스페이스 테더

Space tether
테더 달린 인공위성에 대한 아티스트의 개념

스페이스 테더는 추진, 운동량 교환, 안정화 및 자세 제어 또는 대형 분산 위성/우주선 센서 시스템 [1]구성 요소의 상대적 위치 유지에 사용할 수 있는 긴 케이블입니다.임무의 목적과 고도에 따라, 이러한 형태의 우주선 추진력을 사용하는 우주 비행은 로켓 엔진을 사용하는 우주 비행보다 훨씬 비용이 적게 드는 것으로 이론화된다.

주요 기술

테더 위성은 테더 추진, 조석 안정화 및 궤도 플라즈마 역학에 대한 연구를 포함한 다양한 목적으로 사용될 수 있다.공간 테더를 사용하기 위한 5가지 주요 기술이 [2][3]개발 중입니다.

일렉트로다이내믹 테더

전동식 테더는 주로 추진에 사용됩니다.이들은 전기 모터와 같은 방식으로 행성 자기장에서 추력 또는 항력을 발생시킬 수 있는 전류를 전달하는 테더입니다.

운동량 교환 테더

이것은 도착하는 우주선을 포착하고 나중에 다른 속도로 다른 궤도로 방출하는 회전식 테더 또는 비회전식 테더일 수 있습니다.운동량 교환 테더는 궤도 조작 또는 행성-지상-궤도-궤도-탈출 우주 운송 시스템의 일부로 사용될 수 있습니다.

밧줄로 묶인 대형 비행

이는 일반적으로 대형으로 비행하는 여러 우주 차량 사이의 설정 거리를 정확하게 유지하는 비전도성 테더입니다.

전기 돛

태양풍 이온의 운동량에 의해 추진되는 전하를 띤 테더로 항해하는 태양풍 형태입니다.

우주 궤도 지원 시스템

우주 궤도를 도는 테더에서 물체를 매달기 위한 개념입니다.

우주 엘리베이터, 스카이 , 추진제 없는 궤도 이동 의 공간 테더에 대한 많은 용도가 제안되었다.

역사

콘스탄틴 치올코프스키 (1857–1935)는 지구의 자전에 의해 그곳에 고정될 수 있도록 우주에 닿을 정도로 높은 탑을 제안한 적이 있습니다.하지만 그 당시에는 그것을 지을 현실적인 방법이 없었습니다.

1960년, 또 다른 러시아인인 유리 아르투타노프는 케이블의 균형을 [4]유지하면서 지상 동기 위성으로부터 아래쪽으로, 그리고 위쪽으로 배치되는 인장 케이블의 아이디어에 대해 더 자세히 썼다.이것은 우주 엘리베이터 아이디어입니다. 지구와 함께 회전하는 동기식 테더입니다.하지만, 그 시대의 물질 기술을 고려하면, 이것 역시 지구에서는 실용적이지 않았다.

1970년대에 제롬 피어슨은 독립적으로 동기식 [5]테더라고 불리는 우주 엘리베이터의 아이디어를 생각해 냈고, 특히 L1과 L2 지점을 통과할 수 있는 달 엘리베이터를 분석했는데, 이것은 당시 존재하는 물질로 가능한 것으로 밝혀졌다.

1977년에는 한스 모라벡[6] 후에 로버트 L. Forward는 회전 스카이 훅으로도 알려진 비동기식 스카이 훅의 물리학을 조사했으며, 거의 손실 또는 순 에너지 [7][8]증가 없이 , 화성다른 행성에 물체를 떼어내고 배치할 수 있는 테이퍼 회전 테더에 대한 상세한 시뮬레이션을 수행했다.

1979년, NASA는 이 아이디어의 실현 가능성을 조사했고 테더링된 시스템, 특히 테더링된 [1][9]위성의 연구에 방향을 제시했습니다.

1990년, E. 사르몬트는 "궤도 스카이훅: 우주에 대한 저렴한 접근"[10][11][12]이라는 제목의 논문에서 지구 대 궤도/궤도 대 탈출 우주 교통 시스템을 위한 비회전 궤도 스카이훅을 제안했다.이 개념에서, 준궤도 발사체는 스카이훅의 하단까지 비행하는 반면, 더 높은 궤도로 향하거나 더 높은 궤도에서 귀환하는 우주선은 상단 끝을 사용한다.

