발사 루프

Launch loop
(확대하지 않음) 실행 루프.빨간색 표시 선은 이동 루프 자체로 파란색 선은 고정 케이블이다.

발사 루프(launch loop, 또는 Lofstrom loop)는 지구에 부착된 피복 안에 위치하며 중간 대기권 위에 매달려 있는 움직이는 케이블과 같은 시스템을 사용하여 궤도로 물체를 발사하기 위해 제안된 시스템이다.이 설계 개념은 Keith Lofstrom에 의해 출판되었으며, 약 2,000 km (1,240 mi)의 길이와 최대 80 km (50 mi)의 고도에서 유지될 수 있는 능동 구조 Maglev 케이블 전송 시스템을 기술하고 있다.발사 루프는 구조물을 순환하는 벨트의 모멘텀에 의해 이 고도에서 지탱될 것이다.이 순환은 사실상 구조물의 무게를 양쪽 끝에 하나씩 있는 자기 베어링 한 쌍으로 전달하는데, 이것은 구조물을 지탱한다.

발사 루프는 5미터톤 무게의 차량의 비로켓 우주발사체를 전자석으로 가속시켜 지구 궤도나 그 너머에 투사되도록 하기 위한 것이다.이는 대기 위 가속 트랙을 형성하는 케이블의 평평한 부분에 의해 달성될 것이다.[1]

이 시스템은 우주 관광, 우주 탐험, 우주 식민지화에 인간을 쏘아 올리기에 적합하도록 고안되었으며, 상대적으로 낮은 3g 가속도를 제공한다.[2]

역사

발사 루프는 1981년 11월 키스 로프스트롬이 미국 우주 비행 협회 뉴스레터 독자 포럼과 1982년 8월 L5 뉴스에서 설명한 것이다.

1982년 폴 버치는 영국 행성간학회지에 궤도반지를 기술하고 그가 부분 궤도반지계(PORS)라고 부르는 형태를 기술한 일련의 논문을 발표했다.[3]발사 루프 아이디어는 1983-1985년경에 로프스트롬에 의해 더 자세히 연구되었다.[2][4]인간을 우주로 쏘아 올리기에 적합한 마그-레브 가속 트랙을 형성하기 위해 특별히 배치된 POS의 플레쉬 아웃 버전이지만, 궤도 링은 초전도 자기부상, 발사 루프는 전자파 서스펜션(EMS)을 사용한다.

설명

Loop Accelerator 섹션(리턴 케이블이 표시되지 않음

높은 대기권 안으로 포탄을 쏘아 올리는 섬에 있는 큰 대포를 생각해 보라.포탄은 초기 비행을 위해 대략 포물선을 따라갈 것이지만, 끌면 포탄 속도가 느려지고 훨씬 더 수직적인 경로로 지구로 돌아오게 된다.예상 경로를 튜브에 감싸고 공기를 제거하면 순전히 탄도탄으로 갈 수 있다.그러한 튜브를 중단하는 것은 경로의 길이에 따라 상당한 문제가 될 것이다.그러나 적어도 일시적으로라도 이 상승력을 제공하기 위해 껍데기를 사용할 수 있다.만약 관이 정확히 포탄의 비행 경로를 따라 있지 않고 그 아래로 약간 떨어져 있다면, 포탄이 포탄을 통과함에 따라 포탄은 아래로 강제적으로 내려가게 되고, 그로 인해 튜브에 위력을 발생하게 된다.높은 곳에 머물기 위해, 이 시스템은 탄피들을 계속해서 발사해야 할 것이다.

발사 루프는 본질적으로 이 개념의 연속 버전이다.포탄을 발사하는 대신, 매스 드라이버는 케이블을 비슷한 궤도로 가속시킨다.케이블은 진공 튜브로 둘러싸여 있으며, 전자석을 사용하여 케이블을 아래로 눌러서 높이 고정된다.케이블이 궤도의 반대편 끝에서 지구로 다시 떨어졌을 때, 그것은 두 번째 질량 운전자에 의해 포착되어 180도로 구부러진 후 반대편 궤도로 다시 위로 보내진다.그 결과는 튜브를 계속 이동시키고 높이 유지시키는 단일 고리가 된다.

