카르만선

3. 정의의 해석

"우주공간의 경계"라는 표현은 종종 우주 공간의 하부 경계를 나타내기 위해 사용되는데, 이는 종종 상당히 더 낮은 영역도 포함하는 것을 의미한다. 따라서 어떤 기구 또는 비행기 비행에 의하여 "우주공간의 경계에 도달"한 것으로 기술할 수 있고, 이러한 진술에서 "우주의 가장자리에 도달했다는 것"은 단순히 일반적인 항공기보다 더 높이 올라간 것을 의미한다.^[45][46]

어떤 국가에서도 영공과 우주 공간 사이의 경계에 대하여 국제적으로 인정되는 법적 정의는 아직 없다.^[47]

4. 카르만 선 설정의 경위

폰 카르만은 자신의 자서전에서 우주 공간의 경계에 대한 문제를 언급하며, 이는 우주선의 속도와 지구 위 고도에 의해 결정될 수 있다고 설명했다. 예를 들어, Iven Carl Kincheloe Jr. 비행사의 X-2 로켓 비행기의 기록적인 비행을 예로 들었다. Kincheloe는 약 38404.80m(38500m) 또는 24마일 상공에서 시속 2,000마일(3200km/h)로 비행했는데, 이 고도와 속도에서 공기역학적인 양력은 여전히 비행기 무게의 98%를 지탱했고, 나머지 2%만이 관성, 즉 케플러 힘에 의해 전달되었다. 그러나 약 91440.00m(91440m) 또는 57마일 상공에서는 더 이상 양력에 기여하는 공기가 없기 때문에 이 관계는 역전되어 관성이 대부분을 차지하게 된다. 폰 카르만은 이곳이 공기역학이 역할을 하지 않고 우주 비행이 시작되는 물리적인 경계임에 틀림없다고 생각했으며, 이것이 법적 관할의 경계가 되지 못할 이유는 없다고 생각했다.^[50]

폰 카르만은 1956년에 비행에 대한 공기열 한계에 대해 논의한 논문을 발표했다. 그는 항공기의 속도가 증가할수록 대기와의 마찰과 단열 과정에 따른 공기역학적 가열로 인해 더 많은 열이 발생한다는 점을 지적했다. 당시의 최신 기술 상태를 기반으로, 그는 연속 비행이 가능한 속도와 고도를 계산했다. 너무 느리면 충분한 양력이 생성되지 않고, 너무 빠르면 비행체가 과열되는 문제가 발생했다.^[54] 그래프에서는 약 83820.00m에서 변곡점이 나타났는데, 그 이상에서는 최소 속도에 의하여 비행체가 궤도 운동을 하게 된다.^[55][56]

이후 앤드류 G. 헤일리는 폰 카르만의 1956년 논문을 바탕으로 1959년 논문에서 "카르만 선(Kármán line)"이라는 용어를 처음으로 제시했다.^[57] 헤일리는 약 83820.00m라는 한계 수치는 이론적인 것으로, 기술 발전에 따라 변경될 수 있음을 인정했다.^[55] 그는 또한 이 수치가 당시 기술을 기준으로 한 공기 흡입식 제트 엔진의 고도 한계였기 때문에, 다른 기술적 고려 사항도 언급했다. 헤일리는 같은 논문에서 약 89916.00m를 자유 라디칼 원자 산소가 발생하는 최소 고도인 "폰 카르만 라인(von Kármán Line)"으로 지칭하기도 했다.^[55]

폰 카르만은 자중을 지탱할 수 있을 만큼 충분한 양력을 얻을 수 있는 대기가 있는 고도를 약 100킬로미터로 계산했다. 정확한 고도는 여러 요인에 따라 달라지지만, 공학적인 일관성을 위해 폰 카르만은 100킬로미터를 우주와 지구의 경계로 제안했다. 국제항공연맹(FAI)은 폰 카르만의 제안을 채택하여 카르만 선을 세계 기록과 많은 조약에서 우주 공간과의 경계선으로 사용하게 되었다.

5. 기술적 고려사항

대기는 특정한 높이에서 갑자기 끝나지 않고 고도가 높아짐에 따라 점차 얇아진다. 열권과 외기권은 우주공간이 아닌 대기의 일부이므로, 우주 경계는 최소 10000km 높이까지 확장될 수 있다. 따라서 카르만 선은 몇 가지 기술적 고려 사항에 기반한 임의의 정의이다.

