아오르바이탈 우주 비행

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우주비행 포털
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아궤도 인간 우주 비행(FAI 정의 우주 경계)

이름	연도	항공편	위치
머큐리-레드스톤 3 머큐리-레드스톤 4호	1961	2	케이프 커내버럴
X-15 90편 X-15 비행 91	1963	2	에드워드 AFB
소유스 18a	1975	1	바이코누르 우주기지
스페이스쉽원 항공 15P편 스페이스쉽원 비행 16P 스페이스쉽원 항공 17P편	2004	3	모하비 항공 우주항
블루 오리진 NS-16 비행[1] 블루 오리진 NS-18 비행 블루 오리진 NS-19 비행	2021	3	콘 랜치

아궤도 인간 우주 비행(미국 정의 우주 경계선, 위 경계선 제외)

이름	연도	항공편	위치
X-15 62편	1962	1	에드워드 AFB
X-15 77편 X-15 87편	1963	2	에드워드 AFB
X-15 비행 138 X-15 143편 X-15 150편 X-15 153편	1965	4	에드워드 AFB
X-15 174편	1966	1	에드워드 AFB
X-15 190편 X-15 191편	1967	2	에드워드 AFB
X-15 197편	1968	1	에드워드 AFB
소유즈 MS-10	2018	1	바이코누르 우주기지
VSS Unity VP-03	2018	1	모하비 항공 우주항
VSS Unity VF-01	2019	1	모하비 항공 우주항
VSS Unity Unity21 VSS Unity Unity22	2021	2	스페이스포트 아메리카

아궤도 우주 비행은 우주선이 우주에 도달하는 우주 비행이지만, 그 궤적은 우주선이 발사된 중력체의 대기나 표면을 교차하여 하나의 궤도 회전(인공위성이 되지 않음)을 완성하거나 탈출 속도에 도달하지 않는다.

예를 들어 카르만 선(해발 100km(62mi))에 도달했다가 다시 지구로 떨어지는 지구에서 발사된 물체의 경로는 아궤도 우주 비행으로 간주된다.일부 아궤도 비행은 우주선을 시험하고 나중에 궤도 우주 비행을 위한 차량을 발사하기 위해 수행되었다.다른 차량들은 특히 X-15와 SpaceShipOne과 같은 승무원 차량과 ICBM과 음향 로켓과 같은 나사 없는 차량을 포함한다.

낮은 지구 궤도로 진입하기에 충분한 속도에 도달한 다음 첫 번째 전체 궤도를 완성하기 전에 비행을 해제하는 비행은 아궤도로 간주되지 않는다.이것의 예로는 유리 가가린의 보스토크 1호와 분수 궤도 폭격 시스템의 비행이 있다.

우주에 도달하지 않는 비행을 여전히 아보르비탈이라고 부르기도 하지만, '아보르비탈 우주 비행'은 아니다.보통 로켓을 사용하지만, 우주총으로 실험적인 아궤도 우주 비행도 달성했다.^[2]

고도요구량

한 가지 정의에 따르면, 아궤도 우주 비행은 해수면 위로 100 km(62 mi) 이상의 고도에 도달한다.카르만 선으로 알려진 이 고도는 지구 대기에서 공기역학적으로 끌어올려 자신을 지탱할 수 있을 정도로 빠르게 비행하는 차량이 궤도 속도보다 더 빠르게 비행하는 지점이기 때문에 국제항공우주국이 선택한 것이다.^[3]미 국무부는 대기권 비행과 우주 비행 사이의 뚜렷한 경계를 지지하지 않는 것으로 보이지만,^[4] 미군과 NASA는 50 mi(80 km) 이상 비행자에게 우주 비행사의 날개를 수여한다.^[5]

궤도

자유낙하 동안 궤적은 궤도 방정식에 의해 주어진 타원 궤도의 일부분이다.주변 거리는 대기를 포함한 지구 R의 반지름보다 작기 때문에 타원은 지구와 교차하고, 따라서 우주선은 궤도를 완성하지 못할 것이다.주축은 수직이고, 준주축 a는 R/2 이상이다.특정 궤도 에너지 $ϵ{\displaystyle }$ ${\displaystyle \epsilon }$은(는) 다음을 통해 제공된다$$.