2000년, NASA와 보잉은 회전하는 테더가 (궤도 속도의 절반으로) 극초음속 항공기에서 [13]궤도로 페이로드를 운반하는 HASTOL 개념을 고려했다.

미션

미국 해군 연구소의 TiPS 테더 위성 그래픽입니다.4km 테더의 일부만 전개된 상태로 표시됩니다.

테더 위성은 우주 테더로 다른 것과 연결된 위성이다.테더 기술을 테스트하기 위해 수많은 위성이 발사되었으며, 성공 정도는 다양합니다.

종류들

테더에는 여러 가지 유형이 있으며 겹칩니다.

운동량 교환 테더, 회전

운동량 교환 테더는 공간 테더를 위한 많은 응용 프로그램 중 하나입니다.운동량 교환 테더는 회전과 비회전 두 가지 유형이 있습니다.회전하는 테더는 원심 가속으로 인해 시스템의 엔드 매스에 제어된 힘을 생성합니다.테더 시스템이 회전하는 동안 테더 양쪽 끝에 있는 물체는 계속 가속됩니다. 가속의 크기는 테더의 길이와 회전 속도에 따라 달라집니다.운동량 교환은 회전 중에 엔드 바디가 해제될 때 발생합니다.방출된 물체에 운동량이 전달되면 회전하는 테더에 에너지가 손실되어 속도와 고도가 떨어집니다.그러나, 전기 동적 테더 추력 또는 이온 추진력사용하여 시스템은 소모성 반응 질량을 거의 또는 전혀 소비하지 않고 스스로 재부스트할 수 있다.

스카이 훅

궤도에서의 회전 및 조석 안정화 스카이 훅

스카이 훅은 높은 고도와 속도로 [14][15][16][17][18]페이로드를 들어올리기 위한 궤도를 도는 테더 추진의 이론적인 클래스이다.스카이 훅에 대한 제안에는 고속 페이로드 또는 고공 항공기를 잡아 [19]궤도에 배치하기 위해 극초음속 속도로 회전하는 테더를 사용하는 설계가 포함된다.

전기역학

70mm 카메라로 캡처한 중간 근접 뷰는 테더링 위성 시스템 전개를 보여줍니다.

전기 동적 테더는 테더 위성에서 전개된 것과 같은 긴 전도선입니다. 테더 위성은 발전기, 운동 에너지[1]전기에너지로 변환하거나 모터로 전환하여 전자기 원리로 작동할 수 있습니다.전위는 지구 자기장을 통과하는 운동에 의해 전도성 테더에 걸쳐 발생합니다.전기 다이내믹 테더에 사용되는 금속 도체의 선택은 다양한 요인에 의해 결정됩니다.주요 요인으로는 일반적으로 높은 전기 전도율과 낮은 밀도가 포함됩니다.애플리케이션에 따라 비용, 강도 및 용해점이 2차 요인입니다.

다큐멘터리 영화 '아폴로 고아들'에서 러시아 우주정거장 미르를 [20][21]궤도에 올려놓기 위해 사용되는 기술로 전기 동적인 밧줄이 소개되었다.

편대 비행

이는 (일반적으로) 비전도성 테더를 사용하여 여러 대의 우주선을 연결합니다.이 기술을 연구하기 위해 제안된 2011년 실험은 화성 행성간 작업을 위한 테더링 실험(TEMPO³)이다.

우주 궤도 지원 시스템

Universal Orbital Support System을 사용한 가능한 레이아웃의 예

비회전 테더형 위성 시스템의 이론적인 유형으로,[22] 이것은 천문학 물체 위에 매달려 있는 물체를 우주 기반으로 지탱하는 개념입니다.궤도계는 상부 지지질량(A)이 주어진 천체 주위의 궤도에 위치하여 천체 표면 위의 특정 높이에서 부유질량(B)을 지지할 수 있지만 (A)보다 낮은 결합질량계이다.

