[논문]인젝터 플라즈마 저항의 실험적 연구

한충규

인젝터 플라즈마 저항의 실험적 연구
An experimental study on the resistivity of injector plasma 원문보기

A chamber enduring 3,000 bars and an electrical high voltage power system have been designed and installed for studying the characteristics of the plasma produced in electro-thermal chemical propulsion system. In order to test the structural characteristics, polyethylene injectors were used which have 4 or 6 mm inner diameter and several lengths from 15 to 70 mm. The capacitors were charged at the voltages of 5.2, 7.3 and 10.4 kV which correspond to 5.58, 11 and 22.3 kJ in charging energy. The observed resistivities of the plasma injector are close to those predicted by a theoretical model that describes the plasma resistivity according to high current density.

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문제 정의

본 논문에서는 전열추진 현상의 예측을 위해 플라즈마 인젝터의 저항 특성을 실험적으로 연구하였다. 인젝터의 형상과 충전 전압의 변화에 따라 부하에 걸리는 전압과 흐르는 전류를 계측하였고 이로써 전류-저항 사이의 관계식을 curve fitting 하여 구하였다.
이 논문에서는 인젝터 형상의 저항 특성을 인젝터의 길이, 내경과 충전전압을 변화시켜가며 실험적으로 계측하였다. 실험에 사용된 전원은 전압이 5~10 kV, 에너지로는 수십 kJ이며 방전이 수 ms 동안 일어난다.

제안 방법

전열 플라즈마 발생시 챔버에 흐르는 전류와 챔버 전극 양단에 인가되는 전압을 측정함으로 플라즈마의저항을 실험적으로 측정한다. 그 외 광섬유를 통하여 플라즈마의 광학적 특성 및 챔버내 압력과 폴리에틸렌 시료 용발량 등의 상수들을 계측할 수 있도록 설계 되었다. 그림 1은 실험 챔버의 구조이다.
3 kJ이다. 또한 인젝터의 형상에 따른 특성인자인전극사이의 거리를 15, 25, 50, 70 mm로 잡았으며 인젝터의 내경은 4 mm와 6 mm인 폴리에틸렌 시료를사용하여 방전시 발생하는 전류, 전극간 전압파형을계측하여 전기 전도도를 계산한다 그림 5는 전형적인계측 파형이며 이는 전압 5.2 kV, 길이 15 mm 내경 4 mm의 조건에서의 방전 실험 결과이다.
실험에 사용된 전원은 전압이 5~10 kV, 에너지로는 수십 kJ이며 방전이 수 ms 동안 일어난다. 이는 전열주진에 사용하는 경우와 유사한 범위이며 발생되는 플라즈마는 수만도, 수천기압의 저온, 고밀도의 상태에서 평형 상태이므로 LTECLocal Thermodynamic Equilibrium) 모델로 다룬 기존 논문에 발표된 이론과 비교하여 정리하였다
인젝터의 형상과 충전 전압의 변화에 따라 부하에 걸리는 전압과 흐르는 전류를 계측하였고 이로써 전류-저항 사이의 관계식을 curve fitting 하여 구하였다.
설계하였다. 전열 플라즈마 발생시 챔버에 흐르는 전류와 챔버 전극 양단에 인가되는 전압을 측정함으로 플라즈마의저항을 실험적으로 측정한다. 그 외 광섬유를 통하여 플라즈마의 광학적 특성 및 챔버내 압력과 폴리에틸렌 시료 용발량 등의 상수들을 계측할 수 있도록 설계 되었다.
전열 화학포의 인젝터 형상이고 플라즈마를 발생시키는 곳인 실험 챔버는 일반 스틸 재질로 설계하였다. 전열 플라즈마 발생시 챔버에 흐르는 전류와 챔버 전극 양단에 인가되는 전압을 측정함으로 플라즈마의저항을 실험적으로 측정한다.
두 개의 208 juF 커패시터(maxwell 32820 : 22kV, 20&1F)를사용한 커패시터 뱅크의 용량은 416 “F 이고 인덕터 (유원전기)의 인덕턴스 L 은 60 11H 이다. 직류 고전압을 공급하는 전원공급기(Spellman SA30P8, 30 kV, 266 mA)는 저항(Maxwell ■ 6 kQ 2 개)과 인덕터(지름 100 mm 아크릴 통에 10 mm² 전선을 30회감음)를 통해 커패시터에 직류전기를 공급하며 실험후 잔류 전하 방전 및 기타 안전을 고려한 덤프 스위치를 이 사이에 설치하였다. 광 신호에 의해 작동되어 2 kV 출력전압을 내는 격발기(Driver; Resist-O- Weld IG-5-F)는 고전압스위치 Ignitron(Resist-O- Weld NL105N COAX, 25 kV, 300 kA)를 격발하여커패시터의 전기에너지가 부하(실험 챔버어] 전달되게 한다.
플라즈마 인젝터의 방전 특성을 파악하기 위하여설정한 실험조건은 최대 22 kV, 100 kJ 사양으로 제작한 전원장치를 5.2, 7.3, 10.4 kV로 충전하여 플라즈마 발생을 하였고 이 때 충전에너지는 각각 5.58, 11, 22.3 kJ이다. 또한 인젝터의 형상에 따른 특성인자인전극사이의 거리를 15, 25, 50, 70 mm로 잡았으며 인젝터의 내경은 4 mm와 6 mm인 폴리에틸렌 시료를사용하여 방전시 발생하는 전류, 전극간 전압파형을계측하여 전기 전도도를 계산한다 그림 5는 전형적인계측 파형이며 이는 전압 5.

대상 데이터

계측하였다. 실험에 사용된 전원은 전압이 5~10 kV, 에너지로는 수십 kJ이며 방전이 수 ms 동안 일어난다. 이는 전열주진에 사용하는 경우와 유사한 범위이며 발생되는 플라즈마는 수만도, 수천기압의 저온, 고밀도의 상태에서 평형 상태이므로 LTECLocal Thermodynamic Equilibrium) 모델로 다룬 기존 논문에 발표된 이론과 비교하여 정리하였다
1 mm)을 사용하여 세선의폭발로 양극과 음극사이에 에너지가 공급되면 플라즈마 발생이 시작된다. 양극과 용기 사이를 절연시키는절연재로는 강도가 우수한 수퍼 MC 나일론을 사용하였다. 전압이 10 kV 이상 높을 경우에는 음극인 텅스텐과 챔버 사이에서 아크가 생겨 용접되는 경향이 있어서 후에는 황동으로 교체하였다.

후속연구

플라즈마 상태의 특성은 인젝터 내의 온도 압력 그리고 플라즈마의 밀도가 중요한 인자이므로 이를 측정하기 위해서는 분광학적인 연구가 계속되어져야 할것이다.

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