${\displaystyle \varepsilon =-{\mu \over {2a}}>-{\mu \over {R}\,\!}$

여기서 $displaystyle \mu \,\!}$은(는) 표준 중력 파라미터다.

거의 항상 < R, 전체 궤도의 최소값보다$$ 낮은 $\mu {\displaystyle }$ 2 ${\displaystyle \frac{R}{}}$ ${\displaystyle \epsilon }$에 해당하며$,$ ${\displaystyle -\mu \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{2\mathrm{}}{}}$ R $displaystyle$ -${\mu$\}{$2R}\,\!}$

따라서 우주선을 우주로 끌어올리는 데 필요한 순특정 에너지는 $0과 μ$ 2 $R$이다$.$

속도, 범위 및 고도

요구되는 델타-v(필요한 연료를 강력하게 결정하는 아스트로다이나믹 측정)를 최소화하기 위해, 비행의 고고도 부분은 로켓이 꺼진 상태에서 만들어진다(이는 기술적으로 궤도의 위쪽 부분에도 자유낙하라고 한다.(오베르스 효과와 비교)비행에서 최대 속도는 이 자유 낙하 궤적의 가장 낮은 고도에서 시작과 끝에서 모두 도달한다.

단순히 안사리X상을 놓고 경쟁하는 등 '공간 재구축'이 목표라면 수평 동작은 필요 없다.이 경우 100km 고도에 도달하기 위해 필요한 가장 낮은 델타-v는 약 1.4km/s이다.자유낙하를 줄이면서 천천히 이동하려면 델타-v가 더 필요할 것이다.

이것을 궤도 우주 비행과 비교하라: 약 300 km의 고도를 가진 낮은 지구 궤도(LEO)는 약 7.7 km/s의 속도가 필요하며, 약 9.2 km/s의 델타-v가 필요하다. (대기 드래그가 없다면 이론상의 최소 델타-v는 남극과 같은 정지점에서 출발하는 300 km의 궤도에 우주선을 넣는 데 8.1 km/s가 될 것이다.적도 부근에서 동쪽으로 발사할 경우 이론적 최소 속도는 최대 0.46km/s까지 감소할 수 있다.)

수평 거리를 커버하는 아궤도 우주 비행의 경우 최대 속도와 필요한 델타-v는 수직 비행과 LEO 사이에 있다.궤적 하단의 최대 속도는 이제 수평과 수직으로 구성된다.가로로 덮인 거리가 높을수록 가로 속도가 커진다. (단거리의 경우 세로 속도는 증가하지만 더 긴 거리에서는 감소한다.V-2 로켓의 경우, 우주에 도달했을 뿐이지만 약 330km의 사정거리로는 최대 속도가 1.6km/s이었다.개발 중인 Scale Composite SpaceShipTwo는 유사한 자유 낙하 궤도를 갖지만 발표되는 최대 속도는 1.1km/s이다(고도에서 엔진이 차단되었기 때문일 수 있음).

더 큰 범위의 경우 타원 궤도로 인해 최대 고도는 LEO보다 훨씬 클 수 있다.대륙간탄도미사일(ICBM)이나 향후 상업적 우주비행 등 1만㎞의 대륙 간 비행에서 최대 속도는 약 7㎞/s이며, 최대 고도는 1300㎞ 이상일 수 있다.아궤도 비행을 포함해 지표상으로 돌아오는 모든 우주 비행은 대기권 재진입 과정을 거치게 된다.재진입이 시작될 때의 속도는 기본적으로 비행의 최대 속도다.이에 따라 공기역학적 난방은 다양할 것이다. 최대 속도가 1km/s에 불과한 비행의 경우 최대 속도가 7~8km/s인 경우보다 훨씬 적다.

