우주에서 스텔스는 가능한가 -스텔스 로켓 엔진

이번에는 우주선을 가속할 수 있으면서 열을 많이 배출하지 않는 엔진을 다뤄볼 것이다.

우주에서의 스텔스 디자인은 극저온을 유지해서 들키지 않는 데 있다. 그러나 극저온은 효율적인 추진과는 반대된다: 배출속력이 줄어들고 질량비가 증가한다.

 

노즐 확장비로 배기 가스를 식히는 열핵 로켓

대부분의 로켓 노즐은 무게와 온도 노즐 확장비 사이에 균형을 맞춘다. 가벼운 노즐은 더 높은 추중비를 가지고, 더 높은 온도는 더 높은 배출 속력과 더 적은 엔진 재생냉각 장치를 요구한다. 낮은 확장비는 엔진을 더 짧고 가볍게 만들어준다.

 

스텔스 우주선에서의 로켓 엔진은 각각 다른 특징들이 필요하다.

 

일단 Children of a Dead Earth는 로켓 엔진에 대한 정확한 모델을 갖고 있으므로 이걸 시뮬레이션에 사용하겠다. 몇 가지 자세한 것들을 제외하면 상당히 정확하게 배기 가스의 냉각과 확장을 계산해준다.

en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine_nozzle

www.grc.nasa.gov/www/k-12/rocket/nozzle.html

 

게임에서 한 번 만들어보았다.

본인이 직접 만들어봄

최대의 확장비를 갖는 노즐과 연료가 선택되었다. 비추력이 별로 좋지 않고(460초 정도?) 노즐 무게가 아주 많이 나가지만, 배기 속도가 22K로 아주 낮다.

 

이 온도는 수소의 액화온도 바로 위이다. 따라서 탐지가 거의 불가능해진다.(탐지 거리에 대해서는 다음 글에 작성하겠다.)

 

만약 스피처 우주망원경의 감도인 $2.0 \times 10^{-18} W/m^2$를 탐지에 사용하고, 수소 기체의 방사율이 22K, 0기압에서 0.01%라면, 탐지거리는 8154km이다.

 

이런 탐지장치들은 신호 대 노이즈 비율이 10일 때 같은 공간을 10000초 동안 봐야 이런 결과를 얻을 수 있다. 또, 망원경의 시야각은 5.2X5.2분(arcminute)에 불과하다. 우주 전체의 공간이 148510800분이란 것을 생각하면 한 곳을 관측할 때 더 적은 시간 동안 관측해야 한다. 100초의 관측 시간을 가진다면 800km에서 겨우 관측 가능하다.

 

위에서 말한 거리 문제는 여러 개의 망원경과 감도를 늘리면 어느 정도 해결할 수 있다. 그러나 우주선이 지나가는 속도도 고려한다면 탐지하기 힘들 것이다.

 

굽은 노즐

 

일반적인 직선 노즐은 노즐 목 부분이 몆천도까지 올라가기 때문에 탐지되기 쉽다. 이 뜨거운 점은 로켓 노즐 아래서 보면 보인다. 배기가스가 아주 차갑고 노즐과 엔진이 재생냉각되어 온도가 아주 낮다고 하더라도 이 로켓은 노즐 목 부분 때문에 센서에 포착될 것이다.

 

노즐이 굽어 있다면, 이 문제를 해결할 수 있다. 외부 관찰자는 차가운 노즐 벽과 배기가스밖에 보지 못할 것이다.

 

굽은 부분에서는 압력이 올라가서 온도도 올라가므로 정교한 설계가 필요하다. 아주 크고 부드럽게 꺾이는 노즐이 필요하다.

 

성능

4.52km/s의 배기 속력과 80톤 정도의 추력은 대부분의 다른 스텔스 방식들(cold gas thruster(배기속력 700m/s)등등)의 성능을 능가한다.

 

솔라 펄스 로켓(배기속력 9km/s)나 매스 드라이버(10~100km/s)는 더 높은 속력을 낼 수 있지만, 저추력(태양열 사용)과 궤도 수정 불가능 등의 문제를 가지고 있다.

 

그러나 이 엔진은 824kN의 추력과 1.87GW의 출력을 갖고 있다. 태양열 방식과는 비교할 수 없을 정도로 좋고 핵발전기들보다도 좋다.

 

이 로켓 엔진의 장점은 별도의 전력이나 태양열, 라디에이터를 필요로 하지 않고 스텔스성을 유지한다는 것이다.

 

엔진의 확장비를 더 늘린다면 비추력을 더 높이는것도 가능하다.

 

출처:

Expansion-cooled, Curved-nozzle stealth rocket