항공기는 날개를 통해 양력을 얻기 위해 공기(지면이 아닌)에 대해 지속적으로 앞으로 이동해야 한다. 1956년, 폰 카르만은 비행에 대한 공기열 한계에 대해 논의한 논문을 발표했다. 그는 항공기의 속도와 고도에 따른 공력가열 문제를 다루고, 당시 기술 수준에서 연속 비행이 가능한 조건을 계산했다. 너무 느리면 충분한 양력이 생성되지 않고, 너무 빠르면 비행체가 과열된다.^[54] 이 그래프에서는 약 83820.00m에서 변곡점이 나타났는데, 그 이상에서는 최소 속도에 의하여 비행체가 궤도 운동을 하게 된다.^[55][56]

"카르만 선(Kármán line)"이라는 용어는 1959년 앤드류 G. 헤일리가 폰 카르만의 1956년 논문을 바탕으로 발표한 논문에서 만들어졌다.^[57] 헤일리는 약 83820.00m라는 한계 수치는 이론적인 것으로, 기술이 향상됨에 따라 변경될 것이라고 인정했다.^[55] 또한 이 수치는 당시 기술을 기준으로 한 공기 흡입식 제트 엔진의 고도 한계였기 때문에, 해당 고도에 대한 다른 기술적 고려 사항도 언급했다. 헤일리는 같은 1959년 논문에서 자유 라디칼 원자 산소가 발생하는 최소 고도인 약 89916.00m를 "폰 카르만 라인(von Kármán Line)"으로 지칭하기도 했다.^[55]

5. 1. 양력 방정식

• ''L'' 은 양력
• ''ρ''는 공기 밀도
• ''v''는 공기에 대한 항공기의 속도.
• ''S''는 항공기의 날개 면적 ,
• ''C_L'' 은 양력 계수이다.^[53]

6. FAI 정의에 대한 대안

미국 군대에서는 평균 해수면 상공 약 80.47km 이상을 비행한 사람을 우주비행사로 정의한다.^[58] NASA는 이전에는 FAI의 100km 기준을 사용했으나, 2005년에 군인과 민간인 사이의 불일치를 제거하기 위해 약 80.47km로 변경했다.^[58]

조나선 맥도웰(하버드-스미스소니안 천체물리학 센터)^[60]과 토마스 갱게일(University of Nebraska-Lincoln)^[55][61]은 2018년 연구에서 폰 카르만의 원래 메모와 계산, 궤도 유지 가능성, 기능적, 문화적, 물리적, 기술적, 수학적, 역사적 요인을 근거로 우주 경계로 80km를 제안했다.^[38][62] 이들은 FAI에 이 문제를 "완전히 조사"하기 위해 국제우주연맹(IAF)과 공동 회의를 개최할 것을 제안했다.^[44]

국제법 논의에서는 궤도를 도는 우주선이 도달할 수 있는 가장 낮은 근지점을 우주의 하부 경계로 정의하는 방안이 제안되었으며, 미국은 이 정의를 채택하고 있다.^[63] 대기 항력으로 인해, 원형 궤도에서 추진력 없이 한 바퀴를 완전히 회전할 수 있는 최저 고도는 약 150km이다.^[64][65]

자유 분자 흐름 개념은 우주 공간의 특성을 설명하는 데 사용되며, 80km 이상의 고도에서 분자들이 직선 경로로 이동하는 현상을 나타낸다.^[66]

6. 1. NASA X-15 조종사들의 사례

7. 다른 행성의 카르만 선

카르만 선은 지구에 대해서만 정의되지만, 화성과 금성에 대해서 계산하면 각각 약 80km 및 250km이 된다.^[67]

여러 과학자들이 화성과 금성에 대한 유사한 수치를 추정했는데, 이시도로 마르티네스는 각각 80km와 250km로,^[31] 니콜라스 베렌드는 113km와 303km로 추정했다.^[32]

8. 카르만 선 재검토 논의

2018년 11월, 국제항공연맹(FAI)은 카르만 선을 고도 100km에서 80km로 재검토할 가능성을 발표했다.^[37] 만약 실제로 카르만 선의 고도를 재검토할 경우, 중간권의 일부나 중간권계면도 우주 공간에 포함되게 된다.^[37]

참조

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