마스 사이클러

화성 사이클러(또는 지구-마스 사이클러)는 지구와 화성과 정기적으로 만나는 우주선 궤도의 일종이다.Mars cycler라는 용어는 또한 Mars cycler 궤도에 있는 우주선을 가리킬 수도 있다.알드린 사이클러는 화성 사이클링 선수의 예다.

사이클러는 최소 추진제(대부분의 궤적 변화를 위해 중력-보조 플라이비스에 의존함)를 사용하여 사람 또는 물질을 이들 신체 간에 운반하는 데 잠재적으로 유용하며 무거운 방사선 차폐물을 운반하여 우주선과 태양 폭풍으로부터 사람들을 보호할 수 있다.

지구-마르스 사이클 선수

사이클러는 두 개 이상의 몸을 정기적으로 마주치는 궤적을 말한다.일단 궤도가 설정되면, 궤도의 작은 동요로 인해 약간의 사소한 보정이 필요할 수 있지만, 둘 사이를 왕복하는 데 추진력이 필요하지 않다.1969년 월터 M에 의해 자전거 이용이 고려되었다.지구-베너스 사이클러의 경우를 살펴본 홀리스터.^[1]홀리스터는 특별히 염두에 두고 있는 임무는 없었지만, 두 행성 사이의 정기적인 통신과 다연장 비행 임무에 모두 사용하기로 했다.^[2]

화성의 해는 1.8808 지구 년이기 때문에 화성은 지구가 15를 만드는 것과 거의 동시에 태양의 8 궤도를 만든다.지구와 화성 사이의 사이클러 궤적은 두 행성 사이의 동의기 기간의 정수 배수로 발생하는데, 이는 지구 연도가 약 2.135년이다.^[3]1985년 버즈 올드린은 그의 초기 루나 사이클러 작품의 연장을 제시했는데, 이 작품은 화성 사이클러가 단일 시노다이즘 기간에 해당하는 것을 확인했다.^[4]알드린 사이클러는 (지금 알려진 대로) 태양 주위를 한 바퀴 돌게 한다.146일(4.8개월) 만에 지구에서 화성까지 여행하고, 화성 궤도 너머에서 다음 16개월을 보내며, 화성 궤도에서 지구 궤도의 첫 번째 횡단까지 146일이 더 걸린다.^[5]

현재 유명한 알드린 사이클러의 존재는 1985년 존 니호프가 제안한 방문-1과 방문-2 사이클러와 함께 그해 말 제트추진연구소의 과학자들에 의해 계산되고 확인되었다.^[6][7] 7개의 동시기간의 배수가 아닌 각각의 지구-마스 사이클러에 대해, 아웃바운드 사이클러는 지구에서 나가는 길에 화성과 교차하고, 인바운드 사이클러는 지구로 들어오는 도중에 화성과 교차한다.이러한 궤도의 유일한 차이점은 차량이 지구에서 발사되는 시노다이오드(synodic) 기간의 날짜뿐이다.지구-마르스 7개 동기 주기의 배수를 가진 사이클 선수들은 궤도의 거의 같은 지점에서 지구로 돌아오며 각 사이클 동안 지구 및/또는 화성과 여러 번 마주칠 수 있다.방문 1호는 15년 동안 지구와 3번, 화성은 4번 마주친다.방문 2는 지구와 15년 동안 5번, 화성은 2번 만난다.^[5]지구-마르스 사이클 선수 중 일부는 다음을 포함한다.^[5]

사이클당 동기 주기	사이클당 태양 회전수	주기당 시간(년)	어필리온 반지름(AU)	접지/마차 전송 시간(일)	메모들
1	1	2.135	2.23	146	알드린 사이클러
2	2	4.27	2.33	158
2	3	4.27	1.51	280	화성 궤도의 반주축 안쪽에 있는 아펠리온
3	4	6.405	1.89	189
3	5	6.405	1.45	274	화성 궤도의 반주축 안쪽에 있는 아펠리온
3	5	6.405	1.52	134	화성 궤도의 반주축 안쪽에 있는 아펠리온
4	5	8.54	1.82	88
4	6	8.54	1.53	157	화성 궤도의 아펠리온 내부
5	4	10.675	2.49	75
5	5	10.675	2.09	89
5	6	10.675	1.79	111
5	7	10.675	1.54	170	화성 궤도의 아펠리온 내부
5	8	10.675	1.34	167	화성 궤도의 반주축 안쪽에 있는 아펠리온
6	4	12.81	2.81	87
6	5	12.81	2.37	97
6	6	12.81	2.04	111
6	7	12.81	1.78	133	최소 탄도 보정 필요
6	8	12.81	1.57	179	최소 탄도 보정 필요
6	9	12.81	1.40	203	화성 궤도의 반주축 내부 부속물; 최소 탄도 보정 필요

