로켓 및 무반동 방식을 이용한 우주선 추진 | |
 이미지 제공: Steve Bowers, 셔틀 메시 제작: Jack Higgins | |
| 올드 어스 정보화 시대의 아주 초기 화학 로켓, 셔틀 | |
토포소픽 등급과 구동 기술
테라젠 스피어의 우주 식민화 역사 전반에 걸쳐, 우주선의 종류와 추진 방식은 크게 변화해 왔다. 일반적으로, 각 구동 장치를 개발·제조·운용하는 데 필요한 토포소픽 등급이 해당 구동 장치의 출력, 성능, 실용성을 결정하는 가장 큰 요인이다.실용적인 우주 추진 장치를 만들어낼 수 있는 가장 낮은 등급은 S:0, 즉 어디에나 있는 모도소폰트들이다. S:0 수준의 추진기는 항성계 내 이동에 충분하며, 최대 수십 광년 떨어진 곳까지의 단거리 성간 여행도 정기적으로 소화할 수 있다. 고도로 최적화된 모도소폰트 혼성 설계는 그보다도 뛰어나, 광속(c)의 상당한 비율에 도달할 수 있고 실용 사거리가 100광년에 근접한다. 광속은 질량을 가진 모든 것에 적용되는 절대적인 속도 한계다.
더 높은 등급의 소폰트들은 아래에서 자세히 설명하듯, 훨씬 뛰어난 능력을 보여준다.
우주의 구조
역사 초기에는 우주가 텅 빈 공간이라고 여겨졌다. 지구의 고대 인류는 우주에 도달하기 위해 분투하면서, 우주를 아무것도 없는 곳으로 가정한 방정식을 개발했다. 이것이 오늘날에도 여전히 가르치는 고전 로켓 방정식이다. 다만 이 방정식은 저속 영역에서만 적용되며, 현재는 단거리 이동과 할로이스트들만이 사용한다.주지하듯, 우주는 텅 비어 있지 않다. 더 높은 에너지 영역에서 우주 항행 경험이 쌓이면서, 우주는 비어 있지 않고 자원과 위험이 공존하는 구조를 갖췄다는 사실이 분명해졌다.
테라젠 팽창의 수천 년에 걸쳐 장거리 우주 여행은 일상이 되었고, 그 여행의 몇 가지 큰 범주가 널리 인정받게 되었다.
성간 여행 영역
1) 저속 영역: 일반적으로 0.3c 미만의 성간 여행이 이에 해당한다. 이 영역의 상한은 램스쿱으로 성간 물질을 효과적으로 수집할 수 있는 속도다. 0.3c 이하에서는 차폐 요건이 훨씬 덜 엄격하고, 극단적인 상황에서도 효과적인 기동이 가능하여 우주 여행이 전반적으로 매우 수월하다. 심층 협약(Deeper Covenant)의 광대한 메타제국이 단연 이 영역의 최대 이용자이며, 수많은 소폰트와 상당한 양의 물자가 이 방식으로 세계들 사이를 오간다.2) 고속 영역: 대체로 0.2c에서 0.84c 사이의 성간 여행이 이에 해당한다. 하한은 최적화된 램스쿱이 유의미한 질량 유량을 얻을 수 있는 속도이며, 상한은 상대론적 질량 효과로 인해 완전전환 구동 장치를 써도 램 추진 가속이 불가능해지는 속도다.
3) 상대론적 영역: 대체로 상대론적 효과가 지배적인 0.84c 이상의 영역이다. 이 영역의 장점은 강한 시간 팽창과 단축된 이동 시간이며, 단점은 매우 높은 에너지 요구량과 차폐 요건이다.
4) 시공간 구조 영역: 우주선이 이동하는 시공간 자체를 변형하여 추진력을 얻는 영역이다. 이 시공간 구조 변형을 통해 우주선을 보호하는 것도 가능하다. S6 등급의 초월지성(Transapient)만이 이 구조 변형을 추진 방식으로 안정적으로 활용하는 우주선을 설계·제작할 수 있다.
