우주 발사

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우주 발사는 우주에 도달하는 비행의 가장 초기 부분이다.우주 발사에는 로켓이나 다른 우주 발사 차량이 비행을 시작할 때 지상, 부유 선박 또는 공중 항공기를 떠날 때 리프토프가 포함된다.리프토프는 로켓 발사(현재의 재래식 방법)와 비로켓 우주 발사(공기호흡 제트 엔진 등 다른 형태의 추진력을 채용하는 곳)의 두 가지 주요 유형이다.

공간 도달 문제

우주공간의 정의

이 절은 외부 공간 § 경계에서 발췌한 것이다.[편집]
A white rocketship with oddly-shaped wings at rest on a runway.
SpaceShipOne은 100.12km(62.21mi)의 고도에 도달하여 2004년에 최초의 인간 전용 우주 비행을 완료했다.[1]

고도가 높아질수록 대기의 밀도가 점차 낮아지기 때문에 지구의 대기와 우주 사이에는 뚜렷한 경계가 없다.몇 가지 표준 경계 지정이 있는데, 다음과 같다.

  • 국제항공연맹(Fédération Aéronautique Internationale)은 항공학과 우주 비행사 사이의 경계를 위한 작업 정의로 고도 100km(62mi)의 카르만 노선을 설정했다.이것은 테오도르 폰 카르만이 계산한 바와 같이 약 100km(62mi)의 고도에서는 차량이 자신을 지탱하기 위해 대기에서 충분한 공기역학적 상승을 얻기 위해 궤도 속도보다 더 빨리 이동해야 하기 때문에 사용된다.[2][3]
  • 미국은 고도 50mi(80km) 이상을 여행하는 사람들을 우주 비행사로 지정한다.[4]
  • NASA의 우주왕복선은 40만피트(122km, 76mi)를 재진입고도(엔트리 인터페이스로 불림)로 사용했는데, 이는 대기 항력이 눈에 띄게 되는 경계를 대략 표시해 줌으로써 추력기를 이용한 조향에서 공기역학적 제어면을 이용한 조종으로 전환하는 과정을 시작했다.[5]
2009년 과학자들은 수프라-열 이온 이미저(이온의 방향과 속도를 측정하는 기구)를 이용해 지구 위 118km(73.3mi)에서 경계를 설정할 수 있는 정밀 측정 결과를 보고했다.이 경계는 지구 대기의 비교적 부드러운 바람에서 우주에서 268m/s(600mph)를 훨씬 넘는 속도에 도달할 수 있는 전하 입자의 보다 격렬한 흐름으로 수십 킬로미터에 걸쳐 점진적인 전환의 중간점을 나타낸다.[6][7]

에너지

따라서 우주 비행이 일어나기 위해서는 정의상 충분한 고도가 필요하다.이것은 최소 중력 전위 에너지를 극복해야 함을 의미한다: Karrman 라인의 경우 이것은 약 1 MJ/kg이다.W=mgh, m=1kg, g=9.82m/s2, h=10m5.W=1*9.82*105≈106J/kg=1MJ/kg

실제로 공기 드래그, 추진 효율, 사용되는 엔진의 사이클 효율, 중력 드래그 등의 손실 때문에 이보다 높은 에너지를 소비해야 한다.

지난 50년 동안 우주 비행은 보통 우주로 올라가서 지구로 바로 다시 떨어지기 보다는 일정 기간 동안 우주에 남아 있는 것을 의미했다.이것은 궤도를 수반하는데, 궤도와 관련하여 공기 마찰과 관련 고도를 의미하지는 않지만, 대부분 고도가 아닌 속도의 문제가 된다.위성에 의해 유지되는 많은 궤도보다 훨씬 더 높은 고도에서 고도는 점점 더 큰 요인이 되기 시작하고 속도는 더 작은 것이 된다.낮은 고도에서, 궤도를 유지하기 위해 요구되는 빠른 속도 때문에, 공기 마찰은 인기 있는 우주 이미지보다 훨씬 더 위성에 영향을 미치는 매우 중요한 고려 사항이다.심지어 더 낮은 고도에서 풍선은, 전방 속도 없이, 위성이 하는 많은 역할을 할 수 있다.

