행성간 우주 비행

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행성간 우주 비행 또는 행성간 여행은 보통 단일 행성계 내에서 별과 행성들 사이의 승무원 또는 무궤도 여행이다.[1]실제로, 이런 종류의 우주비행은 태양계의 행성들 사이를 여행하는 것에 국한된다.나사 없는 우주 탐사선은 태양계의 모든 관측된 행성들뿐만 아니라 명왕성과 세레스, 그리고 몇몇 소행성으로 날아갔다.궤도 비행사와 착륙선은 비행 임무보다 더 많은 정보를 반환한다.승무원이 탑승한 항공편은 달에 착륙했고 화성과 금성을 향해 이따금씩 계획되어 왔다.많은 과학자들이 나사 없는 비행이 제공하는 지식의 가치를 높이 평가하지만, 승무원 임무의 가치는 더 논란이 많다.공상과학소설 작가들은 소행성 채굴, 태양열 발전 접근, 지구 대재앙 시 식민지화의 여지를 포함한 많은 혜택을 제안한다.

행성간 비행을 보다 경제적으로 만들기 위해 많은 기법이 개발되었다.컴퓨팅과 이론 과학의 발전은 이미 일부 기법을 개선한 반면, 새로운 제안은 속도, 연비, 안전의 향상으로 이어질 수 있다.여행 기법은 태양계의 한 신체에서 다른 신체로 이동하는 데 필요한 속도 변화를 고려해야 한다.궤도 비행의 경우 목적지 본체의 궤도 속도와 일치하도록 추가 조정을 해야 한다.다른 개발들은 로켓 발사와 추진뿐만 아니라 비전통적인 에너지원의 사용을 개선하기 위해 고안되었다.에너지, 산소, 물을 위해 외계 자원을 사용하면 비용이 절감되고 생명 유지 시스템이 개선될 것이다.

승무원이 탑승한 행성간 비행은 특정 설계 요건을 포함해야 한다.생명 유지 시스템은 장기간 동안 인간의 생명을 지원할 수 있어야 한다.방사선 피폭을 줄이고 최적의 신뢰성을 확보하기 위한 예방 조치가 필요하다.

아폴로 응용프로젝트 비너스 플라이바이 우주선 컷어웨이 다이어그램
MENSER에서 Mercury로 이동하는 동안 지구로 비행하는 모습 보기

행성간 여행의 현재 성과

거의 10년간의 항해 끝에 뉴호라이즌스가 본 명왕성의 평야.

뉴호라이즌스 탐사선은 왜성 명왕성이 비행하고 던 우주선은 현재 왜성 세레스 궤도를 돌고 있는 가운데, 원격 유도 우주 탐사선은 수성에서 해왕성으로 관측된 태양계의 모든 행성을 비행했다.가장 멀리 떨어진 우주선 보이저 1호와 보이저 2호는 2018년 12월 8일 현재 태양계를 떠났고, 파이오니어 10호, 파이오니어 11호, 뉴호라이즌스호는 이 우주선을 떠나야 하는 코스가 진행 중이다.[2]

일반적으로 행성궤도선과 착륙선은 비행별 임무보다 훨씬 더 상세하고 포괄적인 정보를 반환한다.우주 탐사선은 고대인들에게 알려진 5개의 행성들 주위의 궤도에 올려졌다.첫 번째는 금성(Venera 7, 1970), 화성(Mariner 9, 1971), 목성(Galileo, 1995), 토성(Cassini/Huygens, 2004), 그리고 가장 최근의 머큐리(MESSERGER, 2011년 3월)이며, 이들 시체와 그들의 자연 위성에 대한 데이터를 반환했다.

2000년 NEAR 슈메이커 임무는 지구 가까이 있는 거대한 소행성 433 에로스를 궤도를 돌았고, 비록 이 기술을 염두에 두고 설계되지는 않았지만 성공적으로 그곳에 착륙했다.2005년 일본의 이온구동 우주선 하야부사도 지구와 가까운 작은 소행성 25143 이토카와를 공전하여 그 위에 잠시 착륙한 뒤 표면 물질의 알갱이를 지구로 돌려보냈다.또 다른 이온 추진 임무인 돈(Dawn)은 대형 소행성 베스타(2011년 7월~2012년 9월)의 궤도를 선회한 뒤 2015년 3월에 도착하는 난쟁이 행성 세레스(Ceres)로 이동했다.

바이킹, 패스파인더, 두 대의 화성탐사로버 등 원격조종 착륙선이 화성 표면에 착륙했고 베네라와 베가 우주선 여러 대가 금성 표면에 착륙했다.Huygens 탐사선은 성공적으로 토성의 달 타이탄에 착륙했다.

태양계의 어떤 행성에도 승무원이 동원된 임무는 없었다.그러나 NASA의 아폴로 프로그램은 12명을 달에 착륙시켜 지구로 돌려보냈다.당초 조지 W 부시 미국 대통령이 도입해 Constellation 프로그램을 통해 실행에 옮긴 우주탐사를 위한 아메리칸비전(American Vision for Space Discovery)은 결국 인간 우주비행사를 화성으로 보내겠다는 장기적인 목표를 갖고 있었다.그러나 2010년 2월 1일 버락 오바마 대통령은 2011 회계연도에 프로그램 취소를 제안했다.NASA에 의해 몇몇 중요한 계획을 받은 초기 프로젝트는 유인 금성 플라이비 임무에 금성의 승무원 비행을 포함했지만, 1960년대 후반 NASA 예산 삭감으로 아폴로 응용 프로그램이 종료되면서 취소되었다.

