전기추진은 전기에너지를 이용하여 연료를 빠른 속도로 분사시켜 높은 비추력을 갖는 추진방식으로, 위성의 연료무게를 크게 감소시켜 발사비용 감소와 탑재체 무게를 증가 시킬 수 있어 세계적으로 매우 활발하게 연구되고 있다. 최근에는, 초소형위성부터 대형위성, 저궤도위성부터, 우주탐사선까지 다양한 목적으로 전기추력기가 활용되고 있으며, 완전전기추진을 이용하여 위성임무를 수행하고자 하는 위성들도 개발되어 점차 그 수가 증가하고 있다. 본 논문에서는, 세계적으로 연구가 가장 활발하게 진행되고 있는 미국, 유럽, 일본에서의 전기추력기 연구개발 현황과 동향에 대해서 살펴보고자 한다.
전기추진은 전기에너지를 이용하여 연료를 빠른 속도로 분사시켜 높은 비추력을 갖는 추진방식으로, 위성의 연료무게를 크게 감소시켜 발사비용 감소와 탑재체 무게를 증가 시킬 수 있어 세계적으로 매우 활발하게 연구되고 있다. 최근에는, 초소형위성부터 대형위성, 저궤도위성부터, 우주탐사선까지 다양한 목적으로 전기추력기가 활용되고 있으며, 완전전기추진을 이용하여 위성임무를 수행하고자 하는 위성들도 개발되어 점차 그 수가 증가하고 있다. 본 논문에서는, 세계적으로 연구가 가장 활발하게 진행되고 있는 미국, 유럽, 일본에서의 전기추력기 연구개발 현황과 동향에 대해서 살펴보고자 한다.
Electric propulsion is a type of space propulsion with a high specific impulse by accelerating propellant using electrical energy and brings about reduction of the fuel mass and launch costs of satellites so that it is being extensively studied in the world. Electric thrusters are widely used for va...
Electric propulsion is a type of space propulsion with a high specific impulse by accelerating propellant using electrical energy and brings about reduction of the fuel mass and launch costs of satellites so that it is being extensively studied in the world. Electric thrusters are widely used for various purposes from micro satellites to large satellites and from low Earth orbit satellites to spacecraft for exploration. Recently, satellites using full-electric propulsion have been developed, and the number of satellites with electric propulsion is also gradually increasing. In this paper, the current status and trends of research on electric propulsion in the United States, Europe, and Japan will be reported.
Electric propulsion is a type of space propulsion with a high specific impulse by accelerating propellant using electrical energy and brings about reduction of the fuel mass and launch costs of satellites so that it is being extensively studied in the world. Electric thrusters are widely used for various purposes from micro satellites to large satellites and from low Earth orbit satellites to spacecraft for exploration. Recently, satellites using full-electric propulsion have been developed, and the number of satellites with electric propulsion is also gradually increasing. In this paper, the current status and trends of research on electric propulsion in the United States, Europe, and Japan will be reported.
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문제 정의
일본에서는 JAXA/ISAS를 중심으로 진행된 Hayabusa 임무를 통해, 소행성 탐사를 수행하였으며, 추후 정지궤도 통신위성에 Full-EP 시스템 을 도입하고자 준비하고 있다. 고전력 전기추력기의 개발을 통해 Full-EP는 물론 우주화물선, 유인우주탐사 같은 국제 우주임무에 참여하고자 계획하고 있다.
본 논문에서는 저궤도부터 우주탐사선까지 위성의 크기와 궤도에 상관없이 세계적으로 활발하게 활용되고 있는 전기추력기의 연구개발 현황과 동향에 대해서 살펴보았다.
이와 같은 전기추력기의 장점을 바탕으로, ESA에서는 향후 통신위성시장의 약 80%가 전기추력기를 사용할 것으로 예상하고 있다[13]. 본 논문에서는, 세계적으로 전기추력기 연구가 가장 활발하게 진행 중인, 미국, 유럽, 일본에서 진행되었던 전기추력기 연구 결과와 현재 진행 중인 연구 현황과 방향에 대해 소개하 고자 한다.
본 논문에서는, 소형위성에서부터 대형위성, 그리고 우주탐사선까지 활용범위와 사용빈도가 가장 큰 홀추력기와 이온추력기를 중심으로 조사를 진행하였다. 미국의 Dawn[7,8], 유럽의 Smart-1 [9,10], 일본의 Hayabusa[11,12]가 전기추력기를 이용하여 우주탐사임무를 수행한 대표적인 사례 들이다.
제안 방법
QinetiQ에서는 Kaufman DC 방전을 이용한 이온추력기를 개발하고 있다. ESA의 GOCE 위성에서 1 kW급 T5 이온추력기를 탑재하였고, 5 kW급 T6 추력기를 개발하여 Bepi-Colmobo 위 성에 탑재하였다[43]. 개발된 추력기와 상세한 성능은 아래 Fig.
미국에서는 NASA를 중심으로, Deep Space1, Dawn 등 우주탐사는 물론 우주화물선, 유인우주선 등의 고난이도 임무를 전기추력기를 통해 수행하고자 수백 kW급 전기추력기를 개발 중이다. 또한, 상업용 위성에서도 전기추력기만을 이용한 Full-EP 위성 플랫폼을 개발하여 상업화하였다.