주어진 범위에 대한 최소 델타-V와 그에 상응하는 최대 고도는 d로 계산할 수 있으며, 둘레가 40000km인 구형 지구를 가정하고 지구의 자전과 대기를 무시한다.projectile 발사체가 지구를 도는 각도의 절반으로, 따라서 도 단위로 보면 45°×d/10000km이다.최소-델타-v 궤적은 발사 지점과 목적지 지점(지구 내부 어딘가에서) 중간 지점에 초점을 맞춘 타원에 해당한다.(이것은 반주축이 최소화하는 궤도인데, 이는 궤도의 한 지점에서 두 개의 초점까지의 거리의 합과 같다.반주축 최소화를 통해 특정 궤도 에너지를 최소화해 발사 속도인 델타-v)기하학적 인수는 다음으로 이어진다(R은 지구의 반지름, 약 6370km).

${\displaystyle {\text{major axis}}=(1+\sin \theta )R}$

${\displaystyle {\text{minor axis}=R{\sqrt {2\왼쪽(\sin \theta +\sin ^{2}\theta \right)}}}={\sqrt {R\sin(\theta ){\text{semi-major 축}}}}}$

${\displaystyle {\text}{{\frac {R}{2}}(1+\sin \theta +\cos \theta )}$

${\displaystyle {\text{apoge of apoge of apoge }=\좌측 \frace\frac {}{2}}-\sin ^{2}{\frace {}{2}}\오른쪽)R=\frac({\frac {1}{\sqrt{2}}:}\sin \left(\theta +{\pi }}{4}\오른쪽)-{\frac {1}{1}{2}}\오른쪽)R}$

지구 주변(100km)의 1/4을 도는 궤도에 대해 아포기의 고도가 최대화(약 1320km)된다는 점에 유의하십시오.더 긴 범위는 최소-델타-v 솔루션에서 더 낮은 아포지를 가질 것이다.

${\displaystyle{\text}{\frac {\mu }-{\frac {}{\mu }\mu{major axis}}}={\frac {\mu }{R}}{\fracta }{1+\sina }}}}}}}}}}}}}$

${\displaystyle \Delta v={\text{sin at launch}={\sqrt{2}{\frac{\mu }}{R}}}{1+\sin }}}}}={\sqrt{2gR{\prac{}\sin }}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

(여기서 g는 지구 표면에서 중력의 가속이다.)Δv는 범위에 따라 증가하며, 범위가 2만 km(전세계 반쪽)에 근접함에 따라 7.9 km/s에서 수평이 유지된다.지구 반 바퀴를 도는 최소 델타-v 궤적은 표면 바로 위의 원형 궤도에 해당한다(물론 실제로는 대기권 위에 있어야 한다).비행 시간은 아래를 참조하십시오.

대륙간 탄도 미사일은 최소 5500km 떨어진 목표물을 타격할 수 있는 미사일로 정의되며, 위의 공식에 따르면 6.1km/s의 초기 속도가 필요하다.지구상의 어느 지점에 도달하기 위해 속도를 7.9 km/s로 증가시키는 것은 델타-v와 함께 필요한 연료량이 기하급수적으로 증가하기 때문에 상당히 큰 미사일을 필요로 한다(로켓 방정식 참조).

최소-델타-V 궤적의 초기 방향은 직선 위와 직선 사이의 중간 지점(지평선 아래)이다.이번에도 지구의 자전을 무시하면 그렇다.발사가 극에서 일어나지 않는 한 회전하는 행성에 대해서는 정확하지 않다.^[6]

비행 지속시간

고도가 그리 높지 않은 수직 비행에서 자유 낙하 시간은 위쪽으로 최대 속도를 중력 가속도로 나눈 값인 동시에 아래쪽으로 최대 속도를 3분 20초로 나눈 값이다.자유낙하 전후의 비행단계의 지속시간은 다양할 수 있다.

대륙 간 비행의 경우 부스트 단계는 3~5분, 자유 낙하(중간 코스 단계)는 약 25분이 걸린다.ICBM의 경우 대기권 재진입 단계는 약 2분이 소요되며, 이는 향후 상업 비행과 같은 모든 연착륙의 경우 더 길어질 것이다.

아궤도 비행은 단 몇 초에서 며칠까지 지속될 수 있다.파이오니어 1호는 달에 도달하기 위한 NASA의 첫 번째 우주 탐사선이다.부분적인 실패는 대신 그것이 발사 43시간 후에 지구의 대기를 다시 들어오게 하는 아궤도 궤적을 따르도록 만들었다.

