핵 펄스 추진 기술의 기계화

오리온 핵 펄스 로켓 계획은 등장한 지 벌써 60년이 지났음. 이 기술은 강력하고 견고하지만, 유연성과 기능이 떨어지기 때문에 현대 기술로 보완을 할 수 있음.

https://www.behance.net/gallery/33225347/Cutaway-Illustrations-by-Matthew-Paul-Cushman

그럼 어떻게 개선할 수 있을까?

 

기존의 오리온 우주선에 대한 관찰

https://www.deviantart.com/william-black/art/On-Orbit-438591588

오리온 우주선에 관한 정보는 많음. 1, 2

 

오리온 우주선의 핵 펄스 추진 디자인은 간단함. 얇은 기름 막으로 보호되는 강철 판이 핵 성형작약탄의 플라즈마를 받아서 추진력으로 바꿔서 우주선을 이동시키는 게 다임.

 

이 방법으로 추진 장치는 핵폭발의 에너지를 추진장치에서 발생하는 열 문제 없이 다룰 수 있음. 추력도 강해서 수천 톤의 추력을 낼 수 있고, ISP도 2000초에서 12000초로 화학 로켓의 5~30배 정도로 효율성도 높음. 모든 정보를 종합하면 SF작가들이 행성 간 여행에 필요한 dV를 설명하기 위해 고안한 Torch drive와 성능이 비슷함. Torch drive는 단순히 목적지 방향으로 가속하기만 하면 목적지까지 도착할 수 있는 단순한 항법을 가능하게 함.

 

단점은, 각각의 핵폭탄에 있는 핵물질들의 연소율이 낮아서 대부분이 낭비된다는 것임. 각각의 핵폭탄은 우주선이 감당할 수 있을 정도로 충분히 작아야 하는데, 핵폭탄은 작을수록 비효율적임. 그리고, 푸셔 플레이트가 제대로 작동하기 위해서는 폭탄이 터질 때 적절한 위치에 있는 것이 중요함.

완충 장치는 세 부분으로 되어 있음. 첫 번째는 푸셔 플레이트로 정확한 각도로 폭발이 전해진다면 휘거나 구부러지지 않고 50000g를 받음. 그리고 이 푸셔 플레이트는 가스 가방에 충돌하면서 전달되는 충격량을 낮춤. 운동량은 피스톤으로 전달되고 피스톤에는 용수철이 달려 있어서 여러 번의 충격파를 일정한 추진력으로 전환함. 시간에 따라서 잘 작동한다면, 이 기계는 매우 강하지만, 조금이라도 빗겨나간다면, 모든 게 망가질 것임.

만약 한 폭탄이 일찍 격발한다면, 서스펜션 길이의 일부만이 폭발을 흡수하고 강한 충격으로 장치에 손상을 줌. 너무 늦게 점화된다면 이미 후퇴중인 푸셔 플레이트를 더 가속하게 되고 마찬가지로 장치에 손상을 줄 것임.  완전히  점화에 실패하는 것도 좋지는 않음. 서스펜션이 일부만 압축되고 완전히 펴지지 못해서 다음 충격을 받을 때 안전하지 않을 것임. 오리온 우주선은 서스펜션이 완전히 멈출 때까지 대기해야 하고 절반의 위력을 갖는 폭약을 사용해서 용수철을 완전히 압축한 다음 시작해야 함. 또, 행성 표면은 용수철의 진동 주기를 기다려 줄 좋은 장소가 아님.

https://documents.theblackvault.com/documents/space/AD0361711.pdf

(오리온 우주선 점화 실패 사례들 연구 논문)

또 다른 단점은 핵 폭발에서 나오는 엄청난 에너지를 전환하지 못한다는 것임. 서스펜션은 그저 추진력을 전달하는 장치일 뿐이라는 것임.

 

행성/위성 표면에서 이륙하는 것은 오래 걸리지 않고 배터리만으로도 충분하고, 효율적인 행성 간 여행에서는 태양전지판 만으로도 해결 가능함.

그러나 몇몇 분야에서는 많은 전력을 요구함. 특히 군용 우주선은 레이저나 레이더 등에 충분한 전력을 공급할 수 있어야 하면서 충분한 가속 능력을 갖추어야 함. 이 조건을 만족시키기 위해서는 페이로드 질량을 줄이는 대신 원자로 등의 무거운 발전기를 탑재해야 한다는 뜻이고, 태양 전지판을 탑재한다면, 가속력에 의해 태양 전지판이 망가질 수도 있고, 핵폭발에서 생긴 중성자로 태양 전지판이 망가질 수 있음.

