11. 홀추력기와 이온추력기: 맛보기

 

2020년대 들어 우주산업은 폭발적으로 성장하고 있다. 특히 위성기술에 있어서는 러시아-우크라이나 전쟁이 발발함에 따라 인공위성이 갖는 전략적 가치가 공공연히 드러났으며, SpaceX나 Blue Origin 등 거대 기업들이 위성사업에 진출하여 서비스를 개시해 수익을 실현하거나 사업을 가시화하며 위성기술이 우리의 삶에 가까이 다가와 있음을 피부로 느끼게 하고있다.

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1. 우주추진에 있어 홀추력기와 이온추력기의 입지

인공위성이 관측 및 통신 성능을 끌어올리고 위성수명을 늘리기 위해서는 원하는 궤도에 위성을 위치시킬 수 있는 추진장치가 필요하다. 인공위성이 지구궤도를 유유히 도는 동안 희박하게나마 존재하는 기체에 의한 마찰력, 완벽한 구형이 아닌 지구로 인한 중력의 불균형, 달이 지구를 공전하며 발생하는 중력에 의한 궤도 변형, 태양풍 등에 의해 지구로 서서히 추락하게 되기 때문에 궤도를 유지하며 임무를 수행하기 위해서는 추진장치가 있어야만 한다. 우주추진 장치는 궤도를 변경을 통해 위성의 활용방안을 다변화하고 충돌 회피기동을 가능하게 할 뿐 아니라 수명을 다한 위성이 우주쓰레기로 남지 않고 소멸되게 할 수 있어 앞으로는 그 중요성이 더더욱 높다고 할 수 있겠다.

전기추력기가 우주추진장치로서 갖는 이점이 많다보니 전기추력기를 사용하는 위성이 점점 늘고있다. Figure 1은 전기추력기 글로벌 시장 리포트에서 제시한 현재 시장규모와 전망치로, 전기추력기 시장이 연 4.1%씩 성장하여 그 규모가 2022년 약 9,000억원에서 2032년 약 1조 3,000억원으로 불어날 것을 예상하고 있다. Figure 2는 정지궤도위성으로 한정하여 전기추력기의 활용 건수를 나타내는데, 전기추력기의 활용이 증가하고 있으며 비추력이 높은 홀추력기와 이온추력기가 각광받고 있음을 드러낸다. 특히, 2019년에 시작해 2023년 5월까지 누적 4,000대가 넘는 위성을 쏘아올린 SpaceX의 Starlink (위성 인터넷 서비스 프로젝트) 위성 각각에 크립톤 연료 기반의 홀추력기가 장착된 것을 감안하면 근래 전기추력기 시장의 성장세가 상당했음을 짐작할 수 있다.

Figure 1. 전기추력기 세계시장 규모 및 성장전망 [1]

Figure 2. 연도별 전기추력기 탑재 정지궤도위성 수 (3년 이동평균) [2]

 

2. 홀추력기와 이온추력기 기술의 태동

홀추력기와 이온추력기 모두 미국과 소련의 냉전시대인 1960년대 경에 양국 간의 치열한 우주개발 경쟁체제 속에서 태동하였다. 당시 양국은 서로 다른 방식의 전기추력기를 주요 개발기술로 식별하였는데, 미국은 이온추력기를, 소련은 홀추력기로 노선을 택하여 개발역량을 집중하였다.

 

홀추력기 (Hall-effect thruster)	이온추력기 (Griddes ion thruster)
1960년대 초, 미국과 소련에서 독립적으로 개발되었다. 그 중 홀추력기 활용에 적극성을 띈 것은 소련으로, 1971년 소련의 기상관측 위성 Meteor에 Fakel 사의 홀추력기 SPT-50을 탑재하여 궤도 상에서의 기술을 사용을 검증하였다.[3]	1911년, 소련의 로켓 과학자 Konstantin Tsiolkovsk가 아이디어를 제시하였으며, 1950년대에 이르러 미국의 물리학자 Harold R. Kaufman에 의해 기술이 검증되고 구체화되었다. 이후 1964년 미국에서 이온추력기 검증선을 궤도에 띄워 기술을 검증하였다.[4]

Figure 3. (a) 러시아 Fakel 사의 홀추력기 SPT-50 [5], (b) 영국 QinetiQ 사의 Kaufman type 이온추력기 T-5 [6].