케플러의 제3법칙에 따르면, 최소-델타-v 궤도에 대한 비행 시간을 계산하기 위해, 전체 궤도에 대한 기간(지구를 통과하지 않은 경우)은 다음과 같을 것이다.

${\displaystyle {\text{period}}=\left({\frac {\text{semi-major axis}}{R}}\right)^{\frac {3}{2}}\times {\text{period of low Earth orbit}}=\left({\frac {1+\sin \theta }{2}}\right)^{\frac {3}{2}}2\pi {\sqrt {\frac {R}{g}}}}$

케플러의 두 번째 법칙을 사용하여, 우리는 이것을 지구 중심에서 발사체까지의 선에 의해 휩쓸린 타원 영역의 부분과 곱한다.

${\displaystyle {\text{area frace}={\frac {1}{\pi }\arcsin {\sqrt {\fract {}{1+\sin }}}}{\fracta \coses \sin }{\pi {\text(주요 축)(축)}}}}}$

${\displaystyle{\begin{정렬}{비행의 \text{시간}}&=\left(\left({\frac{1+\sin \theta}{2}}\right)^{\frac{3}{2}}\arcsin{\sqrt{\frac{2\sin \theta}{1+\sin \theta}}}+{\frac{1}{2}}\cos\theta{\sqrt{\sin \theta}}\right)2{\sqrt{\frac{R}{g}}}\\&, =\left(\left({\frac{1+\sin \theta}{2}}\right)^{\frac{3}{2}}\arccos{\frac{\cos \thet.는}{1+\s\theta }}}{\frac {1}{1}:{2}}:\cos \theta {\sin \sin }}}2{\sqrt {\frac{R}\\ended}}}}}}}$

이것은 지구를 4분의 1바퀴 도는 데 약 32분, 반 바퀴 도는 데 약 42분을 준다.단거리의 경우 이 식은 ${\displaystyle \sqrt{\mathrm{2d}}}$ /${\displaystyle \sqrt{g}}$ ${\$에 대해 점증적이지 않다$.$

아르코신을 포함하는 형태에서 d(또는 θ)에 대한 비행 시간의 파생은 d가 2만 km(전세계 반쪽)에 근접함에 따라 0이 된다.Δv의 파생상품도 여기서 0으로 간다.따라서 d = 19000 km일 경우 최소-델타-v 궤적의 길이는 약 19500 km가 되지만 d = 20000 km(궤도가 20000 km인 경우)의 궤적보다 몇 초밖에 걸리지 않는다.

비행 프로필

가능한 아궤도 비행 프로필이 매우 많지만, 일부 비행 프로필은 다른 비행 프로필보다 더 흔할 것으로 예상된다.

탄도 미사일

우주에 도달한 최초의 아궤도 차량은 탄도 미사일이었다.우주에 도달한 최초의 탄도 미사일은 1942년 10월 3일 페네뮌데의 과학자들이 만든 독일 V-2로, 고도 97km에 도달했다.^[7]그 후 1940년대 후반 미국과 소련이 동시에 개발한 미사일은 모두 V-2 로켓에 기반한 것이고, 그 다음에는 훨씬 더 긴 사거리의 대륙간탄도미사일(ICBM)이다.현재 많은 나라들이 ICBM을 보유하고 있으며 심지어 더 짧은 사거리를 가진 중거리탄도미사일(IRBM)도 있다.

관광 항공편

아궤도 관광 비행은 처음에는 우주에 도달하기 위한 자격을 갖추는데 필요한 고도를 확보하는 데 초점을 맞출 것이다.비행 경로는 수직이거나 매우 가파르게 될 것이며, 우주선은 이륙 장소에 다시 착륙할 것이다.

이 우주선은 최고 고도에 도달하기 전에 엔진을 끄고 가장 높은 지점까지 충돌할 것이다.몇 분 동안 엔진이 꺼지는 지점부터 대기권 하행 가속도가 느려지기 시작하는 지점까지 승객들은 무중력 상태를 경험하게 된다.

