우주 정거장까지 단 400 킬로미터인데, 로켓이 시속 3 만㎞낸 이유

"현역 도쿄 대학 CAST (과학 커뮤니케이션 서클)의 과학 입문" 이번 테마는 "로켓"입니다. 우주 정거장을 방문에도 탐사선을 소행성에 쓰기에도 로켓이 없으면 시작되지 않습니다. 우주로 떠나는 위한 이 유일한 방법에 대해 쉽게 가르쳐주었습니다. ---------- 일본의 신문에서 번역한 것 입니다. 

 

 

 

여러분은 노구치 소이치 씨의 Crew-1 미션 (상업 유인 우주선 승무원 용 유인 운용 비행)의 발사와 ISS (국제 우주 정거장) 도착 라이브 동영상을 보셨습니까? 정교한 우주복과 우주선의 내부는 마치 SF 영화의 세트 같아 차세대 우주 개발을 느끼게 했습니다. 내년 봄 무렵에는 별 나오고 아키히코 씨가 ISS에 떠날 예정 되어 있습니다. 또한 와카 타 코이치 씨, 후루카와 사토시 씨도 22 년, 23 년에 ISS에 장기 체류할 전망이다. 그리고 2021 년 가을에 새로운 우주 비행사를 모집하고, 향후 5 년에 한 번씩에서 우주 비행사가 보충되는 것도 발표되었다. 다시 달 착륙을 목표로 아르테미스 계획에서 일본의 첫 달 착륙이 기대되는 것도 있고, 앞으로 일본의 유인 우주 탐사 계획에 눈을 뗄 수 없어! 한편, 무인 탐 사라 고하면 「하야부사 2 '입니다. 지난 6 일 새벽 캡슐 분리 · 벤처 성공 소행성 '류구'의 샘플을 무사히 지구로 보내주었습니다. 그런데, 이러한 임무는 모든 로켓의 존재 없이는 할 수 없습니다. 로켓은 우주 개발에 있어서 매우 중요한 것입니다. 그래서 이번에는 로켓에 대해 이야기합시다.

로켓은 어떻게 가속?

　발사 동영상 등으로 본 적이있는 사람은 안다고 생각합니다만, 로켓 발사 해 무서운 기세로 상승하고 있고, 부스터 및 엔진 등이 역할을 불필요하게 되면 그들을 분리하고 또한 속도를 더해갑니다. '황새'7 호기의 발사는 분리까지 초속 7.7km에 가속했다. 또한 「매 2 '의 출시와 함께 「매 2」의 분리까지 초속 11.4km 가속했습니다 (사실 별거 이전의 두 번째 단 엔진 제2 회 연소 정지 <SECO2>까지 초속 11.8km 가속 있습니다. 자세한 내용은 로켓 발사 계획서에 기재되어 있기 때문에 알아봅시다!). 는 원래 로켓은 어떻게 비행 있을까요? 또한 왜 큰 속도가 필요할까요? 정확히 로켓은 연료를 태워 수 있는 가스를 진행 방향의 반대 방향으로 닦아 내고, 그 반동으로 날아 있습니다. 풍선을 부풀리고 그대로 놓을 수 있을까요. 그러자 풍선은 수축하면서 풍선 입이 있는 것과는 반대 방향으로 날아갑니다. 로켓이 비행하는 것은 이와 같은 원리입니다. 로켓이 받는 반동은 가스를 닦아내는 양과 기세가 클수록 커지고, 그만큼 로켓의 속도의 증가도 커집니다. 로켓 엔진을 개발하는 데는 가스를 닦아내는 속도를 어떻게 높일 것인가가 중요합니다. 또한 조금 전에 "불필요하게 된 엔진 등을 분리하여 더욱 가속화될 것"이라고 설명했지만, 로켓 엔진을 다단식 한다는 것도 로켓을 가속하는 데 매우 중요한 연구의 하나입니다. 덧붙여서, 비행기도 마찬가지로 가스를 분출로 하늘을 날고 있는데, 비행기는 연료를 점화하기 위하여 공기를 사용하기 때문에 답답한 우주로 가는 수 없습니다. 한편 로켓 연료 점화를 위한 "산화제"를 로켓에 싣고 있기 때문에 우주로 비행할 수 있습니다.

 

 

원래 큰 속도가 필요한 이유는?