정리하면, S:0 기술은 저속 영역과 고속 영역 일부까지만 도달할 수 있다. S:1, S:2, S:3 기술은 고속 영역과 상대론적 영역 하단까지 진입할 수 있다. S:4, S:5, S:6 기술은 고속, 상대론적, 시공간 구조 영역 모두에 도달할 수 있다.
용어 설명: 아래에서 S:0 구동 장치에 대해 비추력(Isp), 델타-v, 추력 대 중량비의 범위를 다수 인용한다. 이 용어들에 대한 설명이 필요하다.
- 비추력(Specific Impulse)은 주어진 질량의 추진제를 사용하여 일정 시간 동안 얻을 수 있는 추력의 크기를 나타내는 일반적인 척도다.
- 델타-v(Delta-v)는 해당 추진기를 사용하는 우주선이 달성할 수 있는 총속도 변화량이다. 감속은 사실상 다른 방향의 가속이다. 편의상 "합리적인" 질량비만을 다루었다. 연료와 추진제에 선체 질량의 99.99999% 이상을 할애하면 어떤 구동 장치로든 매우 높은 델타-v를 얻을 수 있지만, 여기서 인용한 모든 예시는 초기 선체 질량의 최대 90%를 연료와 추진제로 가정하며, 많은 경우 절반 이하로 가정한다. 실제로 반물질(Amat) 시대의 유명한 "클리퍼"들은 선체 질량의 절반을 연료와 추진제로 채우는 방식을 기준으로 삼았다. 물론 램스쿱이나 공허 거품처럼 외부에서 대량의 연료·추진제를 공급받을 수 있다면 이런 제한은 무의미해진다.
- 추력 대 중량비(Thrust-to-Weight Ratio)는 엔진 자체의 무게 대비 엔진이 내는 추력의 비율이다. 모도소폰트 수준에서는 중요한 지표지만, S:1 이상에서는 중요도가 크게 낮아진다.
- 연료(Fuel)는 동력을 생산하기 위해 엔진에서 소모되는 물질이다. 이 에너지는 추력을 발생시키기 위해 반응 질량(일반적으로 추진제라 부름)을 방출하는 데 사용된다. 화학 로켓처럼 반응 질량이 곧 연료 반응의 산물인 구동 장치도 있지만, 보통은 추진제가 별도의 물질이다.
- 추진제(Propellant)는 반응 질량이라고도 한다. 연료에서 얻은 에너지로 방출되어 추력을 만들어내는 물질이다. 추진제는 가속을 시작할 때 우주선 질량의 매우 높은 비율을 차지할 수 있다. 대부분의 경우 연료와 추진제는 같은 물질이 아니다.
 이미지 제공: Steve Bowers | |
| Robert Frisbee, 연방 중기의 반물질 우주선. | |
모도소폰트 추진 기술
가장 오래되고 단순하지만 여전히 많은 용도에 쓰이는 것은 화학 로켓이다. 화학 로켓은 단거리 여행에만 유용하다. 행성간 우주선에는 전기·이온 플라즈마 추진, 핵분열·핵융합 펄스 추진, 내부 핵분열 드라이브, 광범선(光帆), 반물질 유도 핵융합, 그리고 다양한 외부 펄스 플라즈마 방식이 쓰인다. 주요 변형 방식들을 아래에 간략히 소개한다:화학 로켓: 화학 에너지를 이용하는 로켓 추진 방식. 자세한 정보.열 로켓: 외부 열원으로 구동되는 무연료 로켓. 자세한 정보.