행성간 여행의 이유

오닐 실린더의 공간 군집

행성간 여행의 비용과 위험은 많은 홍보를 받는다. 예를 들어 화성 96, 딥 스페이스 2, 비글 2와 같이 인간 승무원이 없는 탐사선의 오작동이나 완전한 고장을 포함한다(태양계 탐사선 목록에는 전체 목록이 수록되어 있다).

많은 천문학자, 지질학자, 생물학자들은 태양계의 탐사가 지구 표면이나 지구 주위의 궤도에서 관찰한 결과 얻을 수 없는 지식을 제공한다고 믿는다.그러나 그들은 인간이 만든 임무가 유용한 과학적인 기여를 하는지에 대해 동의하지 않는다. 어떤 이들은 로봇 탐사가 더 저렴하고 안전하다고 생각하는 반면, 다른 이들은 지구에 기반을 둔 과학자들이 그들이 탐험하고 있는 지역의 새로운 혹은 예상치 못한 특징에 더 유연하고 지능적으로 대응할 수 있다고 주장한다.ng.[3]

그러한 임무에 돈을 지불하는 사람들(주로 공공 부문)은 자신이나 인류 전체를 위한 혜택에 더 관심을 가질 가능성이 높다.지금까지 이러한 유형의 유일한 이점은 우주 임무를 위해 개발되었고, 그 후 적어도 다른 활동에서 유용한 것으로 판명된 "스핀 오프" 기술뿐이었다(NASA는 그 활동에서 나오는 분사량을 공개한다).

행성간 여행에 대한 다른 실질적인 동기들은 더 추측적이다. 왜냐하면 우리의 현재 기술이 시험 프로젝트를 지원할 만큼 충분히 발전되지 않았기 때문이다.그러나 공상 과학 소설 작가들은 미래 기술 예측에서 상당히 좋은 기록을 가지고 있다. 예를 들어 지구 동기 통신 위성(Arthur C)과 같은 것이다. 클라크)와 컴퓨터 기술의 많은 측면들 (맥 레이놀즈).

많은 공상과학소설들은 사람들이 어떻게 소행성으로부터 광물을 추출할 수 있는지, 궤도 태양 전지판과 목성의 매우 강한 자기장을 포함한 원천으로부터 에너지를 추출할 수 있는지에 대한 상세한 설명을 특징으로 한다.어떤 사람들은 그러한 기술들이 오염이나 지구의 자원의 고갈에 의해 멈추지 않고 상승하는 삶의 수준을 제공하는 유일한 방법일 수 있다고 지적한다.

마지막으로, 태양계의 다른 부분을 식민지화하면 모든 종족이 가능한 많은 사건들 중 하나에 의해 몰살되는 것을 막을 수 있을 것이다(인간 멸종을 참조).이러한 가능성 있는 사건들 중 하나는 백악기-팔레종기 멸종 사건을 야기했을 수도 있는 소행성 충돌이다.다양한 스페이스가드 프로젝트가 태양계를 감시하며 지구에 위험하게 가까이 올 수 있는 물체를 감시하고 있지만, 현재의 소행성 편향 전략은 조잡하고 검증되지 않은 것이다.이 일을 더욱 어렵게 만들기 위해, 카본색 연분류는 오히려 검지하기가 매우 어렵다.카본질 콘드라이트는 희귀한 것으로 생각되지만, 일부는 매우 크기도 하고, 의심스러운 '공룡살해자'는 카본질 콘드라이트였을 수도 있다.

우주연구소의 회원들을 포함한 일부 과학자들은 인류의 대다수가 결국 우주에서 살게 될 것이며 이로 인해 이득을 보게 될 것이라고 주장한다.[4]

경제적인 여행 기술

행성간 여행에서 가장 큰 도전 중 하나는 태양계에서 한 몸으로부터 다른 몸까지 여행하는 데 필요한 매우 큰 속도 변화를 만들어 내는 것이다.

태양의 중력 때문에 태양으로부터 더 멀리 이동하는 우주선은 속도가 느려지고, 더 가까이 움직이는 우주선은 속도가 빨라진다.또한 어떤 두 행성이든 태양과 다른 거리에 있기 때문에 우주선이 출발하는 행성은 우주선이 이동하는 행성과는 다른 속도로 태양 주위를 돌고 있다(케플러의 제3법칙에 따라).이러한 사실들 때문에, 태양에 더 가까운 행성으로 이동하고자 하는 우주선은 태양을 가로채기 위해 태양에 대한 속도를 크게 줄여야 하는 반면, 태양에서 멀리 떨어진 행성으로 여행하는 우주선은 그 속도를 상당히 증가시켜야 한다.[5]그런 다음 우주선이 추가로 목적지 행성 주위의 궤도에 진입하기를 원한다면(그냥 비행하는 대신), 태양 주위의 행성의 궤도 속도와 일치해야 하며, 보통은 또 다른 큰 속도 변화가 필요하다.

목적지로 가는 가장 짧은 경로에서 가속한 다음 행성의 속도에 맞춰 이것을 하는 것만으로 엄청난 양의 연료가 필요할 것이다.그리고 이러한 속도 변화를 만드는 데 필요한 연료는 탑재량과 함께 발사되어야 하고, 따라서 우주선과 행성간 여행에 필요한 연료를 궤도에 올려놓기 위해서는 훨씬 더 많은 연료가 필요하다.따라서 행성간 이동의 연료 요건을 줄이기 위한 몇 가지 기법이 고안되었다.

