[논문]소형위성용 300 W급 원통형 홀 추력기의 추력부 개발

강성민; 김연호; 선종호; 이종섭; 서미희; 최원호

doi:10.5139/jksas.2009.37.5.496

소형위성용 300 W급 원통형 홀 추력기의 추력부 개발
Development of the Head Unit of a 300 W Cylindrical Hall Thruster for Small Satellites 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.37 no.5, 2009년, pp.496 - 501

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

초록
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소형 인공위성에 적합한 300 W 급 원통형 홀 추력기의 추력부를 개발하였다. 추력부채널 내부에서의 자기장 분포는 추력 성능을 좌우하는 주요한 변수이다. 자기장 구조가 다른 두 종류의 추력부를 설계하고 제작하여 추력 및 효율에 대한 비교 측정 시험을 수행하였다. 또한 내구성 시험을 수행하여 추력부의 안정된 작동 시간과 작동 후 발생하는 문제점에 대한 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The thruster head unit of a 300 W cylindrical Hall thruster was developed for the propulsion system of small satellites. The magnetic topology in the thruster channel is a key parameter to achieve high performances. Two types of magnetic circuit structures were designed and manufactured to compare the thrust levels and efficiencies. Also the endurance test was conducted to measure the stable operation duration of the thruster head and to find degree of erosion after extended operation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그림 3(a)에 나타난 자기장 분포는 원기둥형 철심을 사용한 추력부의 것으로서 채널의 중심 부근에서 자기장의 축 방향 성분이 가장 강하고 양극 근처 고리 형태의 채널 부분에서 반경 방향성분이 700 G 정도의 강한 자기장을 갖도록 설계하였고, 그림 3(b)에 나타난 자기장 분포는 중심에 놓인 철심을 원뿔형으로 만듦으로써 채널 내부 전체에 걸쳐 자기장의 반경 방향 성분이 좀 더 강하도록 설계하여 두 경우에서 방전 전류 및 추력이 어떻게 차이를 보이는지 보고자 하였다.
본 연구는 제논(Xe) 가스를 연료로 소모전력 300 W, 추력 10 mN, 비추력 1500 s, 양극 효율 30% 이상의 성능을 내는 것을 목표로 하고 있으며 본 논문에서는 원통형 추력부의 플라즈마 방전 특성, 새로운 형태의 추력부 채널 설계, 그리고 제작된 추력부의 성능 시험 및 내구성 시험에 대한 결과를 정리하였다.

