비임 추진

Beam-powered propulsion

유도 에너지 추진으로도 알려진 빔 동력 추진은 에너지를 제공하기 위해 원격 발전소에서 우주선으로 전송되는 에너지를 사용하는 항공기 또는 우주선 추진의 한 종류이다.빔은 일반적으로 마이크로파 또는 레이저 빔이며 펄스 또는 연속입니다.연속 빔은 열로켓, 광추력기 및 가벼운 돛에 적합하며, 펄스 빔은 연소식 스러스터 및 펄스 [1]폭발 엔진에 적합하다.

일반적으로 인용되는 경험의 법칙은 낮은 지구 [2]궤도에 도달하기 위해 가속되는 동안 차량에 탑재된 kg당 메가 와트의 전력을 소비한다는 것이다.

궤도에 진입하는 것 외에, 세계를 빠르게 이동할 수 있는 응용 프로그램도 제안되고 있다.

배경

로켓은 운동량 기계이다. 로켓에서 분출된 질량을 사용하여 로켓에 운동량을 제공한다.운동량은 질량과 속도의 산물이기 때문에 로켓은 일반적으로 가능한 한 많은 속도를 작동 질량에 넣으려고 시도하며, 따라서 필요한 작동 질량의 양을 최소화합니다.작업 질량을 가속화하려면 에너지가 필요합니다.종래의 로켓에서는, 연료를 화학적으로 조합해 에너지를 공급하고, 그 결과 생기는 연료 생성물인 회분이나 배기가스를 작업 질량으로서 이용한다.

에너지와 운동량 모두에 동일한 연료를 사용해야 하는 특별한 이유는 없습니다.제트엔진은 예를 들어 연료를 에너지 생성에만 사용하고 제트항공기가 통과하는 공기에서 작동질량을 얻는다.현대의 제트 엔진에서 추진되는 공기의 양은 에너지에 사용되는 공기의 양보다 훨씬 더 많습니다.그러나, 로켓은 공기가 너무 희박해서 작업 질량의 원천으로 유용하지 않은 고도까지 빠르게 올라가기 때문에, 이것은 로켓에 대한 해결책이 아니다.

그러나 로켓은 작동 질량을 운반할 수 있고 다른 에너지원을 사용할 수 있다.문제는 화학 연료와 경쟁할 수 있는 중량 대비 전력 비율을 가진 에너지원을 찾는 것이다.이와 관련하여 소형 원자로는 경쟁할 수 있으며, 1960년대에 원자력 열 추진에 대한 상당한 작업이 수행되었지만, 환경 문제와 비용 상승으로 인해 이러한 프로그램의 대부분이 종료되었다.

우주선에서 발생하는 에너지를 제거함으로써 더 많은 개선이 이루어질 수 있다.원자로를 지상에 남겨두고 그 에너지가 우주선으로 전달되면 원자로의 무게도 없어진다.그러면 문제는 우주선에 에너지를 공급하는 것이다.이것이 파워의 배후에 있는 아이디어입니다.

빔 추진 기능을 사용하면 지상에 정지된 동력원을 그대로 두고, 고정 설비의 메저 또는 레이저 빔을 사용하여 우주선에 직접(또는 열교환기를 통해) 열 추진체를 장착할 수 있습니다.이것은 우주선이 동력원을 집에 두고 갈 수 있게 해주며, 상당한 질량을 절약하고, 성능을 크게 향상시킨다.

레이저 추진

주요 기사: 레이저 추진

레이저가 추진제를 극도로 높은 온도로 가열할 수 있기 때문에, 배기 속도가 온도의 제곱근에 비례하기 때문에, 이것은 잠재적으로 로켓의 효율을 크게 향상시킵니다.일반 화학 로켓은 추진제의 고정된 에너지 양에 의해 배기 속도가 제한되지만, 비밍 추진 시스템은 특별한 이론적인 한계가 없습니다(실제로 온도 제한이 있습니다).

마이크로파 추진

마이크로파 열추진에서는 외부 마이크로파 빔을 사용하여 내화열교환기를 1,500K 이상으로 가열하고 수소, 메탄, 암모니아 등의 추진제를 가열한다.이는 기존 로켓 추진에 비해 추진 시스템의 비충격 및 추력/중량 비율을 개선합니다.예를 들어, 수소는 700–900초의 특정 임펄스와 50-150의 [3]추력/중량비를 제공할 수 있다.