속도 변화의 예로서, 간단한 궤적을 이용하여 낮은 지구 궤도에서 화성으로 이동하는 우주선은 먼저 속도 변화(델타-v라고도 함)를 겪어야 하며, 이 경우 약 3.8km/s의 증가를 겪어야 한다.그런 다음 화성을 요격한 후, 태양 주위를 도는 화성의 궤도 속도에 일치시키고 그 주위를 도는 궤도에 진입하기 위해서는 다시 2.3 km/s의 속도를 변경해야 한다.[6]비교를 위해, 낮은 지구 궤도로 우주선을 발사하는 것은 약 9.5 km/s의 속도 변화를 필요로 한다.

Hohmann 전송

Hohmann Transfer Obit: 우주선은 지구 궤도의 2 지점에서 출발하여 화성 3 지점에 도착한다(스케일링하지 않음).

수년 동안 경제적 행성간 여행은 Hohmann 전송 궤도를 사용하는 것을 의미했다.Hohmann은 두 궤도 사이의 가장 낮은 에너지 경로가 출발 궤도와 목적지 궤도에 접선을 형성하는 타원형 "orbit"임을 증명했다.우주선이 도착하면, 두 번째 추력을 가하면 새로운 위치에서 궤도가 다시 순환될 것이다.행성이 전달되는 경우 이는 우주선이 원래 지구와 거의 동일한 궤도에 있을 때 다른 행성의 궤도와 가까운 태양의 저쪽에 위치하도록 우주선을 유도하는 것을 의미한다.이 방법을 통해 지구에서 화성으로 이동하는 우주선은 약 8.5개월 후에 화성 궤도 근처에 도착할 것이지만, 궤도 속도는 질량의 중심(즉 태양)에 가까울 때 더 크고 중심에서 더 멀어질 때 더 느리기 때문에 우주선은 상당히 느리게 여행할 것이고 추력을 조금만 적용하면 된다.그것을 화성 주위의 원형 궤도에 넣는다.만약 마뉴버의 타이밍이 적절하다면, 화성은 이런 일이 일어날 때 우주선 아래에서 "획득"하게 될 것이다.

Hohmann 전송은 어떤 두 개의 궤도에도 적용되며, 단지 행성이 관련된 궤도에만 적용되는 것이 아니다.예를 들어, 그것은 낮은 지구 궤도에 처음 "주차"된 후에 위성을 정지궤도로 옮기는 가장 일반적인 방법이다.그러나, 호만 전송은 외부 궤도의 궤도 주기의 ½과 유사한 시간이 소요되기 때문에, 외부 행성의 경우, 이 시간이 너무 길어서 기다릴 수 없다.그것은 또한 예를 들어 지구 둘레를 도는 두 궤도 사이를 이동할 때와 같이 양쪽 끝에 있는 점들이 질량이 없다는 가정에 근거한다.행성이 전송의 목적지 끝에 있으면 계산이 상당히 어려워진다.

중력 새총

주요 기사: 중력 새총
중력 새총의 단순화된 예: 우주선의 속도가 행성 속도의 최대 2배까지 변화함
보이저 2호의 태양으로부터의 거리에 대한 태양 중심 속도 플롯은 목성, 토성, 천왕성에 의해 우주선을 가속시키기 위한 중력 보조의 사용을 보여준다.트라이톤을 관찰하기 위해 보이저 2호는 해왕성의 북극 위를 지나갔고, 그 결과 황반면으로부터 가속도가 떨어져 태양으로부터 떨어진 속도가 감소되었다.[7]

중력 새총 기술은 행성과 달의 중력을 이용해 연료를 사용하지 않고 우주선의 속도와 방향을 바꾼다.대표적인 예로, 우주선은 호만 이적이 부르던 것보다 훨씬 빠른 경로로 먼 행성으로 보내진다.이것은 전형적으로 그것이 행성의 궤도에 도착해서 그것을 지나 계속된다는 것을 의미할 것이다.그러나 출발점과 목표지점 사이에 행성이 있을 경우 목표지점을 향해 길을 구부리는 데 사용할 수 있으며, 많은 경우 전체 이동시간이 크게 단축된다.대표적인 예가 태양계 외계에서 여러 차례 궤적을 바꾸기 위해 새총 효과를 이용한 보이저 프로그램의 두 가지 공예품이다.태양계 내부를 여행할 때 금성이나 심지어 달과 같은 다른 근처의 행성을 슬링샷으로 사용할 수는 있지만, 이 방법을 이용하는 것은 어렵다.

이 기동은 세 번째, 즉 "질량의 중심" 또는 태양에 상대적인 물체의 속도만 변경할 수 있다.서로 상대적인 조작에 관여하는 두 물체의 속도에는 변화가 없다.태양은 태양을 공전하는 태양계의 나머지 부분들에 비해 정지되어 있기 때문에 중력 새총에 사용될 수 없다.태양이 은하수 중심 주위를 공전하기 때문에 우주선을 보내거나 은하를 탐사하는 데 사용될 수도 있다.

동력식 새총

주요기사 : 오버스트 효과

동력식 새총은 신체에 가장 가까이 접근할 때 또는 그 주변에서 로켓 엔진을 사용하는 것이다(periapsis).이때의 사용은 델타-v의 효과를 배가시키고, 다른 때에 비해 큰 효과를 준다.

퍼지 궤도

컴퓨터는 Hohmann 전송 궤도가 처음 제안되었을 때(1925년) 존재하지 않았고 중력 슬링샷이 개발되었을 때(1959년) 느리고 비싸고 신뢰할 수 없었다.최근의 컴퓨팅 발전은 천문학적인 물체의 중력장의 더 많은 특징들을 이용할 수 있게 했고 따라서 심지어 더 저렴한 궤적을 계산하는 것을 가능하게 했다.[8][9]다양한 행성의 라그랑주 지점을 소위 행성간 전송 네트워크로 연결하는 경로가 계산되었다.그러한 "퍼지 궤도"는 Hohmann이 전송하는 것보다 훨씬 적은 에너지를 사용하지만 훨씬 더 느리다.그것들은 일반적으로 몇 년 또는 수십 년이 걸리기 때문에 인간 승무원 임무에는 실용적이지 않지만, 인류가 우주 기반 경제를 발전시킨다면 가치가 낮은 물품의 대량 수송에는 유용할 수 있다.