지포스

많은 카르고들, 특히 인간은 생존할 수 있는 제한적인 g-력을 가지고 있다.인간에게 이것은 약 3-6g이다. 총 발사기와 같은 일부 발사체는 가속도를 100 또는 수천g으로 줄 수 있기 때문에 완전히 부적합하다.

신뢰성.

발사대는 임무 달성에 대한 신뢰도에 따라 다르다.

안전

안전은 부상이나 인명 손실을 초래할 확률이다.신뢰할 수 없는 발사대가 반드시 안전하지 않은 것은 아니지만, 신뢰할 수 있는 발사대는 대개 안전하지 않다.

발사 차량 자체의 치명적인 고장과 별도로 다른 안전 위험에는 감압, 그리고 그 안에서 오랜 시간을 보내는 궤도를 배제하는 Van Allen 방사선 벨트가 포함된다.

궤도 최적화

이 절은 궤도 최적화에서 발췌한 것이다.[편집]

궤적 최적화는 일련의 제약조건을 만족시키면서 성능의 측정치를 최소화(또는 최대화)하는 궤적을 설계하는 과정이다.일반적으로 궤적 최적화는 최적 제어 문제에 대한 오픈 루프 솔루션을 계산하는 기법이다.[8]그것은 종종 완전한 폐쇄 루프 솔루션의 계산이 필요하지 않거나, 비실용적이거나, 불가능한 시스템에 사용된다.만약 궤적 최적화 문제가 립스치츠 상수의 역률에 의해 주어진 속도로 해결될 수 있다면,[9] 그것은 반복적으로 카라테오도리의 의미에서 폐쇄 루프 솔루션을 생성하는 데 사용될 수 있다.무한수평 문제에 대해 궤적의 첫 단계만 실행되면 이를 MPC(Model Prediction Control)라고 한다.

궤적 최적화의 발상은 수백 년 동안 존재해 왔지만(변동의 미적분, 브라키스토크론 문제) 컴퓨터의 출현과 함께 현실 문제에 실용화되었을 뿐이다.궤적 최적화의 원래 적용의 많은 부분은 항공우주 산업, 컴퓨터 로켓, 미사일 발사 궤도에 있었다.최근에는 궤적 최적화가 다양한 산업 프로세스와 로봇공학 응용 분야에서도 사용되어 왔다.[10]

탄소배출량

많은 로켓들이 화석 연료를 사용한다.예를 들어 스페이스X 팔콘 중량의 로켓은 등유 400 미터톤을 연소시키고 몇 분 안에 평균적인 자동차보다 더 많은 이산화탄소를 배출한다.앞으로 로켓 발사 건수가 크게 증가할 것으로 예상됨에 따라, 궤도로 발사되는 것이 지구에 미치는 영향은 훨씬 더 심해질 것으로 예상된다.[neutrality is disputed]일부 로켓 제조사(즉, 오르벡스, 아리안그룹)는 서로 다른 발사 연료(바이오 프로판, 바이오매스에서 생산된 메탄 등)를 사용하고 있다.[11]

지속 우주 비행

아보르비탈 발사

주요 기사:아보르비탈 우주 비행

아궤도 우주 비행은 행성 주위에서 전체 궤도를 돌지 않고 우주에 도달하는 모든 우주 발사로, 단지 우주에 도달하는 데만 최대 1km/s, 대륙 간 우주 비행과 같은 장거리에는 최대 7km/s의 속도가 필요하다.아궤도 비행의 예로는 탄도 미사일, 또는 버진 갤럭틱과 같은 미래의 관광 비행, 또는 스페이스라이너와 같은 대륙 간 수송 비행이 있다.안정적인 궤도를 달성하기 위한 궤도 최적화 보정이 없는 어떤 우주 발사도 궤도를 완전히 벗어나기에 충분한 추력이 없는 한, 아궤도 우주 비행을 초래할 것이다.(우주 총#궤도로 이동하기 참조)

궤도 발사

주요 기사:궤도우주비행

또한, 궤도가 필요한 경우, 우주선에 측면 속도를 주기 위해 훨씬 더 많은 양의 에너지가 생성되어야 한다.달성해야 하는 속도는 궤도의 고도에 따라 달라진다 – 높은 고도에서 더 적은 속도가 필요하다.그러나, 높은 고도에 있을 때 추가적인 잠재적 에너지를 허용한 후, 전반적으로 더 많은 에너지가 낮은 에너지보다 더 높은 궤도에 도달하는 데 사용된다.

