우주선 자세제어 (Children of a Dead Earth 번역글)

수십 킬로톤의 우주선을 회전시키는 것은 아주 어려운 일이다.

엔진의 짐벌이 토크를 제공함

땅이나 바다, 공중에서는 다른 것들을 밀어내면서 회전할 수 있다. 그러나 우주에서는 그런 것들이 불가능하다. 회전은 로켓 엔진을 사용하거나 각운동량 보존 법칙을 이용하는 방법밖에 없다(내부에 각운동량을 저장). 그러나 우주선 내부에 각운동량을 저장하는 방법은 마찰력 등의 이유로 회전 에너지가 사라지기에 주된 회전 방식으로 사용하기에는 부족하다.

 

이런 방식들의 목적은 우주선을 싸고 간단하게 우주 전투에 사용할 수 있을 정도의 속도로 움직이는 것이다.

 

첫 번째 방법은 우주선의 중앙에서 추진기를 켜서 토크를 만드는 것이다. 회전이 목적이지 회전을 가속시키는 게 목적이 아니가 때문에 두 번째 추진기가 다시 반대로 추진기를 켜야 한다. 추진기가 우주선의 중심에 있기 때문에 두 개의 추진기가 필요하다.

두 개의 버니어 추력기를 가동하고 있는 우주선

이 추진기들을 버니어 추진기라고 한다.

 

이 방법에는 약간의 단점이 있다. 우주선 연료를 사용하기도 하고, 이런 추력기들은 NTR일 수 없기 때문이다(방사능 때문에). Cold gas thruster은 회전하는 데 충분한 추력을 제공하지 못하기 때문에 화학 로켓이나 Resistojet을 써야 한다.

Cold gas thruster: 압축 공기(주로 질소)를 내뿜는 엔진

Resistojet: Cold gas thruster에 열선을 달아서 추력을 늘린 엔진(열핵로켓과 비슷한데 원자로 대신 전기 사용)

 

화학 로켓은 NTR과는 다른 연료를 사용할 수 밖에 없다. 그러므로 다른 추진체가 들어가야 한다. 이 추진체는 공간을 차지하고 무게도 차지한다. 따라서 Resistojet를 사용하는 것이 공간을 가장 아낄 수 있다.

 

대안으로는, 버니어 추력기를 동체에 붙이는 대신 메인 엔진에 짐벌을 붙이면 된다. 이렇게 하면 중심에서 빗나간 추력을 발생시킬 수 있기 때문에 회전할 수 있다.

여러 가지 추력 편향 방법들, 역추긴을 가능하게 해준다.

이 방법의 단점은 회전할 때 추진체가 소모된다는 것이지만, 별도의 추진체가 필요 없으므로 더 가볍다. 회전하는 데 사용하는 델타 V는 무시할 만 하다.

 

또 다른 단점은 추력 편향 장치 때문에 엔진이 지나치게 커진다는 것이다. 우주선의 후방부가 지나치게 커져서 피탄 면적이 늘어난다.

 

이 방법이 가장 저렴하고 간단한 방법이다. 피탄 면적을 줄이고 싶다면 버니어 엔진을 사용하면 된다.

미사일 로켓 노즐이 약간 중심에서 엇나가 있다. 이렇게 엔진의 방향을 바꿔서 회전이 가능하다.

그러나 추진체를 회전하는 데 사용하고 싶지 않다면 각운동량 보존 법칙을 이용하면 된다.

 

우주에서 느슨하게 결합된 물체 두 개 중 한 개를 살짝 돌린다고 해보자. 하나의 물체가 돌면 다른 물체는 반대 방향으로 돌아야 한다. 그렇지 않다면, 뉴턴의 운동 법칙을 위반하는 것이다.