에어로브레이킹

아폴로 지휘 모듈은 대기권을 스킴으로써 에어로브레이크를 향해 높은 각도로 비행한다(예술적 표현).

에어로브레이킹은 목표 행성의 대기를 이용하여 속도를 늦춘다.귀환하는 우주선이 지구 궤도에 진입하지 않고 대신 S자 모양의 수직 하강 프로파일(초기의 급경사를 시작으로 수평을 유지한 후 약간의 상승이 뒤따른 후 바다에서 계속 스플래시다운을 하는 양의 하강 속도로 되돌아가는 것)을 E를 통해 처음 사용되었다.낙하산 시스템이 배치되어 안전하게 착륙할 수 있을 때까지 속도를 줄이려는 관절의 분위기에어로브레이킹은 두꺼운 대기를 필요로 하지 않는다. 예를 들어, 대부분의 화성 착륙선들은 이 기술을 사용하고 있으며, 화성의 대기는 지구와 같은 약 1%의 두께밖에 되지 않는다.

에어로브레이킹은 우주선의 운동 에너지를 열로 변환하기 때문에 우주선이 타는 것을 막기 위해 열 차폐가 필요하다.결과적으로, 에어로브레이킹은 열 차폐막을 행성으로 운반하는 데 필요한 연료가 엔진을 발사하여 비차폐 우주선을 제동하는 데 필요한 연료보다 적은 경우에만 도움이 된다.이는[10] 대상 근처에서 사용 가능한 물질로부터 열 차폐를 생성하여 해결할 수 있다.

향상된 기술 및 방법론

연료를 절약하고 Hohmann 전송을 사용하는 기존의 방법론보다 훨씬 더 빠른 여행을 제공하는 몇 가지 기술이 제안되었다.어떤 것들은 여전히 이론에 불과하지만, 시간이 지남에 따라, 몇몇 이론적 접근방식은 우주 비행 임무에서 시험되었다.예를 들어, Deep Space 1 미션은 이온 드라이브의 성공적인 테스트였습니다.[11]이러한 개선된 기술은 일반적으로 다음 중 하나 이상에 초점을 맞춘다.

  • 훨씬 더 나은 연비를 가진 우주 추진 시스템.그러한 시스템은 연료비를 허용 한도 이내로 유지하면서 훨씬 더 빠르게 이동할 수 있게 할 것이다.
  • 태양 에너지 및 현장 자원 활용을 사용하여 지구의 중력에 대항하여 지구 표면에서 연료와 구성품을 운송하는 값비싼 작업을 피하거나 최소화한다(아래 "비지구의 자원 사용" 참조).
  • 서로 다른 위치 또는 다른 방법으로 에너지를 사용하여 우주 운송의 단위 질량당 운송 시간을 단축하거나 비용을 절감할 수 있는 새로운 방법론

여행을 더 빨리 하거나 비용을 덜 들게 하는 것 외에도, 그러한 개선은 우주선을 더 가볍게 만들어야 하는 필요성을 줄임으로써 더 큰 설계 "안전 여유도"를 가능하게 할 수 있다.

개선된 로켓 개념

주요기사 : 우주선 추진

모든 로켓 개념은 Tsiolkovsky 로켓 방정식에 의해 제한된다. 이 방정식은 배기 속도와 질량 비율의 함수로 이용 가능한 특성 속도를 초기(연료0 포함) 질량 대 최종(M1, 연료 고갈) 질량의 함수로 설정한다.주요 결과는 건조한 질량(부하 및 연료가 없는 로켓의 질량)이 전체 로켓의 습질량(연료가 있는 로켓 질량)의 10% 미만으로 떨어짐에 따라 로켓 모터 배기 속도의 몇 배 이상의 비행 속도가 급속히 비현실적으로 변한다는 것이다.

핵열 및 태양열로켓

핵 열로켓 스케치

핵 열로켓이나 태양열로켓에서는 보통 수소가 되는 작동액이 고온으로 가열된 다음 로켓 노즐을 통해 팽창하여 추력을 만든다.이 에너지는 전통적인 로켓 엔진에서 반응하는 화학 물질의 화학적 에너지를 대체한다.분자량이 낮고 수소가 높은 열속도로 인해 이 엔진은 원자로 중량을 포함하더라도 화학 엔진보다 최소 2배 이상 연료 효율이 높다.[citation needed]

미국 원자력 위원회와 NASA는 1959년부터 1968년까지 몇 가지 디자인을 실험했다.NASA 설계는 새턴 V 발사체의 상위 단계에 대한 대체품으로 구상되었지만, 이 실험에서는 주로 엔진의 높은 추력 수준에서 작동하는데 수반되는 진동과 난방에 의해 야기된 신뢰성 문제를 밝혀냈다.핵 열로켓은 지구 표면이나 그 근처에서 가장 유용할 것이고 고장의 결과는 재앙이 될 수 있기 때문에 정치 환경적인 고려는 그러한 엔진이 가까운 미래에 사용될 것 같지 않다.핵분열 기반 열로켓 개념은 아래에 설명된 전기 및 플라즈마 개념보다 배기 속도가 낮으므로 매력적인 해결책이 아니다.행성 탈출과 같이 높은 추력 대 중량 비율이 요구되는 애플리케이션의 경우 핵 열은 잠재적으로 더 매력적이다.[citation needed]