기술적인 문제

중력 경사 안정화

테더 시스템에서 중력 구배 정렬을 유지하는 데 기여하는 힘에 대한 설명

테더는 끝에서 끝까지 회전하는 대신 길이에 걸친 중력의 강도의 약간의 차이로 직선 상태를 유지할 수 있습니다.

비회전 테더 시스템은 (접지 또는 다른 차체의) 국소 수직을 따라 정렬된 안정적인 방향을 가지고 있습니다.이것은 두 개의 다른 고도에 있는 두 대의 우주선이 테더로 연결된 오른쪽의 그림을 조사함으로써 이해할 수 있다.일반적으로 각 우주선은 중력(예g1: F)과 원심력(예c1: F)의 균형을 갖지만, 테더로 함께 묶으면 이러한 값이 서로에 대해 변화하기 시작한다.이 현상은 테더가 없으면 고도가 높은 질량이 낮은 질량에 비해 느리게 이동하기 때문에 발생합니다.시스템은 단일 속도로 이동해야 하므로 테더는 낮은 질량의 속도를 줄이고 위쪽 질량의 속도를 높여야 합니다.테더로 묶인 상체의 원심력은 증가하는 반면, 저고도체의 원심력은 감소한다.그 결과 상체의 원심력과 하체의 중력이 지배적이다.이 힘의 차이는 [23]그림과 같이 시스템을 로컬 수직을 따라 자연스럽게 정렬합니다.

원자 산소

지구 저궤도에 있는 물체는 높은 반응성뿐만 아니라 분자가 충돌하는 빠른 궤도 속도 때문에 원자 산소에 의해 눈에 띄게 침식된다.이 경우 [24]테더가 빠르게 잠식될 수 있습니다.

운석 및 우주 쓰레기

단순한 단일 스트랜드 테더는 마이크로메트로이드우주 쓰레기에 취약합니다.이물질 저항성을 개선하기 위해 여러 시스템이 제안되고 테스트되었습니다.

  • 미국 해군 연구소는 Spectra 1000 땋은 외피와 아크릴 [25]실의 심을 가진 길이 6km, 직경 2~3mm의 장거리 테더를 성공적으로 비행했습니다.TiPS(Tether Physical and Survivability Experiment)라는 이 위성은 1996년 6월 발사돼 10년 넘게 가동하다 2006년 [26]7월 마침내 깨졌다.
  • 로버트 P. Hoyt는 절단된 가닥의 변종이 절단된 가닥 주위에 자동으로 재배포되도록 조작된 원형 그물에 대한 특허를 취득했습니다.이것은 호이테더라고 불린다.호이테터들은 이론적으로 수십 년의 수명을 가지고 있다.
  • JAXA의 연구원들은 또한 미래의 [27]임무를 위해 그물망 기반 테더를 제안했다.

큰 쓰레기 조각들은 여전히 여기에 나열된 개선된 버전을 포함하여 대부분의 테더를 절단할 것이지만, 그것들은 현재 레이더로 추적되고 있고 예측 가능한 궤도를 가지고 있다.밧줄은 [citation needed]알려진 쓰레기 조각이나 충돌을 피하기 위해 궤도를 바꾸는 데 사용되는 추진기를 피하기 위해 흔들릴 수 있다.

방사능

자외선을 포함한 방사선은 테더 물질을 분해하고 수명을 단축하는 경향이 있다.밴 앨런 벨트를 반복적으로 통과하는 테더는 낮은 지구 궤도에 머무르거나 지구 자기권 밖에 있는 테더보다 수명이 현저히 낮을 수 있습니다.

건설

유용한 재료의 특성

TSS-1R
TSS-1R 테더 조성 [NASA]

테더 속성 및 재료는 응용 프로그램에 따라 다릅니다.하지만 몇 가지 공통적인 특성이 있습니다.최대의 성능과 저비용을 달성하려면 테더를 고강도 또는 전기 전도성과 저밀도를 조합한 재료로 만들어야 합니다.모든 공간 테더는 공간 이물질 또는 마이크로미터로이드의 영향을 받기 쉽습니다.따라서 시스템 설계자는 UV 및 원자 산소와 관련된 보호 코팅이 필요한지 여부를 결정해야 합니다.테더를 [citation needed]손상시킬 수 있는 충돌 가능성을 평가하기 위한 연구가 진행 중입니다.