제안 방법

연속적인 방전을 통해 발생하는 문제점과 추력기가 안정적으로 운전이 가능한 시간을 확인하기 위해 내구성 시험을 수행하였다. 기존 원통형 철심의 추력부 설계를 바탕으로 하였고 열 제어를 위해 열 해석 수행 결과를 적용하여 라디에이터와 표면처리를 추가하여 제작하였다. 그림 9에서 보는 바와 같이 추력부 옆쪽으로 라디에이터를 달고 바닥판의 크기를 확장하였다.
이는 채널 내 자기장 분포의 변화가 성능에 직접적으로 영향을 주는 요인임을 보여주는 결과이며 향후 자기장 최적화를 위한 자기 회로 설계에 중요하게 고려될 만한 결과이다. 또한 내구성 시험을 통해 방전 전류 및 추력부 각 부분의 온도를 측정하고 현 개발 단계에서의 운전 가능 시간을 확인하였다. 측정 결과를 바탕으로 향후에는 보다 내구성이 우수한 추력부를 제작할 계획이다.
자기장 분포를 변화시키기 위해 전자석을 두 개의 코일로 제작하여 코일에 흐르는 전류를 조절할 수 있도록 했다. 또한 추력부 중심에 있는 철심의 모양을 바꾸어 자기장의 분포를 변화시킬 수 있도록 했다. 그림 3은 두 코일의 전류를 2 A로 했을 때 철심 모양에 따른 자기장 모양을 Finite Element Methode Magnetics(FEMM)을 사용하여 모사한 그림이다.
그림 9에서 보는 바와 같이 추력부 옆쪽으로 라디에이터를 달고 바닥판의 크기를 확장하였다. 또한 표면을 채널과 같은 물질인 질화붕소 페인트로 도포하여 열 방사율을 높여주었고 열이 가장 많이 발생할 것으로 생각되는 양극을 또한 열 방사율이 높은 타이타늄으로 제작하였다.
4×10^-7 torr, 동작 압력 5×10^-5 torr, 음극연료 공급량 1 sccm으로 고정하고 양극의 연료 공급량을 6∼7 sccm으로 변화시키면서 측정하였다. 방전 후 코일 2의 전류를 조절하여 방전 전류 값이 최소가 되도록 하여 운전하였고 방전 특성을 살펴보기 위해 6 sccm 조건에서 코일 1과 방전 전압에 대한 변화를 확인하였다. 이를 바탕으로 양극 연료 공급량 7 sccm에 대해서도 추력을 측정하였다.
torr 하에서, 음극 연료 공급량을 2 sccm으로 고정하고 양극의 연료 공급량을 4∼6 sccm으로 변화시키면서 추력을 측정하였다. 방전 후 코일 2의 전류를 조절하여 방전 전류 값이 최소가 되도록 하여 운전했고, 방전 특성을 살펴보기 위해 비교적 열이 적게 발생하는 4 sccm 조건에서 코일 1, 코일 2, 방전 전압에 대한 의존성을 확인했다.
양극 유량 6 sccm, 음극 유량 1 sccm, 방전 전압 225 V로 고정하였고 추력 측정 시험에서와 마찬가지로 코일1과 코일2의 전류를 방전 전류가 가장 낮게 흐르는 지점에 맞추고 방전 전류의 변화와 온도 변화를 기록하였다.
연속적인 방전을 통해 발생하는 문제점과 추력기가 안정적으로 운전이 가능한 시간을 확인하기 위해 내구성 시험을 수행하였다. 기존 원통형 철심의 추력부 설계를 바탕으로 하였고 열 제어를 위해 열 해석 수행 결과를 적용하여 라디에이터와 표면처리를 추가하여 제작하였다.
원기둥형 철심을 사용한 추력기에 대해서 진공 챔버 초기 압력 2×10-7 torr, 동작 압력 5×10-5 torr 하에서, 음극 연료 공급량을 2 sccm으로 고정하고 양극의 연료 공급량을 4∼6 sccm으로 변화시키면서 추력을 측정하였다.
원뿔형 철심으로 교체한 후에는 진공 챔버 초기 압력 1.4×10-7 torr, 동작 압력 5×10-5 torr, 음극연료 공급량 1 sccm으로 고정하고 양극의 연료 공급량을 6∼7 sccm으로 변화시키면서 측정하였다.
방전 후 코일 2의 전류를 조절하여 방전 전류 값이 최소가 되도록 하여 운전하였고 방전 특성을 살펴보기 위해 6 sccm 조건에서 코일 1과 방전 전압에 대한 변화를 확인하였다. 이를 바탕으로 양극 연료 공급량 7 sccm에 대해서도 추력을 측정하였다.
자기장의 변화는 채널 내 전자의 분포에 영향을 주어 추력기가 최적의 성능을 갖는 점을 찾는데 변수로 작용한다. 자기장 분포를 변화시키기 위해 전자석을 두 개의 코일로 제작하여 코일에 흐르는 전류를 조절할 수 있도록 했다. 또한 추력부 중심에 있는 철심의 모양을 바꾸어 자기장의 분포를 변화시킬 수 있도록 했다.
추력부에 온도 센서를 부착하여 운전 중 온도의 변화를 측정하였다. 추력부 바닥판 뒷면에서 철심 및 코일이 위치하는 부분과 바닥판 끝 부분, 양극의 연료 공급관에 각각 센서를 부착했다.
코일1, 코일2 및 자기장 회로를 구성하는 철심의 모양을 다르게 함으로써 채널 내부의 자기장 구조에 따른 추력 성능의 변화를 측정하였다. 새로운 원뿔 형태의 철심을 사용하여 제작한 원통형 홀 추력부는 기존 원기둥 형태의 철심을 사용했을 때 보다 약간 높은 추력과 효율을 나타냈으며 좀 더 안정적으로 작동했음이 실험을 통해 확인되었다.

