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소형위성의 궤도천이 및 보정을 위한 홀 추력기의 설계
Development of Hall-effect Thruster for Orbit Correction and Transfer of Small Satellites 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.37 no.5, 2009년, pp.490 - 495  

선종호 ((주)쎄트렉아이 우주기술연구소) ,  강성민 ((주)쎄트렉아이 우주기술연구소) ,  김연호 ((주)쎄트렉아이 우주기술연구소) ,  전은용 ((주)쎄트렉아이 우주기술연구소) ,  최원호 (한국과학기술원 물리학과) ,  이종섭 (한국과학기술원 물리학과) ,  서미희 (한국과학기술원 물리학과)

초록
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소형 인공위성의 궤도천이 및 보정을 위하여 추력이 약 10 mN이고 비추력이 1500 s인 홀 방식 전기추력기를 설계하였다. 개발된 추력기는 홀 방식의 추력부, 전력공급부 및 연료 공급부로 구성되어 있고, 무게, 소모전력 및 효율은 각각 10 kg, 300 W 및 30%정도이다. 개발된 추력기 시스템에 대한 간략한 소개를 홀 방식의 추력기를 선택하게 된 배경해석과 함께 기술하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A small Hall-effect thruster with a thrust range near 10 mN and a specific impulse of about 1500 s has been designed to control or maintain the orbits of small satellites. The thruster system consists of a hall-effect thruster head, a power processing unit and a Xenon (Xe) gas feed system. The total...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 선택 가능한 추력기 방식 중에서 홀 방식 추력기를 선택하게 된 배경 해석을 기술하였으며 이를 바탕으로 목표 사양을 정하고 이를 구현할 수 있는 시스템의 개념을 설정하였다. 또한 추력기 가속채널에서의 방전이 성공적으로 일어날 수 있는 가능성을 보여주는 수치해석 결과도 논의하였다.
  • 위성의 궤도 보정을 위한 임무 (∆V=~100 m/s)에서 전기 추력기는 화학식 추력기에 비해 연료 사용량을 10-50 kg 까지 절약해 주고 이는 탑재체 (Payload)의 수용능력을 증대시키는 효과를 낼 수 있다. 본 논문은 소형위성의 궤도를 보정하고 천이하는 용도의 추력기 종류중 소형위성에 적합하다고 판단되는 홀 (Hall) 방식 전기추력기의 설계를 위한 기본연구이다. 2.

