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추력기

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1. 개요

추력기는 우주선 및 선박의 궤도 유지, 자세 제어, 반작용 제어 시스템, 또는 장기간의 저추력 가속을 위해 사용되는 추진 장치를 의미한다. 우주선에서는 자세 제어 및 궤도 미세 조정에 주로 사용되며, 화학 로켓, 이온 엔진, 하이브리드 로켓, 전기 저항 제트 엔진, 콜드 스러스터 등 다양한 종류가 있다. 선박에서는 프로펠러가 360도 회전하는 전방위 추진기, 배를 가로 방향으로 움직이는 선수 선미 스러스터 등이 있으며, 선수 스러스터와 선미 스러스터는 횡 방향 추력을 발생시켜 정밀한 조종을 돕는다. 그 외에도 서핑 보드 핀 디자인이나 별을 이동시키기 위한 가상 메가스케일 반응 등을 지칭하기도 한다.

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추력기
개요
정의유체(기체 또는 액체)를 가속하여 추력을 생성하는 장치
작동 원리뉴턴의 제3법칙(작용-반작용)
추진 방식질량 추진
반작용 추진
종류
로켓 엔진고체 또는 액체 연료를 연소시켜 고속 가스를 분출
제트 엔진공기를 흡입, 압축, 연소시켜 고속 가스를 분출
이온 추진기이온을 가속하여 추력을 생성
홀 효과 추력기자기장과 전기장을 이용하여 플라스마를 가속
플라스마 추진기플라스마를 가속하여 추력을 생성
광자 추진기빛(광자)을 방출하여 추력을 생성 (이론적)
적용 분야
우주 탐사인공위성, 우주선 등의 궤도 변경 및 자세 제어
항공항공기의 주 추진 장치 또는 보조 추진 장치
해양선박의 방향 전환 및 자세 제어 (예: 사이드 스러스터, 아지무스 스러스터)
로봇수중 로봇, 드론 등의 추진 장치
추가 정보
영어Thruster
일본어スラスター (스라스타)

2. 우주선 스러스터

인공위성, 우주 탐사선우주선에서 주 추진 외에 자세 제어궤도의 미세한 수정에 사용되는 추진 장치를 스러스터라고 부른다.

우주 공간에서 사용되기 때문에 필연적으로 로켓 엔진(로켓 스러스터)이 된다. 지구 저궤도 외에는 인공위성의 수명이 거의 스러스터의 수명으로 정해지고, 우주 탐사선의 경우에도 스러스터에 의해 수명이 결정될 수 있다. 따라서 스러스터는 오랜 기간 고장 없이 반복적인 사용을 견뎌야 한다. 한편 주기관처럼 제한된 시간 내에 큰 가속도를 낼 필요는 없고, 장시간 운전이 가능하다면 가속도는 낮은 것이 좋다.

우주왕복선 아틀란티스의 후방 추력기


스러스터는 작동 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • 화학 로켓 스러스터: 하이드라진 스러스터가 대표적이다.
  • 이온 스러스터: 이온 엔진을 사용한다.
  • 하이브리드 스러스터
  • 전기 저항 제트 엔진 (레지스트 제트)
  • 콜드 스러스터

2. 1. 화학 로켓 스러스터

화학 로켓 스러스터는 연료산화제의 화학 반응을 통해 추력을 얻는 방식이다. 하이드라진을 연료로, 사산화 이질소를 산화제로 사용하는 하이드라진 스러스터가 주로 사용된다.

2. 1. 1. 하이드라진 스러스터

화학 로켓의 경우, 연료하이드라진을, 산화제사산화 이질소 등을 사용한 하이드라진 스러스터가 주로 사용된다. 촉매를 이용하여 추진제의 분해를 이용하는 1액식 로켓과 2종류의 자연 발화성 추진제를 사용한 2액식 로켓이 있으며, 점화 기구가 필요 없어 신뢰성이 높다.[1]

2. 2. 이온 스러스터

이온 엔진을 사용하는 스러스터이다. 비추력이 매우 높아 장기간 사용에 유리하지만, 추력은 낮다. 주로 정지 궤도 인공위성의 위치 유지나 심우주 우주 탐사선에 활용된다.

2. 2. 1. 이온 엔진

이온 엔진을 사용한 이온 추력기는 하이드라진 추력기를 대체하고 있다. 비추력이 화학 로켓의 10배 이상으로 월등히 높기 때문에 한정된 연료로 장기간 사용이 가능하다. 가속도는 현저하게 낮지만, 추력기로는 문제가 되지 않는다.