테더에 높은 인장력을 가하는 애플리케이션의 경우 재료는 강하고 가벼워야 합니다.현재 일부 테더 디자인은 초고분자 폴리에틸렌, 아라미드 또는 탄소 섬유와 같은 결정성 플라스틱을 사용합니다.가능한 미래 소재는 카본 나노튜브로 추정 인장강도는 140~177GPa(2030~2,560만 psi)이며, 일부 개별 나노튜브의 경우 50~60GPa 범위에서 입증된 인장강도를 가진다.(나노 규모의 샘플에서 10~20GPa를 얻을 수 있는 재료도 많지만, 이러한 강도를 매크로 규모로 환산하는 것은 지금까지 어려운 일이었습니다.CNT 기반의 로프는 2011년 시점에서는 그 [28][29][30]정도의 강도가 아니고, 종래의 카본 파이버보다 강하지도 않습니다.

일부 애플리케이션의 경우, 테더에 가해지는 인장력은 65뉴턴(15lbf)[31] 미만이 될 것으로 예상됩니다.이 경우 재료 선택은 임무의 목적과 설계 제약에 따라 달라집니다.TSS-1R에서 [clarification needed]사용되는 것과 같은 전기 다이내믹 테더는 높은 전도성을 위해 얇은 구리선을 사용할 수 있습니다(EDT 참조).

설계자가 재료 선택을 추진하는 일반적인 수량을 식별하는데 도움이 되는 특정 용도에 대한 설계 방정식이 있습니다.

우주 엘리베이터 방정식은 일반적으로 "특징 길이" L을c 사용하며, 이는 "자체 지지 길이"라고도 하며 일정한 1g 중력장에서 지지할 수 있는 테이프가 없는 케이블의 길이이다.

c } = frac {\ g

여기서 θ는 응력 한계(압력 단위), θ는 재료의 밀도이다.

극초음속 스카이훅 방정식은 회전 후프가 끊어지지 않고 얻을 수 있는 최대 접선 속도와 동일한 재료의 "특정 속도"를 사용합니다.

회전 테더(로터)의 경우 사용되는 값은 재료의 '특징 속도'로, 회전하는 테이퍼형 케이블이 끊어지지 않고 얻을 수 있는 최대 팁 속도입니다.

특성 속도는 특정 속도에 제곱근 2를 곱한 것과 같습니다.

이 값은 로켓 방정식과 유사한 방정식에 사용되며 특정 임펄스 또는 배기 속도와 유사합니다.이러한 값이 클수록 전송할 수 있는 페이로드에 비해 테더가 더 효율적이고 가벼워질 수 있습니다.그러나 결국 테더 추진 시스템의 질량은 운동량 저장과 같은 다른 요인에 의해 로우엔드에서 제한될 것입니다.

실용적인 재료

제안된 재료는 케블라, 초고분자 폴리에틸렌,[citation needed] 카본 나노튜브, M5 섬유 등이다.M5는 케블라나 [32]스펙트라보다 가벼운 합성섬유다.피어슨, 레빈, 올드슨, 그리고 와이크스는 그들의 기사 "달의 우주 엘리베이터"에서 M5 리본이 30mm 너비에 0.023mm 두께로 달 표면에서 2000kg을 지탱할 수 있을 것이라고 말했다.또한 각각 580kg의 질량을 가진 100대의 화물 차량을 엘리베이터의 [5]길이에 따라 균등하게 배치할 수 있다.사용할 수 있는 다른 재료는 T1000G 탄소 섬유, Spectra 2000 또는 [33]Zylon입니다.

잠재적인 테더/엘리베이터[5] 재료
재료. 밀도
ρ
(kg/m)
응력 한계
σ
(GPA)
특성 길이
Lc = / / ggg
(km)
비속도
Vs = σρ / v v
(km/s)
속도
Vc = 22 // v
(km/s)
단벽 카본 나노튜브(개별 분자 측정) 2266 50 2200 4.7 6.6
아라미드, 폴리벤조옥사졸(PBO) 섬유('질론')[33] 1340 5.9 450 2.1 3.0
토레이 카본 파이버 (T1000G) 1810 6.4 360 1.9 2.7
M5 파이버(계획치) 1700 9.5 570 2.4 3.3
M5 파이버(기존) 1700 5.7 340 1.8 2.6
허니웰 연장사슬 폴리에틸렌 섬유(Spectra 2000) 970 3.0 316 1.8 2.5
DuPont 아라미드 섬유(Kevlar 49) 1440 3.6 255 1.6 2.2
탄화규소[citation needed] 3000 5.9 199 1.4 2.0

모양.

