테더 추진

테더 다해 인공위성의 상상도

테더 추진(테더 추진, 영: Tether propulsion)이란, 길고 강인한 끈(테더)을 사용해 우주선등의 궤도를 변경하는 방법을 가리킨다.이러한 추진 방식을 사용한 우주선은, 로켓 추진등을 사용한 것에 비해 극적으로 코스트를 저감 할 수 있다.2007년에는 테더 실험 위성 MAST (Multi-Application Survivable Tether)에 의한 실험을 하고 있다.

2007년 현재는, 다이니마등의 결정질플라스틱 섬유를 테더에 사용하는 일이 있다.장래적으로는, 적어도 60 GPa 이상의 장력 강도를 가지는 카본 나노 튜브가 재료로서 유력시 되고 있다.

목차

테더 추진의 종류

전기력학적 테더

전기력학적 테더는 전도성의 테더이며, 전류와 혹성 자장과의 상호작용으로 추진력을 얻는다.이것은 우주선의 궤도를 가속할 방향에도 감속할 방향에도 작용시키는 것이 가능하다.테더가 자기권을 횡단하면, 전류를 발생해, 우주선의 에너지를 절약한다.테더에 직류의 전류를 흘리면, 자장과 반발하는 힘이 태어나 우주선에 추진력을 준다.전기력학적 테더는 발전에도 응용할 수 있다.

조석력 안정화

중력 구배 안정화(Gravity-gradient stabilization) 또는, 중력 안정화 혹은 조석력 안정화(tidal stabilization)로 불리는 방법은, 염가로 신뢰성이 높다.이 경우, 전자 공학도 로켓도 연료도 사용하지 않는다.

자세 제어 테더는, 한편의 구석에 비교적 작은 질량이 있어, 이제 한편의 구석에 인공위성이 있다고 하는 형상이 되어 있다.두 개의 질량간의 테더에게는 조석력에 의한 장력이 걸린다.조석력이 왜 발생할까에 대해서는 2 종류의 설명이 있다.우선, 위에 있는 질량은 보다 고속으로 궤도상으로 나아가고 있기 때문에, 원심력에 의해서 우에에 끌어들이는 힘이 발생한다.아래에 있는 질량은 속도가 상대적으로 낮기 때문에, 아래에 끌어들이는 힘이 발생한다.이제 1개의 조석력의 설명으로서 홀쪽한 물체 위가 아래쪽보다 중력의 영향이 작기 때문에, 끌려가는 정도가 위와 아래에서 다르다.지구상에서는 이 방식으로 얻을 수 있는 효과는 미미한 것이지만, 우주 공간에서는 그 밖에 큰 힘은 일하지 않는 것이다.

이와 같이 해 얻을 수 있는 조석력으로 인공위성의 자세를 안정시켜, 인공위성이 주회 하는 혹성에 항상 같은 면을 향하도록(듯이) 한다.단순한 인공위성은 이러한 방식으로 자세를 제어하는 것이 많다(테더를 사용하지 않아도, 인공위성의 형상으로 질량 분산을 도모해 같은 효과를 얻는다).또, 진자와 같이 진동하는 것을 막기 위해, 액체가 들어간 빈등을 탑재해, 액체의 움직임으로 제동을 걸친다.

복권 베타-

복권 베타-(rotovator)라고 하는 용어는, 로터(rotor)와 엘리베이터(elevator)를 편성했는지 번어이다.복권 베타-는 고속으로 회전하는 테더이며, 첨단은 고속으로 이동한다(매초 1 km에서 3 km).

우주선은 한편의 첨단과 랑데뷰 해, 거기에 고정되어 테더의 회전에 의해서 가속된다.그 후, 적당한 시점에서 테더와 우주선을 떼어내, 테더 첨단의 속도에 가속되고 우주선이 나가게 된다.