 

오리온 우주선에는 핵폭탄이 수천 개 들어간다는 근본적인 단점도 있고 여러 가지 단점들이 많지만, 더 이상은 다루지 않겠음.

 

이러한 단점들을 해결한 핵 펄스 추진 디자인들에 대해 알아보겠음.

Mini Mag-Orion

 

가장 주목할 만한 것은 Mag-Orion임. 핵폭탄으로 생긴 플라즈마의 운동량을 잡기 위해 푸셔 플레이트 대신 자기 노즐을 사용하고 복잡한 핵 장치 대신 임계질량 미만의 우라늄을 사용함. Z 핀치같은 외부의 압력으로만 작동함. 따라서 폭탄의 성격을 없앤 채로 저장할 수 있음. 전력을 생산하는 것은 자기 노즐을 자기유체역학발전기로 거꾸로 사용하면 되고, 자기장을 조절해서 방향 전환 또한 가능함.

 

그러나 이 디자인은 기존의 장점들 몇 가지를 포기하게 함. 거대한 자석, 냉각 시스템, 축전기, 점화 장치는 많은 무게를 더함. 이 추진 방식은 기존의 오리온보다 추력도 약해서 대기나 중력권 안에서 이륙할 수 없음. 단순하고 견고한 오리온 우주선의 장점을 없애고 고장나기 쉬운 디자인으로 바꿈.

 

핵 펄스 추진 기술 기계화

60년 전의 기술에 크랭크축를 추가해서 바꿔보겠음. 푸셔 플레이트와 직접 연결되지 않고 서스펜션과 연결되기 때문에 지나치게 무겁고 길 필요는 없음.

크랭크축은 크랭크와 연결되서 큰 바퀴를 돌림. 바퀴는 오리온 우주선의 주기와 비슷하게 54~69RPM으로 회전함. 기어를 이용하여 수천 RPM까지 올려서 발전에 사용할 수 있음. 각운동량 보존을 위해 두 바퀴는 서로 반대방향으로 회전해야 함.

 

크랭크축으로 얻을 수 있는 전력은 핵 펄스 로켓이 얻는 출력의 일부에 불과함. USAF 10 오리온 우주선의 엔진 출력이 32.9GW이지만 이는 1kt 핵폭탄 폭발 에너지의 0.78%에 불과하고, 최종적으로 얻는 에너지는 더 작을 것임.

 

실제로 핵 펄스 추진 장치에서 얻을 수 있는 전력은 발전기와 라디에이터의 질량과 비례할 것임. 고성능 발전기는 효율이 95% 이상이고 에너지 밀도는 몇십 kW/kg일 것임. 이때 발생하는 폐열이 전력 생산을 방해하는 가장 큰 요인일 것임. 발전기는 낮은 온도에서 작동하는 경우가 많으므로 라디에이터의 질량이 우주선을 가볍게 만드는 데 영향을 줄 것임.

 

발전기는 대부분 상온인 300K근처에서 작동함. 그러나 이 말은 크고 무거운 라디에이터가 폐열을 배출해야 한다는 뜻임. 우리는 가능한 한 가장 뜨거운 온도에서 작동하는 발전기가 필요함. 고온 발전기는 절연재의 고온 성능에 따라 제한됨. 현재 사용되는 모터는 570K에서도 작동함. 그러나 이런 연구들을 참고해 보면 770K에서도 작동 가능함. 그러나 온도가 높아질수록 전기 저항 또한 커지므로 발전기의 성능도 저하됨. 몇몇 연구에 따르면 고온에서도 효율이 90%을 넘을 수 있다고 함. 발전기와 모터는 구조가 같으므로 효율도 비슷하다고 예측할 수 있음.

라디에이터 등의 방열 시스템의 에너지 밀도를 계산하는 것은 어렵지만 1m^2 탄소섬유 2mm 두께 라디에이터는 4kg이고 520K에서 8.3kW를 배출함.

열을 열원에서 라디에이터로 이동하는 데에도 온도 차이가 필요하므로 라디에이터의 온도는 발전기의 온도보다는 약간 낮은 온도일 것임. 실리콘 오일 펌프, microchannel heat exchanger 등등과 +20% 마진을(파이프, 밸브, 보조 장치) 고려하면 대략 1.2kW/kg를 얻을 수 있음.

