고정된 밧줄을 가지며 궤도 속도보다 약간 빠르게 회전한다.
5. 3. 발사 루프
발사 루프는 벨트 기반의 자기 부상 궤도 발사 시스템이다. 자기 부상 수송 기술을 이용하여 차량을 가속시켜 지구 궤도 또는 그 너머로 발사한다. 최대 3g 가속으로 우주 관광, 우주 탐사 및 우주 식민지화에 적합하다.
5. 4. 팽창식 독립 타워
저밀도 가스 혼합물로 팽창된 고강도 재료(예: 케블라) 튜브형 기둥으로 구성된 독립형 타워는 자이로스코프와 "압력 균형"을 포함한 동적 안정화 시스템을 갖추고 있다.[40] 다른 우주 엘리베이터 디자인과 비교했을 때, 이 디자인은 긴 구조물 길이로 작업할 필요가 없고, 궤도가 아닌 지상에서 건설하며, 디자인의 실용적인 범위 내에서 전체 고도에 접근할 수 있다는 장점이 있다. 제시된 디자인은 해발 5km에서 20km까지 확장되며, 저자들은 이 접근 방식이 200km 이상의 고도까지 확장될 수 있다고 제안한다.
이러한 타워의 주요 어려움은 길고 가늘기 때문에 좌굴이 발생할 수 있다는 점이다.
6. 발사체 발사기
발사체 발사기는 지면 근처 또는 지상에서 빠른 속도를 제공한다. 궤도에 진입하기 위해서는 발사체가 대기를 뚫고 나갈 수 있을 만큼 충분한 추가 속도를 얻어야 하며, 추가 추진 시스템(예: 로켓)을 포함하지 않는 이상 이 조건을 만족해야 한다. 또한 발사체는 궤도 진입을 수행하기 위한 내부 또는 외부 수단을 필요로 한다. 이러한 발사 방식은 전기 구동 방식, 화학 구동 방식, 기계 구동 방식의 세 가지 범주로 나뉜다.
로켓 엔진을 사용하지 않는 비로켓 우주 발사 방식은 발사 비용 절감을 목표로 한다. 현재 궤도에 물체를 투입하는 데 드는 비용은 물체 질량 1 파운드당 10,000 달러에서 25,000 달러로 추산된다.[5] 이러한 방식의 대부분은 대포나 투석기와 유사한 개념을 이용하며, 2019년 기준으로 실용화된 것은 아직 없다.
6. 1. 전자기 가속
전자기 발사 시스템은 선형 전기 모터를 사용하여 발사체를 가속하는 방식이다. 전기 발사 시스템에는 매스 드라이버, 레일건, 코일건이 있으며, 이들은 모두 고정식 발사 트랙을 통해 발사체를 가속한다. 1903년에 최초로 소모성 로켓이 등장하였고,[5][6] 1865년에는 우주 총이 최초로 설명되었다.[16] 2001년에는 스타트램이 최초로 설명되었다.[15]
본질적으로 매스 드라이버는 화물을 궤도 또는 준궤도 속도로 가속하기 위한 매우 길고 주로 수평으로 정렬된 발사 트랙 또는 터널이다. 이 개념은 1950년에 아서 C. 클라크에 의해 제안되었으며,[41] 우주 연구소와 함께 일하면서 달에서 물질을 발사하기 위한 매스 드라이버의 사용에 초점을 맞춘 제라드 K. 오닐에 의해 더 자세히 개발되었다.
매스 드라이버는 어떤 종류의 반발력을 사용하여 화물을 트랙 또는 벽에서 분리한다. 그런 다음 선형 모터(코일건과 같은 교류 모터 또는 레일건과 같은 단극 모터)를 사용하여 화물을 고속으로 가속한다. 발사 트랙을 떠난 후 화물은 발사 속도에 도달하게 된다. 2019년 현재 다양한 방식이 제안되었지만, 어느 것도 실용화에 이르지 못했다.
달 기지 발사대(예술가의 상상도).
레일건의 전기역학적 상호 작용.