전기 추진

전기 추진 시스템은 원자로나 태양 전지 같은 외부 소스를 사용하여 전기를 생산하는데, 이것은 화학적으로 불활성화된 추진체를 가속시켜 화학 로켓에서 달성된 것보다 훨씬 더 높은 속도를 내는 데 사용된다.그러한 구동력은 미약한 추진력을 만들어 내므로 빠른 기동이나 행성 표면에서의 발사에는 적합하지 않다.그러나 그들은 반응 질량의 사용에 있어서 매우 경제적이라서 며칠이나 몇 주 동안 계속해서 발사할 수 있는 반면, 화학 로켓은 반응 질량을 너무 빨리 소모해서 몇 초나 몇 분 동안만 발사할 수 있다.달로 가는 여행조차도 전기 추진 시스템이 화학 로켓을 앞지르기에 충분할 정도로 길다 – 아폴로 임무는 각 방향으로 3일이 걸렸다.

NASA의 Deep Space One은 시제품 이온 드라이브를 시험하는 데 매우 성공적이었으며, 이 실험은 총 678일 동안 발사되었고, 보렐리 혜성을 탐사할 수 있게 해주었는데, 이것은 화학 로켓으로는 불가능했을 위업이었다.이온 드라이브를 1차 추진에 사용하는 NASA 최초의 작전(즉, 비기술 시연) 임무인 던은 대형 메인벨트 소행성 1 세레스와 4 베스타의 궤도를 성공적으로 돌았다.좀 더 야심차고 원자력 발전된 버전은 인간 승무원이 없는 목성 임무를 위해 고안되었는데, 원래 다음 10년 안에 발사할 계획이었던 목성 얼음 달 탐사선(JIMO)이다.NASA의 우선 순위 변화로 인해 2005년 NASA는 자금 지원을 잃었다.유사한 임무가 현재 Europa와 Ganymede의 탐사를 위한 NASA/ESA 공동 프로그램의 미국 구성요소로서 논의되고 있다.

존슨 우주비행센터에서 이끄는 NASA 멀티센터 기술응용평가팀은 2011년 1월 현재 지구 저궤도(LEO)를 넘어설 임무에 유용한 다중 임무 우주탐사 차량에 대한 개념 연구인 "Nautilus-X"를 6명의 승무원까지 24개월 동안 기술했다.[12][13]Nautilus-X는 다양한 저신뢰 고특정 임펄스sp(I) 설계의 다양한 임무별 추진 장치에 적응할 수 있지만, 핵 이온 전기 구동은 예시를 위해 보여진다.국제우주정거장(ISS)의 통합과 체크아웃을 위한 것으로, 지구/달 L1, 태양/지구 L2, 지구 근거리 소행성, 화성 궤도 목적지 등 ISS에서 달까지 왕복하는 심우주 임무에 적합할 것이다.승무원의 건강을 위해 인공중력을 제공하는 환원기 원심분리기와 장기 0g 노출의 영향을 개선하고 우주방사선 환경을 완화하는 기능을 통합했다.[14]

핵분열 추진 로켓

이미 비행했거나 현재 예정되어 있는 전기 추진 임무는 태양전력을 사용해 태양으로부터 멀리 떨어진 곳에서 운용할 수 있는 능력을 제한했으며, 또한 전력원의 질량으로 인해 최고 가속도를 제한하기도 했다.낮은 추력에서 장기간 작동하고 핵분열 원자로에 의해 구동되는 핵전기 또는 플라스마 엔진은 화학적으로 구동되는 차량보다 훨씬 더 큰 속도에 도달할 수 있다.

핵융합로켓

핵융합 반응에 의해 구동되는 핵융합로켓은 중수소, 삼중수소, 헤와 같은 가벼운 원소 연료를 " 연소"할 것이다.핵융합은 핵연료 질량의 약 1%를 방출 에너지로 생산하기 때문에 핵분열보다 에너지적으로 유리하며, 핵분열은 연료 질량 에너지의 약 0.1%만 방출한다.그러나, 핵분열이나 핵융합 기술은 원칙적으로 태양계 탐사에 필요한 속도보다 훨씬 더 높은 속도를 달성할 수 있으며, 핵융합 에너지는 여전히 지구에서 실질적인 시연을 기다리고 있다.

핵융합로켓을 이용한 한 제안은 프로젝트 다이달로스였다.승무원이 탑승한 태양계 탐사를 위해 설계되고 최적화된 또 다른 매우 상세한 차량 시스템인 "Discovery II"[15]는 DHe3 반응을 기반으로 하지만 반응 질량으로 수소를 사용하는 것으로 NASA 글렌 연구 센터의 한 팀이 설명했다.최대 1.7•10−3 g의 가속도로 300 km/s의 특색 있는 속도를 달성하며, 선박 초기 질량은 약 1700 미터 톤이며, 탑재량은 10% 이상이다.

핵융합로켓은 행성문명의 행성간 수송의 유력한 원천으로 여겨진다.[16]

이국적인 추진력

중장기적으로 행성간 임무의 기초가 될 수 있는 많은 다른 기술에 대한 설명은 우주선 추진 기사를 참조하십시오.성간 여행의 상황과 달리, 빠른 행성간 여행의 장벽은 어떤 기초 물리학보다는 공학과 경제학을 포함한다.