화학 광자 로켓: 화학 레이저를 추진 메커니즘으로 사용하는 독특한 방식이다. 가장 일반적인 형태는 화학 배기가스를 로켓 분사물로 함께 사용하며, 성능이 매우 나빠 일반 화학 로켓과 큰 차이가 없다. 이런 설계는 보통 Isp 300~400, 추력 대 중량 비율 20:1, 총 델타-v 약 15km/s 수준이다. 드문 변형으로는 항성 화학 광자 드라이브가 있다. 이는 인근 항성의 빛으로 재생 가능한 레이징 반응물을 사용하는 하이브리드 방식으로, 추력 대 중량 비율은 매우 낮지만 델타-v는 매우 높다. S:0 수준에서 광범선과 유사하지만, 추력 방향을 임의로 조절할 수 있다는 장점이 있다. 이런 설계는 Isp 9,000 이상, 추력 대 중량 비율 0.0001:1, 총 델타-v 100km/s 이상이 일반적이다.
전기 추진: 이온 드라이브와 전자기 드라이브를 포함한다. 자세한 정보.
빔 에너지 추진: 태양돛, 레이저 돛, 마이크로파 돛, 입자빔 추진. 자세한 정보.
핵분열 드라이브: 핵분열을 동력원으로 사용하는 추진 방식. 자세한 정보.
외부 펄스 플라즈마 드라이브: EPP(External Pulsed Plasma) 드라이브. 선체 외부에서 발생하는 플라즈마 펄스만으로 추진하는 방식으로, 오리온 드라이브와 달달루스 드라이브가 여기에 속한다. 자세한 정보.
핵융합 드라이브: 핵융합을 이용하는 추진 방식. 자세한 정보.
반물질 드라이브: 직접 반물질 드라이브는 단연 최고의 성능을 자랑하며, 진정한 반물질 드라이브라 불린다. 중간 매개 반물질 드라이브는 보통 부스트 핵융합 또는 반물질 촉매 핵융합 드라이브라 부른다. 반물질 촉매 핵융합 자세한 정보. 진정한 반물질 드라이브는 더 강력하지만, 반응 에너지의 상당 부분이 감마선이나 중성미자로 방출되어 쉽게 빠져나가기 때문에 추력을 얻기가 더 어렵다. 진정한 반물질 드라이브 자세한 정보.
램스쿠프: 성간 매질에서 반응 질량 또는 연료를 수집하는 방식. 램스쿠프 드라이브 및 관련 기술 자세한 정보.
기증 드라이브: S:0 드라이브 중 가장 발전하고 효율적인 것은 내부 핵분열, 내부 핵융합, 반물질 드라이브이며, 이들은 모두 가장 정교한 격납 용기를 갖추고 있다. 모도소폰트에게 더 높은 S: 등급의 후원자가 있다면, 이 드라이브들을 훨씬 더 효율적으로 개조하는 것이 가능하다. 영구 자기 단극자 1마이크로그램만 기증받아도 모도소폰트 문명은 그것을 바탕으로 더 많이 생산할 수 있다. 그 덕분에 알려진 공간의 발전된 지역에서는 S:0 시민들도 전환 드라이브 우주선을 흔히 사용한다. 이런 우주선은 S:1 프로토타입이나 S:2 완성형보다는 훨씬 성능이 낮고 조잡하지만, 반물질 우주선보다는 확연히 뛰어나다. 다만 마그매터 격납 장치나 상위 S: 버전의 고급 차폐 장비가 없기 때문에 항속 거리는 여전히 크게 제한된다. 최고 속도 0.7c, 항속 거리 수십~백 광년이 여전히 표준이지만, 이제 우주선에 재급유하면 같은 성능으로 왕복 여행을 할 수 있게 되었다.