지구 표면 근처에서 궤도를 유지하기 위해 필요한 속도는 약 7.8km/s(17,400mph)의 측면 속도에 해당하며, 이는 약 30MJ/kg의 에너지에 해당한다.이는 실제 로켓 추진체가 혼합된 kg당 에너지의 몇 배에 달한다.

운동 에너지를 얻는 것은 우주선의 속도가 느려지는 경향이 있기 때문에, 로켓 추진 우주선은 일반적으로 매우 일찍 대기의 가장 두꺼운 부분을 남기는 타협 궤적을 비행한 다음, 예를 들어, 필요한 특정 궤도에 도달하기 위해 호만 이동 궤도를 비행한다.이것은 에어드래그를 최소화할 뿐만 아니라 차량이 스스로 버티는 시간을 최소화한다.에어드랙은 기본적으로 모든 제안된 현재의 발사체계에 있어서 중요한 문제지만 단순히 궤도에 도달하기 위한 충분한 운동 에너지를 얻는 어려움보다는 보통 덜하지만 말이다.

탈출속도

주요 기사:탈출속도

만약 지구의 중력을 완전히 극복하려면 우주선이 중력 전위 에너지의 깊이를 잘 초과할 수 있는 충분한 에너지를 얻어야 한다.일단 이런 일이 일어나면, 에너지가 비보수적인 방법으로 손실되지 않는다면, 그 차량은 지구의 영향을 떠날 것이다.전위 유정의 깊이는 차량 위치에 따라 달라지며, 에너지는 차량 속도에 따라 달라진다.운동 에너지가 잠재적 에너지를 초과하면 탈출이 일어난다.지구 표면에서 이것은 11.2 km/s(25,000 mph)의 속도로 발생하지만, 실제로는 에어드래그로 인해 훨씬 더 높은 속도가 필요하다.

우주 발사 유형

로켓 발사

이 부분은 로켓 § 우주비행에서 발췌한 것이다.[편집]
일반적으로 대형 로켓은 점화 후 몇 초까지 안정된 지지력을 제공하는 발사대에서 발사된다.로켓은 배기 속도가 2,500~4,500m/s(9,000~16,200km/h, 5,600~10,100mph)로 높기 때문에 약 7,800m/s(28,000km/h; 17,000mph)의 궤도 속도처럼 매우 빠른 속도가 필요할 때 특히 유용하다.궤도궤도에 전달된 우주선은 인공위성이 되는데, 이것은 많은 상업적 목적으로 사용된다.실제로, 로켓은 궤도와 그 이상으로 우주선을 발사할 수 있는 유일한 방법으로 남아 있다.[12]그들은 또한 착륙을 위해 궤도를 바꾸거나 디오르빗을 할 때 우주선을 빠르게 가속시키는 데 이용된다.또한, 착륙 직전에 단단한 낙하산 착륙을 부드럽게 하기 위해 로켓을 사용할 수도 있다(레트로켓 참조).

비로켓 발사

이 단락들은 비로켓 우주 발사에서 발췌한 것이다.[편집]

비로켓 우주발사란 궤도를 달성하는 데 필요한 속도와 고도의 상당 부분이 로켓 방정식의 한계를 따르지 않는 추진기법에 의해 제공되는 우주로 발사하기 위한 개념을 말한다.[13]로켓에 대한 많은 대안이 제안되었다.[14]복합 발사 시스템, 스카이훅, 로켓 썰매 발사, 로쿤 또는 공중 발사 같은 일부 시스템에서는 총 델타-v의 일부를 로켓 추진력을 사용하여 직간접적으로 제공할 수 있다.