성능/효과

두 철심 형태에 따른 성능 측정 결과를 비교해 보면 전력 300 W, 연료 분사량 6 sccm에서 원기둥형 철심의 경우 9 mN, 24%의 성능을 보였고, 원뿔형 철심의 경우 10 mN, 28%로 원통형 철심 보다 다소 향상된 성능을 보였다.
약 100 시간 동안 연속적인 운전을 했다. 방전 후 10 시간 동안은 안정적인 방전이 이루어져 방전 전류가 비교적 낮게 유지되었다. 10 시간 이후에는 방전 전류가 서서히 증가했으며 70 시간 이후에는 방전 전류가 흔들리면서 급격히 증가하였다.
코일1, 코일2 및 자기장 회로를 구성하는 철심의 모양을 다르게 함으로써 채널 내부의 자기장 구조에 따른 추력 성능의 변화를 측정하였다. 새로운 원뿔 형태의 철심을 사용하여 제작한 원통형 홀 추력부는 기존 원기둥 형태의 철심을 사용했을 때 보다 약간 높은 추력과 효율을 나타냈으며 좀 더 안정적으로 작동했음이 실험을 통해 확인되었다. 이는 채널 내 자기장 분포의 변화가 성능에 직접적으로 영향을 주는 요인임을 보여주는 결과이며 향후 자기장 최적화를 위한 자기 회로 설계에 중요하게 고려될 만한 결과이다.

후속연구

또한 내구성 시험을 통해 방전 전류 및 추력부 각 부분의 온도를 측정하고 현 개발 단계에서의 운전 가능 시간을 확인하였다. 측정 결과를 바탕으로 향후에는 보다 내구성이 우수한 추력부를 제작할 계획이다.
향후 내구성 시험에는 가속된 입자로부터 진공 챔버와 추력기를 보호하여 오염 등 성능에 영향을 줄 수 있는 외부 요인을 줄일 필요가 있음을 실험을 통해 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원통형 추력기는 무엇을 주요 원리로 하고 있는가?	채널이 기존의 고리 형태인 홀 추력기와 마찬가지로 원통형 추력기도 중성 플라즈마 내에서 전자의 E×B 표류를 주요 원리로 하고 있다. 그러나 채널 구조와 내부의 자기장 분포가 다르기 때문에 전자의 움직임과 이온을 가속시키는 힘에 있어서도 큰 차이를 만들고 따라서 기존 홀 추력기와는 다소 다른 방전 특성을 갖는다.
	홀 추력기의 채널 내부에서 발생하는 플라즈마는 채널 벽면과 상호작용하여 발열 및 세라믹 재질인 벽면의 침식을 유발하는데 이러한 경향이 소형화될수록 더 커지는 이유는 무엇인가?	홀 추력기의 채널 내부에서 발생하는 플라즈마는 채널 벽면과 상호작용하여 발열 및 세라믹 재질인 벽면의 침식을 유발하는데 이러한 경향은 소형화될수록 더 커진다. 왜냐하면 소형화될수록 채널 내부의 부피 대비 면적의 비율이 커지기 때문이다.
	지구 근궤도에서 임무를 수행하는 소형위성이 작은 크기를 가지면서 높은 비추력을 가져야하는 이유는 무엇인가?	지구 근궤도에서 임무를 수행하는 소형위성에 있어 위성체의 궤도 보정 및 천이를 위해서는 작은 크기를 가지면서 높은 비추력을 갖는 추력 시스템이 필요하다. 이러한 점에서 1000∼2000sec의 큰 비추력을 갖는 홀 추력기는 다른 위성용추력기와 비교하여 볼 때 소형 위성체에 가장 적합한 추력 시스템이라고 할 수 있다[1, 2].

참고문헌 (7)

선종호, 강성민, 김연호, 전은용, 최원호, 이종섭, 서미희, “소형위성의 궤도천이 및 보정을 위한 홀 추력기의 제작”, 한국항공우주학회지, 2009년 4월 심사진행.
김연호, 선종호, 강성민, 위정현, 윤호성, 최원호, 이종섭, 서미희, “300 W급 홀 추력기를 위한 제논연료공급장치 개발”, 한국항공우학회지, 37권 4호, 2009, pp. 419-424.

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Y. Raitses, N. J. Fisch, K. Ertmer, C. B. Burlingame, “A Study of Cylindrical Hall Thruster for Low Power Space Application”, AIAA, 2000.
Y. Raitses, N. J. Fisch, “Parametric investigations of a nonconventional Hall thruster”, Phys. Plasmas 8, 2579, 2001.

상세보기
선종호, 전은용, 이종섭, 임유봉, 최원호, “소형위성용 10mN급 홀 방식 전기추력기의 개발”, 한국항공우주학회 춘계학술대회 논문집, 2007.
Y. Raitses, A. Smirnov, N. J. Fisch, “Cylindrical Hall Thrusters”, AIAA 2006-3245, 2006.
A. Smirnov, Y. Raitses, N. J. Fisch, “Plasma measurements in a 100 W cylindrical Hall thruster”, J. Appl. Phys. 95, 2283, 2004.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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