커빈에서 지구로 이사하기
커빈에서 자라면서 우리는 종종 지구로 이주할 때는 적용되지 않는 우주에 대한 사실을 배우게 됩니다.
1. 속설: moar 부스터는 파일럿의 가장 좋은 친구다.
사실: 높은 TWR에는 두 가지 주요 단점이 있습니다. 공기역학적인 힘으로 인해 우주선이 찢어지거나 제어할 수 없게 될 가능성이 있다는 점과 높은 TWR로 인해 엄청난 질량 페널티를 받는다는 점입니다. 세 번째 주요 단점(높은 추력에 갇혀 스로틀을 낮출 수 없음)은 신화 2에서 다룹니다. 실제 발사체는 종종 매우 낮은 추력/긴 연소 시간 상부 단계를 갖습니다. 예를 들어, 현재 EELV 는 연소 시간이 10~20분이고 점화 TWR이 0.2 미만인 상부 스테이지를 가지고 있습니다! 대부분의 상부 스테이지에는 클러스터에 "작은"(KSP기준) 엔진 몇 개만 있어도 충분하며, 심지어 하나만 있어도 충분할 수 있습니다! 엔진이 가벼울수록 스테이지가 가벼워지고 더 높은 질량비를 달성할 수 있으며, 델타 V는 질량비의 함수라는 것을 기억하세요. TWR이 중요한 시기는 비행 첫 30초 정도, 어쩌면 첫 1~2분 정도이며, 이 시기에는 TWR이 높으면 좋지만 그 이후에는 TWR이 중요하지 않습니다. TWR은 중력 손실을 줄여주지만 대부분의 중력 손실은 비행 첫 1분, 특히 첫 초에 발생합니다. 저궤도 발사체에서 거의 최적의 구성은 소형(연소 시간 30초)고체연료 부스터, 3분 코어, 6분 상부 스테이지입니다. 계속 부스터를 달고있는 자신을 발견했다면, 이제 다시 설계해야 할 때입니다.2. 속설: 로켓 엔진은 모두 0.1%까지 스로틀을 낮춘다.
사실: 실제로 스로틀하는 로켓 엔진은 거의 없습니다. 착륙용으로 설계된 엔진(예: LMDE)은 이를 딥 스로틀링이라고 하며, LMDE는 최대 추력을 약 10%까지 낮췄습니다. 일부 최신 1단 엔진은 승무원의 중력 부하를 줄이기 위해 숏 스로틀링(얕은 스로틀링, 즉 70% 정도까지 낮춤)을 수행합니다. RS-25 우주왕복선 메인 엔진(SSME)이 후자의 예입니다. 그 외에는 엔진을 스로틀하지 않고 일부 엔진을 조기에 종료하여 G 부하를 관리합니다.3. 속설: 로켓은 최적의 비행을 위해 공기 저항으로 인해 스로틀을 내려야 한다.
사실: 실제 로켓은 차량 하중과 스트레스에 대한 우려로 인해 최대 동적 압력(Max Q)에서 스로틀을 낮춥니다. KSP 세계에서는 시뮬레이션이 제대로 이루어지지 않으므로 걱정할 필요가 없으며, 로켓은 Max Q 스로틀 리미터를 사용하지 않는 것이 더 효율적입니다. 스로틀을 조절하는 또 다른 이유는 페이로드 안전(특히 질퍽거리는 사람)을 위해 최대 G를 줄이기 위해서입니다. 궤도급 발사체의 최적 비행은 수학자들이 "뱅뱅" 제어(100% 스로틀 또는 0% 스로틀을 사용한 코스팅)라고 부르는 것입니다. 이는 커빈에서 항상 100% 스로틀을 사용하는 것이 더 나은 스톡 KSP에도 동일하게 적용되므로, 가장 효율적인 비행(중력에 대한 걱정 없이)은 항상 풀 스로틀이 될 것입니다. 이 속설은 1.00 KSP 이전의 대기가 비정상적으로 두껍고(수포권souposphere) 마하 증가에 따른 항력 효과를 제대로 모델링하지 못했기 때문에 지속되고 있습니다. KSP 1.00을 넘어가면서 대기 변화로 인해 LKO에 도달하기 위한 델타-V 요구 사항이 약 4,500m/s에서 3,300m/s로 떨어졌습니다. 이전 대기권에서는 "연소 후 옆으로 연소" 상승과 함께 스로틀링 다운이 필요했습니다(아래 참조). 2015년 4월에 구형 대기가 제거되었지만, 구글 검색 결과 때문에 이 신화는 계속 남아 있습니다.4. 속설:로켓 엔진은 무한정 재시동할 수 있다.
