레이저를 이용한 궤도 로켓

레이저 발사 방법의 장점

일반적인 로켓 엔진은 추진체를 가열해서 열원으로 가열함. 화학 로켓의 경우 추진체가 연소 가능하고 가열된 추진체가 연료이자 추진체 역할을 함. 열핵 로켓의 경우 추진체가 핵연료에 의해 가열됨. 전자기 추진 엔진의 경우 전기를 사용해서 추진체를 가속함.

로켓의 성능은 에너지가 얼마나 많이 추진체로 전달되는지에 달려 있음.

그러나 로켓 연료는 열에 버틸 수 있는 한계와 얻을 수 있는 에너지의 한계가 있음. 열핵 로켓의 경우 가열되어 녹아내리기 직전까지 온도가 올라가서 무거워지고 이온 엔진의 경우 원자로나 태양 전지판이 많은 양의 전력을 생산할 수 있을 정도로 무거워짐.

액체 연료 로켓의 경우 이미 성숙한 기술이고 그 한계까지 다다랐음. 예를 들어보자면 SSME Plus 엔진의 경우 467초의 ISP를 가지도록 설계되었고(http://www.astronautix.com/s/ssmeplus.html) Rocketdyne AEC는 481초의 ISP를 낼 수 있음. (http://www.astronautix.com/a/aecengine.html) 이 수치는 화학 로켓이 가질 수 있는 실용적인 수치 중에서는 최대임.

열핵 로켓은 더 좋은 성능을 낼 수 있지만, 열핵 로켓은 대기권에서는 ISP가 부족하고 우주에서는 추력이 부족함. 가스 코어 원자로 로켓은 높은 추력과 ISP 모두를 얻을 수 있지만, 현재 기술로는 제작하기 힘듦.

전기 로켓으로 원하는 추력을 내기 위해서는 원자력 발전소급의 전기가 필요할 것임.

해결 방법은 에너지원을 로켓 밖으로 빼내는 거임.

레이저 추진 로켓에서 지상에 있는 수천 톤의 발전기에서 만들어진 전기는 레이저를 통해서 로켓으로 전송됨. 전송된 레이저는 로켓의 구조에 따라 열 에너지로 전환되어서 700초에서 10000초 정도의 비추력을 내는 로켓을 가능하게 해 줌.

레이저로 추진되는 로켓은 위험하고 무거운 원자로도 필요 없고 화학 물질도 필요 없음. kg당 가격을 100달러 정도로 줄일 수 있음.

해결해야 되는 점들
우주로 가는 로켓이 지상에서 전선을 연결해서 갈 수는 없음. 지상에서 만든 전기를 무선으로 전송해야 함. 우주선은 지상에서 발사된 전자기파(가시광선이든 전파든)를 직접 또는 간접적으로 열로 전환해야 함.

발전기에서 나온 전기가 우주선에서 열로 전환되는 과정에서 가장 많은 손실이 일어나는 곳은 레이저임. 레이저는 에너지를 전환하는 데에 있어서 그다지 효율적인 기술이 아님. 가장 많이 쓰이는 고체 레이저의 경우 75%의 손실이 일어남. 다이오드 레이저는 40%의 손실이 일어나지만 펄스 레이저를 만들 수는 없음. 펄스 레이저는 flash-pumping 기술을 쓰는데 에너지 변환 효율이 5% 정도임.

광섬유 레이저는 수백 개의 작은 레이저가 합쳐져서 더 큰 레이저를 만듦. 높은 에너지 효율과 열 변형도 적어서 레이저 발사 시스템에서는 가장 적절한 방법임.

레이저는 대기를 통과하면서 손실이 일어남. 대기를 통과하면서 대기에 흡수되기 때문임. (https://objectivistindividualist.blogspot.co.uk/2013/02/infrared-absorbing-gases-and-earths.html)

우주선에 사용하기 가장 좋은 파장은 가시광선과 마이크로파임. 이 두 개의 파장만이 대기권에 많이 흡수되지 않고 벗어날 수 있음. 이 두 개의 파장도 대기를 지나가면서 수증기와 기체들을 가열하면서 에너지를 잃음.

만약 대기에 두꺼운 구름이 있다면 가시광선 레이저는 통과하지 못하겠지만, 마이크로파는 통과할 것임.

레이저로 우주선을 발사하려면 많은 에너지가 필요함. 수십 기가와트 출력의 레이저 빔이 수십 개 필요하고 에너지 저장 시설도 필요함. 로켓을 발사하기 전에 시설로 투자되는 비용이 지나치게 많을 거임.

하지만 전통적인 화학 연료 로켓은 한 번의 발사에 한 번의 부스터만 있으면 됨. 가격은 정해져 있고, 지상 시설도 간단함.

몇몇 레이저 추진 우주선은 정밀한 레이저 조준(위치, 시간, 에너지)이 필요해서 조준할 때 거대한 거울이 필요함. 문제는 레이저는 대기에서 완벽한 직선으로 나가지 않는다는 거임. 대기의 영향을 받아서 레이저가 굽기 때문에 적응형 광학계나 대기 측정용 레이저 등이 필요함.

