자기장 개선된 500 W 급 홀추력기의 플라즈마 및 성능 특성 연구

Abstract

전기추력기는 화학식 추력기에 비해 비추력이 높아 인공위성의 자세제어, 궤도수정 및 궤도천이 등 전통적인 기능 이외에도 편대비행 등과 같은 고급임무 수행, 그리고 심우주 탐사를 위한 우주선의 엔진 등으로 다양하게 활용된다. 홀추력기는 전기추력기 중 하나로 여러가지 장점으로 인해 전세계적으로 활발하게 연구개발이 진행되고 있으며, 기하구조에 따라 고리형 방전공간을 가진 고리형 추력기와 원통형 방전영역을 가진 원통형 추력기로 구분한다. 원통형 추력기는 고리형에 비해 방전공간이 크고 자기장 특성이 달라 성능 및 플라즈마 특성이 다르게 나타난다. 홀 추력기의 자기장 구조는 추력기의 성능, 전력소모, 이온빔 특성 등과 밀접하게 관련되어 있어 성능개선 및 최적화에 매우 중요한 인자이다. 방전공간 내의 플라즈마와 물질벽과의 상호작용에 따라 벽으로부터의 이차전자 방출, 이온 손실, 채널벽 식각 등의 문제가 발생하는데, 플라즈마-내벽 간의 상호작용을 줄여 성능개선을 도모하는 연구가 전세계적으로 활발히 수행되고 있다. 이의 일환으로 본 연구에서는, 200-500 W 급 고리형 및 원통형 추력기에서 플라즈마-방전채널 벽 사이의 상호작용 감소를 목적으로 자기력선이 가급적 채널벽과 평행하게 되도록 자기장 구조를 구현하였다. 개발된 추력기의 성능실험 결과, 전반적으로 추력, 비추력, 각종 효율에 있어 높은 값들을 보여 개선된 자기장의 효과가 뚜렷하게 나타남을 확인하였다. 측정한 성능값들은 다음과 같다. 고리형 추력기에서는, 420 W양극전력에서 추력 21 mN, 비추력 2150 s, 양극효율 51%이었으며, 이 값들은 기존의 자기장 구조의 추력기에 비해 매우 개선된 값들(16.5 mN, 1710 s, 32.9%)이다. 원통형 추력기의 경우에는, 390 W양극 전력에서 추력 16 mN, 비추력 2300 s, 효율 45%의 성능값을 보였다. 이에 비해 기존 자기장 구조에서는 12.2 mN, 1805 s, 35% (@300 W)이었다. 특히, 원통형 추력기 구조에서는 160% 이상의 연료효율과, 66% 이상의 다중이온이 존재함이 관측되었으며, 방전전압 이상의 고에너지 이온들도 관측되었다. 상세한 자기장 설계내용과 측정결과가 발표된 예정이다.