 

낮은 수치처럼 보이지만, 이 수치는 발생되는 전력의 10%정도에 불과함. 1MW의 운동에너지는 45kg의 발전기로 900kW의 전력과 100kW의 열로 전환됨. 이 열은 83kg의 냉각 장치로 냉각 가능함. 그랭크축이나 무게추 같은 것을 빼고 전부 다 합치면 7kW/kg를 얻음. 라디에이터의 위치도 문제인데, 라디에이터는 선체에서 확장되려 하지만, 핵 플라즈마를 피하기 위해서는 푸셔 플레이트의 그림자 원뿔 부분에 있어야 함.

 

USAF 10m 오리온은 225톤의 페이로드를 갖는데 이의 1/4만을 전력 생산에 사용한다면 393MW를 얻을 수 있음.

이는 엔진 출력의 1.2%에 불과함. 더 많은 전력을 생산하는 핵 펄스 우주선을 생각할 수 있지만, 추진 장치의 에너지 밀도(330kW/kg)와 발전기(10kW/kg) 와 전력을 소비하는 장치의 에너지 밀도(<1kW/kg) 때문에 우주선 탑재량의 대부분을 이런 장치들에게 양보해야 함.

 

전력을 생산하는 데에는 다른 방법이 있음.

선형 교류 발전기는 이상적인 대안임. 자석이 전도성 코일 사이를 지나가기만 하면 전력을 생산함. 회전식 발전기만큼 효율적임. 그리고 회전식 발전기에서 사용한 기술을 똑같이 사용한다면 회전식 발전기와 같은 온도에서 작동 가능함. 더 나은 점은 따로 토크를 만들지 않아서 서스펜션에 넣기 쉽고 진동에 더 강함. 그러나 회전식 발전기보다 에너지 밀도가 낮음. 1.49kW/kg가 언급된 것 중에서는 최선임.

 

다른 방법은 고온초전도체를 이용한 초전도 발전기를 반드는 것임. NASA는 메가와트급의 60kW/kg의 발전기를 디자인한 적이 있음.

에너지 효율은 99%임. 1%는 폐열로 방출됨. 이 열은 다행히 초전도 자석에서 발생하는 것이 아님. 그러나  초전도가 아닌 고정자에서 발생함. 이 온도는 570K까지 올라갈 수 있고, 위와 비슷한 열 처리 방법을 사용하면 됨. 1MW는 990kW의 전력과 10kW의 열이 되고 16.5kg의 발전기와 8.3kg의 라디에이터만 있으면 처리 가능하고 에너지 밀도는 40kW/kg임.

 

단점은 초전도 상태를 시속시켜 줄 무거운 냉각 장치가 필요하다는 것임. 또, 0.01~0.1%의 전력이 교류 전류때문에 생김.

사진: 허니웰 1MW 초전도 발전기

 

이런 열을 다루는 방법은 액체 질소를 끓게 놔둬서 냉각하는 것임. 액체 질소는 증발하면서 198kJ/kg를 흡수할 수 있음. 따라서 생산되는 kW당 5밀리그램의 액체 질소가 필요함.

 

액체 질소로 냉각을 한다면, USAF 10m 오리온은 40톤의 전력 생산 시설, 16.25톤의 액체 질소로 225톤 페이로드의 1/4를 차지하면서, 1.6GW를 생산할 수 있음. 그러나 액체 질소는 33.5분이면 떨어질 것임. 그러나 우주선은 냉각재가 떨어지기 전에 핵폭탄이 먼저 떨어질 것임.

극저온 냉각기를 이용한 능동 냉각을 사용할 수도 있음. 폐열을 라디에이터를 통해 배출할 수 있을 정도의 온도로 올려서 배출함. 만약 고온 초전도체가 100K에서 작동한다면 1W를 냉각하기 위해서는 4.7W의 에너지가 필요하고, 현실적인 극저온 냉각기는 30%의 카르노 기관 열효율을 가지므로15.7W의 전력이 필요함. 여기서는 570K가 목표라고 잡겠음

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항공우주산업에서 쓰이는 극저온 냉각기의 에너지 밀도는 133W/kg임, 그러나 300W/kg도 달성 가능하다고 함. 모든 것을 종합해보면 1MW당 1kW의 폐열이 발생하고 15.7kW를 소모하는 52kg의 극저온 냉각기가 필요함. 능동 냉각 방식을 사용하면 발전기의 에너지 밀도가 12.9kW/kg로 감소함. 이 수치는 초전도방식이 아닌 디자인의 7kW/kg보다는 뛰어나고, 액체질소를 따로 보충해 줄 필요가 없음.