이것에는 동력을 필요로 한다.테더의 운동량이나 각운동량이 변화하기 위해(때문에), 그 에너지를 보충하는 코스트가 든다.이 경우의 에너지 보충에는 여러가지 것(태양전지등)을 이용할 수 있기 위해, 다단식로켓으로 연료를 소비하는 것보다도 쭉 염가로 있다.

복권 베타-는 외부로부터 온 우주선을 감속시키는데도 사네, 그 경우 복권 베타-자체의 운동 에너지는 증가한다.즉, 외부로부터 오는 우주선이 주는 에너지와 혹성으로부터 올라 오는 우주선이 빼앗아 가는 에너지가 균형되면, 여분의 에너지를 필요로 하지 않게 된다.

혹성의 주회 궤도에 있는 복권 베타-로, 첨단과 지표의 상대속도가 제로로, 기껏해야 번으로 물체를 잡는 것을 스카이 훅(후술)이라고 부른다.이러한 복권 베타-는 중심력의 스트레스에 견딜 수 있는 재료가 없기 때문에, 현재의 기술로는 타당한 코스트로 건설할 수 없다.회전 속도를 3분의 2 정도로 하면, 중심력의 응력은 반감한다.응력 내성을 강하게 하려면 , 중심부분을 굵게 하면 좋다.

달과 같이 대기가 없고, 주회 속도도 늦어서 끝나는 경우, 복권 베타-의 첨단이 지표에 접하도록(듯이)도 할 수 있어 달부터 지구에의 염가의 수송 수단이 된다.이 때문에는 일정한 에너지 소비를 필요라고 생각할 수 있지만, 달의 표면으로부터 화물을 들어 올렸다고 해서, 달의 표면 자체가 지구에 비해 위치 에너지가 높기 때문에, 화물을 지구를 주회 하는 낮은 궤도에 싣는 것은 에너지 효율적으로 바람직하다.

복권 베타-는 운동량의 교환에 의해서 에너지가 요금 된다.화물을 중력 장내에서 「높다」위치로부터 「낮다」위치에 옮기는 경우, 운동량이 요금 된다.질량을 떨어뜨리는 것으로 복권 베타-의 회전 속도는 오른다.예를 들면, 달과 지구의 사이에 몇개의 복권 베타-를 늘어놓는다고 하는 방식을 생각할 수 있다.복권 베타-는 달부터의 화물을 지구에 옮길 때에 운동량이 요금 되어 그 운동량을 사용해 지구로부터 달에의 화물을 옮길 수 있다.

복권 베타-는 이론적으로는 태양계 전체의 염가의 수송 수단이 될 가능성도 있다.그 경우, 화물의 수송처는 태양이나 지구등의 대질량의 천체가 된다.

지구나 토성등이 강한 혹성 자장에서는, 전기력학적 테더를 응용한 전도식 복권 베타-가 생각할 수 있다.이것은 발전기라고 해도 사네, 발전에 의해 각운동량을 잃어, 반대로 태양광이나 원자로로 발전하는 것으로 각운동량을 늘릴 수 있다.덧붙여 각운동량을 늘리려면 테더에 전류를 흘릴 필요가 있지만, 회전 방향에 의해서 전류의 방향도 바꾸지 않으면 안 된다.

약한 재질로 복권 베타-를 구축하는 방법으로서 복권 베타-를 타원 궤도로 주회 시킨다고 하는 방법이 있다.이 경우, 근지점에서 화물을 받아, 보다 높은 궤도에서 화물을 던지기 위해서 테더의 길이를 바꾸거나 화물의 테더상의 위치를 변화시킨다.즉, 각운동량 뿐만이 아니라 주회 궤도에 있어서의 운동량도 변화시키는 것으로, 필요한 강도나 사이즈나 질량을 극적으로 줄일 수 있다.이것을 주회(revolution)의 운동량도 이용한다고 하는 의미로 레보베이타(revovator)라고 부르는 일이 있다.레보베이타로의 운동량의 요금은 한층 더 복잡하게 된다.