메가로크는 1940년대에 영국 행성간 협회에 의해 우주 저공 비행을 계획했었다.^[8][9]

1945년 가을, M그룹.NII-4 로켓포 과학아카데미(Academy of Science)의 티콘라보프 K.와 N. G. 체르니셰바(Tikhonravov K. and N. G. Chernysheva)는 자체 이니셔티브로 독일의 탄도 로켓 V-2를 기반으로 2명의 조종사들을 200km 고도로 수직 비행하기 위해 VR-190에 의해 개발되었다.^[10]

2004년에는 안사리X상 경연대회 참가기업으로 이 세분류에 속하는 차량에 대해 많은 기업이 작업하였다.Scaleed Composites SpaceShipOne은 릭 서포스에 의해 2주간의 기간 내에 두 번의 비행을 완료한 후 2004년 10월 4일에 이 대회에서 우승했다고 공식적으로 선언되었다.

2005년에 버진 그룹의 리처드 브랜슨 경은 VSS Enterprise라는 이름의 9인승 용량의 SpaceShipTwo에 대한 계획과 버진 갤럭틱의 창설을 발표했다.이후 8좌석(조종사 1명, 부조종사 1명, 승객 6명)으로 완공되었으며, 포획 시험과 최초의 모선 WhiteKnightTwo, 즉 VMS Eve와 함께 참가하였다.또한 이동 가능한 꼬리 부분을 고정형 및 "열쇠형" 구성으로 하여 단독 활공도 완료하였다.하이브리드 로켓 모터는 지상 시험대에서 여러 차례 발사됐으며 2013년 9월 5일 두 번째로 동력 비행으로 발사됐다.^[11]4개의 SpaceShipTwos가 추가로 주문되었고 새로운 SpacePort America에서 운영될 것이다.2014년 승객을 태운 상업 항공편이 예상됐으나 SS2 PF04 비행 중 참사로 결항됐다.브랜슨은 "[w]e는 무엇이 잘못되었는지를 보고 안전과 성능을 개선할 수 있는 방법을 알아낸 후 함께 나아갈 것"^[12]이라고 말했다.

과학 실험

오늘날 아궤도 차량의 주요 용도는 과학적인 음향 로켓이다.과학적인 아궤도 비행은 1920년대에 로버트 H. 고다드가 최초의 액체 연료 로켓을 발사하면서 시작되었지만 우주 고도에 도달하지는 못했다.1940년대 후반, 포획된 독일 V-2 탄도 미사일은 V-2 사운딩 로켓으로 전환되어 현대 사운딩 로켓의 기초를 다졌다.^[13]오늘날 시장에는 다양한 국가의 다양한 공급자들로부터 수십 개의 다른 소리 나는 로켓이 있다.전형적으로, 연구원들은 미세 중력이나 대기 위에서의 실험을 하고 싶어한다.

아오르바이탈 운송

X-20 Dyna-Soar 프로젝트와 같은 연구는 준 탄도 비행이 유럽에서 북미까지 1시간 이내에 갈 수 있다는 것을 시사한다.

그러나 이를 달성하기 위해 필요한 탑재량에 비해 로켓의 크기는 ICBM과 비슷하다.ICBM은 궤도보다 델타-v가 다소 적어 궤도 도달 비용보다 다소 저렴하지만 그 차이는 크지 않다.^[14]

따라서, 높은 비용 때문에, 이것은 초기에 고부가가치, 택배 비행과 같은 매우 긴급한 화물 또는 궁극적인 비즈니스 제트기로 제한될 가능성이 높다. 또는 익스트림 스포츠로, 또는 군사적 빠른 대응으로 제한될 가능성이 높다.^[opinion]

스페이스라이너(SpaceLiner)는 극초음속 우주비행기 개념으로 호주에서 유럽으로 50명, 유럽에서 캘리포니아로 100명을 60분 만에 수송할 수 있다.^[15]주요 과제는 다양한 구성품, 특히 엔진의 신뢰도를 높여 승객 수송에 일상적으로 사용할 수 있도록 하는 것이다.