오늘날 발사 비용은 매우 높다 – 지구에서 낮은 지구 궤도(LEO)까지 킬로그램 당 2,500 달러에서 25,000 달러.결과적으로, 발사 비용은 모든 우주 노력에 드는 비용의 큰 비율이다.발사가 더 저렴해질 수 있다면 우주 임무의 총 비용은 줄어들 것이다.로켓 방정식의 기하급수적인 성질 때문에 다른 수단으로 LEO에 소량의 속도라도 제공하면 궤도에 오르는 비용을 크게 줄일 수 있는 잠재력이 있다.

킬로그램당 수백 달러의 발사 비용은 우주 식민지화, 우주 태양열 발전[15], 화성 테라포밍과 같은 많은 대규모 우주 프로젝트를 가능하게 할 것이다.[16]

참조

  1. ^ Michael Coren (July 14, 2004), "Private craft soars into space, history", CNN.com, archived from the original on April 2, 2015.
  2. ^ O'Leary 2009, 페이지 84. (
  3. ^ "Where does space begin? – Aerospace Engineering, Aviation News, Salary, Jobs and Museums". Aerospace Engineering, Aviation News, Salary, Jobs and Museums. Archived from the original on 2015-11-17. Retrieved 2015-11-10.
  4. ^ Wong & Pergusson 2010, 페이지 16. 오류: 없음:
  5. ^ Petty, John Ira (February 13, 2003), "Entry", Human Spaceflight, NASA, archived from the original on October 27, 2011, retrieved 2011-12-16.
  6. ^ Thompson, Andrea (April 9, 2009), Edge of Space Found, space.com, archived from the original on July 14, 2009, retrieved 2009-06-19.
  7. ^ Sangalli, L.; et al. (2009), "Rocket-based measurements of ion velocity, neutral wind, and electric field in the collisional transition region of the auroral ionosphere", Journal of Geophysical Research, 114 (A4): A04306, Bibcode:2009JGRA..114.4306S, doi:10.1029/2008JA013757.
  8. ^ 로스, I. M. 2015년 샌프란시스코 콜리지아테 출판사에서 폰트랴긴의 최적제어 원리에 관한 입문서
  9. ^ Ross, I. Michael; Sekhavat, Pooya; Fleming, Andrew; Gong, Qi (March 2008). "Optimal Feedback Control: Foundations, Examples, and Experimental Results for a New Approach". Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 31 (2): 307–321. Bibcode:2008JGCD...31..307R. doi:10.2514/1.29532. ISSN 0731-5090.
  10. ^ Qi Gong; Wei Kang; Bedrossian, N. S.; Fahroo, F.; Pooya Sekhavat; Bollino, K. (December 2007). "Pseudospectral Optimal Control for Military and Industrial Applications". 2007 46th IEEE Conference on Decision and Control: 4128–4142. doi:10.1109/CDC.2007.4435052. ISBN 978-1-4244-1497-0. S2CID 2935682.
  11. ^ 우리는 거대한 탄소배출을 통해 지구를 손상시키지 않고 우주에 갈 수 있을까?
  12. ^ "Spaceflight Now-worldwide launch schedule". Spaceflightnow.com. Archived from the original on 2013-09-11. Retrieved 2012-12-10.
  13. ^ "No Rockets? No Problem!". Popular Mechanics. 2010-10-05. Retrieved 2017-01-23.
  14. ^ George Dvorsky (2014-12-30). "How Humanity Will Conquer Space Without Rockets". io9.
  15. ^ "A Fresh Look at Space Solar Power: New Architectures, Concepts, and Technologies. John C. Mankins. International Astronautical Federation IAF-97-R.2.03. 12 pages" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2017-10-26. Retrieved 2012-04-28.
  16. ^ Robert M. Zubrin (Pioneer Astronautics); Christopher P. McKay. NASA Ames Research Center (c. 1993). "Technological Requirements for Terraforming Mars".

외부 링크