이제 1개의 약한 재질로의 복권 베타-구축 방법은, 지표에서 화물을 받는 것이 아니라, 어느 정도의 고도이고 탈 것을 잡고 궤도에 던지는 방법이다.예를 들면, 마하 12의 항공기를 지구의 대기권 상층에서 잡고 궤도에 던지는 것이다(역도 가능).그 정도의 속도를 로켓으로 실현되는 것은 용이하다.이것에 의해 연료를 절약할 수 있어 수송기관을 단순화 해 화물 적재량을 늘릴 수 있다.

복권 베타-의 실용적인 개량으로서 화물을 잡는 포인트를 첨단 뿐만이 아니라 복수 준비하고, 여러가지 운동량이 주어지도록(듯이) 한다고 하는 것이 있다.또, 리니어 모터를 복권 베타-에 장비하는 것으로 복권 베타-자신의 각운동량 이상으로 우주선을 가속시킨다고 하는 아이디어도 있는[¹].

스카이 훅

조석력 안정화의 수법을 사용한 테더 추진의 일종.스카이 훅이라고 하는 용어는 이탈리아의 과학자 쥬제뻬・콜롬보가 제창한 것이다.

첨단이 마하 12에서 16 정도로 이동하는 것은 「극히 초음속 스카이 훅(hypersonic skyhooks)」이라고도 불린다.테더가 길면 길수록, 첨단의 속도는 늦어서 끝난다.첨단이 접지 해 지표와의 상대속도가 제로가 된 것은 궤도 엘리베이터와 간주할 수 있다.

항공기나 저궤도의 수송기관이 스카이 훅의 한편의 구석에 화물을 보낸다.

스카이 훅으로는 일반적으로, 궤도 엘리베이터와 같이 화물을 이제 한편의 구석에 옮기는 수단이 필요하다.

Robert Raymond Boyd와 Dimitri David Thomas(록히드・마턴)는 2000년, 스카이 훅의 아이디어로 특허를 취득한(타이틀은"Space elevator")[²].

로버트・L・포워드등이 설립한 기업 Tethers Unlimited Inc는, 스카이 훅을"Tether Launch Assist"라고 부르는[³].

궤도 엘리베이터

자세한 것은 「궤도 엘리베이터」를 참조

궤도 엘리베이터는 혹성의 자전을 회전의 원동력으로 한 복권 베타-의 일종이다.예를 들면, 지구로는, 궤도 엘리베이터는 적도로부터 정지궤도까지를 묶는다.

궤도 엘리베이터는 복권 베타-와 같은 동력원을 필요로 하지 않고, 혹성의 각운동량을 에너지원으로서 기능한다.결점은 그 길이와 이용 가능한 재질이 미지인 점이다.지구에 궤도 엘리베이터를 건설하는 경우, 2006년 현재의 기술로는 이용 가능한 강도의 재료가 존재하지 않는다.화성이나 달이라면 현존 하는 재료로 건설 가능한[⁴].

궤도 엘리베이터는 복권 베타-보다 위치 에너지의 총량이 크고, 중요한 부품이 파손했을 경우, 엘리베이터를 구성하는 물질이 궤도 주회 속도로 지표를 직격한다고 하는 사고가 된다.그 때문에, 케이블의 재질로서는 지표에 격돌하기 전에 모두 불타는 것이 바람직하다.

실현의 노력과 다른 문제

유성 물질과 스페이스 데브리 관측기술

단순한 테더는 미세한 유성 물질로 간단하게 끊어져 버린다.단순한 한 개의 테더의 우주로의 수명은, 10 km 당 5시간이라고 말해진다.그 밖에도 테이프나 옷감을 사용하는 것이 제안되고 있다.로버트・P・호 실은, 연사가 끊어졌을 때에 주위의 연사에 그것 두꺼비와 깨어 붙고 강도를 유지하려고 하는 성질을 가진 그물의 특허를 취득했다.이것을 Hoytether라고 부른다.Hoytether의 수명은 이론상은 수십년이다.지구를 주회 하는 낮은 궤도에서는, 스페이스 데브리 관측기술에도 주의가 필요하다.