런치 루프
스타트램의 개념
6. 1. 2. 스타트램
스타트램(StarTram)은 질량 가속기를 사용하여 차량을 직접 우주로 발사하는 제안이다. 차량은 초전도 자석과 알루미늄 터널 벽 사이의 자기 부상 반발력으로 부상하며, 알루미늄 코일에서 발생하는 교류 자기 드라이브에 의해 가속된다. 필요한 전력은 터널을 따라 분산된 초전도 에너지 저장 장치에서 공급될 것이다. 차량은 저궤도 또는 정지 궤도 높이까지 활공할 수 있으며, 궤도를 원형으로 만들기 위해 소형 로켓 엔진 연소가 필요하다.[15][42][43]
화물 전용 1세대 시스템은 산 정상에서 10–20 Gs로 가속하여 발사된다. 승객에게는 적합하지 않지만, 킬로그램당 40USD로 로켓보다 100배 저렴하게 화물을 궤도에 올릴 수 있다.
승객 수송이 가능한 2세대 시스템은 2 Gs로 가속하며, 더 긴 거리를 가속한다. 차량은 케블라(Kevlar) 끈으로 고정되고 터널과 지상의 초전도 케이블 사이의 자기 반발력에 의해 지지되는 진공 터널에서 20km 고도로 대기권에 진입한다. 1~2세대 시스템 모두 차량 가속 중에는 튜브 입구가 열려 있으며, 자기유체역학 펌핑으로 공기를 차단한다.[15][42][43]
로켓 엔진을 사용하지 않는 비로켓 우주 발사 방식은 발사 비용을 절감하는 것을 목표로 한다. 현재 궤도에 물체를 투입하는 데 드는 비용은 1 파운드당 10000USD에서 25000USD로 추산된다. 하지만, 이러한 방식들은 대부분 구상 단계에 머물러 있거나 지상 시험 단계에 있으며, 2019년 기준으로 실용화된 것은 아직 없다. 비로켓 우주 발사 방식은 대포나 투석기와 유사한 개념을 이용하는 경우가 많다.
6. 2. 1. 우주총
우주총(space gun)은 거대한 총이나 대포를 사용하여 물체를 우주로 발사하는 방법이다. 쥘 베른은 소설 ''지구에서 달까지''에서 그러한 발사 방법을 제안했고, 1902년에는 영화 ''달세계 여행''으로 각색되었다.
Project HARP, 우주총의 시제품
하지만 지구 지각과 대류권을 관통하는 "총신"을 사용하더라도, 탈출 속도를 생성하는 데 필요한 g-force는 인간이 견딜 수 있는 수준을 훨씬 초과할 것이다. 따라서 우주총은 화물과 내구성이 강화된 인공위성에만 제한적으로 사용될 것이다. 또한, 발사체는 궤도에서 안정화하기 위한 내부 또는 외부 수단을 갖춰야 한다.
총 발사 개념은 항상 연소를 사용하지는 않는다. 공압 발사 시스템에서는 지상 기반 터빈 또는 기타 수단으로 생성된 공기 압력에 의해 긴 튜브에서 발사체가 가속된다. 경가스총에서는 가스 내 음속을 최대화하기 위해 가벼운 분자량을 가진 가스가 가압제로 사용된다.
그린 론치(Green Launch)의 존 헌터는 무인 페이로드를 정기 발사 비용보다 저렴하게 궤도로 발사하기 위해 '수소총'을 사용할 것을 제안한다.
6. 2. 2. 램 가속기
램 가속기는 '우주 총'과 마찬가지로 화학 에너지를 사용하지만, 램제트 및/또는 스크램제트 연소 과정을 활용하는 제트 엔진과 유사한 추진 사이클에 의존하여 발사체를 극도로 빠른 속도로 가속한다는 점에서 완전히 다르다. 램 가속기는 가스를 담을 수 있도록 양쪽 끝에 파열 가능한 격막이 있는 가연성 가스 혼합물로 채워진 긴 튜브이다. 램 제트 코어 모양의 발사체는 다른 수단(예: 위에 논의된 우주 총)에 의해 초음속으로 첫 번째 격막을 통해 튜브 끝으로 발사된다. 그런 다음 가스를 연료로 연소시켜 제트 추진력으로 튜브 아래로 가속한다. 더 높은 속도에서는 다른 물리학이 작용한다.