태양열 돛

주요 기사:솔라 돛
NASA의 태양열 추진 우주선 삽화

태양열 돛은 표면에서 반사된 빛이 표면에 압력을 가한다는 사실에 의존한다.방사선 압력은 작고 태양으로부터 거리의 제곱에 의해 감소하지만, 로켓과 달리 태양 돛은 연료를 필요로 하지 않는다.추력은 작지만 태양이 빛나고 돛이 전개되는 한 계속된다.[17]

원래 개념은 태양의 방사선에만 의존했다. 예를 들어 아서 C에서 말이다. 클라크의 1965년 이야기 "Sunjammer".보다 최근의 경 돛 디자인은 지상에 기반을 둔 레이저나 마저를 돛에 조준함으로써 추력을 증가시킬 것을 제안한다.지상에 기반을 둔 레이저나 마저도 광선 우주선이 감속하는 데 도움을 줄 수 있는데, 돛이 외측과 내측 구간으로 갈라지고 외측 구간이 앞으로 밀리며 그 모양이 기계적으로 바뀌어 반사 방사선이 내측에 집중되도록 하고, 내측에 초점을 맞춘 방사선이 브레이크 역할을 한다.

비록 대부분의 가벼운 돛에 관한 기사가 성간 여행에 초점을 맞추고 있지만, 태양계 내에서 그것들을 사용하자는 제안이 여러 번 있었다.

현재 태양열 돛을 주요 추진 방법으로 사용하는 우주선은 JAXA가 2010년 5월 21일 발사한 IKAROS뿐이다.이후 성공적으로 전개되었으며, 예상대로 가속을 생산하고 있는 것으로 나타났다.많은 일반 우주선과 위성들 또한 연료를 사용하지 않고 그들의 태도와 궤도를 약간 수정하기 위해 태양열 집열기, 온도 조절 패널 그리고 태양 음영을 가벼운 돛으로 사용한다.몇몇은 심지어 이것을 사용하기 위해 목적에 맞게 제작된 소형 태양 돛을 가지고 있다(예를 들어 EADS Astrium에 의해 구축된 Eurostar E3000 정지궤도 통신 위성).

사이클러스

예를 들어 화성 사이클러가 궤적을 유지하기 위해 추진체를 거의 사용하지 않고 화성과 지구를 동시에 순환하는 궤도에 정거장이나 우주선을 올려놓는 것이 가능하다.거대한 방사선 방패, 생명 유지 장치 및 기타 장비들은 자전거 타는 사람의 궤도에 한 번만 올려놓으면 되기 때문에 자전거 타는 사람들은 개념적으로 좋은 생각이다.사이클러는 서식지(예: "인공 중력" 효과를 내기 위해 회전할 수 있음)와 모선(인공 중력을 타고 가는 작은 우주선의 승무원들을 위한 생명 유지 제공)의 몇 가지 역할을 결합할 수 있다.[18]사이클로인들은 또한 식민지를 재공급하기 위해 훌륭한 화물선을 만들 수 있을 것이다.

우주 엘리베이터

주요기사 : 우주 엘리베이터

우주 엘리베이터는 행성 표면에서 궤도로 물질을 운반할 수 있는 이론적 구조물이다.[19]엘리베이터를 만드는 값비싼 작업이 완료되면 최소한의 비용으로 무한정 많은 하중을 궤도로 운송할 수 있다는 생각이다.가장 단순한 설계라도 표면에서 로켓 발사의 악순환을 피하는데, 여기서 궤도로 진입하는 거리의 마지막 10%를 이동하는 데 필요한 연료는 표면에서 완전히 들어올려야 하고, 훨씬 더 많은 연료를 필요로 하는 등등이 그것이다.보다 정교한 우주 엘리베이터 설계는 평형가중을 사용하여 여행당 에너지 비용을 절감하며, 가장 야심찬 계획은 오르내리는 부하를 균형 있게 조정하여 에너지 비용을 0에 가깝게 만드는 것을 목표로 한다.우주 엘리베이터는 또한 때때로 "빈대", "우주 다리", "우주 승강기", "우주 사다리" 그리고 "오르비탈 타워"[20]라고 불렸다.

달 우주 엘리베이터는 이론적으로 기존 재료를 사용하여 만들 수 있지만 지상 우주 엘리베이터는 현재 우리의 기술을 넘어선다.

스카이훅

주요 기사:스카이훅(구조)
비회전식 스카이훅은 1990년 E. Sarmont에 의해 처음 제안되었다.

스카이훅은 높은 고도와 속도에 탑재물을 끌어올리기 위한 궤도를 선회하는 테더 추진의 이론적 등급이다.[21][22][23][24][25]스카이훅에 대한 제안은 고속 페이로드나 고고도 항공기를 잡아 궤도에 올려놓기 위해 극초음속도로 회전하는 테더를 채택한 설계도 포함한다.[26]또한 회전식 스카이훅은 "현재 사용 가능한 재료를 사용하여 공학적으로 실현 가능하지 않다"[27][28][29][30][31]는 제안이 있었다.