　그런 훌륭한 속도가 필요한 이유를 설명하자. 로켓을 발사 목적은 다양하지만, 그 중 하나에 인공위성의 지구 궤도에 투입 있습니다. 수직으로 발사된 로켓은 서서히 수평으로 방향을 바꾸고 위성을 궤도에 보내 게됩니다. 지구 주위를 도는 데 필요한 속도를 위성에 제공하기 위해 로켓은 거기에 알 맞는 속도까지 가속해야 합니다. 탐사기를 발송 경우도 우주 항행에 필요한 속도를 얻기 위해 로켓은 그만큼의 가속을 필요로 합니다. 는 위성에는 어느 정도의 속도가 필요할까요? 인공위성이 '저궤도'이라는 고도 400km 궤도에 진입하기 위하여는 초속 약 7.7km가 필요합니다. 이것은 시속 2 만 7700km라는 엄청난 속도입니다. 그럼 왜 속도가 빨라진다 낙하하지 않는 것일까 요? 이미지로 야구공을 수평으로 던지는 것을 상상해보십시오. 처음에는 똑바로 나아가려고 하지만 점차 지구의 중력에 끌려 땅에 떨어져 가는군요. 이때 공은 지구에 끌려하면서도 운동 상태를 유지하려고 하는 '관성'을 위해 먼저 던졌다 방향으로 나아가려고 하고 있는 것입니다. 공을 더 빨리 던지면 더 멀리 나아가 땅에 떨어질 때까지 시간이 더 걸릴 수에서 알 수 있듯이 먼저 던졌다 방향에 따라 강하게 나아 가려합니다. 이 먼저 던졌다 방향으로 나아가려는 기세와 지구에 당겨지는 기세가 적절한 균형을 때, 공은 지구를 일주하고 원형을 그리는 것입니다. 그리고이 적절한 속도라는 것이 고도 400km에서 초속 7. 7km 되는 것입니다. 덧붙여서 "다른 높이에서는 어떤가」에 가볍게 보충 해 둡시다. 뉴턴의 발견 '만유인력의 법칙'에 따르면, 물건과 물건 사이에 그 무게에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하는 중력 (만유인력)이 작동합니다. 따라서 높이가 높을수록 지구 인력 (중력)는 작아집니다. 것은 고도가 높을수록 그냥 원형 도는 위한 속도는 줄어듭니다. 예를 들어 고도 3 만 6000km 궤도에 진입하기 위하여는 초속 약 3.1km의 속도가 필요합니다.

 

정지 궤도와 저궤도

"저궤도 '과'정지 궤도 '의 위치 관계 Illustration by 3DSculptor / Dedy Setyawan / iStock

　사실 여기에 올린 400km 나 3만6000km라고 높이 실제로 사용되고 있는 궤도입니다. 고도 400km 궤도에 ISS가 고도 3만 6000km 궤도 정지 궤도라고 불리는 궤도 기상 위성 '해바라기'등이 돌고 있습니다. 왜 정지 궤도라고 부르는인가하면 그 궤도를 도는 위성의 속도가 지구의 자전 속도와 같게 되므로 지구에서 보면 위성이 정지하고 있는 것처럼 보인다 때문입니다. 지구 상의 특정 위치를 항상 관찰하고 싶은 경우에는 이 궤도를 사용하면 편리하네요! 한편, 저궤도에 장점이 단시간에 지구를 일주할 수 있는 (ISS는 90 분에 지구를 일주합니다)라든지 지표에 가깝기 때문에 고화질의 관측 사진을 찍을이나 통신에 많은 시간이 걸리지 등이 있습니다. 놀랍게도, ISS는 먼 느낌 만 400km라는 것은 도쿄에서 오사카까지의 거리 정도이므로 실제로는 꽤 가까운군요. 육안으로 보일 수도 종종 있으므로 그 날짜를 확인하고 꼭 밤하늘을 바라봅시다.

지구를 떠나 달까지 가려면

　이처럼 로켓으로 발사된 인공위성 탐사선은 각각의 궤도를 향해 나아가는 것입니다. 는 달에 가기 위해서는 어떻게 하면 좋을까요. 다른 방법은 지구 궤도에 들어간 탐사선의 속도를 크게하면 좋습니다. 그러면 지구에 당겨지는 힘이 작아 지므로 탐사선은 타원형의 형태로 운동 해 나갈 것입니다. 이 타원이 다만 달의 위치에 도달 할 정도의 크기의 속도를 탐사선 줄 수 있다면, 우주선이 달에 도착할 수 있습니다. 또한 지구의 중력의 영향에서 탈출 할 수있을 정도로 충분히 큰 속도를 탐사기에 제공함으로써 달에 갈 수 있습니다. 는 지구가 아닌 다른 태양계의 행성에 가기 위해서는 어떻게하면 좋을까요. 이를 위해서는 "호만 궤도 '라는 가장 효율적인 궤도와 행성의 중력에 탐사선이 당겨지는 것을 이용하여 우주선의 속도를 크게 하거나 작게 하거나 할'스윙 바이 '를 이용하여 행성을 목표로 합니다. ' 송골매 '나 '하야부사 2'도 지구의 중력을 이용한 스윙 바이를 이용하여 가속하여 소행성으로 향했습니다. 또한 「매 2」는 향후의 확장 임무로 소행성 "1998 KY26"로 향하는 가운데, 지구 스윙 바이를 할 예정입니다. 이번에는 로켓 추진 방식과 탐사선의 궤도와 속도에 대해 설명했습니다. 우주 개발은 처음에 소개한 것처럼, 지금 매우 고조되고 있습니다. 또한 우주 탐사 계획뿐만 아니라 최근 새로운 우주 사업이 많이 탄생하고, 지구 규모의 과제 해결을 통한 지속 가능한 개발 목표 (SDGs : Sustainable Development Goals)에 대한 기여가 기대되고 있고, "인류의 위해 우주를 어떻게 활용해 나갈 것인가 "라는 것이 활발하게 논의되게 되어 있습니다. 꼭, 이를 계기로 우주에 대해 더 관심을 가지고 주시면 감사하겠습니다.