6. 2. 3. 폭발파 가속기
폭발파 가속기는 우주총과 유사하지만, 가속도를 높게 유지하기 위해 포신 길이를 따라 위치한 폭발성 고리들이 순차적으로 폭발한다는 점에서 차이가 있다. 또한, 발사체 후방의 압력에만 의존하는 대신, 폭발파 가속기는 뾰족한 끝을 쥐어 펌킨 씨를 쏘는 것처럼, 발사체의 테일 콘을 압착하도록 폭발 시점을 조절한다.[1]
6. 3. 기계식 발사
로켓 엔진을 사용하지 않고 물체를 궤도에 투입하는 다양한 방식이 제안되었지만, 대부분 구상 단계이거나 지상 시험 단계에 머물러 있다. 이러한 방식은 발사 비용 절감을 목표로 하며, 대포나 투석기와 유사한 개념을 이용하는 경우가 많다. 현재 궤도에 물체를 투입하는 비용은 물체 질량 1 파운드당 10,000 달러에서 25,000 달러로 추산된다.[5]
이러한 발사체는 지면 근처 또는 지상에서 빠른 속도를 제공하며, 궤도 진입을 위해서는 추가 속도가 필요하다. 또한 궤도 진입을 위한 내부 또는 외부 수단이 필요하다. 발사 방식은 전기 구동, 화학 구동, 기계 구동의 세 가지로 나눌 수 있다.
6. 3. 1. 슬링아톤
슬링아톤에서, 발사체는 일반적으로 원형 또는 나선형 턴, 또는 이 기하학적 형태의 조합을 2차원 또는 3차원으로 가지는 단단한 튜브 또는 트랙을 따라 가속된다.[23][44] 발사체는 튜브의 방향을 변경하지 않고, 즉 전체 튜브가 회전하지만 회전하지 않으면서, 일정한 또는 증가하는 주파수의 작은 진폭 원형 운동으로 전체 튜브를 추진하여 곡선 튜브 내에서 가속된다. 이러한 운동의 일상적인 예는 용기를 잡고 작은 수평 원으로 움직여서 내용물이 회전하게 하지만, 용기 자체를 회전시키지 않고 음료를 젓는 것이다.
이 회전 운동은 튜브를 발사체에 작용하는 구심력의 방향을 따라 성분으로 지속적으로 변위시켜, 기계를 통과함에 따라 발사체에 지속적으로 일을 한다. 발사체가 경험하는 구심력은 가속력이며, 발사체 질량에 비례하고 트랙의 곡률 반경에 반비례한다.
슬링아톤은 현재 사용 가능한 재료(예: 다이니마)로 만들어진 회전하는 테더를 기반으로 하는 유사한 원형 발사기보다 훨씬 더 높은 속도를 낼 수 있다. 회전하는 테더의 최대 팁 속도는 그 절대적인 크기와 관계없이 재료의 강도 대 무게 비율에 의해 제한된다. 테더는 발사체의 질량뿐만 아니라 구심 가속도 하에서 자체 질량을 지지해야 하기 때문이다. 슬링아톤에서 발사체의 원심력은 대신 필요한 만큼 질량이 큰 비회전 구조로 반응한다.
실제로 가이드 튜브와 초고속 발사체 사이에서 이 힘을 가하는 것은 슬링아톤의 주요 기술적 과제 중 하나이다. 슬링아톤의 발명가인 데릭 A. 티드만 박사는 초기 논문에서 마찰을 제거하기 위해 발사체가 진공 튜브 내에서 자기 부상으로 지지되어야 한다고 가정했다. 나중에 티드만은 대신 절제 표면이 있는 발사체가 가이드 튜브 벽에 직접 미끄러질 수 있다고 제안했다. 고속에서 기화된 발사체 표면은 발사체가 따라갈 가스 쿠션을 형성하여 마찰을 최소화한다. 그는 마찰로 손실되는 에너지의 대부분이 가이드 튜브를 침식하기보다는 어블레이터를 기화하는 데 사용될 것이라고 예측하여 슬링아톤이 배럴 마모 측면에서 경 가스 건과 비교할 만하다고 예상했다.
이러한 마찰이 주어진 발사체 질량과 발사 속도에 대해 슬링아톤의 최소 크기를 결정한다. 주어진 속도에서 더 작은 트랙은 발사체가 더 높은 구심 가속도를 경험하게 하여 트랙에 더 세게 누르고 마찰을 증가시킨다. 마찰이 너무 높으면 발사체가 가속할 수 없다. 또한 단순한 회전 테더와 동일한 팁 속도 제한을 받기 때문에 트랙의 회전 운동의 진폭을 증가시킬 수도 없다. 그러나 티드만의 분석에 따르면, 6km/s(궤도 속도의 약 80%)로 454g 발사체를 발사하는 슬링아톤은 가로 11.2m까지 작을 수 있지만,[45] 10,000 rpm 이상에서는 이러한 발사기는 일부 하드 드라이브보다 빠른 회전 속도를 가져야 한다.