 

이것이 반작용 휠의 기본적인 원리이다. 반작용 휠은 플라이휠에 모터가 달린 구조이다. 플라이 휠은 관성 모멘트가 커서 회전 변화에 반대되는 힘이 작용한다. 함선 내부에서 반작용 휠이 회전한다면 함선은 반대 방향으로 돌게 된다. 세 개의 반작용 휠이 모든 방향으로의 회전을 제어할 수 있다(롤링, 피칭, 요잉).

반작용 휠

반작용 휠은 일정한 속도로 아주 빠르게 돈다. 반작용 휠을 갑자기 멈춘다면, 각운동량이 급격히 바뀌고, 함선에 토크를 준다. 6개의 서로 반대 방향으로(롤링 2개 피칭 2개 요잉 2개) 도는 반작용 휠이 필요하다.

 

반작용 휠은 회전 안정에도 사용된다. 내부에 저장된 회전 에너지가 외부 토크 변화에 저항하기 때문이다.

 

Control Moment Gyroscope는 하나의 반작용 휠이 2축 짐벌에 달려 있는 형태이다. 반작용 휠을 회전시키면 우주선의 각운동량을 조절할 수 있다. 하나의 CMG만으로도 우주선을 어느 축으로든 회전시킬 수 있다. CMG는 ISS에서 가장 복잡하고 비싼 시스템이다.(ISS에서는 CMG 4개를 묶어서 쓴다.)

www.airbus.com/space/spacecraft-equipment/avionics/control-momentum-gyros.html

참조

CMG, 자이로스코프의 축이 회전하면 어느 방향이든 가리킬 수 있다.

이 시스템은 연료를 사용하지 않고 우주선을 회전시킬 수 있다. 그뿐만 아니라 외부로 돌출되지 않기 때문에 크게 손상되지 않는다.

 

그러나 전투와 같이 큰 회전이 필요할 때는 그다지 효율적이지 않다. 현대의 CMG들은 몇 분~몇 시간에 걸쳐서 천천히 회전시키기 때문이다.

*또, CMG들이 우주선을 회전시키다가 짐벌들이 같은 방향을 가리키게 되면 그때부터는 제어가 불가능해지는데, 이것을 Saturation이라고 한다. 이 상태에서 벗어나려면 별도의 추력을 공급해 줘야 한다.

 

물체의 관성 모멘트는 무게가 같다면 물체와 중심으로부터의 거리의 제곱으로 정해진다. 만약 반작용 휠보다 함선의 지름이 100배 크다면 반작용 휠과 함선의 회전은 10000:1의 비율로 변화한다.

 

우주선은 보통 반작용 휠보다는 더 큰 부피를 가지고 있다. 반작용 휠의 질량은 우주선의 질량 중 작은 부분만을 차지한다. 그렇다면, 반작용 휠의 관성 모멘트는 무주선에 비하면 아주 작다. 따라서 반작용 휠은 아주 빠른 속도로 돌아야 우주선의 자세를 빠르게 바꿀 수 있을 것이다.

 

따라서 우주에서 빠르게 회전하는 데는 추진기가 필요하다.

 

우주선은 얼마나 빠르게 회전해야 하는가?

우주선이 반대 방향으로 회전하는데 걸리는 시간을 기준으로 하자(실제로 필요한 회전은 이보다 더 작은 각도이겠지만)

적의 공격에 대응하여 회전하는 우주선

짐벌 회전 방식을 사용하는 중규모 전투함은 20~30초 정도가 평균이고, 버니어 추진기가 있는 전투함은 10~20초 정도가 걸릴 것이다. 거대한 크기의 전투함은 1분 이상이 걸릴 수도 있다. 드론과 미사일은 5초 이하가 좋을 듯하다.

 

회전 시간은 단순히 버니어 추력기를 더 달면 줄어들지만, 우주 전투에서 이렇게 빠르게 회전할 이유가 별로 없다. 180도 회전을 할 이유도 없다. 대부분의 회전은 작은 각도 변화, 추격 정도에만 일어난다.