요악하자면 레이저 발사는 에너지의 비효율적인 전환과 대기의 왜곡 현상을 해결해야 함.

여러 다자인들과 비교
10톤을 궤도(9500m/s)에 올려놓는 걸 기준으로 하겠음

화학 로켓
케로신-산소 1단( ISP 300초) 121톤, 수소-산소 2단(420초) 23.6톤 질량비 15.5

Ablative laser propulsion

펄스 레이저가 로켓 엔진에 도달하면 엔진에 있는 물질이 폭발적으로 증발하고 추력으로 전환됨.

금속이나 플라스틱으로 된 추진체가 레이저와 만나면 레이저가 추진체를 증발시키고 증발된 추진체가 추력으로 전환됨. 이때 레이저의 세기는 제곱미터 당 10테라와트 정도여야 하고 이 레이저는 10000K의 플라스마를 생성함.
http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/2.1567?journalCode=aiaaj

대기권 내에서의 ISP는 200초 정도로 낮은 편임. 레이저가 공기를 이온화하면서 문제가 생기기 때문임.

진공에서는 3660초까지 가능함.

이 디자인으로 우주에 가는 건 어려움. ISP가 낮은 대기에서는 많은 양의 연료가 필요하기 때문임. 따라서 이 방법을 사용할 경우에는 화학 로켓으로 된 1단이 필요함.

장점은 구조가 간단하고 높은 중력가속도를 버틸 수 있기 때문에 ICBM 요격에 쓸 수도 있음. 크기가 작기 때문에 큰 우주선이 진공 중에서 조금씩 움직이는 데 사용할 수도 있음.

단점은 레이저를 받을 때 추진체가 증발하는 걸 통제하는 게 쉽지 않다는 것과 자세 제어가 힘들다는 게 있음.

레이저-플라스마 추진
이 디자인은 레이저가 연료를 가열하는 게 아니라 레이저가 기체를 가열해서 플라스마로 만드는 방식임.

이 로켓 중 하나의 디자인은 공기를 추진체로 사용함. 노즐이 연소실처럼 작용해서 노즐에 레이저를 비추면 거울이 반사시키고 공기가 거울 사이를 지나면서 공기가 데워짐. 공기가 플라스마가 되면 레이저를 더 잘 흡수하고 가열된 질소와 산소가 노즐 밖으로 나가면서 추력이 생김.

이 방법은 적어도 대기권에 있을 때는 추진체가 필요 없음. 실험적인 디자인들 중에서는 마하 10을 공짜로 달성할 수도 있는 것도 있음. 팰컨 9 1단이 낼 수 있는 것의 두 배정도 됨.

상층 대기와 우주에서 이 로켓은 외부 공기에서 내부 연료로 전환함. 액체 수소를 사용한다면 가장 높은 ISP를 얻을 수 있지만, 가시광선으로 투명한 액체수소를 가열하려면 작은 탄소 덩어리들과 같이 배출해야 함. 더 밀도가 높은 연료를 쓴다면 ISP가 조금 떨어지더라도 더 작은 단면적과 공짜 deltaV를 얻을 수 있음.

이 방법의 문제점은 노즐과 레이저의 입사각이 0이어야 한다는 거임. 자세 조정을 위해 기울어지거나 수평선 방향으로 가속할 때 레이저를 조준하는 게 어렵고 추진체가 노즐 뒤로 나오면서 레이저를 흡수할 수도 있음.


열-레이저 로켓

두 번째로 간단한 방법임

레이저가 열교환기를 거쳐서 간접적으로 추진체를 가열하고 가열된 추진체는 화학 로켓의 연소실과 비슷한 연소실에 들어감.

장점은 레이저 빔이 넓은 면에 비쳐도 돼서 더 조준이 쉽고 조준에 실패하더라도 덜 위협적임. 레이저 수신기는 열 교환기나 연소실과 무관하기 때문에 추진체가 이동하는 것과는 큰 상관이 없어서 설계가 더 간단해짐.

단점으로는 다른 직접 가열 방식들이 얻을 수 있는 온도에(수만 K) 못 미친다는 거임. 간접 가열 방식은 열교환기의 녹는점에 따라 최대 온도가 정해지기 때문에 탄소로 만들어졌다고 해도 최대 온도는 3500K 정도이고 최대 ISP는 600~800초 정도임.
https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_propulsion#Laser_Thermal_Rocket_.28Heat_exchanger_.28HX.29_thruster.29

전체적인 효율성도 좋진 않음. 추진체를 그냥 가열하지 않고 연소실과 열교환기를 적절한 온도로 유지시켜야 하기 때문에 열 손실이 발생하고 추진체를 이동시키는 데에도 에너지가 소모됨. 커다란 레이저 수신부도 공기역학적이지 않음.

열-레이저 추진 방식은 가장 효율적인 방법이나 가장 간단한 방법은 아니고 공짜 deltaV를 얻진 못하지만, 가장 이해도가 높은 기술이고 높은 추력을 만들 수 있고, 가장 안전함.

