우주선의 크기 - (Children of a Dead Earth 번역글)

우주선의 크기는 어느 정도가 적절할까? 항공모함, 소행성? 아니면 작은 달 크기?

190m크기의 우주선과 우주왕복선(37m)

우주선을 설계할 때 어느 정도 크기의 우주선을 만들어야 하는지 궁금할 것이다. 승무원이 탄 우주선은 레이저나 로켓 엔진과 다르게 사람을 소형화할 수 없기 때문에 작게 만드는 데 제한이 있다. 우주선은 사람보다는 커야 한다. 그러나, 명확한 상한 사이즈는 없다. 미사일과 드론은 크기 제한이 무의미하다.

 

여러 가지 모듈들의 키기 한계를 알아보자.

 

전력 사용량을 늘리면 시스템의 효율성을 증가시킬 수 있고, 크기를 늘리면 전력 사용량으로 인한 기계적, 열적 스트레스를 줄일 수 있다. 그러나 이 방법에도 궁극적인 한계가 있다.

 

레이저를 예로 들어보자. 레이저의 크기를 늘리면 출력에서 거의 차이가 없다. 그러나 크기를 늘리면 부피당 출력과 면적당 출력이 감소해 적의 장갑을 녹일 수 없다.

 

이 때문에 모듈들을 최대한 작게 만들고 싶겠지만, 이 모듈들이 더 커지게 만들 수밖에 없는 물리적 한계가 존재한다.

NTR과 MPD의 크기 차이

부품들은 크기가 클 때 더 효율적으로 작동하는 경향이 있다. 예를 들어, 200 kN 추진기 한 대가 20 kN 추진기 10대보다 더 효율적이며 더 작을 것이다. 큰 단일 모듈은 많은 작은 모듈들보다 질량을 더 잘 분배하고 더 적은 수의 복잡한 부품을 사용한다.

 

그러나, 저효율 추진 장치 10개는 한 개가 고장나도 정상 작동이 가능하기 때문에 단일 고효율 추진 장치보다 전투 시 선호될 것이다. 엔진이 모두 고장나는 것과 10개 중 하나만 고장나는 것은 전투지속력에 차이가 있다. 중복성과 효율성 사이에서 균형을 이루어야 한다.

새턴 V 1단과 2단에는 5개의 엔진이 장착되어 있다. 하나가 오작동해도 다른 4개가 정상작동한다면 정상적으로 임무를 수행할 수 있다.

승무원 모듈에는 하수관이나 공기 순환기 배관과 같은 크기 제한요소가 있다. 승무원 모듈의 크기가 증가할수록 이런 장치들은 더 적은 공간을 차지한다. 그러나 승무원 거주공간을 한 개로 만드는 것은 중복성을 낮추기 때문에 아주 큰 문제이다.

 

고도로 중복된 시스템을 가진 큰 우주선을 만드는 것 말고 중복된 시스템이 없는 작은 우주선을 많이 만드는 방법도 있다. 우주선을 여러개로 나눠서 함대 단위의 중복성을 갖게 하는 방법이다.

 

소형 모듈들이 단일 대형 모듈에 비해 더 저렴하게 제작될 수 있다는 점도 생각해봐야 한다. 그러나 빠르게 발전하고 있는 3D프린터 때문에 아주 큰 장점은 아닐 수도 있다.

 

드론과 미사일의 최소 크기 제한도 생각해봐야 한다. 예시로 핵탄두는 이미 물리적 한계 수준의 크기로 만들어지고 있다. 지금까지 만들어진 핵 장치 중 가장 작은 것은 약 20 kg의 W54이고 큰 여행 가방 크기였다. 이 하한은 핵분열에 필요한 임계 질량 때문이다. 따라서, 미사일의 경우, 탄두가 미사일의 크기를 결정한다. 만약 미사일에 탄두가 없다면, 로켓 보터가 미사일의 크기를 결정할 것이다.

 

드론의 크기를 제한하는 것은 탑재체의 부피와 질량이다.

사람과 비교한 드론의 크기

지금까지 우주선을 작게 만드는 방법을 알아봤다.

 

로켓 방정식 때문에 일반적으로 모든 것을 작게 만드는 것이 유리하다. 더 많은 델타 V와 추력을 얻을 수 있기 때문이다.

 

부품들을 더 크게 만드는 것은 주로 열적, 기계적 스트레스를 줄이려는 의도이지 더 효율적이거나 더 강력한 걸 만들려는 게 아니다. 우주선을 크게 만드는 것은 우주선 설계자가 원해서가 아니라 그래야 하기 때문이다.

 

하지만 설계자가 가장 효율적인 우주선을 만드는 것에 관심이 없고 크게 만드는데만 관심이 있다고 가정해보자.

거대한 우주선

이때부터 제곱-세제곱 법칙이 의미를 갖는데, 부피는 세제곱으로, 표면적은 제곱으로 변한다는 것이다. 그래서 지구에서도 큰 동물들과 작은 동물들의 크기 차이에 따른 구조가 매우 다르다. 중력이 없다면, 이러한 문제들은 그렇게 뚜렷하지는 않지만, 여전히 나타난다.

 

큰 우주선은 장갑 대 다른 모든 것들의 질량비가 작아서 더 효율적이다. 장갑은 표면적에 따라 무거워지고, 다른 모든 부품들은 부피에 따라 커지기 때문이다. 대형 전투함은 더 두꺼운 장갑을 장착할 수 있지만, 소형 전투함은 장갑 장착에 제한이 있다.

 

그러나 대형 우주선은 가속력이 문제가 될 수 있다. 우주선에 추력기를 부착하는 것은 표면적에 따라 달라지고, 우주선의 질량은 부피에 따라 달라진다. 따라서 우주선이 커질수록 가속도는 낮아질 수밖에 없다. 이전 글에서 말했듯이 우주여행에서는 추력이 매우 중요하다.

 

적의 공격을 피할 수 없는 전투함은 모든 종류의 무기에 취약하다. 대부분의 전투함들은 수백 밀리g에서 최대 1g의 가속력을 낼 수 있고, 그 정도의 가속력으로는 부분적인 회피만을 할 수 있다. 가속력을 이보다 더 떨어뜨리는 것은 전투에서 치명적이다.

크기가 큰 우주선의 또 다른 단점은 우주선의 단면적이 커진다는 것이다. 큰 단면적은 적의 공격 범위를 크게 증가시킨다.

 

전투용 우주선의 경우, 작게 만드는 것이 가장 이상적이다. 하지만 민간 우주선은 어떨까? 민간 우주선들은 특히 승객들의 온전한 건강을 위해 크게 만드는 것이 합리적이다.

 

가속력은 여전히 문제인데, 가속력이 너무 낮으면 우주선은 목적지에 가는 데 엄청난 시간을 들여야 할 것이다. 하지만 그 외의 다른 문제들은 없어졌다. 만약 세대 간 우주선과 같이 이동 시간이 문제가 되지 않는다면, 정말로 거대한 사이즈의 우주선을 만들 수 있을 것이다.

우주선이 정말로 거대하다면 중력에 의한 붕괴까지 생각해봐야 할 것이다. 그러나 그것은 너무 먼 미래이기 때문에 다루지 않도록 하겠다.