7. 전기추력기 지상시험시설의 구성

전기추력기 지상시험시설의 마지막 시리즈 게시글.

전기추력기 지상시험시설은 진공 플라즈마 시험환경을 필요로 하여 구성이 복잡하기 때문에 쓸만한 시험환경을 구성하기란 여간 까다로운 일이 아니다.

이번 글에서는 전기추력기의 지상시험시설은 어떻게 구성돼있는지 알아본다.

 

Figure 1은 전기추력기 지상시험시설의 구성을 나타낸 그림이다. 플라즈마 추력기를 시험하려면 다음과 같은 시스템이 갖춰져야 한다. 지난 게시글 "전기추력기 지상시험시설의 조건" 에서 3개의 시리즈로 "1. 진공 시스템"에 대해 다뤘으므로 이번 글에서는 생략하고, "2. 전력공급계", "3. 연료공급계", "4. 추력 진단계", "5. 플라즈마 진단계", "6. 수집/제어계" 의 요구조건에 대해 알아본다.

 

Fig. 1. 전기추력기 지상시험시설 개략도

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1. 진공 시스템 (생략)

 

2. 전력공급계

전기추력기는 전력을 사용하는 추진장치이다. 전기추력기의 종류에 따라 필요로 하는 Power supply (전력공급장치)의 용도와 요구사양이 달라지므로 그에 알맞는 전력공급계가 준비돼야한다. 예를 들어, 이온추력기는 플라즈마 생성 방식에 따라 DC type, RF type, Microwave type 3가지로 나뉘는데, 만일 구비한 장치가 DC type 시험을 대비한 것이라면 RF type과 Microwave type은 시험이 불가능하다. 홀추력기의 경우 양극에 높은 전압을 인가하며 플라즈마 점화시 짧은 순간에 높은 전류가 흐르게 될 뿐 아니라 홀추력기의 물리적 특성상 30 kHz 대역의 큰 전류 oscillation이 지속적으로 발생하는데, 이는 양극 전력공급장치의 손상을 일으키거나 CV (Constant Voltage) mode로 작동하는 전력공급장치로부터의 전력수급이 부족해짐에 따라 전기추력기의 전압 안정성을 떨어질 수 있기때문에 protection filter를 구성해야 한다.

 

3. 연료공급계

모든 추력기는 연료 공급을 요구한다. 연료공급계는 사용하는 추진제를 원하는 유량 범위에서 안정적으로 공급해야 한다. 우주 활용을 목적으로 한 연료공급계는 탱크, 밸브, 오리피스 등 까다로운 고려사항이 많지만, 지상시험시설에서는 연료의 사용범위에 부합하는 Mass flow controller (MFC)를 사용하면 되겠다.

 

4. 추력 진단계

전기추력기의 중량 대비 추력은 약 1/500 수준(홀추력기 SPT-100 기준)으로 낮기 때문에 추력의 발생방향이 중력과 수직이 되도록 반드시 분리해야하며, 작은 추력을 외적 요인을 배제하며 정밀하게 측정해야 하므로 개발 난이도가 높다.

작년에 2000년대 중후반경 NASA의 전기추력기 추력측정을 위해 역진자형 추력스탠드를(Fig. 2와 유사한 형상) 만들었던 연구자와 얘기를 나눌 기회가 있었는데, 아직도 그가 했던 말이 기억난다. "That~ is an art. You should be an artist. ㅋㅋㅋㅋ" 추력이 작다보니 주변 환경에 영향을 많이 받는데, 일례로 시험장으로부터 반경 1 km 내에 기차선로가 있다면 기차가 지나갈 때마다 신호가 흔들린다고 한다. Cryo-pump의 He compressor에서 불가피하게 발생하는 진동에 영향을 받기도 하고, 전기추력기에 전력공급을 위해 연결된 전선 또는 연료공급관의 열팽창으로 인해 신호가 왜곡되기도 하며, 추력 진단계를 구성하는 부품들이 온도에 영향을 받다보니 심혈을 기울여 제작하고 데이터 해석 또한 주의를 기울여야 한다.

