이러한 문제들을 해결하는 장치는 로켓 방정식 때문에 최소한의 무게를 가져야 한다.
연료 탱크에 흰색 페인트를 칠하지 않음으로서 272kg의 중량을 확보하였다.
또한, 연료탱크는 우주선의 무게에 가장 큰 비율을 차지한다. 예시로 로켓의 연료 탱크는 알루미늄 캔보다 두께가 얇지만 가장 큰 무게를 차지한다. 이 게임에서 우주선 장갑의 무게가 연료탱크보다 더 많이 나가기 때문에 우주선 표면(장갑 등)을 그대로 탱크로 쓰자고 할 수도 있다. 예를 들면 모노코크(뼈대가 없는 갑각류 같은 구조) 구조로 말이다.
모노코크 구조는 별도의 연료탱크를 갖지 않고 우주선의 외피에 연료탱크를 만들기 때문에, 최신 로켓들에 사용된다. SpaceX의 Falcon 1같은 로켓들은 모노코크 구조를 사용한다. 이 방식을 사용하면 연료 탑재량을 늘릴 수 있다.
새턴 V는 세미 모노코크 구조의 연료 탱크를 사용하였다.
그러나 연료 탱크에 외부 힘이 작용한다면(투사체나 우주선 자체 추진력 등으로) 액체의 충격파가 탱크에 전달되어서 탱크를 부서 버릴 수도 있다. 그러므로 모노코크 탱크는 투사체에 관통되어 파괴될 필요도 없이 액체의 충격파만 일으키면 부서진다.
이러한 이유로 연료 탱크는 외피와 분리되어야 한다. 더 많은 무게를 차지하겠지만, 연료탱크를 더 가볍게 만들 수 있다.
연료탱크의 연료를 로켓 엔진에 넣는 것은 자연스럽게 일어나지 않는다. 이 문제를 해결하는 방법은 여러 가지가 있다. ullage rocket(우주선을 앞으로 밀어줘서 액체가 우주선의 뒤쪽에 오게하는 작은 고체로켓)부터 압력 막(추진체를 눌러주는 막)이나 피스톤 방식까지.
여러 가지 연료 주입 방식들(위: 압력막 방식, 아래: 피스톤 방식)
이중추진체 로켓 터보펌프의 몇 가지 방식, 열핵로켓은 훨씬 더 단순하고, 로켓엔진 외부에서 펌프을 돌리는 방식(전기펌프 사이클 방식 등)을 사용할 수 있다.
연료탱크의 압력이 작을수록 우주선이 급가속을 할 때 슬로싱으로부터 더 많이 버틸 수 있다. 저압 탱크는 또한 슬로싱 배플로 슬로싱 현상을 막는데 효과적이다.
*슬로싱 배플: m.blog.naver.com/karipr/221123033798 참조
극저온 탱크는 단열되어야 한다. 우주선이 상온의 열을 전달해줄 대기 중에서 만들어지지 않기 때문에 큰 문제는 아니다. 또한, 몇몇 연료는 부식성이 있어서 특정한 물질에만 담을 수 있다. 마지막으로, 이런 극저온 연료들은 느리지만 꾸준히 증발하므로 이것 또한 계산에 넣어야 한다.
새턴 V 1단
구형 탱크가 가장 좋겠지만, 우주선의 모양은 내부 모듈 배치 등을 위해 길쭉한 원통 모향일 것이므로 탱크도 원통 모양이 쓰일 것이다.
이 모든 것들은 모두 무게를 더한다. 모든 우주선 설계자들이 매우 싫어하겠지만. 어쨋든 로켓 방정식을 기억해보자
델타 V는 질량비에 따라 기하급수적으로 늘어난다.
우주 전투(단순 탐사나 수송에는 이온 엔진이 더 좋겠지만)에서 사용할 만한 추진 방식은 화학 로켓이나 원자력 로켓이 합리적이다. 이 경우에 화학 로켓이나 고체 코어 원자력 로켓은 추진체 배출 속도를 몇 km/s로 제한한다.
그러면 delta v를 늘리는 방법은 질량비를 늘리는 것이다. 간단히 연료량을 늘리면 된다. 더 많은 연료를 넣을수록 더 높은 delta v를 갖는다.
화학 로켓 중 가장 높은 배출 속도를 갖는 5km/s의 엔진을 가진 로켓은 질량비가 e(2.7) 일 때 5km/s e2(7.4) 일 때 10km/s, e3(20) 면 15km/s를 갖는다. 질량비 20의 의미는 연료 질량 19에 우주선 공중량 1이라는 의미다.
델타 V를 높이는 법은 그저 더 많은 추진체를 넣으면 되지만, 최종적인 한계가 존재한다.
우주선 연료 탱크도 그 자체의 무게를 갖고 있다. 그러므로 각각의 탱크는 각각의 질량비를 갖고 있다. 탱크의 질량비는 추진체 타임이나 탱크 재료 탱크의 길이 비율 등에 따라 달라진다. 우주선의 질량비는 탱크의 질량비 이상이 될 수 없으므로 아주 큰 병목이다.
메테인의 질량비는 대략 30이고 다른 추진체들은 대부분 50 정도이다. 몇몇 비싼 재료들로 이를 몇 배 늘릴 수 있지만, 연료탱크 부식이나 단열 문제로 이어질 수 있다.
긴 수소탱크, 탱크가 길수록 낮은 질량비을 갖는다. 그러나 수소는 매우 저밀도 물질이기 때문에(액체수소도) 이 탱크의 질량비는 4.2다.
따라서 5km/s와 질량비 25의 탱크 질량비를 갖는 우주선의 한계는 16km/s 정도이다. 이 정도로는 중간중간 급유받으면서 가도 행성 간 여행은 못한다.
*지구 저궤도-화성 탈출 궤도는 4km/s 정도이고, 지구 저궤도-목성은 6km/s 정도이지만, launch window나 도착 시간에 큰 영향을 받지 않고 행성 간 여행을 하기 위해서는 16km/s 정도로는 부족하다.
이 때문에 연료 충전소가 우주여행에 필요하다. 특히 우주 전쟁에는 몇 배로 중요하다.
다단식 로켓을 사용하면 문제를 어느 정도 해결할 수 있지만, 그러면 연료 탱크와 엔진을 버려야 한다. 우주선이 장갑화되어 있다면, 장갑도 같이 버려야 한다. 좋은 방법은 급유선과 같이 다니면서 급유받는 것이다.
이것이 이 게임에서 타 행성을 침략하는 방식이다. 가는 길에는 우방의 연료 보급소가 없으므로 아주 많은 급유선을 가지고 가야 한다. 다 쓰면 버리거나 하면 된다.
갤 한번 살려 보겠음. 일단 주딱 먹으려면 글 좀 써야 되니까.
참고:
www.aspirespace.org.uk/downloads/Rocket%20airframe%20concepts.pdf
aerospaceengineeringblog.com/rocket-science-101-lightweight-rocket-shells/
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