테이퍼링

중력 안정화 테더의 경우 케이블 길이를 따라 단면적이 각 지점의 총 하중에 따라 변화하도록 테더 재료를 테이퍼링할 수 있다.실제로는 중앙 테더 구조가 팁보다 두꺼워야 합니다.올바른 테이퍼링을 통해 케이블의 모든 지점에서 인장 응력이 정확히 동일하게 유지됩니다.Earth 스페이스 엘리베이터 등 요구가 매우 높은 어플리케이션에서는 테이퍼링을 통해 케이블 중량과 페이로드 중량의 과도한 비율을 줄일 수 있습니다.테이퍼링 대신 모듈러형 테더 시스템을 사용하여 동일한 목표를 달성할 수 있습니다.단계 사이에 여러 개의 테더를 사용할 수 있습니다.테더의 수는 주어진 [34]단면의 강도를 결정할 것이다.

두께

중력의 영향을 크게 받지 않는 회전 테더의 경우 두께도 달라지며 면적 A는 다음과 [35]같이 r(중심으로부터의 거리)의 함수로 주어지는 것을 알 수 있다.

여기서 R은 테더의 반지름, v는 중심에 대한 속도, M은 팁 질량, {\ 재료 밀도, T는 설계 인장 강도이다.

질량비

재료 특성 속도의 배수로 나타낸 테더 질량 대 페이로드 비율의 그래프

부피를 제공하기 위해 면적을 통합하고 밀도로 곱하고 페이로드 질량으로 나누면 페이로드 질량/테더 질량 비율이 다음과 같습니다.[35]

여기서 erf는 정규 확률 오류 함수입니다.

r / { _ {r } / _ {} , ,

그 후,[36] 다음과 같이 합니다.

이 방정식은 속도의 제곱이 아니라 속도의 단순 지수에 비례하는 로켓 방정식과 비교할 수 있습니다.이 차이는 단일 테더에서 얻을 수 있는 델타-v를 효과적으로 제한합니다.

용장성

또한 케이블 모양은 미소 운석 및 우주 쓰레기에 견딜 수 있도록 구성되어야 합니다.이것은 Hoytether 등의 용장 케이블을 사용하면 가능합니다.용장 케이블은 케이블의 같은 지점 부근에서 여러 개의 용장 케이블이 파손될 가능성이 매우 낮기 때문에 장애가 발생하기 전에 케이블의 다른 부분에서 대량의 총 손상이 발생할 수 있습니다.

재료 강도

현재 빈톡과 로토베이터는 사용 가능한 소재의 강도에 따라 제한됩니다.초고강도 플라스틱 섬유(케블라스펙트럼)가 달과 화성 표면에서 질량을 뽑아낼 수 있지만, 이러한 물질에서 나오는 로토베이터는 지구 표면에서 들어올릴 수 없다.이론적으로, 고공비행 초음속(또는 극초음속) 항공기는 지구의 열대(및 온대) 지역 전체에 걸쳐 예측 가능한 위치에서 잠시 지구의 상층 대기권으로 가라앉은 로토베이터에 탑재물을 전달할 수 있다.2013년 5월 현재, 모든 기계식 테더(궤도 및 엘리베이터)는 보다 강력한 재료를 사용할 [37]수 있을 때까지 보류됩니다.

화물 회수

로토베이터에 대한 화물 나포는 중요하지 않으며, 나포에 실패하면 문제가 발생할 수 있습니다.화물에 그물을 쏘는 것과 같은 여러 시스템이 제안되었지만, 모두 무게, 복잡성 및 또 다른 고장 모드를 추가합니다.그러나 [38]적어도 1개의 연구실 규모에서 작동 중인 그래플 시스템을 시연은 완료했습니다.