 

Fig. 2. 역진자형 추력스탠드 모식도 [1].

 

5. 플라즈마 진단계

전기추력기의 현상을 들여다보는 연구자라면 가장 중요하게 생각하는 것은 단연 '플라즈마 진단계'일 것이다. 결과를 개선하기 위해 원인을 파악한 후 해결책을 찾듯, 전기추력기를 향상시키기 위해서는 플라즈마 진단을 통한 이해가 선행되어야 한다.

측정하고자 하는 물리값에 따라 사용되는 플라즈마 진단계도 달라진다. 예를들면 양극에 500 V의 전압을 걸었을 때 이온의 가속전압은 얼마인지, 이온이 추력 발생 방향과 평행하지만은 않을텐데 각도에 따른 이온유속분포는 어떻게 되는지, 이온이 발생하는 지점은 어디인지, 이온을 가속시키는 전기장 분포는 어떠한지, 전자밀도는 어느곳에 높게 형성되는지, 전자온도는 어디서 높아지는지 알고싶을 때 사용되는 진단계가 모두 다르다. 이들에 대해서는 향후 세분화하여 게시글로 다뤄볼 예정이다.

 

6. 수집 / 제어계

앞선 내용에서 보듯 전기추력기 시험시설은 아주 복잡한 시스템이다. 진공 제어계는 진공펌프, 밸브, 진공게이지, 냉각수 칠러 등 진공설비의 데이터를 수집하고 제어하는 역할을 한다. 전기추력기 제어계는 전원공급계와 연료공급계를 제어하며 추력 진단계나 플라즈마 진단계 사용시 데이터가 연동돼야 한다. 플라즈마 진단계는 일반적인 경우 PC로 제어하고 데이터를 수집하나 100 kHz 이상의 sampling rate이 필요한 장치에서는 오실로스코프 등을 활용한다.

 

7. 기타

전기추력기에서 분출되는 이온 중 매우 일부는 원하는대로 말끔히 분출되지 못하고 전기추력기 본체의 벽면과 충돌하게 된다. 모래밭에 힘껏 던져진 쇠구슬이 모래알을 튀어오르게 하듯 높은 에너지의 이온은 벽면의 입자가 튀어나오도록 하는데, 이러한 현상을 sputtering이라 한다. 전기추력기를 장시간 사용하다보면 sputtering에 따라 침식이 일어나게 되는데, 전기추력기 침식에 의한 수명을 판단하기 위해서는 침식율 측정장치가 필요하다. 얼마나 깎였는지 꺼내서 측정하면되는 간단한 문제인듯 싶지만 진공 시험중에는 냉장고에서 물병을 꺼내듯 마음대로 추력기를 꺼낼 수 없다. 측정할 때마다 수일의 시간을 허비하게 되므로 진공 환경에서 침식율을 측정해야 한다.

침식율을 제대로 측정하려면 침전율 또한 측정돼야 한다. '침전율은 왜?' 라는 생각이 들 것이다. 추력기에서 분출된 이온빔은 결국 진공챔버 반대편의 벽면과 충돌하게 되는데 이는 챔버 벽면의 sputtering을 일으킨다. 챔버 벽면에서 떨어져 나온 원자 또는 분자는 챔버 내를 돌아다니게 되는데, 이 중 추력기에 도달하는 녀석들이 추력기에 침전될 수 있다. 우주 환경에서는 이러한 녀석들이 존재하지 않기때문에 실제 수명을 보다 정확히 판별하기 위해서는 침전율을 침식율과 함께 측정해야 할 것이며, 침전율을 측정하는 목적으로는 Quartz Crystal Microbalance (QCM)이 사용된다.

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*. References

[1] S. H. Hall, “Characterization of a 100-kW Class Nested Channel Hall Thruster,” Ph. D. Dissertation, University of Michigan (2017)