가설 설정

  • 즉 인공위성이 주어진 임무를 달성하기 위해 필요로 하는 궤도를 임무기간 동안 유지하는데 필요한 궤도유지 작업을 추력기가 수행하는 것이고 대상이 되는 인공위성은 200 kg급의 소형위성으로 가정하였다. 또한 위성의 궤도는 680 km고도의 태양동기궤도이며 위성의 수명은 5년이라고 가정하였다. 이 기간 동안 태양의 흑점활동이 활발하여 위성고도에서의 대기밀도가 최대값을 유지한다고 가정하였다[1].
  • 추력방식을 선정하기 위해서는 가장 먼저 추력기의 임무를 정의하고 이어서 이 임무를 수행하는데 필요한 ∆V의 계산을 수행해야 한다. 본 과제에서의 추력기는 궤도보정을 위한 것으로 가정하였다. 즉 인공위성이 주어진 임무를 달성하기 위해 필요로 하는 궤도를 임무기간 동안 유지하는데 필요한 궤도유지 작업을 추력기가 수행하는 것이고 대상이 되는 인공위성은 200 kg급의 소형위성으로 가정하였다.
  • XOOPIC을 이용하여 전기추력기를 모사하기 위해서는 추력기의 구조를 입력하고 이를 설계에 반영하여야 하는데 다음과 같은 모델링을 통해 추력기를 모사하였다. 아래의 그림에서처럼 홀 추력기를 4.5 cm x 5 cm의 크기로 가정하고 각각 0.1 cm x 0.1 cm의 cell로 나누었다. 따라서 전체 simulation cell의 수는 45 x 50 = 2250개 이다.
  • 또한 위성의 궤도는 680 km고도의 태양동기궤도이며 위성의 수명은 5년이라고 가정하였다. 이 기간 동안 태양의 흑점활동이 활발하여 위성고도에서의 대기밀도가 최대값을 유지한다고 가정하였다[1]. 표 1은 200kg급 소형인공위성이 궤도를 유지하는데 필요한 ∆V를 계산한 내용을 요약하고 있고, 이를 바탕으로 계산한 ∆V는 설계에 반영하는 여분 (~13 m/s)을 포함하여 100 m/s 이다.
  • 본 과제에서의 추력기는 궤도보정을 위한 것으로 가정하였다. 즉 인공위성이 주어진 임무를 달성하기 위해 필요로 하는 궤도를 임무기간 동안 유지하는데 필요한 궤도유지 작업을 추력기가 수행하는 것이고 대상이 되는 인공위성은 200 kg급의 소형위성으로 가정하였다. 또한 위성의 궤도는 680 km고도의 태양동기궤도이며 위성의 수명은 5년이라고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
현재까지 주로 사용된 위성용 추력기로는 어떤 방식들이 있는가? 소형위성 기술은 향후 편대비행 (Formation Flying) 이나 위성군 (Constellation)등의 “분산화”를 통하여 고난이도의 임무를 수행할 수 있도록 발전할 것이며 소형위성 (< 500 kg)용 전기 추력기는 우리나라가 보유한 소형위성 기술의 발전에 필요한 핵심 부품이다. 지금까지 주로 사용된 위성용 추력기는 화학식 추력기로써 구조가 간단한 단일추진제 방식과 추력 레벨이 비교적 높은 이원추진제 방식이 있다. 이들 추력기는 높은 추력 (Thrust)을 낼 수 있고 비교적 구조가 간단하다는 장점이 있으나 낮은 비추력 (Specific Impulse)에 기인하여 연료의 소모가 많아 무게나 부피에 제약을 많이 받는 소형위성에는 부적합할 수 있다.
우리나라의 우주 분야의 집중적인 투자는 위성 발사에 어떤 계획을 세웠는가? 우리나라는 우주 분야의 집중적인 투자로 다목적 실용위성 1호, 우리별 1, 2, 3호, 과학위성 1호등을 보유 운영하였으며 향후 10년 동안 10기 이상의 위성을 추가로 발사할 예정이다. 소형위성 기술은 향후 편대비행 (Formation Flying) 이나 위성군 (Constellation)등의 “분산화”를 통하여 고난이도의 임무를 수행할 수 있도록 발전할 것이며 소형위성 (< 500 kg)용 전기 추력기는 우리나라가 보유한 소형위성 기술의 발전에 필요한 핵심 부품이다.
주로 사용된 위성용 추력기들은 방식에 있어서 어떤 장단점이 있는가? 지금까지 주로 사용된 위성용 추력기는 화학식 추력기로써 구조가 간단한 단일추진제 방식과 추력 레벨이 비교적 높은 이원추진제 방식이 있다. 이들 추력기는 높은 추력 (Thrust)을 낼 수 있고 비교적 구조가 간단하다는 장점이 있으나 낮은 비추력 (Specific Impulse)에 기인하여 연료의 소모가 많아 무게나 부피에 제약을 많이 받는 소형위성에는 부적합할 수 있다. 위성의 궤도 보정을 위한 임무 (∆V=~100 m/s)에서 전기 추력기는 화학식 추력기에 비해 연료 사용량을 10-50 kg 까지 절약해 주고 이는 탑재체 (Payload)의 수용능력을 증대시키는 효과를 낼 수 있다.
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참고문헌 (5)

  1. Wiley, J. L and J. R. Wertz, Space Mission Analysis and Design, Kluwer Academic Publishers, 1992. 

  2. Child, C. D., Discharge from hot CaO, Phys. Rev., vol.32, 1911, pp. 492. 

  3. Verboncoeur, J. P, A. B. Langdon and N. T. Gladd, An object oriented electromagnetic PIC code, Computer Phys. Comm. Vol. 87, 1995, pp. 199-211. 

  4. Bouchoule, A., J. P. Boeuf, A. Heron, and O. Duchemin, Physical Investigations and developments of hall thrusters", Plasma Phys. Cont. Fusion, Vol. 46, 2004, pp. B407-B421 

  5. Raitses, Y. and N. J. Fisch, Parametric investigations of a nonconventional Hall thrusters, Phys. of Plasmas, Vol. 8, 2001, pp. 2,579-2,586. 

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