티드만의 모든 후기 슬링아톤 설계는 원형 트랙 대신 나선형 트랙을 사용한다. 발사체는 중앙에서 시작하여 트랙이 일정한 속도로 회전하면서 바깥쪽으로 이동함에 따라 여러 번 회전하면서 가속된다. 이렇게 하면 발사체가 위상을 유지할 뿐만 아니라, 모터에 충분한 전력이 있으면 기계가 분당 한 번씩 발사체를 발사하는 급속 발사 모드로 작동할 수 있다. 티드만은 2019년에 사망했다.[46]
6. 3. 2. 스핀런치
스핀런치는 원심 분리기의 팔에 탑재체를 가속하여 우주로 발사하는 운동 에너지 발사 시스템을 개발하고 있다.
6. 4. 공중 발사
공중 발사 방식은 운반 항공기가 우주 발사체를 고고도 및 고속으로 운반한 후 발사하는 기술이다. 이 기술은 준궤도 비행체인 X-15와 스페이스쉽원, 그리고 페가수스 궤도 발사체에 사용되었다.
주요 단점으로는 운반 항공기가 상당히 커지는 경향이 있으며, 초음속 기류 속에서 분리하는 기술이 아직 시연된 적이 없다는 점과, 제공되는 추력이 상대적으로 적다는 점이 있다.
6. 5. 우주왕복선
NASA의 X-43A 극초음속 항공기. 스크램제트가 하단에 부착된 모습이다.
우주왕복선은 우주의 경계를 넘도록 설계된 항공기이다. 항공기의 일부 기능과 우주선의 일부 기능을 결합하며, 일반적으로 공기역학적 표면과 하나 이상의 로켓 엔진을 갖추고 있다. 때로는 추가적인 공기 흡입 추진 장치를 갖춘 우주선의 형태를 취하기도 한다.
초기 우주왕복선은 X-15와 같이 극초음속 비행을 탐구하는 데 사용되었다.[47]
스크램제트나 펄스 데토네이션 엔진을 기반으로 하는 일부 공기 흡입 엔진 기반 설계는 궤도 속도를 달성하거나 근접할 수 있다. 그러나 이러한 설계는 대기권으로 재진입하는 것을 막기 위해 궤도를 원형으로 만들기 위한 최종 로켓 연소가 필요하다. 사일론과 같이 프리쿨 제트 엔진을 사용하여 마하 5.5까지 도달한 후 로켓을 사용하여 궤도에 진입하는 재사용 가능한 터보제트형 설계는 순수 로켓보다 더 큰 탑재량을 허용하면서 단일 단계로 궤도에 진입할 수 있는 질량 예산을 가진 것으로 보인다.
7. 풍선
기구는 로켓의 초기 고도를 높일 수 있다. 하지만 기구는 비교적 적은 탑재량을 가지며(단, 저고도에서 사용하기 위한 대형 기구인 스카이 캣 프로젝트 참조), 고도가 높아질수록 이 탑재량은 더욱 감소한다.
들어 올리는 기체는 헬륨 또는 수소가 될 수 있다. 헬륨은 대량으로 사용할 경우 비쌀 뿐만 아니라 비재생 자원이기도 하다. 이 때문에 기구는 발사 지원 기술로 사용하기에 비용이 많이 든다. 수소는 헬륨보다 저렴하고 가볍다는 장점이 있지만 가연성이 높다는 단점도 있다. 기구에서 발사하는 로켓, 즉 "로쿤"의 시연이 있었지만, 현재까지는 준궤도("사운딩 로켓") 임무에만 사용되었다. 궤도 발사체를 들어 올리는 데 필요한 기구의 크기는 매우 클 것이다.