발사체 및 우주선 재사용성

스페이스X 스타십은 2020년 이전으로 예정되어 있으며, 2011~2018년 개발된 스페이스X 재사용 기술을 팰컨 9 및 팰컨 헤비 발사 차량에 활용하기 위해 완전하고 신속하게 재사용할 수 있도록 설계되었다.[32][33]

스페이스X의 CEO 일론 머스크는 발사 차량과 우주선 모두 재사용 가능성만으로도 NASA가 이전에 달성한 것보다 최소 2배 정도 화성에 인도된 톤당 전체 시스템 비용을 줄일 수 있을 것으로 추정한다.[34][35]

스테이지 추진체

장기간 임무에 필요한 모든 에너지를 싣고 지구 표면에서 행성간 탐침을 발사할 때, 로켓 방정식에 의해 이론적으로 기술된 기본 질량 한계 때문에, 탑재량은 반드시 극도로 제한된다.행성간 궤도로 더 많은 질량을 운반할 수 있는 한 가지 대안은 발사 시 거의 모든 상층 추진체를 소진시킨 다음 지구 궤도에 추진체를 재충전한 다음 로켓을 발사하여 태양 중심 궤적을 위한 속도를 탈출하는 것이다.이 추진체들은 추진체 저장소의 궤도에 저장되거나 추진체 유조선에 실려 궤도에 올라가 행성간 우주선으로 직접 전달될 수 있다.질량을 지구로 되돌리는 경우, 관련 옵션은 태양계 천체의 원료를 채굴하고, 반응 제품(프로펠러트)을 정제, 가공 및 태양계 몸체에 저장하여 차량 출시를 위해 적재해야 할 때까지 사용하는 것이다.

온오빗 탱커 이송

스페이스X는 2019년 현재 재사용 가능한 1단계 차량이 승무원이 탄 행성간 우주선을 지구 궤도로 운반해 분리하고, 유조선 우주선이 탑재된 발사대로 복귀한 뒤 연료를 주입한 뒤 다시 발사해 대기 중인 우주선과 만나는 시스템을 개발하고 있다.그리고 나서 그 유조선은 행성간 항해에 사용하기 위해 인간 승무원이 탄 우주선에 연료를 옮길 것이다.스페이스X 스타쉽은 밀도 높은 메탄/산소 추진체로 작동하는 6개의 랩터 엔진에 의해 추진되는 스테인리스강 구조 우주선이다.길이 55m(180ft), 지름 9m(30ft)로 가장 넓은 지점에 있으며, 화성 여행당 최대 100t(22만lb)의 화물과 승객을 수송할 수 있으며, 행성간 이동 전에 온오비트 추진체를 재충전할 수 있다.[35][32][36]

천체 위의 추진제 공장

화성에 있는 물리적 식물의 배치 및 운영 추진 부품의 생산과 보관을 취급하도록 할 필요가 있기는 근본적으로 우주 행성 간의 운항 노선의 비용을 내리는 자금 지원 프로젝트의 한 예로 개발 중 currently[언제?]시스템은 스페이스 X의 주요한 부분 화성을 개발했다.그리고 fly 우주선은 지구로 다시 돌아오거나, 또는 아마도 태양계 바깥의 목적지로 운송될 수 있는 질량을 증가시키기 위해서일 것이다.[35]

화성행 첫 우주선은 화물 적재량의 일부로 소형 추진제 공장을 운반할 것이다.더 많은 장비가 도착, 설치, 그리고 대부분 자동 생산에 투입됨에 따라 공장은 여러 개의 시노드에 걸쳐 확장될 것이다.[35]

스페이스X 추진체 공장은 화성에 이산화탄소와 수자원이 대량 공급돼 지표면 얼음 아래 물(HO2)을 채굴하고 대기 중 CO를2 채취하는 이점을 누릴 예정이다.화학공장은 산소와 메탄(CH24)[35]을 생산하기 위해 전기분해와 사바티어 공정을 통해 원료를 가공한 뒤 액화시켜 장기 저장과 궁극적 사용을 촉진한다.

외계 자원 사용

주요 기사:현장 리소스 활용도
2016년부터 화성 기지를 위한 랭글리의 마스 아이스 돔 디자인은 일종의 우주 이글루를 만들기 위해 현장 물을 사용할 것이다.[clarification needed]

현재의 우주 자동차는 전체 여행에 필요한 모든 연료(프로펠러와 에너지 공급품)를 기내에 싣고 발사를 시도하며, 현재의 우주 구조물은 지구 표면에서 들어올려진다.비지상적인 에너지와 물질 공급원은 대부분 멀리 떨어져 있지만 대부분은 강한 중력장에서 들어올릴 필요가 없기 때문에 장기적으로 우주에서 사용하는 것이 훨씬 더 저렴할 것이다.

가장 중요한 비지구의 자원은 에너지인데, 왜냐하면 그것은 비지구의 물질을 유용한 형태로 변형시키는 데 사용될 수 있기 때문이다(그 중 일부는 에너지를 생산할 수도 있다).태양 전지에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 태양 방사선을 발전기를 구동하기 위해 증기를 생산하는 보일러에 집중시킴으로써 태양 에너지 발전(구름에 의해 방해되지 않음)과 s의 강력한 자기장으로부터 전기를 발생시키는 전기동적 테더 등 최소한 두 가지 기본적인 비지상 에너지원이 제안되었다.오메 행성(쥬피터는 매우 강력한 자기장을 가지고 있다.

물 얼음은 매우 유용할 것이고 목성과 토성의 달에 널리 퍼져있다.