할 수 있는 것들
레이저 발사 시스템은 궤도로 가는 비용을 1000배 이상 줄여줄 수 있지만, 더 간단하고 더 유용하게 사용해야 함.

-2단 설계
SSTO는 장기적으로는 2 단식 로켓보다 싸지만, SSTO는 더 높은 ISP와 에너지, 질량비를 요구함. 전체 비용은 거의 2 단식 로켓과 비슷함.

SSTO 열-레이저 로켓은 대기권에서도, 우주에서도 작동해야 하기 때문에 어중간한 설계가 필요하고, 비효율적임. 로켓이 더 멀리 날아갈수록 더 큰 거울이 필요하고 대기에 의한 손실도 커짐. 로켓이 수평 방향 속도가 빨라진다면 레이저는 초당 1도 정도의 속도로 빠르게 회전해야 함. 그러면 레이저 발사 장치의 크기가 커질 수밖에 없음.

로켓은 궤도에서 궤도를 수정해야 하기 때문에 화학 로켓 같은 자체 궤도 수정 장치를 갖춰야 함.

1단을 열-레이저 엔진으로 사용하는 대신 2단을 화학 엔진으로 사용하는 것도 나쁘지 않음. 그렇게 한다면 레이저 발사 시설의 크기를 더 줄일 수 있을 거임.

-모듈식 레이저

한 개의 큰 레이저를 만드는 건 비쌈. 조그만 레이저를 만들고 필요에 따라 축하는 게 더 효율적임.

모듈형 레이저는 실제로 존재하고 수십 개의 레이저를 한 로켓에 집중하는 건 어렵지 않음. 한 개의 레이저가 고장 나도 버틸 수 있음.

-위상배열 방식으로 만들기

수백 km 밖의 우주선을 겨냥하는 거울의 크기는 클 수밖에 없음. 11마이크론의 레이저를 1m짜리 표적에 집중시키려면 3m짜리 거울이 필요함. 마이크로파는 더 큰 거울이 필요함. 모듈식 레이저를 만든다면 이런 거울이 수십 개가 필요한데 이런 거울들 자체의 가격도 비싸지만 구동 장치의 가격까지 포함한다면 많은 돈이 들 거임.

더 간단한 방법이 위상배열을 이용해서 거울에서 움직이는 부분을 제거하는 거임. 거울이 필요 없지만, 사용하는 파장이 짧은 파장인 경우 이 방법을 사용할 수 없음. 마이크로파 정도만 사용 가능하고 펄스화된 레이저를 방출할 수 없음.

-에너지 저장 시설 사용하기
ISP 700초의 50톤짜리 로켓은 2GW정도의 레이저가 필요함. 대략 5.5~18GW의 전력이 필요하다는 거임. 가장 큰 원자력 발전소가 8GW를 생산하는데 로켓 발사한다고 원자력 발전소 하나 만드는 건 비효율적임. 축전지나 댐을 이용해서 에너지를 저장해놓는 것도 좋은 방법임.

-역추진 재사용 기술 사용
-우주에 레이저 발사 시설, 반사경 놓기

-로켓 엔진으로 발전기 돌리기

화학 로켓 엔진의 출력도 강력하므로 화학 로켓으로 발전기를 돌리면 됨.
SSME엔진의 경우 2GW정도의 출력을 낼 수 있는데 터빈 + MHD 발전을 한다면 최대 80%의 전력을 뽑아낼 수 있으므로 엔진 3~4개를 4분 정도 가동할 수 있는 출력이라면 충분히 전력을 생산할 수 있음.

예시

http://www.niac.usra.edu/files/library/meetings/fellows/mar04/897Kare.pdf

비관적 예시
2단 로켓
상단: 수소-산소 450s ISP, 5000m/s dV, 21톤
하단: 열-레이저 로켓, 700s ISP, 5000m/s, 56톤
총 87톤

시작 추중비 1.2 연소종료 추중비 3.4

추력 1.024MN, 90% 에너지 전환 효율이라 가정하면 3.9GW 레이저 빔 필요, 223초

900nm 근적외선 다이오드 레이저(30% 효율) -> 13GW
19500톤 레이저 다이오드, 30cm짜리 거울

낙관적 예시
1.5단 로켓
1단: 공기흡입식 플라스마 로켓 30km, 3km/s
1.5단: 2600 ISP 플라스마 로켓 7000m/s, 3.2톤 연료
총 13.2톤

이륙 시 0.1MW/kg 필요 -> 1.4GW 레이저 필요(http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a475395.pdf)
에너지 전환 효율 : ~100%

전기 3GW 필요

결론
레이저 추진 우주선은 높은 추력과 ISP 모두를 얻을 수 있고 대략 열핵 로켓과 비슷하거나 그 이상임.

낙관적 예시가 가능하다면 우주로 가는 데 필요한 비용은 크게 줄어듬.

초기 비용이 가장 큰 문제가 될 것임.

기가와트 급의 전력을 만들고 저장하는 게 가장 큰 문제임.

6kg의 위성을 올리는 데 1MW면 되므로 작게 시작하는 것도 나쁘지 않음.

https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20120002761