15)[44,45]. 약 추력 8 mN, 비추력 3000 s의 이온추력기를 사용하여 총 25590 시간동안 약 2.2 km/s의 del-v를 발생시켜 탐사임무를 수행하였다[46]. 이를 바탕으로, Hayabusa-2 임무를 계획하여 2014년 발사하였으며, 추진 시스템은 기존의 μ10의 성능을 일부 개선한 유사한 이온추력기를 사용하였다.
이를 바탕으로, Hayabusa-2 임무를 계획하여 2014년 발사하였으며, 추진 시스템은 기존의 μ10의 성능을 일부 개선한 유사한 이온추력기를 사용하였다.
대상 데이터
Table 4에 유럽의 상업용 통신위성들의 전기추력기 활용과 개발현황을 나타내었다(2018년 기준)[14]. ESA의 ARTEMIS 플랫 폼의 경우만 이온추력기를 사용하였으며, 다른 플랫폼의 경우 모두 홀추력기를 사용하였다. 현재까 지 발사된 Eurostar E3000, AlphaBus, SpaceBus 등의 위성은 Safran의 PPS-1350 홀추력기를 사용하였으며, 대부분의 임무는 NSSK 위치유지로 제한적으로 사용되었다.
5 kW이며, Full-EP를 사용하여 궤도 천이와 위치유지임무를 수행 할 수 있다[13]. 사용된 전기추력기는 약 2.0-4.5 kW 급 L3 Electron Devices사의 이온추력기(XIPS-25) 를 4기 사용하였다[13,32]. Fig.
PROCYON는 67 kg급 소형 탐사위성으로, Hayabusa-2와 함께 발사되었다. 추력 시스템은 전력 38 W, 추력 350 uN, 비 추력 1000 s의 이온추력기와 8기의 8 W급 냉가스 추력기를 탑재하였다(Fig. 18)[50].
9)의 경우, 2003년 발사하여 정지천이궤도(Geostationary transfer orbit)에서 달까지 전기추력기를 이용하여 이동하였다[34]. 탐사에 활용된 전기추력기는 홀추력기로 Safran사의 PPS-1350을 사용하였다.[35] PPS-1350은 대표적인 홀추력기 SPT-100 과 같이 방전 채널의 크기가 10 cm인 홀추력기 로, 소모전력 약 1.
후속연구
추력기의 플라즈마 진단과 특성 분석은 주로 CNRS와 같은 연구소에서 수행하며 회사에서는 추력기 개발을 중점적으로 진행하고 있다. Smart-1에서 사용된 PPS-1350 (Fig. 13)을 기반으로 유럽의 다수의 위성에 홀추 력기를 탑재하였으며 향후 궤도상승과 같은 고난이도 임무 수행을 위한 5 kW 추력기인 PPS-5000을 개발하고 있다. Safran에서 개발 중 인 추력기는 kW당 추력이 약 50-60 mN이며 비추력 약 1660-2000 s 의 성능을 가지고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전기추력기(Electric Thruster)란?
전기추력기(Electric Thruster)는 전기에너지를 이용하여 연료를 가속시키는 추진시스템으로, 화학식추력기(Chemical Thruster)와 비교하여 Fig.1에서와 같이 상대적으로 높은 비추력에 따른 낮은 연료소모량으로 인해 편대비행, 위성군, 심우주탐사 등 다양한 위성과 우주탐사선의 주요 엔진으로 활용되고 있다[1-5].
미국의 전기추력기의 연구개발과 활용에 방향성은?
다수의 임무가 심우주 탐사와 유인우주탐사를 목적으로 진행 중으로, 향후 고추력 전기추력기의 연구개발과 활용에 방향성을 두고 연구개발을 진행하고 있다[15]. 미국에서는 심우주탐사, 유인우주탐사, 우주화물선 등의 우주임무에 따라 진행 중인 연구개발방향과 기존의 위성시장에서의 상업화방향의 두 가지 방향으로 전기추력기가 연구되고 있다. 우주임무에 따른 연구개발의 경우 NASA의 Glenn Research Center (GRC)와 Jet Propulsion Laboratory (JPL)를 중심으로, 산학연 협력체계를 구축하여 전기추진 시스템의 개발과 기초연구를 수행하고 있다.
이온추력기의 작동원리는?
추력기의 방전특성에 따라 발생하는 비추력 값이 다르며, 소모전력, 전력효율, 사용하는 연료도 다르게 나타난다. 가장 대표적인 정전방식 추력기의 구동특성을 살펴보면, 이온추력기는 플라즈마 발생부와 가속구간으로 나누어져 있으며, 플라즈마 발생부는 RF, Microwave, DC 방 전 등을 통해 플라즈마를 발생시켜 그리드에 고전압을 인가하여 이온을 가속시키는 방식으로 작동한다. 따라서, 높은 비추력을 갖지만 그리드로 인해 전류밀도의 한계로 추력밀도가 제한되어 추력기의 크기가 홀추력기에 비해 상대적으로 크다[1,2].
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