광자 로켓

광자 로켓은 발사된 광자의 운동량(방출에 의한 방사압)에 의한 ^[1]추진력을 이용한 로켓이다.광자 로켓은 성간 비행을 가능하게 할 수 있는 추진 시스템으로 논의되어 왔는데, 이것은 우주선을 빛의 속도의 최소 10%인 v ≤ 0.1c = 30,000 km/s까지^{[2][dubious – discuss]} 추진시킬 수 있는 능력을 필요로 한다.광자 추진은 확립된 물리학과 ^[3]기술에 기초하기 때문에 가장 잘 이용 가능한 성간 추진 개념 중 하나로 여겨져 왔다.기존의 광자 로켓은 핵 포토닉 로켓과 같이 탑재 발전기로 구동될 것을 제안한다.이러한 로켓의 표준 교과서 케이스는 모든 연료가 같은 방향으로 방사되는 광자로 변환되는 이상적인 케이스이다.보다 현실적인 치료법에서는 광자의 빔이 완전히 시준되지 않으며, 모든 연료가 광자로 변환되지 않는 등의 사항을 고려해야 한다.많은 양의 연료가 필요하고 로켓은 거대한 선박이 ^[4][5]될 것이다.

우주선에 의해 반응 질량이 전달되지 않는 한 로켓 방정식에 의해 야기되는 한계들은 극복할 수 있다.비임드 레이저 추진(BLP)에서는 광자 발생기와 우주선이 물리적으로 분리되고 광자는 레이저를 사용하여 광자원에서 우주선으로 보내진다.그러나 BLP는 광자 반사의 추력 발생 효율성이 매우 낮기 때문에 제한됩니다.광자 스러스터의 추력을 생성하는 데 내재된 비효율성을 극복하는 가장 좋은 방법 중 하나는 고정 반사 미러 또는 스러스터에 있는 광자를 재활용하여 광자의 운동량 전달을 증폭하는 것이다.

스피드

외부 힘이 없을 때 이상적인 광자 로켓이 도달하는 속도는 초기 질량과 최종 질량의 비율에 따라 달라진다.

${\displaystyle v=cfac {m_{\text{i}}}{m_{\text{f}}}{\text{i}}{m_{\text{f}}}}\right}{2}+1}}{m_{\text{f}}}}}}}{\right}}}$

${\displaystyle {여기}_{}}$서 m i$(\$는 초기 질량이고 ${\displaystyle m_{}}$ f$(\$는 최종 ^[6]질량입니다.

예를 들어, 핵융합로와 레이저 광자 로켓을 장착하고, 1000kg의 헬륨-3를 적재한 우주선을 상상하면, 약 4.5kg의 연료만 에너지로 변환될 것이며, 최종 빛의 속도는 1/1000에 도달할 수 있다(50% 효율에 의존).이것은 지금까지 만들어진 것 중 가장 빠른 물체인 Parker Solar Probe보다 3배나 빠른 속도입니다.

광자 로켓 속도에 해당하는 감마 인자는 다음과 같은 간단한 식을 갖는다.

$\displaystyle \textfrac {1}{2}}\left\frac {m_{\text{i}}}}+{\frac {m_{\text{f}}{m_{\text{i}}}}{m_{\right}}}$

광속의 10%에서 감마 계수는 약 1.005이며, 이는 ${\displaystyle \frac{m_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ $({frac {m_{\text{f}}}){m_{\text{i}}}}$가 매우 0.9에 가깝다는 것을 $의미$한다.

파생

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우리는 로켓의 정지 상태의 4모멘텀을 $(\$로 나타내며, 연료가 연소된 후의 로켓은 ${\displaystyle P_{}}$ f$(\$ P_${\text{f$로 나타내며, 방출된 광자의 4모멘텀은 $(\$ P_${\text{$ph$\})$ 보존)로 나타낸다.

$\displaystyle P_{\text{ph}}=P_{\text{i}}-P_{\text{f}}$

양 변의 제곱(즉, 양 변의 로렌츠 내부 곱을 직접 취함)은 다음을 제공한다.