이 시스템을 우주 발사체로 사용하기 위해서는 발사 루프의 길이가 약 2,000 km, 높이가 80 km가 될 것이다.이 고리는 피복이라고 알려진 튜브 형태일 것이다.피복 안에 떠 있는 것은 벨트나 체인의 일종인 로터라고 알려진 또 다른 연속 튜브다.로터는 직경 약 5cm(2인치)의 철관이며, 14km/s(시속 31,000마일)로 루프 주위를 돈다.시스템을 높은 곳에 유지하려면 상당한 양의 리프트가 필요하며, 그 결과 발생하는 경로는 로터의 자연 탄도 경로보다 훨씬 평탄하다.[2]

고리가 고장나 지구로 떨어질 가능성 때문에 통상 무거운 선박 항로를 벗어나 두 섬 사이를 운행하는 것으로 간주된다.

높은 곳에 머무를 수 있는 능력

정지 상태에서 루프는 지면 높이에 있다.그런 다음 로터가 속도까지 가속된다.로터 속도가 증가함에 따라 굴절되어 호를 형성한다.구조물은 포물선 궤적을 따르려고 하는 로터의 힘에 의해 지탱된다.지상 앵커들은 80km 높이에 도달하면 지구와 평행하게 가도록 강요한다.일단 상승하면, 그 구조물은 소멸된 에너지를 극복하기 위해 연속적인 동력을 필요로 한다.발사된 모든 차량에 동력을 공급하려면 추가 에너지가 필요할 것이다.[2]

페이로드 시작

출격하기 위해 80km 떨어진 웨스트역 하역장에서 차량들이 매달려 있는 '엘리베이터' 케이블에 올라 선로에 놓인다.페이로드(payload)는 빠르게 움직이는 로터에 와이드 전류를 발생시키는 자기장을 적용한다.이 둘 다 케이블에서 멀리 떨어진 곳에서 페이로드(payload)를 들어올릴 뿐만 아니라 3g(30m/s²) 가속과 함께 페이로드(payload)를 당긴다.그리고 나서 페이로드에 필요한 궤도 속도에 도달할 때까지 로터를 타고 트랙을 떠난다.[2]

안정적이거나 원형 궤도가 필요한 경우, 일단 페이로드(payload)가 궤도의 가장 높은 부분에 도달하면, 궤적을 적절한 지구 궤도로 순환시키기 위해 온보드 로켓 엔진("킥 모터") 또는 다른 수단이 필요하다.[2]

에디 전류 기술은 작고 가볍고 강력하지만 비효율적이다.각 발사와 함께 로터 온도는 동력 분산으로 인해 80 켈빈씩 증가한다.발사가 너무 가깝게 간격을 두면 로터 온도가 770°C(1043K)에 도달할 수 있으며, 이때 철로터의 강자성성이 상실되고 로터 격납이 상실된다.[2]

용량 및 기능

80km의 경계가 있는 폐쇄 궤도는 상당히 빠르게 붕괴되고 재진입되지만, 그러한 궤도에 더해 발사 루프 자체도 탈출 궤도에 탑재된 페이로드, 달을 통과하는 중력 보조 궤적 및 트로이 목마 지점과 가까운 기타 폐쇄되지 않은 궤도를 직접 주입할 수 있을 것이다.

발사 루프를 사용하여 원형 궤도에 접근하려면 상대적으로 작은 '킥 모터'를 페이로드로 발사해야 하며, 이 페이로드로 궤도를 회전시킬 수 있다.GEO 삽입의 경우 약 1.6 km/s의 델타 v를 제공해야 하며, 500 km에서 원형화하려면 단 120 m/s의 델타 v가 필요하다.기존 로켓은 GEO와 LEO에 각각 도달하기 위해 약 14km와 10km/s의 델타 vs를 필요로 한다.[2]

로프스트롬 설계의 발사 루프는 적도[2] 부근에 위치하며 적도 궤도에 직접 접근할 수 있을 뿐이다.그러나 다른 궤도 평면은 고고도 평면 변화, 달 섭동 또는 공기역학적 기법을 통해 도달할 수 있다.

발사 루프의 발사 속도 용량은 궁극적으로 로터의 온도 및 냉각 속도에 의해 시간당 80으로 제한되지만, 그렇게 하려면 17 GW의 발전소가 필요하다; 하루에 35회의 발사를 위해서는 보다 적당한 500 MW의 발전소가 충분하다.[2]

경제학

런치 루프가 경제적으로 실행되려면 충분히 큰 페이로드 런치 요구사항을 가진 고객이 필요할 것이다.