재료 강도

궤도 엘리베이터나 복권 베타-에는 재료의 강도의 문제가 있다.매우 강한 플라스틱 섬유(케브라나 다이니마)로 달이나 화성으로 복권 베타-를 구축하는 것은 가능하지만, 지구로는 강도가 부족하다.이론상, 초음속이나 극히 초음속의 항공기로 복권 베타-로부터 화물을 옮기는 것은 가능으로 되어 있다.

진동

테더를 제어하는 기구는 매우 무겁고, 진동의 제동을 위해서 매우 복잡하게 된다.Walter Edwards가 제안하는 1톤의 climber(테더위를 타 이동하는 기계)는 진동을 검출하고 제동을 걸치는데 사용할 수 있을 가능성이 있다.climber는 테더의 수리도 실시할 수 있다.

화물의 포획

화물을 포획 하는 기구도 간단하지 않고, 포획에 실패하면 대문제가 발생한다.그물을 화물로 향해 발하는 등 방법이 제안되고 있지만, 모두 중량이나 복잡함에 문제가 있어, 다른 실패를 낳을 가능성을 가지고 있다.

수명

현재, 장력에 가장 강한 재료는 플라스틱이며, 자외선으로부터 지키기 위해서(혹은 대기중의 경우는 산화에 의한 강도 저하를 막기 위해) 코팅이 필요하다.진공중에서는 불필요한 열의 발산도 어렵고, 열에 의한 테더의 강도 저하도 염려된다.

암설 대책에의 응용

도전성 테더에 의한 궤도의 변경은 시간이 걸리지만, 연료나 전력을 필요로 하지 않고 설치도 용이하기 때문에, 암설에 테더를 달아 궤도를 인하 대기권에 돌입시킨다고 하는 아이디어가 제창되고 있는[⁵][⁶].테더의 개발은 어망 메이커의 닛토 세이모가 협력하고 있는[⁷].

또 암설에 테더를 다는 청소 위성의 연구도 시작되어 있는[⁸].

픽션에 있어서의 테더 추진

• 랠리・니브와 스티븐・번즈의 소설 「아난시호의 강하」로는, 테더 추진이 중요한 역할을 완수한다.
• 애니메이션 「∀건담」으로는, 작크트레이가라고 하는 이름의 복권 베타-가 등장한다.
• 후지이 태양의 소설 「오 비탈 곳간 땅두릅」으로는 테더 추진이 이야기속에서 중요한 역할을 완수한다.

참고 문헌

1. ^ Space Tethers: Slinging Objects in Orbit? by Nell Boyce - National Public Radio - 16 April 2007
2. ^ Google Patent Search - Space elevator
3. ^ Tethers Unlimited Inc, "Tether Launch Assist"
4. ^ Space Elevator - Chapter 7: Destinations
5. ^도전성 테더(EDT)：연구 개발 부문- JAXA
6. ^미츠비시 전기 DSPACE/2009년 4월 칼럼 Vol. 2［자기 증식을 계속하는 「우주 쓰레기」를 청소하라!：림공대］
7. ^환경 사업-닛토 세이모 주식회사
8. ^ "JAXA, "청소 위성"의 연구 개발에 착수-10년 후 소형기 실용화". 일간 공업 신문. 2010년 3월 17일 열람.

관련 항목

• 우주기의 추진 방법
• 궤도 엘리베이터

외부 링크

• 우주 엘리베이터 협회-우주 엘리베이터의 기본형의 분류-스카이 훅형
• JAXA｜HTV 탑재 도전성 테더 실증 실험의 검토 상황에 대해(2013년 9월 4일)

「https://ja.wikipedia.org/w/index.php? title=테더 추진&oldid=60053388」으로부터 취득

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