기대 수명

현재 가장 강한 장력 물질은 (궤도에 따라) 자외선과 원자 산소에 의한 침식으로부터 보호하기 위해 코팅이 필요한 플라스틱이다.진공 상태에서는 폐열을 처리하기 어렵기 때문에 과열로 인해 테더 고장 또는 손상이 발생할 수 있습니다.

제어 및 모델링

펜들러 모션 불안정성

국소 수직을 따라 배치된 전기 동적 테더('걸림 테더')는 동적 불안정성을 겪을 수 있습니다.펜들러 운동은 전자파 상호작용에 의해 테더 진동 진폭이 커지게 합니다.미션 시간이 길어지면 이 동작으로 인해 시스템의 퍼포먼스가 저하될 수 있습니다.몇 주 동안, 지구 궤도에 있는 전기 역학 테더는 그들의 궤도가 자기장과 중력장의 불규칙성과 상호작용하기 때문에 많은 모드에서 진동을 일으킬 수 있다.

진동을 제어하는 한 가지 계획은 테더 전류를 능동적으로 변화시켜 진동의 성장을 억제하는 것입니다.전기동적 테더는 진동을 전달할 때 전류를 줄이고 진동에 반대할 때 전류를 증가시킴으로써 안정화시킬 수 있습니다.시뮬레이션 결과 테더 [citation needed]진동을 제어할 수 있는 것으로 나타났습니다.이 접근 방식을 사용하려면 센서가 테더 진동을 측정해야 합니다. 테더의 한쪽 끝에 있는 관성 항법 시스템 또는 테더에 장착된 위성 항법 시스템이 될 수 있으며, 테더 진동이 끝에 있는 수신기로 위치를 전송합니다.

또 다른 제안된 방법은 매달아 놓은 테더 대신 회전식 전기 동적 테더를 사용하는 것입니다.자이로스코프 효과는 수동적 안정화를 제공하여 불안정성을 방지합니다.

서지

앞에서 설명한 바와 같이 전도성 테더는 예기치 않은 전류 서지로 인해 고장났습니다.예기치 않은 정전기 방전 때문에 테더가 절단되고(예: STS-75의 TSS-1R(Tethered Satellite System Reflight) 참조), 전자 장치가 손상되었으며 테더 핸들링 기계가 용접되었습니다.지구의 자기장이 일부 엔지니어들이 믿었던 것처럼 균질하지 않을 수도 있다.

진동

컴퓨터 모델에서는 진동으로 인해 테더가 끊어질 수 있음을 자주 보여줍니다.

기계식 테더 핸들링 장비는 종종 놀라울 정도로 무겁고 진동을 줄이는 복잡한 제어 장치가 있습니다.브래드 에드워즈가 그의 우주 엘리베이터를 위해 제안한 1톤 클라이머는 속도와 방향을 바꿈으로써 대부분의 진동을 감지하고 억제할 수 있다.등산객은 더 많은 가닥을 돌려 테더를 수리하거나 보강할 수도 있습니다.

문제가 될 수 있는 진동 모드에는 줄넘기, 가로, 세로, [39]진자 등이 있습니다.

테더는 거의 항상 테이퍼형이며, 이것은 가장 얇은 끝의 움직임을 채찍처럼 크게 증폭시킬 수 있습니다.

기타 문제

테더는 구형 개체가 아니며 상당한 범위가 있습니다.즉, 확장된 물체는 점 소스로서 직접 모델링할 수 없으며, 질량 중심과 무게 중심이 일반적으로 같은 위치에 있지 않음을 의미합니다.따라서 역제곱 법칙은 테더의 전체적인 동작에는 장거리 이외에는 적용되지 않는다.따라서 궤도는 완전히 케플러식 궤도는 아니며, 어떤 경우에는 실제로 [40]혼란스럽다.

볼러스 설계에서는 타원 궤도에서 발견되는 비선형 중력장과 상호작용하는 케이블의 회전이 궤도 각 운동량과 회전 각 운동량의 교환을 일으킬 수 있습니다.이는 예측과 모델링을 극도로 복잡하게 만들 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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