스페이스X는 잠재적으로 그들의 스타쉽을 서브 오르비탈 포인트 투 포인트 전송으로 사용하는 것을 고려하고 있다.^[16]

나사 없는 눈에 띄는 우주 비행

• 최초의 아궤도 우주 비행은 1944년 6월 20일이었는데, 당시 독일 페네뮌데에서 V-2 시험 로켓인 MW 18014가 발사되어 고도 176km에 도달했다.^[17]
• 범퍼 5는 화이트 샌즈 증명장에서 발사된 2단 로켓이다.1949년 2월 24일, 상단은 고도 248마일(399km)과 초속 7,553피트(2,302m/s; 마하 6.8)에 도달했다.^[18]
• USSR — Energia, 1987년 5월 15일, 궤도 도달에 실패한 폴리우스의 탑재체; 이것은 지금까지 우주 저공비행으로 발사된 가장 거대한 물체였다.

승무원이 탑승한 아궤도 우주 비행

고도 100km(62.14mi) 이상.

	날짜(GMT)	미션	크루	나라	언급
1	1961-05-05	머큐리-레드스톤 3	앨런 셰퍼드	미국	최초의 승무원 우주 비행, 최초의 미국 우주 비행
2	1961-07-21	머큐리-레드스톤 4호	버질 그리섬	미국	두 번째 승무원 우주 비행, 두 번째 미국인 우주 비행
3	1963-07-19	X-15 90편	조셉 A.워커	미국	우주 최초의 날개 달린 우주선
4	1963-08-22	X-15 비행 91	조셉 A.워커	미국	우주로 두 번의 비행을 한 최초의 사람과 우주선
5	1975-04-05	소유스 18a	바실리 라자레프 올레그 마카로프	소비에트 연방	궤도 발사 실패.스테이지 분리 중 오작동 후 중단됨
6	2004-06-21	스페이스쉽원 항공 15P편	마이크 멜빌	미국	첫 번째 상업 우주 비행
7	2004-09-29	스페이스쉽원 비행 16P	마이크 멜빌	미국	안사리X프리즈 우승 2편 중 1편
8	2004-10-04	스페이스쉽원 항공 17P편	브라이언 비니	미국	두 번째 X-Prize 비행, 최종 수상
9	2021-07-20	블루 오리진 NS-16	제프 베이조스 마크 베조스 월리 펑크 올리버 대멘	미국	첫 블루 오리진 항공편
10	2021-10-13	블루 오리진 NS-18	오드리 파워스 크리스 보슈이젠 글렌 드 브리스 윌리엄 샤트너	미국	제2차 블루 오리진 항공편
11	2021-12-11	블루 오리진 NS-19	로라 셰퍼드 처치리 마이클 스트라한 딜런 테일러 에번 딕 레인 베스 캐머런 베스	미국	세 번째 블루 오리진 항공편

승무원 우주 비행의 미래

버진 갤럭틱, 아르마딜로 에어로스페이스(Exos Aerospace), 에어버스,^[19] 블루 오리진, 마스텐 스페이스 시스템스 등 민간 기업들이 안사리X상 같은 벤처기업 때문에 아궤도 우주 비행에 관심을 보이고 있다.NASA 등은 우주 비행을 위한 비행 프로필과 함께 사용될 수 있는 스크램젯 기반의 극초음속 항공기를 실험하고 있다.ARCASPACE나 코펜하겐 아보르비탈 같은 비영리 단체들도 로켓을 이용한 발사를 시도한다.

참고 항목

• 캐나디안 애로우
• 코로나
• DH-1(로켓)
• 인터오르비탈 시스템즈
• 자이언츠의 땅
• 로켓 발사장 목록
• 달 착륙선 챌린지
• 맥도넬 더글러스 DC-X
• 상업 우주 교통국
• Morpheus NASA 프로그램을 기획하여 ALHAT와 Q­ 착륙선 개발을 계속 진행
• 쿼드(로켓)
• JAXA의 재사용 가능한 차량 테스트 프로그램
• 로켓플레인 XP
• 스페이스포트
• SpaceX 재사용 발사 시스템 개발 프로그램
• 초음속 수송
• XCOR 링스

참조