초특이점(Transingularity) 추진 기관
아쉽게도 아래의 상위 S-레벨(S-level) 추진 기관은 명확하게 설명할 수 없다. 이 추진 기관들의 핵심 작동 원리는 훈련된 S:0 지성이라면 이해할 수 있지만, 실제 구동 방식에 대한 공학적 세부사항은 더 높은 수준의 지성을 갖춰야만 파악할 수 있다. 전환 추진 기관과 무반동 추진 기관, 그리고 말로 표현하기 어려운 공허선(Void Ship)의 존재 자체가 이를 분명히 입증한다. 아르카일렉트들이 어떤 방식으로 이것들을 작동시키든, 실제로 작동한다는 사실만큼은 의심할 여지가 없다.S:1 기술
전환 추진기
첫 번째 토포소픽 단계의 초월지성, 즉 첫 번째 특이점(Singularity)를 통과한 존재들은 자기 단극자와 일부 형태의 마그매터를 생성할 능력을 갖는다. 단극자 기술은 전환로에서 물질을 에너지로 바꾸는 데 응용할 수 있다. 이 전환 용광로를 우주선에 장착하면 전환 추진기가 된다. 이 추진기는 반물질 저장에 따른 문제 없이 효율적인 반물질 추진기에 맞먹는 출력을 낸다. 전환 추진기에 대한 자세한 내용.S:2 기술
특이점 수준 2에서는 단극자가 훨씬 흔해지며, 영구적인 수명을 지닌 다양한 종류의 단극자가 만들어진다. 마그매터 제작도 가능해진다. 단극자의 특성(질량, 전하 등)을 훨씬 정밀하게 제어하고, 영구 단극자를 유용한 종류와 수량으로 제조할 수 있기 때문이다. S:2의 핵심 발전 가운데 하나는 최초의 마그매터 반응 챔버가 등장해 훨씬 높은 에너지 수준에 도달할 수 있게 된 것이다. 마그매터는 어떠한 냉각도 없이 핵 수준의 온도와 응력을 견딜 수 있으며, 고급 광전 냉각 배열과 결합하면 기존 어떤 물질보다 수백 배 이상 높은 온도와 압력도 버텨낸다. 덕분에 마그매터 반응 챔버는 영구 단극자 전환 추진기의 이상적인 짝이 된다. 영구 단극자 덕분에 단극자 생성 장치가 필요 없어지므로, S:2의 전환 추진기는 훨씬 작고 단순해진다. 한편 마그매터 반응 챔버는 냉각 없이도 훨씬 높은 에너지 수준과 밀도를 가능하게 한다. 단극자는 램스쿱(선박에 장착된 경우)에도 포함될 수 있어 스쿱 효율을 크게 높이며, 높아진 에너지 수준은 최초의 능동 선체 방어막을 가능하게 한다. 경로 탐색 레이저와 간단한 자갈 분수가 널리 쓰이기 시작하는 것도 이 시기다. 이러한 일련의 돌파구 덕분에 S:2에서는 진정한 장거리 고속 성간 여행이 처음으로 현실적인 선택지가 된다.이러한 개선들은 전환 우주선의 성능을 크게 높여, 순항 속도가 최대 0.84c에 이른다. 대폭 향상된 능동 방어막 덕분에 항속 거리는 1,000광년까지 늘어나며, 완전한 왕복 여행도 가능해진다.