 

3. 홀추력기와 이온추력기의 주된 차이점

Electrostatic type 전기추력기의 대표주자인 홀추력기와 이온추력기는 전압강하를 통해 이온을 가속시킨다는 원리만 같을 뿐 구동 원리가 전혀 다르다. Figure 4는 두 전기추력기의 간이 단면을 나타낸 그림으로, 서로 매우 다를 것임을 시각적으로도 알아챌 수 있다.

 

Figure 4. (a) 홀추력기 간이 단면 형상, (b) RF type 이온추력기의 간이 단면형상 (프랑스 Ariane Group 사의 RIT 2X) [7]

 

  A) "플라즈마 생성"과 "이온 가속"의 분리 여부

플라즈마가 생성되자마자 이온이 가속되어 추력기로부터 분출되는 홀추력기와 달리, 플라즈마 생성과 이온 가속 역할 분리가 명확한 이온추력기는 플라즈마 생성에 따라 발생한 이온이 가속 격자에 다다라야만 가속이 일어난다. 특히 이온추력기의 경우 플라즈마를 생성시키는 방법에 따라 분류되는데 향후 이온추력기 글을 통해 알아볼 예정이다.

 

  B) 이온 가속기의 격자 유무

Free space에서 이온을 가속시키는 홀추력기와 달리, 이온추력기는 Fig. 5와 같이 격자형의 두 전극을 통과하는 이온을 가속시킨다. 전극 사이를 통과하는 전하의 전류밀도 상한을 Child-Langmuir Law 라 하는데, 이온추력기에서는 이온전류밀도 $J_i$의 상한을 Child-Langmuir Law를 통해 추정할 수 있다. 이온전류밀도의 상한은 이온분출량에 제한이 있음을 의미하므로, 이는 곧 이온추력기가 홀추력기와 동일한 추력을 발생시키기 위해서는 보다 넓은 분출면적이 필요함을 의미한다.

Figure 5. 전극 통과 이온의 개념도

$$J_i=\frac{4\epsilon_0}{9}\sqrt{\frac{2e}{M_i}}\frac{\Delta V^{3/2}}{l_e^2}$$

$\epsilon_0$: 진공유전율 [F/m]

$M_i$: 이온의 질량 [kg]

$\Delta V$: 전극 간 전압차 (Fig. 5 상에서 $V_s-V_a$) [V]

$l_e$: 전극 간 실효거리 (Fig. 5 참고) [m]

[단일 하전 이온만 존재한다 가정하였음.]

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이번 게시글에서는 홀추력기와 이온추력기를 비교하며 간략히 소개해보았다. 다음 글에서는 홀추력기의 기본개념, 특징, 물리현상에 대해 훑어본다.

 

[추천 Youtube] 홀추력기와 이온추력기 (주의: 영어)

Why Are There Two Different Types Of Electric Space Engines, And How Do They Work? - YouTube

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*. References

[1] https://www.researchandmarkets.com/reports/5654251/

[2] D. Lev et al., "The technological and commercial expansion of electric propulsion," Acta Astronaut. 159, pp. 213-227 (2019), https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.03.058

[3] Hall-effect thruster - Wikipedia

[4] Ion thruster - Wikipedia

[5] P. Saevets et al., "Development of a Long-Life Low-Power Hall Thruster," 35th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2017-38 (2017)

[6] M. Hutchins et al., "QinetiQ’s T6 and T5 Ion Thruster Electric Propulsion System Architectures and Performances,"34th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2015-131 (2015)

[7] RIT 2X SERIES - ArianeGroup