지구-마르스 사이클 궤도에 대한 자세한 조사는 텍사스 오스틴에 있는 텍사스 대학의 라이언 러셀과 세자르 오캄포에 의해 실시되었다.그들은 2~4개의 시노다이즘 기간을 가진 24명의 지구-마르스 사이클 선수와 5, 6개의 시노다이즘 기간을 가진 92명의 자전거를 확인했다.그들은 또한 수백 명의 비발레 사이클리스트들을 발견했는데, 그들은 약간의 동력적인 기동 훈련을 필요로 할 것이다.^[8]

물리학

지구는 1년 동안 태양 주위를 돌고, 1.881년에는 화성을 돌고 있다.어느 궤도도 완벽하게 원형이 아니다. 지구는 궤도 이심률이 0.0168이고 화성은 0.0934이다.화성의 궤도가 지구의 궤도에 1.85도 기울어져 있기 때문에 이 두 궤도 역시 그다지 공동행렬은 아니다.화성의 중력이 자전거 궤도에 미치는 영향은 거의 무시할 수 있지만 훨씬 더 거대한 지구의 중력을 고려할 필요가 있다.만약 우리가 이러한 요소들을 무시하고, 화성의 궤도 주기를 지구 1.875년으로 추정한다면, 지구 15년은 화성 8년이다.맞은편 도표에서는 E1 지점에서 지구에서 출발하는 알드린 사이클러 궤도에 있는 우주선이 M1에서 화성과 마주치게 된다. 2년 남짓 후 지구 1로 돌아오면 지구는 더 이상 존재하지 않지만 51.4도인 E2에서 다시 지구와 마주치게 된다.지구 궤도의 1⁄7, 더 둥글다.^[9]

사이클러 궤도의 모양은 원뿔 방정식을 통해 얻을 수 있다.

${\displaystyle r=a(1-\epsilon ^{2}/(1+\epsilon \cos \theta )}$

여기서 r은 1 천문단위, a는 반주축, ε은 궤도 이심률, θ은 -25.7( -51.4의 절반)이다.51.4로 램버트의 문제를 초기 및 최종 이전 각도로 해결함으로써 a를 얻을 수 있다.이를 통해 얻을 수 있는 이점:

$(\displaystyle a=1.60}$

2차 방정식을 풀면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

${\displaystyle \epsilon =0.393}$

공전주기가 2.02년이다.^[9]

우주선이 지구를 통과하는 각도인 γ은 다음과 같다.

$\displaystyle \tan \tan =(\epsilon r/)(a(1-\epsilon ^{2})\sin \theta }$

위에서 제시되고 도출된 값을 대체하면 18 7.18도의 값을 얻을 수 있다.우리는 지구로부터 중력 보조를 계산할 수 있다.

$\displaystyle \Delta V=2V\sin \gamma }$

여기서 V는 태양 중심 플라이 바이 속도다.이 값은 다음에서 계산할 수 있다.

${\displaystyle V=V_{E}(2-r/a)^{1/2}}$

여기서 V E는 29.8 km/s의 지구 속도다.대체는 우리에게 V = 34.9 km/s, ΔV = 8.73 km/s를 준다.^[9]

초과 속도는 다음과 같다.

${\displaystyle V_{\infit }=(V^{2}+V_{E}^{2}-2VV_{E}\cos \gamma )^{1/2}}$

이 값은 V ≤ 6.54 km/s이다.회전 각도 Δ는 다음에서 계산할 수 있다.

${\displaystyle \Delta V=2V_{\infit }\sin \delta }$

Δ = 41.9도, 즉 우리가 83.8도 회전한다는 것을 의미한다.지구 r p에 대한 가장 가까운 접근 반경은 다음과 같다.

${\displaystyle \sin \delta =1/(r_{p}V_{\infit }^{2}/\mu _{E})}}$

여기서 μ E는 지구의 중력 상수다.값을 대체하면 r p = 4,640km(2,880mi)가 되는데, 이는 지구의 반지름이 6,371km(3,959mi)이기 때문에 좋지 않다.따라서 행성을 편안하게 피하려면 보정이 필요할 것이다.^[9]

제안 용도

알드린은 지구와 화성을 정기적으로 수송할 수 있는 화성 사이클러 차량 한 쌍을 제안했다.^[4]우주비행사들은 비교적 비좁은 우주선을 타고 며칠 동안 달로 이동하는 것을 견딜 수 있지만, 화성 탐사는 훨씬 더 긴 여정을 위해 훨씬 더 많은 거주할 수 있는 숙소를 필요로 할 것이다.우주비행사들은 충분한 생활공간, 생명유지장치, 무거운 방사선 차폐시설을 필요로 할 것이다.^[6][10]1999년 NASA 연구에 따르면 화성 탐사에는 약 437톤(482톤)을 우주로 끌어올려야 하는데, 이 중 250톤(280톤)은 추진제였다.^[11]