로프스트롬은 약 100억 달러의 초기 루프가 1년에 투자금을 회수할 경우 연간 4만톤을 발사할 수 있으며, 발사 비용을 300달러/kg으로 줄일 수 있을 것으로 추산하고 있다.300억 달러의 경우, 발전 용량이 더 큰 루프는 연간 600만 미터톤을 발사할 수 있으며, 5년의 투자 회수 기간을 부여하면 발사 루프를 가진 우주에 접근하는 비용은 킬로그램당 3달러까지 낮을 수 있다.[5]

비교

론치 루프의 장점

우주 엘리베이터에 비해 구조물은 인장강도에 의한 것이 아니라 움직이는 루프의 운동 에너지로 자신의 무게를 지탱함으로써 지구의 중력에 저항하기 때문에 새로운 고텐실 강도 재료는 개발될 필요가 없다.

로프스트롬의 발사 루프는 높은 속도(시간 당 많은 발사, 날씨와는 무관)로 발사될 것으로 예상되며, 본질적으로 오염을 일으키는 것은 아니다.로켓은 배기가스 온도가 높아 배기에 질산염과 같은 오염물질을 발생시키고, 추진체 선택에 따라 온실가스를 발생시킬 수 있다.발진 루프는 전기 추진의 한 형태로서 깨끗할 수 있으며, 지열, 핵, 풍력, 태양열 또는 심지어 간헐적인 전력에서 작동될 수 있다. 이 시스템은 거대한 내장 전력 저장 용량을 가지고 있기 때문이다.

발사 루프 승객들은 며칠 동안 밴 앨런 벨트를 통해 이동해야 하는 우주 엘리베이터와는 달리 벨트 아래인 저궤도 지구 궤도로, 또는 몇 시간 안에 그들을 통해 발사될 수 있다.이것은 아폴로 우주비행사들이 직면하고 있는 것과 비슷한 상황일 것이다. 그는 우주 엘리베이터가 주는 것의 약 0.5%의 방사선량을 가지고 있었다.[6]

우주 잔해와 운석의 위험을 온몸으로 받는 우주 엘리베이터와 달리 발사 루프는 공기 드래그로 인해 궤도가 불안정한 고도에 위치해야 한다.파편이 지속되지 않기 때문에 구조물에 충격을 줄 기회는 단 한 번뿐이다.우주 엘리베이터의 붕괴 기간은 수년이 걸릴 것으로 예상되는 반면, 이런 방식으로 루프 파손이나 붕괴는 드물 것으로 예상된다.게다가, 발사 루프 자체는 사고에서도 우주 파편의 중요한 원인이 아니다.생성된 모든 이물질은 대기와 교차하거나 탈출속도에 있는 위험을 가지고 있다.

발사 루프는 인간 수송을 위한 것으로 대다수의 사람들이 잘 견딜 수 있는 안전한 3g 가속을 제공하고 [2]우주 엘리베이터보다 우주에 도달하는 훨씬 빠른 방법이 될 것이다.

발사 루프는 작동 중 조용하고 로켓과 달리 음향 오염을 일으키지 않을 것이다.

마지막으로, 그들의 낮은 적재비용은 대규모 상업적 우주 관광과 심지어 우주 식민지화와도 양립할 수 있다.[citation needed]

발사 루프의 어려움

러닝 루프는 선형 운동량에서 극히 많은 양의 에너지를 가질 것이다.자기 서스펜션 시스템은 매우 중복성이 높아서 작은 부분의 고장은 본질적으로 영향을 미치지 않지만, 중대한 고장이 발생한 경우 루프 내 에너지(115.5×10 줄 또는 1.5 페타줄)는 핵폭발(TNT 등가 350킬로톤)과 동일한 총 에너지 방출에 근접할 것이다.방사능의

이것은 많은 양의 에너지인 반면, 이것은 매우 큰 크기 때문에 구조물의 많은 부분을 파괴할 것 같지 않고, 실패가 감지될 때 대부분의 에너지는 의도적으로 미리 선택된 장소에 버려질 것이기 때문이다.낙하산 사용과 같은 최소한의 손상만으로 80km 고도에서 케이블을 내려놓는 단계가 필요할 수 있다.

그러므로, 안전과 아스트로동적인 이유로 발사 루프는 거주지에서 멀리 떨어진 적도 부근의 바다 위에 설치되도록 되어 있다.

발사 루프의 공개 설계는 전력 소모를 최소화하고 그렇지 않으면 방전된 케이블을 안정화하기 위해 자기부상 전자 제어를 필요로 한다.

불안정한 두 가지 요점은 턴어라운드 구간과 케이블이다.

