전체 글18 17. 전기추력기의 연료 전기추력기는 연료를 플라즈마로 전이시켜 이온을 선택적으로 가속해 내보냄으로써 추력을 얻는다. 피스톤 엔진방식의 자동차에 가솔린, 디젤, LPG 가 주로 쓰이듯 전기추력기 또한 주요 사용되는 연료가 몇 있다. 전기추력기의 연료로는 어떤 물질이 적합할까? 이번 글에서는 다섯 가지의 시각을 통해 어떤 물질이 전기추력기 연료로서 적합한지 들여다본다. (필요지식: 고등학교 화학1,2)1. 플라즈마 생성 난이도 뭐니 뭐니 해도 추진기관의 연료는 성능을 최적화 해야한다. 전기추력기의 추력 발생 과정을 간략화하면 다음과 같다. 1. 연료공급 → 2. 플라즈마 발생 → 3. 이온 가속/분출 → 4. 추력 발생전기추력기의 차별점이 무엇이던가? 바로 이온을 고속으로 가속시켜 연비가 높다는 것이다. 이온을 가속시키려면 그 전.. 2024. 9. 15. A3. Magnetic mirror 이전 글들을 통해 자기장이 균일한 환경에서 전하가 어떻게 움직이는지 살펴보았다.2023.11.09 - [A. 플라즈마 배경지식] - A1. 자기장에 의한 전하의 운동 ($\vec{E}=0$)2023.12.30 - [A. 플라즈마 배경지식] - A2. E×B drift이번 글에서는 1번 상황에서 보다 깊이 파고들어 자기장 세기가 변하는 공간에서 높은 자기장 영역에서 전하가 반사되는 magnetic mirror 를 살펴본다.이번 글까지 이해하면 오늘날 가장 인기있는 전기추력기인 홀추력기뿐 아니라 구동원리를 파악할 수 있으니, 좀 더 끈기를 내보자. (자기장이 중요한 이온추력기나 MPD 추력기를 이해하는 데도 필수적인 개념!)(요구 배경지식: 일반물리, 대학수학)1. 가정Static(일정한) 자기장 ($\fr.. 2024. 6. 1. 16. 스퍼터링: 전기추력기 수명의 주요 결정요소 @넋두리신규 게시글을 올린지 무려 4달이 지나서야 다시 게시글을 작성한다."12. 홀추력기: 이름의 기원과 작동 원리"에서 작동 원리를 설명하려다보니 배경지식을 여럿 설명해야했는데 스스로 만족할만큼 쉽게 설명할 해답을 찾기가 어려워 글쓰기를 멀리하게 됐다..😢그동안 주제로 꼭 담아보고 싶었던 "스퍼터링"을 녹슨 체인의 윤활제로 삼아 멈춰있던 바퀴를 다시 굴려본다.1. 스퍼터링(Sputtering)스퍼터링은 높은 운동량 & 높은 운동에너지를 가진 입자가 물체에 충돌함에 따라 표면을 구성하는 원자나 분자들이 떨어져나오는 현상으로, 충돌입자의 에너지가 표면을 구성하는 원자/분자의 결합에너지보다 커야만 스퍼터링이 일어날 수 있다. 원자/분자의 결합 에너지는 수 eV에 달하는데, 대기중의 중성입자로서는 감히 다.. 2024. 4. 17. A2. E×B drift 이전 글에서는 자기장에 의한 전하의 운동을 들여다보았다. 블로그를 관심있게 볼 정도의 독자라면 전기장에 의한 전하의 운동은 이해하고 있을 터이니 생략하고, 이번 글에서는 전기장과 자기장이 모두 존재하는 환경에서 전하가 어떻게 움직이는지 알아본다. (요구 배경지식: 일반물리, 대학수학) 1. 가정 Static(일정한) 전기장과 자기장 ($\frac{\partial\vec{E}}{\partial t}=0$ and $\frac{\partial\vec{B}}{\partial t}=0$) Uniform(균일한) 전기장과 자기장. $\vec{E}=E_{\bot}\hat{y}+ E_{\parallel}\hat{z} $ and $\vec{B}=B\hat{z}$ 2. E×B drift의 정량적 유도 전하의 운동을 이해하.. 2023. 12. 31. A1. 자기장에 의한 전하의 운동 ($\vec{E}=0$) 플라즈마는 양전하, 음전하로 가득찬 제4의 물질이다. 전기장은 전하를 가속시키고, 자기장은 전하를 회전시킨다. 전기장은 전하에 직접적으로 에너지를 주거나 뺏기 때문에 매우 직관적으로 이해할 수 있으나 자기장의 영향은 다소 이해하기 어렵다. 이번 글에서는 수식전개를 통해 자기장에 의한 전하의 운동을 알아본다. (요구 배경지식: 일반물리, 대학수학) (글 작성중 2021년부터 벡터가 수능에서 배제됐다는 걸 보고 적잖은 충격을 받았다...(⊙_⊙)???) 전하가 자기장을 지나게 되면, 속도와 자기장에 수직한 방향으로 힘을 받게 되는데 이를 Lorentz force라 부른다. $$\vec{F}_B=q\vec{v}\times\vec{B}$$ Lorentz force는 전하에 구심력으로 작용하여 전하가 자기장을 중.. 2023. 11. 9. 12. 홀추력기: 이름의 기원과 작동 원리 <작성중> 홀추력기는 2010년 경부터 가장 많이 쓰이는 전기추력기로 등극하였다. 가장 많이 쓰이는 데는 그만한 이유가 있을터. 