$\displaystyle P_{\text{ph}^2}=P_{\text{i}^2}+P_{\text{f}^2}-2P_{\text{i}}\cdot P_{\text{f}}}.}$

${\displaystyle {E\mathrm{}}^{}}$ $2{\displaystyle {}^{}}$-${\displaystyle }$( $p$${\displaystyle {}^{}}$c ) ${\displaystyle {2\mathrm{}}^{}}$ ${\displaystyle =}$ ( ${\displaystyle {}^{}}$ c${\displaystyle {}^{}{}^{2\mathrm{}}}$) 2 {{ $display$$E^{2$} - ( $pc$)^{2} = ( mc$^{2$}^2} $^$2}$$} = ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}^{}}$ 2 $= 0$광자는 $0$이기 때문에 $4차원{\displaystyle {}_{}^{}}$ 질량의 제곱과 같다.

로켓의 정지 프레임(즉, 제로 모멘텀 프레임)에서 시작할 때, 로켓의 초기 4 모멘텀은 다음과 같습니다.

${\displaystyle {P}_{\text{i}={pmatrix}{\frac {m}_{\text{i}}c^{2}}{c}}\0\\0\end{pmatrix}}}}$

마지막 4단계는 다음과 같습니다.

${\displaystyle {P}_{\text{f}=begin{pmatrix}\{m}_{\text{f}_{\text{f}}_{\text{f}}\0\end{pmatrix}}.}$

따라서 민코프스키 내부 곱(4-벡터 참조)을 취하면 다음과 같은 결과가 나옵니다.

$(\displaystyle 0=m_{\text{i})^{2}+m_{\text{f}^2}-2m_{\text{i}}m_{\text{f}}\displaystyle).}$

이제 감마 인자를 해결하여 다음을 얻을 수 있다.

$\displaystyle \textfrac {1}{2}}\left\frac {m_{\text{i}}}{m_{\text{f}}}+{\frac {m_{\text{f}}}{m_{\text{i}}}}}\right.}$

최고 속도 제한

표준이론은 광자 로켓의 이론적인 속도 제한이 빛의 속도보다 낮다고 말한다.Haug는 최근 Acta Austomerica에서 ^[6]빛의 속도 바로 아래에 있는 이상적인 광자 로켓의 최대 속도 제한을 제안했습니다.그러나 다니엘 토마시니(Danielle Tomasini, et.al)^[7]는 이러한 속도가 상대론적 질량에 대해 공식화되어 프레임에 의존하기 때문에 그의 주장을 반박했다.

광자 발생기 특성과 상관없이 핵분열과 핵융합으로 구동되는 탑재 광자 로켓은 이러한 과정의 효율성에 대한 속도 제한이 있다.여기서는 추진 시스템이 단일 단계라고 가정합니다.광자 로켓/우주선의 총 질량이 α < 1인 연료를 포함하는 M이라고 가정합니다. 추진 시스템 에너지 변환 효율 δ 및 추진 시스템 에너지 대 광자 에너지 변환 효율 δ 1을 가정하면, 추진에 대해 생성된 최대 총 광자 에너지 E는_p 다음과 같습니다.

$\displaystyle E_{\text{p}}=\alpha\displays \mc^{2}}$

총 광자속(total photon flux)이 추력을 생성하기 위해 100% 효율로 향할 수 있는 경우, 총 광자 추력 T는_p 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle T_{\text{p}}=subscfrac {E_{\text{p}}{c}}=\alpha \displays \mc}$

V µc에 대한_max 광자 추진 시스템의 최대 도달 가능한 우주선 속도 V는_max 다음과 같다.

${\displaystyle V_{\text{max}}=flac {T_{\text{p}}{M}}=\alpha \display c}$

예를 들어 가정된 매개변수를 사용하여 탑재 핵추진 광자 로켓에 의해 달성할 수 있는 대략적인 최대 속도는 표 1에 제시되어 있다.그러한 핵추진 로켓에 의한 최대 속도 제한은 광속(60km/s)의 0.02% 미만이다.그러므로, 탑재된 핵 광자 로켓은 성간 임무에 적합하지 않다.

표 1 예시적인 매개변수를 가진 내장 핵 광자 발생기를 사용하는 광자 로켓에 의해 얻을 수 있는 최대 속도.

에너지원	α	γ	δ	비디오max
핵분열	0.1	10개−3	0.5	5 × 10−5
퓨전	0.1	4 × 10−3	0.5	2 × 10−4

그러나 Photonic Laser Thruster와 같은 Beamed Laser Propulsion은 원칙적으로 빛의 속도에 근접하는 최대 우주선 속도를 제공할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 비임 추진
• 레이저 추진
• 핵포토닉 로켓

레퍼런스

외부 링크

• Photon Rockets는 어떻게 된거야?