사실: 실제로 엔진을 재시동하는 것은 까다로운 작업이며, 적절한 조건이 필요하고, 대부분의 엔진은 재시동 횟수가 제한되어 있습니다. 자유낙하로 인해 추진제가 공급 라인에서 떠내려가는 등의 문제가 발생하면 문제가 복잡해집니다. 이 문제를 해결하기 위해 LV는 "얼라지 모터"라고 불리는 소형 모터를 사용하여 주 엔진을 점화하기 전에 추진제를 가라앉힙니다. 우주선은 종종 이 목적으로 RCS를 사용합니다. 추진제가 안정되었다고 가정하면 엔진이 점화될 수 있어야 하는데, 대부분의 1단 엔진은 점화 장치가 하나만 있지만(종종 외부에서 제공됨) 일부 상부 엔진에는 여러 개의 점화 장치가 있습니다. 추진제를 점화하거나 터보 펌프를 돌릴 필요가 없는 단순성 때문에 가압식 하이퍼골릭 엔진은 사실상 무한 점화가 가능합니다. 실제로 RCS는 소형 쌍곡선(또는 촉매 단일 추진제 또는 냉기가스) 압력 공급 엔진 세트입니다.
5. 속설: 연소하여 아포앱시스를 얻은 다음 바로 연소하여 순환한다.
사실: 실제로 많은 LV는 주차 궤도 상승을 한 번에 연소하고 스테이징으로만 중단합니다. 새로운 공기역학 모델 덕분에 KSP에서는 예전처럼 "연소 후 우회전"이 더 이상 일반적이지 않지만, 행성의 크기(대기 높이와 비교)만으로도 대부분의 상승은 중력 회전을 수행하여 아포앱시스를 설정한 다음 아포앱시스에서 수백 m/s의 원형화 연소를 수행하여 궤도를 설정하는 2번의 연소 작업이 필요합니다. 실제로 대부분의 LV는 정점 연소 후 코스팅을 하지 않을 뿐만 아니라(고속 연소 솔리드 킥 모터로 인해 주노 1 / 주노 2와 같은 초기 제품만 그렇게 했습니다), 정점 이후에도 연소가 잘 유지됩니다.
실제로 가장 효율적인 상승은 원하는 궤도 고도보다 더 높이 상승했다가 다시 하강하면서 계속 연소하고, 궤도 속도에 도달하는 순간(그리고 원하는 고도에서) 수직 속도를 상쇄하는 것입니다. 장시간 연소하는 하이드롤록스 상부 스테이지를 사용하는 많은 최신 LV는 이 방식을 사용하며, 토성 V도 마찬가지입니다. 이는 연소 시간이 길고 결과적으로 질량비가 높은 스테이지를 사용함으로써 얻는 델타 V에 비해 발생하는 조향 손실이 매우 적기 때문입니다. 그러나 정점 후 원형 연소를 하지 않더라도 해안과 긴 원형 연소를 허용할 시간(또는 재시동 가능한 엔진)이 없을 가능성이 높으며, 대부분의 상승에서 "중력 회전" 부분은 7분에서 12분 이상의 상승 중 처음 3분 정도만 차지합니다. 나머지 시간에는 정점(및 정점까지의 시간)을 관리하기 위한 피칭, 또는 정점 이후 순환하는 경우 싱크율을 관리하고 원하는 최종 페리지를 설정하기 위한 피칭이 포함됩니다. 한 가지 더 참고할 사항은 상승하여 삽입한 '정점'이 주차 궤도의 원점이 되며, 정점에 도달한 후에는 RCS 연소만으로도 주차 궤도를 원하는 궤도로 원회할 수 있습니다.
6. 속설: 모든 추진제는 똑같이 만들어졌다.
사실: 사실 로켓 추진제는 책과 수십만 시간의 연구를 통해 밝혀진 주제입니다. 각 추진제 혼합물은 강점과 임무 프로파일과의 호환성을 고려하여 신중하게 선택됩니다. 등유-액체 산소(Kerolox), 액체 수소-액체 산소(Hydrolox), 저장제는 화학 로켓 엔진의 가장 일반적인 세 가지 추진제 혼합물이며 각 혼합물에는 장단점이 있습니다. 대부분의 레퍼런스 디자인에서 핵-열 로켓(NTR)은 액체 수소를 추진제로 사용하지만 암모니아, 메탄, 물과 같은 다른 추진제를 사용할 수 있습니다. 로켓 연료에 관한 재미있는 비공식 역사를 다룬 John D. Clark의 이그니션! 을 참조바랍니다.