James Benford와 Gregory Benford 형제가 개발한 변형은 매우 큰 마이크로파 돛의 재료에 갇힌 추진제의 열적 탈착을 사용하는 것입니다.이것은 전자레인지로 밀린 돛에 비해 매우 높은 가속력을 낸다.

전기 추진

일부 제안된 우주선 추진 메커니즘은 이온 추진기 또는 플라즈마 추진 엔진과 같은 전기 동력 로켓 엔진에 의해 전기 에너지가 사용되는 전기 동력 우주선 추진기를 사용한다.일반적으로 이러한 계획은 태양 전지판 또는 선내 원자로를 가정한다.단, 두 전원 모두 무겁습니다.

레이저 형태의 빔 추진은 레이저 전기 추진용 태양광 발전 패널에 전력을 보내는 데 사용될 수 있습니다.이 시스템에서는 태양광 어레이에 고강도가 입사할 경우 가열 효과에 의한 변환 효율의 저하를 방지하기 위해 패널의 세심한 설계가 필요하다.John Brophy는 NASA의 [4]혁신적 고급 개념 프로젝트에서 성간 전구체 미션과 같은 고효율 전기 추진 시스템에 전력을 공급하는 광전지 어레이로의 레이저 동력 전달을 분석했습니다.

마이크로파 빔은 마이크로파 전기 추진에 필요한 전력을 렉테나로 보내는 데 사용될 수 있다.마이크로파 방송 전력은 실제로 여러 번 입증되었습니다(예: 1974년 캘리포니아 골드스톤). 직장은 잠재적으로 가볍고 높은 변환 효율로 높은 전력을 처리할 수 있습니다.그러나 상당한 양의 전력이 포착되려면 직장이 매우 커야 하는 경향이 있습니다.

직접 임펄스

빔은 또한 돛을 직접 "밀어서" 충격을 주는 데 사용될 수 있다.

이것의 한 예는 레이저 광선을 반사하기 위해 태양 돛을 사용하는 것입니다.레이저로 누르는 라이트테일이라고 불리는 이 개념은 처음에는 G. 막스에[5] 의해 제안되었지만, 처음에는 물리학자인 로버트 L.에 의해 상세하게 분석되고 상세하게 설명되었습니다. 연료를 운반하지 않음으로써 극도로 높은 질량비를 피할 수 있는 성간 이동 방법으로 1989년에 전진[6].이 컨셉에 [7][8]대한 추가 분석은 Landis, Mallove[10] [9]및 Matloff, Andrews Lubin [11]및 기타에 의해 수행되었습니다.

다음 논문에서 Forward는 마이크로파 [12]빔으로 돛을 밀어넣을 것을 제안했다.이는 돛이 연속 표면일 필요가 없다는 장점이 있다.포워드는 초경량 항해 "스타위스프"에 대한 자신의 제안을 태그했다.Landis에 의한[13] 이후 분석에 따르면 Forward가 원래 제안한 스타위스프 개념은 작동하지 않지만 제안서의 변형은 실행될 수 있다.

빔은 회절 때문에 빔의 일부만 돛을 놓칠 수 있도록 큰 직경을 가져야 하며 레이저나 마이크로파 안테나는 빔의 중심을 따라 충분히 빠르게 돛을 기울일 수 있도록 포인팅 안정성이 좋아야 한다.이것은 행성간 여행에서 성간 여행으로, 그리고 비행 임무에서 착륙 임무로, 귀환 임무로 갈 때 더 중요해집니다.레이저나 마이크로파 송신기는 아마도 태양 복사로부터 에너지를 직접 얻는 큰 단계별 장치일 것이다.어레이의 크기는 렌즈나 거울의 필요성을 없애줍니다.

빔 푸시된 또 다른 개념은 자기 돛 또는 MMPP 돛을 사용하여 입자 가속기나 플라즈마 [14]제트로부터 하전 입자의 빔을 우회시키는 것입니다.랜디스는 1989년 [7]추진된 입자 빔을 제안해 2004년 [15]논문에서 더 자세히 분석했다.Jordin Kare는 이에 대한 변형을 제안했습니다. 작은 레이저 가속 경 돛의 [16]"빔"이 Magsail 차량에 모멘텀을 전달하는 것입니다.