  • 이러한 달의 낮은 중력은 우주정거장과 행성기지를 지구 표면에서 끌어올리는 것보다 값싼 물 공급원이 될 것이다.
  • 비지상파 전원 공급장치는 물 얼음을 산소와 수소로 전달하여 양방향 로켓 엔진에 사용할 수 있다.
  • 핵열로켓이나 태양열로켓은 그것을 반응질량으로 사용할 수 있다.수소는 또한 이러한 엔진에서 사용하기 위해 제안되었고 훨씬 더 큰 특정한 임펄스(반응 질량 킬로그램 당 충격)를 제공할 것이다. 하지만, 물의 양은 크기 순서에 의해 훨씬 더 낮은 특정한 임펄스에도 불구하고 비용/성능 면에서 수소를 이길 것이라고 주장되어 왔다.[37][38]
  • 적절한 급수를 가진 우주선은 선체 밑으로 물을 운반할 수 있으며, 이는 선박과 탑승자에게 상당한 추가 안전 여유를 제공할 수 있다.
    • 물은 태양 에너지를 흡수하고 전도하여 열 차폐 역할을 한다.내부 태양계를 여행하는 선박은 태양을 향하는 우주선의 측면을 과열시키지 않고 태양에 대해 일정한 방향을 유지할 수 있다. 단, 선체의 아래 물이 지속적으로 순환되어 선체에 태양열을 고르게 분산시킨다면,
    • 이 물은 전리방사선에 대한 추가적인 보호를 제공할 것이다.
    • 물은 내부 태양계를 여행할 때 태양에 의해 또는 태양으로부터 더 멀리 이동할 때 온보드 전원에 의해 가열되었다고 가정할 때 극도의 추위에 대한 절연체 역할을 할 것이다.
    • 선체를 구획하여 선체의 작은 부분까지 누출이 격리될 수 있도록 한다면, 물은 마이크로미터로이드 충돌에 대한 추가적인 보호를 제공할 것이다.

산소는 달의 지각의 일반적인 성분이며, 태양계의 다른 대부분의 체내에 아마도 풍부할 것이다.적절한 수소 공급원이 발견될 수 있을 경우에만 비지상적 산소가 수빙원으로서 가치가 있을 것이다.[clarification needed]가능한 용도는 다음과 같다.

  • 우주선, 우주정거장, 행성기지의 생명유지장치에서.
  • 로켓엔진에서.다른 추진체를 지구에서 들어 올려야 한다고 해도 비지상산소를 사용하면 탄화수소 연료의 경우 최대 3분의 2인 85%의 추진제 발사 비용이 절감될 수 있다.대부분의 로켓 추진체 조합에서 산소가 질량의 대부분을 차지하기 때문에 절약량은 매우 높다.

불행히도 수소는 탄소나 질소와 같은 다른 휘발성 물질과 함께 내부 태양계의 산소보다 훨씬 덜 풍부하다.

과학자들은 외부 태양계의 일부 행성, 달, 혜성에서 광범위한 유기 화합물을 발견할 것으로 기대하고 있으며, 가능한 사용의 범위는 훨씬 더 넓다.예를 들어 메탄은 연료(비지구산소 연소)로 쓰이거나 플라스틱 제조와 같은 석유화학 공정을 위한 공급원료로 쓰일 수 있다.그리고 암모니아는 궤도나 행성 기지의 채소밭에서 사용될 비료를 생산하는 데 귀중한 공급원료가 될 수 있어 지구에서 그들에게 먹이를 들어올릴 필요성을 줄일 수 있을 것이다.

가공되지 않은 암석이라도 대량 운전자를 채용하면 로켓 추진체로 유용할 수 있다.

승무원 행성간 여행을 위한 설계 요건

예술적 시각에서 우주선은 회전을 통해 인공 중력을 제공한다(1989)
심우주운송과 달관문

생명유지장치

생명 유지 시스템은 몇 주, 몇 달 또는 심지어 몇 년 동안 인간의 생명을 지원할 수 있어야 한다.최소 35 kPa(5.1 psi)의 호흡 가능한 대기는 적절한 양의 산소, 질소 및 제어된 수준의 이산화탄소, 미량 가스 및 수증기로 유지되어야 한다.

2015년 10월 미 항공우주국(NASA) 감사관은 화성 탐사를 포함해 인간 우주 비행과 관련된 건강 위험 보고서를 발표했다.[39][40]

방사선

차량이 일단 낮은 지구 궤도와 지구 자기권의 보호를 벗어나면, 그것은 높은 방사선의 지역인 밴 앨런 방사 벨트로 들어간다.Van Allen 벨트를 넘어서면 방사선 수치는 일반적으로 감소하지만 시간이 지남에 따라 변동할 수 있다.[41]이 높은 에너지 우주선은 건강에 위협을 준다.심지어 이러한 변동 동안의 최소 방사능 수치조차 지구 저궤도에 있는 우주 비행사들의 현재 연간 제한치에 견줄 만하다.[42]

러시아 과학아카데미 과학자들은 화성 탐사에 대비해 방사능에 의한 암의 위험을 줄이는 방법을 찾고 있다.그들은 승무원이 소비할 중수소 함량이 낮은 식수를 생성하는 생명 유지 시스템(수소의 안정적인 동위원소)을 옵션 중 하나로 간주한다.예비 조사 결과 중수소가 고갈된 물은 특정 항암 효과를 나타내는 것으로 나타났다.따라서 중수소 없는 음용수는 화성 승무원의 극단적인 방사선 피폭에 의한 암 발생 위험을 낮출 수 있는 가능성이 있다고 판단된다.[43][44]

또한 태양으로부터의 관상 질량 유출은 매우 위험하며, 대규모 차폐로 보호되지 않는 한 인간에게 매우 짧은 시간 내에 치명적이다.[45][46][47][48][49][50][51]

신뢰성.

도중에 우주선이 고장나면 치명적일 가능성이 높고, 아무리 작은 우주선이라도 빨리 수리하지 않으면 위험한 결과가 나올 수 있는데, 이는 열린 우주공간에서 달성하기 어려운 일이다.아폴로 13호 임무의 승무원들은 산소 탱크 결함(1970년)으로 인한 폭발에도 불구하고 살아남았다.

창 실행

우주역학상의 이유로, 다른 행성으로 가는 경제 우주선은 특정한 시간 내에만 실용적이다.이 창밖의 행성들은 기본적으로 현재 기술로 지구로부터 접근할 수 없다.이것은 비행을 제한하고 비상시 구조 옵션을 제한한다.

참고 항목

참조

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