S:3 기술
특이점 수준 3에서는 전환 추진기가 성숙한 기술로 자리잡으며, 더 높은 S: 수준에서도 출력이 크게 달라지지 않는다. 다만 훨씬 가벼워지고 배기 조정, 반응 속도 등 유용한 기능이 추가될 수 있다. S:3에서 성간 우주선 분야의 핵심 진보는 고속 항행을 위한 능동 방어 체계의 완성이다. 앞서 언급했듯, 우주는 비어 있지 않다. 실제로 둘 이상의 대규모 인구 밀집지 사이에서 성간 매질의 밀도가 특히 높은 일부 공간은 성간 우주선 무리가 항로를 가득 메운다. 일반적으로 램스쿱 장착 선박은 성간 매질이 가장 밀한 곳을 찾아다니고, 램스쿱 없는 선박은 가장 희박한 구역을 통과한다. 그러나 고속 또는 상대론적 속도 영역에서 비행하는 모든 선박은 성간 매질의 치명적인 침식 효과와 간헐적으로 나타나는 치명적인 먼지 알갱이에 대비해 강력한 방어막을 갖춰야 한다. 방어막에 대한 자세한 내용.S:4 기술
S:4 이상에서는 이른바 무반작용 추진기를 사용할 수 있어, 매우 빠른 우주선이 광속에 근접(하되 초과하지는 않는) 속도에 도달할 수 있다. 무반작용 추진기 개요.변위 추진기
특이점 수준 4에서는 여러 진보가 결합되어 역사상 가장 큰 돌파구가 열린다. 내부가 외부보다 큰 중간 규모의 시공간 주머니, 즉 거품을 만들 수 있게 된 것이다. 이것이 이른바 보이드 버블이다. S:4에서는 이 장치를 자기적으로 선체에 연결하여 엔진으로 사용할 수 있다. 이런 우주선은 엔진이 정상 공간 밖으로 밀려나 있기 때문에 '변위 우주선'이라 불린다(변위 추진기에 대한 자세한 내용). 변위 추진기의 등장이 아르카일렉트들이 반작용 추진 선박을 포기했음을 의미하지는 않는다. 전환 추진기 선박은 S:3 이전에 이미 성숙한 형태에 도달했지만, 전환 우주선은 S:4+ 기술로 여전히 대량 생산되며 심우주 여행의 주력으로 여겨진다. 낮은 토포소픽 계층 주민들에게 선물로 주어지는 경우도 많다. 그러나 무반작용 추진기는 오직 '신들'만의 도구이자 장난감이다. 이미지 제공: Steve Bowers, Juan Ochoa | |
| 헤일로 추진기 선박 | |
S:5 기술
헤일로 추진기
특이점 수준 5에서는 보이드 버블을 중력과 자기력 모두를 이용해 선체에 결합할 수 있다. 선박 전방에 보이드 버블의 헤일로를 형성하면 선체가 실공간에서 그 뒤로 끌려가는 효과를 낸다. 헤일로 우주선에 대한 자세한 내용. 이미지 제공: Anders Sandberg | |
| 성간 시공간 투석기 | |
시공간 투석기
마찬가지로 S:5에서는 보이드 버블 생성 기술의 발전으로 헤일로 추진기의 변형인 시공간 투석기가 구현된다.S:6 기술
보이드 우주선
가장 위대한 아르카일렉트들의 수준인 특이점 수준 6에서는 보이드 버블이 최고 단계의 완성에 이르며, 버블 내부에 완전히 봉입된 선박의 건조가 가능해진다. 이 선박들은 외부 우주의 관측자에게 시공간의 급격한 왜곡으로만 감지될 뿐, 그 모습은 보이지 않는다. 보이드 우주선에 대한 자세한 내용.고속 우주선에 나타나는 상대론적 효과는 다음에서 확인할 수 있다: 상대성 계산기.
다양한 추진 방식의 성능 통계는 다음에서 확인할 수 있다: 추진 성능 통계.
문서
비교적 소량의 반물질로 촉진된 핵융합을 이용한 추진 방식.
반물질 로켓을 이용한 추진 방식.
빔 에너지나 질량 입자 스트림을 이용해 우주선을 추진하는 방식.
자동화된 무기나 장치를 신속히 발사하거나 방향을 전환하는 데 사용하는 ACER 기술의 변형 응용.
화학 에너지를 동력으로 사용하는 로켓.
전환 드라이브(정식 명칭: 자기 단극자 촉매 핵융합 드라이브)는 자기 단극자를 이용해 표준 핵융합 드라이브의 효율을 최대 거의 100%까지 끌어올린다. 이 시스템은 2차 특이점을 돌파한 초월지성들이 처음 개발했으며, 현재 행성간·항성간 여행에서 가장 널리 쓰이는 드라이브다.