또 다른 빔 푸시 개념은 일반 물질의 알갱이 또는 발사체를 사용합니다.정지해 있는 매스드라이버로부터의 펠릿의 흐름이 우주선에 의해 "반사"[17]된다. 매스드라이버.그 우주선은 자체 추진에 에너지나 반응 질량을 필요로 하지 않는다.

제안된 시스템

라이트크래프트

주요 기사:라이트크래프트

라이트크래프트는 외부 레이저 또는 메이저 에너지의 펄스 소스를 사용하여 추력을 생성하는 데 필요한 전력을 제공하는 현재 개발 중인 차량입니다.

레이저는 차량 하부에 있는 포물선 반사경을 비추며, 이 반사경은 빛을 집중시켜 극도로 높은 온도 영역을 생성합니다.이 지역의 공기는 가열되고 격렬하게 팽창하며 레이저 빛의 각 펄스에 따라 추력을 생성합니다.우주에서, 경비행선은 탑재된 탱크나 연소성 고체로부터 이 가스를 스스로 공급해야 한다.비행체의 전원을 지상에 두고 상승의 대부분에서 주변 대기를 반응 질량으로 사용함으로써, 경선은 발사 질량의 매우 많은 부분을 궤도에 전달할 수 있을 것이다.또한 잠재적으로 제조 비용이 매우 저렴할 수 있습니다.

테스트

2000년 10월 2일 새벽, Lightcraft Technologies, Inc(LTI)의 High Energy Laser Systems Test Facility(HELSTF)에서 Franklin B의 도움을 받아 실시.미 공군연구소의 미드와 레이크 미라보는 12.2cm 직경 1.8온스(51g) 레이저 부스트 로켓으로 12.7초 [18]동안 233피트(71m)의 고도 신기록을 세웠다.오전 8시 35분 비행의 대부분은 230피트 이상의 상공에서 맴돌았지만, 라이트크래프트는 지금까지 가장 긴 레이저 동력 자유 비행과 경추진 물체로부터 가장 큰 "비행 시간"을 얻었다.이것은 로버트 고다드의 첫 번째 로켓 설계 시험 비행에 필적하는 것이다.레이저 출력을 100kW로 높이면 30km 상공까지 비행이 가능해진다.그들의 목표는 맞춤형 1메가와트 지상 레이저를 사용하여 1킬로그램의 마이크로 위성을 지구 저궤도로 가속하는 것이다.이러한 시스템은 약 20달러 상당의 전기를 사용하므로 kg당 발사 비용이 현재의 발사 비용보다 몇 배나 적게 든다.[citation needed]

미라보의 '라이트크래프트' 디자인은 반사 포물선 표면을 이용해 레이저의 열을 중앙으로 전달하는 반사 깔때기 모양의 공예품으로 레이저가 그 아래에서 말 그대로 공기를 폭발시켜 양력을 발생시킨다.우주선의 반사 표면은 빔을 고리 모양으로 집중시켜 공기를 태양 표면보다 거의 5배 뜨거운 온도로 가열함으로써 공기를 폭발적으로 팽창시켜 추력을 발생시킨다.

레이저 열로켓

주요 기사:열로켓

레이저 열로켓은 외부 레이저 [19][20]빔에 의해 공급되는 에너지로 추진제를 가열하는 열로켓이다.1992년 고(故) 조딘 카레는 액체 [21]수소를 포함한 로켓을 가진 보다 단순하고 가까운 용어 개념을 제안했다.추진제는 레이저 빔이 비추는 열 교환기에서 가열된 후 기존 노즐을 통해 차량에서 나옵니다.이 개념은 연속 빔 레이저를 사용할 수 있으며, 반도체 레이저가 이제 [22][23]이 애플리케이션에 비용 효율적입니다.

마이크로파 열로켓

주요 기사:열로켓

2002년에 Kevin L.G. Parkin은 전자파를 [3][24][25][26]사용하는 비슷한 시스템을 제안했다.2012년 5월, DARPA/NASA Millimeter-wave Thermal Launch System(MTLS) 프로젝트가[27] 이 아이디어를 구현하기 위한 첫 단계를 시작했습니다.MTLS 프로젝트는 밀리파 흡수성 내화열 교환기를 최초로 시연했고, 이후 이를 소형 로켓의 추진 시스템에 통합하여 최초의 밀리파 열 로켓을 제작했다.이와 함께 최초의 고출력 협력 목표물 밀리미터파 빔 디렉터를 개발해 이를 이용해 밀리미터파 열로켓 첫 발사를 시도했다.여러 번 발사를 시도했지만 빔 디렉터와 관련된 문제는 2014년 3월에 자금이 바닥나기 전까지 해결되지 않았습니다.

