5. 전기추력기 지상시험시설의 조건: Large Electric potential boundary

 

 

 

 

전기추력기 연구개발을 위해서는 우주의 진공 환경을 모사하는 지상시험시설이 필요하다.

앞선 글에서는 가장 중요한 조건은 큰 높은 진공도에 대해 알아봤다.

이번 글은 "전기추력기 지상시험시설의 조건" 시리즈의 두 번째 게시글이다.

전기추력기의 전기적 환경조건과 관련된 Electric potential boundary에 관해 알아보자.

 

전기추력기 지상시험시설의 조건

1. 우주환경을 모사하는 높은 진공도

2. 큰 electric potential boundary

3. Ion beam dump

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2. 큰 Electric potential boundary

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플라즈마 추력기는 공기에 에너지를 가해 플라즈마 상태로 전이시킨 뒤, 그로부터 발생한 이온이 전압차에 의해 가속돼 분출되도록 하여 추력을 얻는다. 이번 글에서 다룰 electric potential boundary는 이온가속과 관련된 '전압'과 관련된 내용이다.

 

전기추력기를 우주에서 사용하는 경우, 추력기로부터 분출된 이온이 광활한 진공의 공간을 끝없이 비행한다. 하지만 대기가 존재하는 지구에서 사용하는 경우에는, 수십 km/s 로 가속된 이온들이 전기추력기를 빠져나온지 0.1초도 채 지나지 않아 진공챔버의 벽면과 충돌하며 벽으로부터 전자를 흡수함으로써 중성입자가 된다. 즉, 플라즈마 추력기 - 진공챔버 간에 전류가 흐른다는 것, 다시말해 전기적 회로가 형성된다는 얘기다.

Fig. 1. 진공챔버 내 이온가속 회로 개념 예시

 

Electrostatic type의 전기추력기는 가장 널리 활용되는 type이며, 전압차를 이용해 이온을 가속시킨다. 따라서 어디에 전압이 걸리는가가 큰 관심사이다. 스테인레스 스틸로 제작되는 진공챔버 벽면은 진공펌프가 설치되면 1차전원의 GND와 연결되며, 이온을 가속시키는 고전압을 포함한 모든 전원은 별도의 ground를 기준으로 인가된다. (주전원 GND와 완전한 분리는 불가능하다.) 이온이 양극과 음극 간에 형성된 전압강하를 타고 가속돼 분출됨에 따라 추력이 발생되는데, 이 때 진공챔버의 벽면이 양극 또는 음극과 충분히 멀리 떨어져있지 않는다면 원하지 않는 전합강하의 왜곡이 일어나 플라즈마 상태 뿐 아니라 추력에 변화가 일어난다. 따라서 전기추력기 시험을 위한 진공챔버는 크면 클수록 좋으며 전기추력기 플라즈마의 scale보다 아무리 못해도 10배 이상 커야한다. 플라즈마 scale은 그 영역을 정의하는 기준이 모호하고 전기추력기의 종류와 크기에 따라 다르지만 홀추력기의 경우, 60 mN급 홀추력기의 축방향 scale은 대략 100 mm라고 볼 수 있으니 진공챔버의 길이는 최소한 1 m가 되어야 할 것이다.

 

*. Extra) 플라즈마와 맞닿는 모든 대면제에서는 sheath라 불리우는 전압강하가 존재하며 potential boundary를 형성한다.

              참고:  개날연블로그 :: DC 글로우 방전의 음극 전압강하(cathode sheath) (tistory.com)

 

아래 Fig. 2는 독일의 항공우주연구센터 DLR에 있는 플라즈마 추력기 시험용 진공챔버의 모습이다. 지름 5 m, 길이 12 m의 진공챔버로 주 연료로 사용되는 Xe 가스를 276,000 L/s 의 속도로 배기한다. 해외 기관의 대표적인 전기추력기 시험용 대형 진공챔버 현황은 Fig. 3과 같다. 진공챔버가 클수록 electric potential boundary가 멀어져 그 왜곡효과가 작아질 뿐 아니라, 고진공 펌프를 더 많이 장착할 수 있어 보다 낮은 압력을 구현할 수 있게된다.

 

우리나라에서는 기초연구 또는 1 kW 이하의 소형 전기추력기를 중심으로 전기추력기가 개발돼왔으나, 항공우주연구원에서는 2021년 전기추력기 시험시설 구축사업을 개시하여 지름 3.8 m, 길이 10 m의 대형 진공챔버 기반의 시험시설 구축을 완료하여 2024년 준공식을 마치고 운용중에 있다. 초기 운용 단계에서는 고진공 펌프가 일부만 설치되어 약 60,000 L/s의 Xe 펌핑속도로 사용되고 있으며, 최종적으로는 420,000 L의 펌핑속도를 달성하고자 힘쓰고 있다.

(진공도가 가장 중요한 조건이다보니 진공 얘기를 하게된다...)

 

Fig. 2. 독일 항공우주연구센터 DLR의 플라즈마 추력기 시험용 대형 진공챔버 (지름 5 m, 길이 12 m) [1].

Fig. 3. 세계 주요 기관의 전기추력기 시험용 진공챔버 현황 (Xe 펌핑속도 100,000 L/s 이상) [2]

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*. References

[1] Electric Space Propulsion Test Facility Göttingen – electric thrusters (STG-ET) - DLR Portal

[2] 조혁진, 김호락, 김수겸, "우주추진용 전기추력기 시험 시설 현황," 항공우주산업기술동향 19, No. 1 (2021)