JP 에어로스페이스는 "프로젝트 탠덤"으로 기구 발사 플랫폼의 프로토타입을 제작했지만[48] 로켓 발사체로 사용되지는 않았다. JP 에어로스페이스는 또한 극초음속의 공기보다 가벼운 상단을 제안한다. 스페인 회사인 제로투인피니티는 로쿤 개념을 기반으로 한 블루스타라는 발사 시스템을 공식적으로 개발 중이며, 2018년에 가동될 예정이었다.[49]
제라드 K. 오닐은 매우 큰 기구를 사용하면 성층권에 우주 기지를 건설하는 것이 가능할 것이라고 제안했다. 로켓이 이곳에서 발사되거나 질량 가속기를 사용하여 탑재물을 궤도로 가속할 수 있다.[50] 이는 대부분(약 90%)의 대기가 우주 기지 아래에 있다는 장점이 있다. 스페이스샤프트는 화물을 근우주 고도로 들어 올리는 시스템으로, 여러 고도에 플랫폼이 분산되어 중간 지구 대기 및 근우주 고도에서 장기적인 인간 활동을 위한 우주 거주 시설을 제공하는 대기 부유 구조의 제안된 버전이다.[51][52][53] 우주 발사의 경우, 상단에서 발사되는 로켓의 비로켓 1단계 역할을 할 것이다.[53]
8. 하이브리드 발사 시스템
여러 기술을 결합하여 발사 효율을 높일 수 있다. 2010년, NASA는 미래의 스크램제트 항공기가 전자기 또는 기타 썰매 발사 지원을 통해 300m까지 가속될 수 있다고 제안했다. 이는 램제트 엔진이 무풍속에서 시동할 수 없는 문제에 대한 해결책이다. 또한, 위성을 궤도에 투입하는 2단계 로켓을 공중 발사할 수 있다.[54]
NASA의 개념도. 전자기 발사 지원(가상의 케네디 우주 센터 트랙), 스크램제트 항공기, 궤도 진입 후 사용할 로켓을 운반하는 공중 발사의 세 가지 기술을 결합했다.
지구 저궤도로 발사하는 모든 형태의 발사체는 최소한 부분적으로 하이브리드 시스템이다. 최소한 원지점을 높이기 위한 총 델타-v의 약 1.5%(예: 작은 로켓 연소)가 필요한 궤도 원형화를 요구하거나, 일부 개념에서는 지상 가속기 개발을 쉽게하기 위해 로켓 추진기를 사용하여 훨씬 더 많은 델타-v를 필요로 하기 때문이다.[15]
일부 기술은 독립적으로 사용될 경우 기하급수적으로 확장될 수 있으며, 결합 효과는 직관적이지 않은 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 270m는 지구 저궤도 속도의 4% 미만이지만, NASA 연구에 따르면 그 속도로 Maglifter 썰매 발사를 사용하면 일반적인 ELV 로켓의 탑재량을 80% 증가시킬 수 있으며, 트랙이 3000미터 산을 올라가는 경우도 가능하다.[55]
최대 가속도가 제한된 형태의 지상 발사(승객 탑승을 고려하여 인간의 g-force 허용 오차 등)는 해당 최소 발사기 길이가 선형적으로 증가하는 것이 아니라 속도의 제곱에 비례하여 증가한다.[56] 테더는 더욱 비선형적이고 기하급수적인 스케일링을 가질 수 있다. 우주 테더의 테더 대 탑재체 질량비는 특성 속도의 60% 속도에서 1:1 정도이지만, 특성 속도의 240% 속도에서는 1000:1 이상이 된다. 예를 들어, HASTOL 개념은 궤도 속도의 처음 절반(4km)을 테더 자체가 아닌 다른 수단을 통해 제공받는다.[11]
매스 드라이버로 초기 발사를 한 다음, 일련의 지상 기반 레이저를 파장에 따라 순차적으로 사용하여 추가 추력을 제공하는 하이브리드 시스템 제안이 마샬 사바지(Mashall Savage)의 저서 ''The Millennial Project''에서 핵심 논제로 제시되었지만, 주목할 만한 정도로 추진되지 않았다.
여러 기술을 결합하는 것은 복잡성과 개발 과제를 증가시키지만, 특정 하위 시스템의 성능 요구 사항을 줄이면 개별적인 복잡성이나 비용을 줄일 수 있다. 예를 들어, 액체 연료 로켓 엔진의 부품 수는 압력 공급 방식을 사용할 경우 펌프 공급 방식보다 델타-v 요구 사항이 충분히 제한되어 이러한 방식의 무게 증가가 실용적인 선택이 될 수 있다면 두 자릿수 정도 적을 수 있다. 고속 지상 발사기는 비교적 적당한 성능과 저렴한 고체 연료 또는 하이브리드 소형 모터를 발사체에 사용할 수 있다.[57] 비 로켓 방식의 지원은 궤도 로켓을 재사용 가능하게 만드는 무게 증가에 대응할 수 있다. 아(亞)궤도 비행이지만, 최초의 민간 유인 우주선인 SpaceShipOne은 공중 발사를 포함한 복합 시스템으로 인해 로켓 성능 요구 사항이 줄었다.[58]
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