알드린은 성이라고 불리는 순환 궤도에 있는 대형 우주정거장을 사용함으로써 화성 임무 비용을 크게 줄일 수 있다고 제안했다.일단 궤도에 진입하면, 그들은 추진체를 요구하지 않고 지구와 화성을 정기적으로 왕복할 것이다.따라서 소모품 외에 화물은 한 번만 발사하면 된다.^[6][10]두 개의 성이 사용되었고, 알드린 사이클러의 아웃바운드 성으로 화성으로의 빠른 전송과 긴 여행이 있고,^[3] 지구로의 빠른 여행과 화성으로의 긴 복귀가 가능한 인바운드 성으로 알드린이 에스컬레이터를 오르내렸다.^[6]

우주비행사들은 지구 궤도에서 자전거를 탄 사람과 만나게 되고 나중에 화성은 택시라고 불리는 전문 우주선으로 궤도를 돌게 된다.한 명의 사이클리스트는 약 5개월 후에 지구에서 화성으로 가는 아웃바운드 루트를 여행할 것이다.보완 궤적을 가진 또 다른 화성 사이클링선도 약 5개월 후에 화성에서 지구로 이동할 것이다.택시와 화물 차량은 한 행성의 자전거 타는 사람에게 부착되고 다른 행성에 도달하면 분리된다.^[11]그러므로 사이클러 개념은 지구와 화성 사이의 일상적이고, 안전하고, 경제적인 운송을 제공할 것이다.^[12]

사이클러 개념의 중요한 단점은 알드린 사이클러가 두 행성을 모두 고속으로 비행한다는 것이었다.택시는 지구 주위를 시속 15,000마일, 화성 근처는 시속 22,000마일로 가속해야 할 것이다.이를 극복하기 위해 알드린은 자신이 세미 사이클러라고 부르는 것을 제안했는데, 그 안에서 성은 화성 주위를 감속하여 궤도를 선회한 다음 나중에 사이클러 궤도를 재개하게 된다.이를 위해서는 연료가 있어야 제동 및 재사이클링 기동을 실행할 수 있다.^[10][11]

이 성들은 일련의 저추력 기동을 수행함으로써 연료가 상당히 절약되어 사이클러 궤도에 삽입될 수 있었다.^[12]그 성은 발사될 때 중간 궤도에 놓였다가 마지막 사이클러 궤도로 끌어올리기 위해 지구 회전 기동을 사용하게 된다.^[13]기존 연료를 사용한다고 가정하면 사이클러 궤도를 설정하는 데 필요한 연료를 추정할 수 있다.^[a][14]알드린 사이클러의 경우 중력보조장치를 사용하면 약 24.3 메트릭톤(26.8단톤), 즉 15%의 연료 소요량을 줄일 수 있다.다른 자전거 타는 사람들은 궤도의 모양과 지구와 마주칠 때 덜 인상적인 향상을 보였다.REPORT-1 사이클러의 경우, 편익은 약 0.2 미터톤(0.22 단톤)으로 1% 미만이 될 것이며, 이는 궤도를 설정하는 데 3년이 더 걸리는 것을 정당화하기는 어렵다.^[14]

참고 항목

• 인터스텔라 사이클러
• 달 사이클러

메모들

참조

추가 참조

• Aldrin, Buzz (28 October 1985). "Cyclic Trajectory Concepts" (PDF). buzzaldrin.com. Archived from the original (PDF) on 31 July 2018. Retrieved 4 August 2019.
• Byrnes, Dennis V.; Longuski, James M.; Aldrin, Buzz (1993). "Cycler orbit between Earth and Mars". Journal of Spacecraft and Rockets. 30 (3): 334–336. Bibcode:1993JSpRo..30..334B. doi:10.2514/3.25519.
• Friedlander, Alan L.; Niehoff, John C.; Byrnes, Dennis V.; Longuski, James M. (August 18–20, 1986). Circulating Transportation Orbits between Earth and Mars (PDF). Astrodynamics Conference. Williamsburg, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics. doi:10.2514/6.1986-2009. 86-2009. Retrieved 4 August 2019.
• Hollister, W. M. (1969). "Periodic orbits for interplanetary flight". Journal of Spacecraft and Rockets. 6 (4): 366–369. Bibcode:1969JSpRo...6..366H. doi:10.2514/3.29664. ISSN 0022-4650. }
• McConaghy, T. Troy; Longuski, James M.; Byrnes, Dennis V. (2002). "Analysis of a Broad Class of Earth-Mars Cycler Trajectories" (PDF). American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2002–4420.
• Rogers, Blake A.; Hughes, Kyle M.; Longuski, James M.; Aldrin, Buzz (2015). "Establishing Cycler Trajectories between Earth and Mars". Acta Astronautica. 112: 114–125. Bibcode:2015AcAau.112..114R. doi:10.1016/j.actaastro.2015.03.002. ISSN 0094-5765.
• Russell, Ryan; Ocampo, Cesar (2004). "Systematic Method for Constructing Earth-Mars Cyclers Using Free-Return Trajectories". Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 27 (3): 321–335. Bibcode:2004JGCD...27..321R. doi:10.2514/1.1011.