경제학

빔 추진 시스템을 개발하려는 동기는 향상된 추진 성능의 결과로 얻을 수 있는 경제적 이점으로부터 비롯됩니다.빔 구동 발사체의 경우, 더 나은 추진 성능을 통해 페이로드 비율 증가, 구조적 여유도 증가 및 단계 감소의 조합을 실현할 수 있다.JASON의 1977년 레이저 [28]추진 연구는 Freeman Dyson에 의해 작성되었으며, 빔으로 구동되는 발사의 가능성을 간결하게 표현하고 있습니다.

"레이저 추진은 우주 기술에 혁명을 일으킬 수 있는 아이디어입니다.지상에 있는 단일 레이저 설비는 이론적으로 1단 차량을 저궤도 또는 고궤도로 발사할 수 있다.적재량은 차량 이륙 중량의 20% 또는 30%가 될 수 있습니다.화학적 추진보다 질량과 에너지를 사용하는 것이 훨씬 경제적이고 동일한 차량을 다양한 궤도에 진입시키는 데 훨씬 유연합니다."

이 약속은 1978년 NASA를[29] 위해 실시된 록히드 연구에서 수치화되었습니다.

"이번 연구 결과는 우주 또는 지상 레이저 송신기를 갖춘 레이저 로켓 시스템이 동등한 능력을 가진 첨단 화학 추진 시스템(LO-LH)22에 비해 10년 수명 주기에 걸쳐 우주 운송에 배정된 국가 예산을 100억에서 3450억 달러까지 줄일 수 있다는 것을 보여주었다."

빔 디렉터 비용

1970년대 연구 및 그 이후의 다른 연구들은 빔으로 구동되는 발사 시스템의 잠재적인 장애물로 빔 디렉터 비용을 인용했다.최근의 비용 편익[30] 분석에 따르면 빔 디렉터 비용이 와트당 20달러 미만으로 떨어지면 마이크로파(또는 레이저) 열 로켓이 경제적일 것으로 추정됩니다.적합한 레이저의 현재 비용은 와트당 100달러 미만이며, 적절한 마이크로파 소스의 현재 비용은 와트당 5달러 미만입니다.대량 생산으로 전자레인지 마그네틱론은 0.01달러/와트 미만으로, 의료용 레이저도 10달러/와트 미만으로 낮아졌지만, 빔 디렉터에게는 적합하지 않다고 생각됩니다.

비우주선 응용 프로그램

1964년 윌리엄 C. 브라운은 레테나라고 불리는 복합 안테나와 정류 장치를 갖춘 소형 헬리콥터를 시연했다.렉테나는 극초단파 전력을 전기로 변환시켜 헬리콥터가 [31]날 수 있게 했다.

2002년에는 레이저를 이용해 달라붙은 물방울을 기화시켜 소형 알루미늄 비행기를 추진했고, 2003년에는 NASA 연구진이 11온스(312g)짜리 비행기를 레이저로 [32]비추는 태양 전지판으로 구동되는 프로펠러로 비행했다.이러한 빔 구동 추진은 아마도 오늘날 인공위성이 통신 릴레이, 과학 플랫폼 또는 감시 플랫폼과 같은 역할을 하도록 설계된 장시간 고공 무인 항공기 또는 풍선에 유용할 수 있다.

"레이저 빗자루"가 지구 궤도에서 우주 잔해를 쓸어내는 것이 제안되었다.이것은 빔으로 구동되도록 설계되지 않은 물체, 예를 들어 인공위성이 떨어져 나간 작은 고철 조각에 사용되는 빔 동력 추진의 또 다른 사용법입니다.이 기술은 레이저 힘이 물체의 한쪽 면을 태워 물체의 궤도 이심률을 변화시키는 자극을 주기 때문에 효과가 있다.그러면 궤도는 대기와 교차하여 타오를 것이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크