이온 로켓은 오랫동안 주로 추력기로 사용되어 왔으며 이온 추력기가 동의어로 굳어져 있기 때문인지 하야부사 등 이온 엔진이 주 기관으로 사용되더라도 추력기라고 부르는 경우가 있다. 이온 엔진의 성질상 우주 공간에서의 저가속도, 장시간의 사용이라는 면에서는 보통의 추력기와 동일하다.[1]

2. 3. 하이브리드 스러스터

하이브리드 로켓과 마찬가지로 고체 연료에 액체 산화제를 공급해 추력을 얻는다.[2] 추진제의 조합이 접촉점화성일 경우 점화 장치가 불필요하며 소형 경량화가 가능하다. 반면 단면 연소식이 아닌 경우에는 사용 횟수가 늘어나면서 서서히 연소 단면적이 변화하므로 연료/산화제 비가 변화하여 추력 특성도 변화한다.

2. 4. 전기 저항 제트 엔진 (레지스트 제트)

전기 저항 제트 엔진은 물과 같은 불활성 액체를 주로 전기 저항에 의한 발열을 이용하여 가열함으로써 기화된 가스를 노즐에서 분출시켜 추력을 얻는다. 비추력은 200초 미만으로 추력이 낮지만 장시간 작동이 가능하기 때문에 자세 제어뿐만 아니라 궤도 변경이나 궤도 이탈에도 사용된다.[1]

2. 5. 콜드 스러스터

다른 추진기가 연소나 전기적인 에너지를 주어 입자를 가속하는 데 비해 콜드 스러스터는 가스의 팽창에 의한 분출만을 이용한다. 구조가 단순하고 신뢰성도 높지만, 비추력은 다른 방식보다 낮기 때문에 탑재되는 추진제의 양이 같은 경우 효과가 낮다. 우주 개발 여명기에 일부 위성에서 사용되었지만, 상술한 단점에 의해 사용 빈도가 줄다가 최근 큐브위성과 같은 초소형 인공위성이 발사되어 다시 탑재 예가 증가하고 있다. 연속적으로 사용하면 줄-톰슨 효과로 추진제가 식기 때문에 가스압이 내려가 추력도 낮아져서 연속적인 사용에는 적합하지 않다. 추진제로는 고압 탱크에 질소 등의 불활성 가스를 충전해서 사용하는 예나 고압화로 액화된 가스를 이용하는 경우가 있으며 후자가 구조 중량이 가볍다.

3. 선박 스러스터

선박의 추진 장치도 스러스터라고 불린다. 전방위 추진기는 프로펠러가 수평 방향으로 360도 회전하며, 주 추진 장치로 사용되는 경우가 많다. 배를 가로 방향으로 움직이게 하는 사이드 스러스터도 있다. 설치 위치에 따라 뱃머리에 설치되면 선수 스러스터(바우 스러스터), 선미에 설치되면 선미 스러스터(스턴 스러스터)라고 부른다.

3. 1. 방위각 추진기 (아지무스 스러스터)

방위각 추진기는 프로펠러가 수평 방향으로 360도 회전하는 전방위 추진기이다. 우주선의 경우와 달리 주 추진 장치인 경우가 많으며, 뛰어난 기동성을 제공한다.[1]

3. 2. 선수 스러스터 (바우 스러스터) / 선미 스러스터 (스턴 스러스터)

선수 스러스터(바우 스러스터)와 선미 스러스터(스턴 스러스터)는 선박의 선수나 선미에 설치되어 좌우 방향으로 추력을 발생시키는 사이드 스러스터이다.[1] 선수 스러스터와 선미 스러스터는 배를 횡방향으로 움직이게 하여 정밀한 조종을 돕는다.[1]

3. 3. 림 구동 추진기

림 구동 추진기는 전기 모터와 프로펠러가 결합된 형태이다.[1] 수중 추진기로 ROV, AUV 또는 UUV를 추진하는 데에도 사용된다.[1]

4. 기타 스러스터


  • 스러스터는 서핑 보드 핀 디자인이다.[1]
  • 슈카도프 스러스터는 별을 이동시키기 위한 가상의 거대 규모 반응 장치이다.[1]
  • 차량용 스러스터에는 불가리아에서 설계된 초경량 삼륜차인 아비오 델타 추력기와 영국에서 설계된 초경량 항공기인 추력기 T600 스프린트가 있다.

4. 1. 서핑 스러스터

스러스터 (서핑)는 서핑 보드 핀 디자인이다.[1]

4. 2. 슈카도프 스러스터

슈카도프 스러스터는 별을 이동시키기 위한 가상의 거대 규모 반응 장치이다.[1]

4. 3. 차량용 스러스터


  • 아비오 델타 추력기는 불가리아에서 설계된 초경량 삼륜차이다.
  • 추력기 T600 스프린트는 영국에서 설계된 초경량 항공기이다.

참조

[1] 간행물 人工衛星搭載用の小型ハイブリッドマイクロスラスタの研究 http://id.nii.ac.jp/[...] 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所 2017
[2] 저널 인공위성 탑재용의 소형 하이브리드 마이크로스러스터의 연구 https://repository.e[...] 우주항공연구개발기구 우주과학연구소 2017



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