PIC-DSMC 방법을 이용한 전기추력기 플룸 해석과 공기-흡입 방식으로의 적용

Abstract

전기추력기는 화학 추력기에 비해 높은 비추력을 나타내는 특성을 바탕으로 인공위성의 궤도 보정 등 우주 임무에 그 적용이 확대되고 있다. 플라즈마를 플룸 형태로 배기하는 전기추력기의 특성으로 인해 고속으로 배기되는 이온 중 일부가 위성체 방향으로 역류하는 현상이 발생할 수 있다. 배기 이온의 역류는 위성 탑재체 및 광학 장비에 손상을 일으키는 것으로 알려져있는 만큼 이온 역류 현상에 대한 정밀한 분석이 필요하다. 전기추력기를 주변에 잔존 기체가 존재하는 지상의 진공 시험 설비나 지구 초저궤도 위성에서 운용하는 경우, 플룸-배경 기체 상호작용으로 인해 이온의 역류 현상이 심화될 수 있다. 본 연구에서는 이러한 전기추력기 플룸과 배경 유동의 상호작용을 규명하기 위해 입자 기반의 전산 모사를 수행하였다. 몬테카를로 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)과 Particle-In-Cell(PIC)방법을 통합하여 하이브리드 PIC-DSMC 방법 기반의 해석 코드를 개발하고 2차원 축대칭 영역에서 플룸 해석을 수행하였다. 해석 결과를 지상 및 비행 시험 데이터와의 비교 검증을 통해 해석 정확도를 검증하였으며, 진공 시험설비 조건을 반영한 해석을 통해 배경기체에 의한 이온 역류 현상의 증가를 확인하였다. 지구 상층 대기의 화학 조성 및 유동성질에 대해 조사하고 이를 해석에 반영하여 지구 초저궤도에서 전기추력기의 플라즈마 플룸이 나타내는 특성에 대해 분석하였다. 더나아가, 초저궤도 위성에서 상층 대기를 흡기하여 추진제로 사용하고자 하는 공기-흡입 전기추력기의 배기 조건을 상정하고, 이온화된 대기로 이루어진 플룸 거동에 대한 예측 분석을 수행하였다.