회전자가 자석으로부터 멀어지면 자력이 감소하는 반면 가까이 움직이면 자력이 증가하기 때문에 회전 구간은 잠재적으로 불안정하다.어느 경우든 불안정성이 발생한다.[2]이 문제는 자석의 강도를 변화시키는 기존의 서보 제어 시스템으로 일상적으로 해결된다.서보 신뢰성이 잠재적 문제지만, 로터의 고속에서, 로터 격납이 손실되려면 매우 많은 연속적인 섹션이 실패해야 할 것이다.[2]

케이블 부분 또한 이 잠재적 문제를 공유하지만, 힘은 훨씬 더 낮다.[2]그러나 케이블/피복/로터가 제한 없이 진폭으로 성장하는 절삭 모드(라리아트 체인과 유사)를 겪을 수 있다는 점에서 추가적인 불안정성이 존재한다.로프스트롬은 비록 이것이 시도된 적은 없지만 이러한 불안정성은 서보 메커니즘에 의해 실시간으로 조절될 수 있다고 믿는다.

경쟁사 및 유사 설계

알렉산더 볼론킨의 작품에서는 로프스트롬의 프로젝트가 해결되지 않은 많은 문제들을 가지고 있으며 현재의 기술과는 매우 거리가 멀다는 것이 제안되고 있다.[7][8][9]예를 들어 로프스트롬 프로젝트는 1.5m 철판 사이에 신축이음부가 있다.그들의 속도(인중력, 마찰)는 다를 수 있고 볼론킨은 그들이 튜브에 쐐기를 박을 수 있다고 주장한다;[citation needed] 그리고 지상의 28km 직경의 회전 구간에서의 힘과 마찰은 거대하다.2008년 [10]볼론킨은 현재의 기술에 적합한 방식으로 우주 기구를 발사하기 위해 단순 회전식 클로즈루프 케이블을 제안했다.

또 다른 프로젝트인 우주선은 존 크나프만의 작은 디자인으로 재래식 로켓 발사 보조와 아수라장 관광을 위한 것이다.우주 케이블 설계는 발사 루프 아키텍처와 마찬가지로 연속 로터보다는 이산형 볼트를 사용한다.존 크나프만은 또한 수학적으로 더 작은 불안정이 길들여질 수 있다는 것을 보여주었다.[11]

스카이훅은 또 다른 발사 시스템 개념이다.스카이훅은 회전 중이거나 회전하지 않을 수 있다.비회전식 스카이훅은 낮은 지구 궤도에서 지구 대기 바로 위까지 걸려 있다(스카이훅 케이블은 지구에 부착되지 않는다).[12]회전하는 스카이훅은 이 설계를 변경하여 하단의 속도를 감소시킨다. 전체 케이블은 무게중심을 중심으로 회전한다.이것의 장점은 회전하는 스카이훅의 하단까지 비행하는 발사 차량의 속도 감소로 훨씬 더 큰 페이로드와 더 낮은 발사 비용을 얻을 수 있다는 것이다.이것의 두 가지 단점은 도착하는 발사체가 회전하는 스카이훅의 하단 끝에서 연결될 수 있는 상당히 짧은 시간(약 3~5초)과 목적지 궤도에 관한 선택의 부족이다.

참고 항목

참조

  1. ^ Forward, Robert L. (1995), "Beanstalks", Indistinguishable From Magic, ISBN 0-671-87686-4
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n Lofstrom 1985년 출시 루프 출판물 PDF 버전(AIAA 컨퍼런스)
  3. ^ Paul Birch • Orbit Rings - I 12 Wayback Machine에 2007-07-07 보관
  4. ^ 1983년 12월 아날로그 매거진
  5. ^ ISDC2002 컨퍼런스의 루프 슬라이드 시작
  6. ^ Young, Kelly (13 November 2006). "Space elevators: 'First floor, deadly radiation!'". New Scientist.
  7. ^ Bolonkin, Alexander (2006). Non-Rocket Space Launch and Flight. Elsevier. ISBN 9780080447315.
  8. ^ Bolonkin, Alexander (10–19 October 2002). Optimal inflatable space towers with 3–100 km height. World Space Congress. Houston, TX, USA. IAC–02–IAA.1.3.03.
  9. ^ 영국간행성학회지 제56권, 2003년 9/10호, 페이지 314-327호
  10. ^ Bolonkin A.A, New Concepts, Idea and Innovations in Aerospace, Technology and Human Science, Nova, 2008, 400 pgs.
  11. ^ 스페이스 케이블
  12. ^ Smitherman, D. V. "Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium". NASA/CP-2000-210429. Archived from the original on 2007-02-21.

외부 링크