 

USAF 10m 오리온 우주선은 56.25톤으로 725.6MW의 전력을 생산함.

 

고려하지 않은 점이 하나 있음. 초전도 자석은 방사선이나 손상에 강하지 않음. 따라서 설계할 때 중성자나 감마선을 피할 수 있도록 설계해야 하면서, 푸셔 플레이트나 서스펜션과 지나치게 멀리 떨어져있으면 안됨.

 

유연성

핵 펄스 추진을 기계화하면 두 가지 주요한 장점이 있음.

 

첫 번째는 시작할 때임. 원래 오리온 디자인은 미리 압축된 서스펜션에 핵폭탄을 터뜨려야 제대로 작동할 수 있음. 그렇게 만들기 위해서는 일반적으로 쓰는 핵폭탄의 절반 정도의 세기를 가진 폭탄이 필요했음. 따라서 엔진 재시작은 유연적이지 못하고 재시작도 푸셔 플레이트가 멈춰있을 때만 가능함. 우주 여행에서 장애물이나 궤도 수정을 위해 여러 번 엔진 재점화를 해야 되고, 특히 전함은 도망치기 위해 여러 번의 여러 번의 재점화가 필요한 순간이 있으므로 이 단점은 치명적임.

 

그러나 핵 펄스 추진이 기계화되면, 배터리를 이용해서 서스펜션 암을 압축할 수 있고, 서스펜션 암을 빠르게 정지할 수 있음. 배터리는 태양 전지 등을 이용해서 재충전할 수 있음. 

 

따라서 여러 번 재시작할 수 있고, 펄스가 잘못된 시간에 터졌을 때도 회복이 가능함.

기계화된 핵 펄스 추진 기술은 핵폭탄이 잘못 터지더라도 서스펜션의 위치를 충분히 빠르게 반응할 수 있음. 핵폭탄이 잘못 터지더라도 우주선의 모터/발전기가 푸셔 플레이트를 멈출 수 있고, 서스펜션이 지나치게 빠르게 움직이는 것을 막을 수 있음.

핵폭탄이 일찍 폭발하는 것은 늦게 터지는것보다는 문제가 있음. 푸셔 플레이트를 침식시킬 뿐만 아니라 크랭크축과 발전기는 예상되지 않은 충격에 취약함.

 

오발이 나더라도 푸셔 플레이트를 안전하게 정지할 수 있고 다시 원래의 위치로 복구할 수 있음.

 

엄청난 양의 전력을 이용해서 유연성을 늘릴 수도 있음. 발전용 원자로가 따로 있는 핵-전기 추진 우주선만큼 유연하지는 않지만, 고출력 레이더나 레이저를 사용할 수도 있고 자기 흡입기를 이용해서 핵폭탄을 비행 중에 받아서 쓸 수 있음. 전기로 구동되는 RCS를 사용해서 우주선이 더 쉽게 회전할 수도 있음.

 

결론

기계화된 오리온 우주선은 원래의 오리온 우주선보다 유연하고 안전함. 엔진만을 사용하는 화물 탑재량을 최대화하는 데 집중하는 우주선의 경우 에는 비효율적이지만, 사람을 운반하거나 더 많은 기능이 필요하거나 보안성이 필요한 경우에는 효율적임. 전함의 경우 기계화된 오리온 우주선을 선호할 것임. 엄청난 전기 에너지는 수백MW가 필요한 무기를 사용하면서 회피 기동을 할 수 있음.

 

핵 펄스 추진기의 에너지의 몇 %만이 전력으로 변환되므로 우주 전쟁에서 레이저가 모든 것을 지배하는 상황을 피하는 것을 생각해볼 수도 있음. 강력한 레이저는 함대함 전투를 쓸모없게 만들지만, 낮은 전력 소모량과 비교되는 높은 추진 장치 에너지는 회피 기동을 좀 더 효율적으로 수행할 수 있게 함.

우주 전쟁에서 핵 펄스 로켓의 추진 방식의 또 다른 장점은 연속된 가속으로 추진 장치가 부실한 미사일을 따돌릴 수 있다는 것임. 핵 장치는 크기가 줄어들수록 핵연료의 연소 효율이 낮아지기 때문에 미사일은 핵 펄스 추진 우주선을 따라올 수 없음. 따라서 미사일이 더 많은 쪽이 승리한다는 일방적인 공식을 피할 수 있음.

번역 출처:

http://toughsf.blogspot.com/2021/01/moto-orion-mechanized-nuclear-pulse.html