이번에는 홀추력기를 세 개의 시리즈 글로 나누어 소개하며 홀추력기를 파훼해보자. 이번 글에서는 홀추력기라는 이름의 기원과 작동 원리를 알아본다. 1. 홀추력기 이름의 기원과 작동 원리2. 홀추력기의 성능 및 활용3. 홀추력기의 물리적 특성1. 이름의 기원A) 홀효과 (Hall-effect)홀추력기의 영문명은 Hall-effect thruster 직역하면 '홀효과 추력기'인데, Hall thruster 한글로는 '홀추력기'로 줄여부르는 게 일반적이다. Hall-effect는 전류가 흐르는 도체에 자기력선이 지나는 환경에서 전기장과 자기장 모두에 수직인 방향으로 전위차가 발생하는 현상으로,.. 2023. 10. 3. 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. 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 중력.. 2023. 8. 12. 10. 플라즈마 진단: 이온속도분포 측정 - Laser Induced Fluorescence (LIF) Spectroscopy 플라즈마 밀도가 높은 곳에 probe를 삽입하면 많은 수의 이온과 전자가 지나쳐야 할 길목을 가로막게 되며 probe에 충돌하는데, 이는 설연휴 정체구간에서 교통 경찰이 차선을 점거한 채 통행량을 파악하는 상황에 견줄만한 상황이다. 따라서 RPA, Faraday probe와 같이 크기가 큰 진단장치는 전기추력기와 멀리 떨어진 플라즈마 밀도가 낮은 곳으로 측정 영역이 제한된다. 플라즈마 발생 및 이온 가속 영역은 추력의 근원이 될 뿐 아니라 복잡한 물리현상이 혼재된 곳이므로, 전기추력기 연구자들이 두눈에 쌍불을 켜고 바라보는 주요 관심 영역이다. 이 두 영역은 플라즈마 밀도가 가장 높은 곳이므로 어떤 현상이 일어나는지 알고싶다면 지당하게도 왜곡을 최소화하는 플라즈마 진단장치를 사용해야 하는데, 왜곡을 최소.. 2023. 7. 9. 9. 플라즈마 진단: 이온전류밀도 측정 - Faraday probe 전기추력기, 즉, 플라즈마 추력기에서는 가속된 이온이 분출되며 추력을 발생시킨다. 추력이 이온의 축방향 운동량에 비례하므로 모든 이온이 축방향으로 분출된다면야 좋겠지만 물리적으로 불가능하다. 추력 = 초당 분출 이온 수 $\times$ 이온 축방향 평균 운동량 더구나, 큰 확산각으로 분출되는 이온은 그 수가 비록 적지만 그중 일부가 위성체 외부에 위치하는 태양광 패널이나 안테나에 충돌해 erosion을 일으키거나 저속으로 유입되어 대전시키는 문제를 일으킬 수도 있다. 이러한 현상의 경중을 판별하고 이온의 총 방출량을 얻어내기 위해서는 각도에 따른 이온전류밀도를 측정해야 하는데, 바로 오늘 소개할 Faraday probe 가 이러한 상황에 사용되는 플라즈마 진단장치이다. (진단장치 게시글은 다른 글보다 난.. 2023. 6. 10. 8. 플라즈마 진단: 이온에너지분포 측정 - Retarding Potential Analyzer (RPA) 전기추력기, 즉, 플라즈마 추력기는 고에너지(=고속)의 이온을 분출함으로써 높은 비추력으로 추력을 발생시키는 우주추진 장치이다. 그렇다면 이온의 에너지는 얼마나 높을까? 분출되는 이온이 100개라면 100개 모두 같은 에너지를 가질까? 이러한 질문에 답하기 위해서는 이온에너지분포를 측정해야하는데, 이 때 쓰이는 플라즈마 진단장치가 바로 오늘 소개할 Retarding Potential Analyzer (RPA)다.(진단장치 게시글은 다른 글보다 난이도가 높으니 유의)전기추력기는 이온을 분출하는만큼 전자 또한 방출한다. 따라서 이온의 물리적 특정을 파악하고자 할 때는 전자에 의한 효과를 배제해야하는데, 마찬가지로 이온에너지분포를 측정하는 RPA 또한 전자가 신호로 수집되는 것을 차단해 이온전류만을 선택적으로.. 2023. 6. 10. 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. 1. 진공 시스템 (생략) 2. 전력공.. 2023. 4. 9. 6. 전기추력기 지상시험시설의 조건: Ion beam dump 이번 글은 "전기추력기 지상시험시설의 조건" 시리즈의 마지막 게시글이다.전기추력기 수명시험에 있어 중요한 Ion beam dump에 관해 알아보자. 전기추력기 지상시험시설의 조건1. 우주환경을 모사하는 높은 진공도2. 큰 electric potential boundary 3. Ion beam dump3. Ion beam dump전기추력기를 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. 고속의 이온이 에너지를 잃는 과정에서 벽면에서는 분자가 떨어져나가는.. 2023. 2. 27. 이전 1 2 다음