소프트웨어
시스템의 중앙 처리 노드—특히 AI의 핵심부—가 침입 시스템(AI 바이러스, 해킹 프로그램 등)에 의해 뚫리는 것.하드웨어
핵 반응로나 선박 추진 시스템의 케이싱·외피·차폐 필드가 파괴되어 노심 용융, 방사선 누출, 과열 플라즈마 방출이 발생하는 것.핵 반응로나 선박 추진 시스템의 케이싱·외피·차폐 필드가 파괴되어 노심 용융, 방사선 누출, 과열 플라즈마 방출이 발생하는 것.
사이클러는 궤도나 항성간 노선을 따라 연속 운행하는 우주선 또는 이동 거주시설이다. 경로 상의 정거장, 궤도 시설, 행성, 항성을 일정한 주기로 차례차례 만나는 방식으로 운항한다. 크기와 규모, 속도, 편의 수준은 천차만별이며, 행성간 노선(일명 올드린 사이클러)과 항성간 노선(일명 슈뢰더 사이클러)으로 나뉜다. 완전 수동식(단순 탄도 궤도)으로 운용되기도 하고, 궤도 수정용 추진 장치를 갖추기도 한다.
보이드 버블이라 불리는 소형 시공간 왜곡을 내장하고, 그것으로 추진되는 우주선.
전기 에너지로 추력을 얻는 추진 방식.
핵분열을 동력원으로 사용하는 추진 방식.
가스 행성을 이동시키는 데 사용하는 추력 장치.
핵융합 에너지를 이용한 추진 방식.
S-레벨 5에서는 보이드 버블을 중력과 자기력으로 우주선에 결합할 수 있다. 선수(船首) 앞에 보이드 버블의 헤일로를 형성하면, 우주선이 실공간에서 그 뒤에 끌려가는 형태로 추진된다.
질량 빔으로 구성된 네트워크. 항성계 내부에서 수송, 에너지 전송, 폐열 처리에 활용된다.
선내 반응 질량 없이 우주선을 가속하거나 감속하는 질량 빔 기반 시스템.
헤일로 드라이브 기반의 가속 장치로, 화물을 상대론적 또는 준상대론적 속도로 발사한다. 제작과 제어 인터페이스 공급에 S5급 이상의 지성이 필요하기 때문에, 넥서스에 속하지 않은 항성계 중에서도 상당히 발달하고 부유한 곳만 이 장치를 갖출 수 있다.
우주선을 가속하거나 감속하는 재구성 가능한 초전도 루프 구조체.
우주선 외부에서 플라즈마 폭발 펄스를 일으켜 추진하는 방식.
플라즈마 자석은 저질량 발생기로 대규모 자기장을 만든다. 다양한 용도로 활용되며, 그중 가장 두드러진 것이 플라즈마 자석 드라이브(PMD) 형태의 우주선 추진이다.
오리온 팔에서 사용되는 다양한 추진 기술의 통계.
버사드 램스쿠프 개념, 램 증강 성간 로켓 선박, 그 외 자기 스쿱 장치들.
기존 로켓 선박에서 사용하는 연료.
반응 질량 없이 작동하는 추진 방식.
로켓 추진의 물리학과 수학.
기술을 이용해 항성을 이동시키는 방법.
외부 열원으로 구동되는 무연료 로켓.
외부 플라즈마 추진 장치.
질량수(핵자수) 3의 방사성 수소 동위원소. 반감기는 12.5년이며, 핵은 양성자 1개와 중성자 2개로 이루어진다. 트리튬은 핵융합 반응로와 핵융합 기반 행성간 선박에 널리 쓰인다.
최상위 아르카일렉트들이 개발·운용하는 반작용 없는 선박. 보이드 버블 안에 완전히 봉인된 형태로 보인다.
관련 주제
개발 노트
글: Mauk Mcamuk, Chris Shaeffer
최초 게시일: 2007년 1월 1일.
수정: ithuriel, Steve Bowers, Todd Drashner (2015)
Steve Bowers 이미지 추가: 2015–2018
최초 게시일: 2007년 1월 1일.
수정: ithuriel, Steve Bowers, Todd Drashner (2015)
Steve Bowers 이미지 추가: 2015–2018