Children of a dead Earth 블로그 번역글
출처: https://childrenofadeadearth.wordpress.com/2016/05/02/burn-rockets-burn/
작용-반작용 엔진은 우주 전쟁에서 아주 중요하다. 연료를 쓰지 않는 솔라 세일이나 레이저 세일, 전자기 투석기(Skyhook)는 각각의 한계(특히 추력 문제)로 인해 다뤄지지 않는다. 추력은 이제 곧 보겠지만, 우주여행에서 가장 중요한 요소 중 하나이다.
그러면 열핵 로켓이 왜 쓰이는가? 화학 로켓보다 높은 비추력(배출속력 4~9km/s)을 갖기 때문이다. 물론 비추력이 더 좋은 엔진들(레이저 추진, 핵분열 세일 등등)이 있지만 이제 그러한 것들을 잘 쓰지 않는 이유를 다루도록 하겠다.
엔진의 추력은 여러 개를 묶어서 올릴 수 있지만, 배출 속력은 그렇게 못하는데 배출 속력이 더 중요한 것 아닌가?라고 생각할 수 있다.
그러나 아니다. 낮은 가속력으로 움직이는 것은 생각보다 많이 어렵다.
이온 엔진 중에서는 MPD추진기 가 동일 조건 대비 가장 높은 추력을 갖는다. 그러나 그마저도 메가와트 단위의 전기를 공급해도 수십 뉴턴 단위의 아주 작은 추력만을 제공한다.
가속력과 추력은 전투에서 도망칠 때뿐만 아니라 호만 전이 궤도 형성이나 여러 가지 궤도를 형성할 때도 영향을 준다. 가속력이 부족하다면 목표에 도달하기 위한 엔진 가동 시간이 몇 년이나 몇십 년으로 증가하고, 목표 도착 시간 또한 엔진 가동 시간 이상으로 증가할 수밖에 없다. 일반적이고 효율적인 궤도 형성 방법을 사용하지 못한다는 뜻이다. 따라서 높은 추력을 갖는 NTR이나 화학 추진 방식이 우주 항행에서 우위를 갖는다.
위 사진에서 보듯이 아무리 많은 델타V를 갖고 있어도 시간내에 연소시키지 못한다면 의미가 없다.
우주 전투 상황에서는 더 심각해진다. 가속력이 부족해서 미사일을 비롯한 무기들에 대한 방어 기동을 하지 못한다. 적이 무기를 쏜다면, 이온엔진을 쓰는 우주선의 도망갈 수 있는 범위는 낮은 가속력으로 인해 한정되어 있으므로 거의 움직이지 못하고 적의 무기를 다 맞게 된다.
이온 엔진의 출력을 막 올리는 것 또한 불가능하다. 메가와트 정도의 에너지가 걸리게 되면 Onset Phenomenon라는 현상이 일어나서 이온 엔진이 고장나기 때문이다.
요구하는 전력이 클수록 핵발전기도 더 커지고 개수가 늘어난다. 그러면 핵발전기를 냉각할 라디에이터도 증가해야 한다. 이런 전력 증가를 위해 필요한 장비들은 다 질량이고 질량이 증가하다 보면 가속력은 떨어지게 된다. 단순히 MPD추력기를 더 단다고 해결할 수 있는 문제가 아니다.
1. 여기서 로켓 출력 방정식이 나온다.
로켓의 일률 P는
이고(배출하는 질량이 외부에 하는 만큼의 일)
로켓의 추력은
이다.(배출하는 질량 * 속도)
이고 F에 대한 식으로 정리해보면
이다.
보면 알겠지만, 전체 에너지가 동일하고 효율이 같다면 추력과 배출 속도는 반비례한다. 그래서 MPD와 NTR의 에너지가 같더라도 MPD의 추력이 작은 것이다. 배출 속력에 대한 타협 없이 추력을 늘리려면 에너지 양도 늘리는 수밖에 없다.
2. 그런데 이 게임에서 NTR은 출력이 몇 기가와트 단위고 MPD는 몇십 메가와트밖에 안 된다. 같은 원자로를 쓰는데 왜 이런 차이가 날까?
NTR과 화학로켓은 대부분의 열을 배기하는데만 쓰지만, MPD에 쓰는 원자로는 라디에이터에 연결되어 많은 열을 라디에이터로
그냥 배출시켜 낭비하기 때문이다. 물론 NTR들은 구조상 라디에이터가 필요 없다. NTR과 같은 출력을 갖는 원자로를 만든다면
기가와트급 원자로의 질량과 기가와트급 라디에이터의 질량 때문에 질량이 아주 많이 증가할 것이다. 예시로 게임에서 가장 많이 쓰이는 몇십 메가와트급 원자로의 무게만 수십 톤이고, 메가와트 단위의 열을 식힐 라디에이터의 무게도 그 정도 나간다.
그래서 이온 엔진은 잘 사용되지 않는다. 몇몇 추진장치들 예를 들자면 핵 펄스 추진 장치 같은 것들만이 이러한 문제(라디에이터와 원자로의 무게)를 피할 수 있을 것이다. 이온엔진과 그 외 모든 높은 배출 속도를 갖는 로켓들은 실패할 수밖에 없다. 따라서 우주선에서 추력은 아주 중요하다.
이런 이유로 핵 염수 로켓을 발명한 사람인 Robert Zubrin은 이온 엔진(특히 VASIMR)을 사기라고 표현했다. 어쨌든 이온 엔진만으로는 우주여행을 하기에는 부족하다. 작은 정찰위성이나 탐사선에는 유용하겠지만, 거대한 화물선이나 여객선, 군사용 우주선에는 부적합하다.
높은 추력을 갖는 로켓은 아직 갈 길이 멀다. 반물질 엔진과 같은 먼 미래의 엔진을 제외하면 이 단점은 아주 많은 수의 우주 추진 시스템을 쓰레기로 만든다. 이온 엔진, 라이트 세일, 투석기, 전자기 추진, 핵물질 추진(방사성 동위원소 붕괴 이용) 등등은 저추력이거나 아주 많은 전기를 요구한다. 가장 좋은 해결책은 핵, 핵 그리고 핵뿐이다
첨언:
1. 이온 엔진으로 행성 간 여행이 불가능하다는 건 아니다.
NASA Technical Reports Server (NTRS)
NASA Technical Reports Server (NTRS)
www.projectrho.com/public_html/rocket/realdesigns3.php#hopempd
대략 0.00001~0.0001g의 가속도를 내주면 목성 여행이 가능하다.
2. 물론 저출력 엔진이 쓰레기라는 것은 아니다.
CDE 포럼에서는 childrenofadeadearth.boards.net/thread/1024/multiple-propulsion-sytems-on-ship 이렇게 여러 추진기를 복합적으로 사용하는 것을 대안으로 하고 있다. 이온 엔진의 비추력과 끊임없는 추력, NTR의 강한 추력이라는 장점을 합칠 수 있다.
요약: 이온엔진만으로는 우주 항해, 전투 못한다.
Children of a Dead Earth는 극사실주의 SF게임이고 스팀에서 구매할 수 있음.
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