간단히 설명하자면, 최신 케로록스 혼합물은 약 1kg/리터이며 진공 상태에서 약 350초의 특정 임펄스를 생성하는 반면, LH2(NTR에서 사용되는)는 1/14의 밀도(0.07085kg/l)이며 NTR에서 최대 1000초의 임펄스를 생성할 수 있습니다. 하이드록스는 케롤록스보다 밀도가 1/2.84에 불과하며 진공에서 최대 약 460초의 특정 임펄스를 제공합니다. 하이퍼골릭 저장제의 장점은 상온에서 액체이기 때문에(저장성) 서로 접촉하면 발화(하이퍼골릭)하기 때문에 '끓어오르지 않는다'는 점과 밀도(최대 2kg/l 이상)가 높지만 성능이 훨씬 낮다는 점입니다.
7. 속설: 로켓 엔진과 연료 탱크는 무겁다.
사실: 실제로 로켓 엔진은 무게 대비 추력이 매우 높습니다(최대 150:1 이상). 연료 탱크의 경우, 연료 비율이 가장 높은 로켓 단계는 아마도 아틀라스 D 서스테이너(적재 질량 113톤, 건조 질량 2.347톤)일 것입니다. 여기에는 탱크의 건조 질량뿐만 아니라 엔진, 유도, 가압제 및 기타 로켓 스테이지에 필요한 모든 것이 포함됩니다. 하지만 이는 KSP의 액체 엔진과 탱크에만 적용됩니다: KSP의 고체 로켓은 건조 질량이 어느 정도 적당하고(약간 높지만 범위 내에 있음) 핵 엔진은 TWR이 정확하며, 실제로 성능이 끔찍하게 떨어지는 것은 기존의 액체 엔진과 탱크뿐입니다(3~8배 정도 무겁습니다).8. 속설: 리액션 휠은 마법의 강력한 장치로 우주선을 단숨에 돌릴 수 있다.
사실: 실제로 우주선의 자세는 짐벌형 추력 및 반응 제어 추진기를 사용하여 처리하는 경우가 많습니다. 리액션 휠은 특히 추력 상태에서 우주선의 자세를 수정하는 데 한계가 있으며, 토크를 가할 수 있는 시간도 제한적이기 때문에 회전하는 동안만 토크를 가할 수 있습니다. 결국 RCS로 "스핀 다운"해야 합니다. RCS는 지구를 기준으로 ISS의 방향을 올바르게 유지하거나 망원경의 방향을 유지하는 등 매우 미세하고 낮은 토크의 애플리케이션에 사용됩니다.9. 속설: 궤도 랑데부는 쉽고 거의 모든 출발 궤도에서 수행할 수 있습니다.
사실: 궤도 랑데부는 특히 적도가 아닌 발사 지점에서 출발할 때 정확한 궤도 랑데부를 얻기가 매우 어렵습니다. 로켓은 실제로 궤도 경사와 평면이 매우 다른(1* 이상!) 궤도에서 KSP 스타일의 랑데부를 만들기에 충분한 추진제를 탑재할 수 있지만, 이를 위해서는 주어진 발사체에 가능한 한 많은 질량을 궤도에 올려놓지 않아야 합니다. 각 발사에는 수백만 달러/루블/유로의 비용이 들기 때문에 발사 제공업체와 고객은 페이로드 질량을 최대한 효율적으로 사용하기를 원합니다.그러기 위해서는 먼저 목표 궤도가 발사 지점 상공에 도달할 때까지 기다렸다가 목표와 같은 평면으로 발사해야 합니다. 실제로는 발사 초기에 소량의 예비 델타비(dV)를 사용하여 상승 경로를 올바른 평면으로 이동하기 위해 '도그레그'를 돌릴 수 있습니다. 우주왕복선은 10분 안에 발사하고도 목표 궤도까지 상승할 수 있는 충분한 여유 용량을 가지고 있었습니다. 이 작업은 하강 속도가 낮아 조향 손실이 적은 상승 초기에 수행됩니다.
둘째, 상승하는 페이로드는 일반적으로 목표 우주선보다 약간 뒤쪽의 약간 낮은 궤도로 발사됩니다. 이를 '체이서 궤도'라고 합니다. 이 역시 더 높은 '리더 궤도'로 상승하는 것보다 dV가 적게 들기 때문에 효율성을 위해 수행됩니다. 그런 다음 추격 우주선은 목표물을 따라잡기 위해 여러 궤도를 돌며 천천히 궤도를 조정하여 저속으로 접근하는데, 이 역시 효율성을 고려한 것입니다. 저속 접근 방식은 비행이 중단되는 경우에도 두 차량 모두에 더 안전합니다. 이는 직접 '발사 후 랑데부'보다 더 쉽고 안전합니다.