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이온추진 항공기

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목차

1. 개요

이온추진 항공기는 전기 에너지를 사용하여 공기 흐름을 생성하여 추진력을 얻는 기술이다. 1709년에 이온풍의 원리가 발견된 이후, VTOL(수직 이착륙) 방식의 "리프터" 실험이 진행되었으며, 21세기에 들어 자체 전원 공급 장치를 갖춘 이온 추진 항공기가 개발되었다. 이온 추진은 전자기체역학 원리를 활용하며, 고전압을 가하여 공기를 이온화하여 추력을 발생시킨다. 이온추진 항공기는 방출 와이어, 공극, 수집기로 구성되며, 고전압 사용으로 인해 안전에 유의해야 한다.

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이온추진 항공기
개요
유형항공기 추진 기술
작동 원리전기장 내 이온풍 생성 및 가속
장점저소음
낮은 유지보수 비용
단순한 구조
단점낮은 추력 효율
높은 전력 소비
대기 조건에 민감함
작동 원리 상세
이온 생성고전압 방전을 통해 공기 분자를 이온화
전기장 형성전극 간 전위차를 이용하여 이온을 가속
추력 발생가속된 이온이 중성 분자와 충돌하여 운동량 전달
구성 요소
전극양극: 이온 생성
음극: 이온 포집 및 가속
고전압 전원 공급 장치전극 간 고전압 유지
유전체전극 간 절연 및 전기장 형성 보조
특징
효율기존 프로펠러 항공기에 비해 낮은 추력 효율
추력제한된 추력으로 인해 소형 무인 항공기(드론)에 주로 적용
전력 소비높은 전력 소비
소음작동 소음이 매우 적음
응용 분야
주요 응용 분야소형 드론
실내 비행체
고고도 무인 항공기
잠재적 응용 분야저소음 항공기
우주 추진
연구 개발 동향
연구 개발고효율 이온 발생 기술 개발
전극 구조 최적화
추력 증대 기술 연구
에너지 밀도 증가
추가 정보
관련 용어이온풍
전기추진
정전기력
유전체
관련 연구MIT, NASA 등에서 관련 연구 진행 중

2. 역사

이온풍 추진의 원리는 전기가 발견된 직후인 18세기 초에 알려졌으며, 프란시스 호크스비에 의해 1709년 기록되었다. 20세기 중반 토머스 타운센드 브라운이나 알렉산더 프로코피에프 드 세버스키와 같은 연구자들이 초기 VTOL 형태의 "리프터" 실험을 진행했다. 이들은 EHD 원리를 이용했지만, 당시 기술로는 무거운 전력 공급 장치를 기체에 탑재하기 어려워 지상에서 전력을 공급받는 방식에 머물렀다.

21세기에 들어서면서 가볍고 효율적인 전력 공급 장치가 개발됨에 따라, 자체 동력으로 비행하는 이온추진 항공기 개발이 현실화되기 시작했다. 2006년 이선 크라우스가 자체 동력 VTOL 비행에 성공했고, 2018년에는 MIT 연구팀이 최초의 자체 추진 고정익기인 MIT EAD 에어프레임 버전 2를 개발하여 비행 시험을 성공적으로 마쳤다.

2. 1. 초기 발견

이온풍 추진의 원리는 코로나 방전으로 생성된 하전 입자를 이용하는 방식이다. 이 원리는 전기가 발견된 직후에 알려졌으며, 프란시스 호크스비의 저서인 여러 주제에 관한 물리-기계적 실험에서 1709년 기록을 찾아볼 수 있다.

2. 2. VTOL "리프터" 실험

미국의 실험가 토머스 타운센드 브라운은 이온풍 추진 원리를 반중력 효과로 잘못 이해하고 평생 연구했으며, 이를 비펠드-브라운 효과라고 불렀다. 그의 장치는 중력 방향과 관계없이 전기장 기울기 방향으로 추력을 만들었지만, 진공 상태에서는 작동하지 않았다. 이를 통해 다른 연구자들은 이 효과가 EHD 때문임을 알게 되었다.[1][2]

VTOL 이온 추진 항공기는 때때로 "리프터(lifter)"라고 불린다. 초기 리프터는 와트당 약 1그램의 무게를 들어 올릴 수 있는 수준이었다.[3] 이는 비행에 필요한 고전압 전원 공급 장치의 무거운 무게를 감당하기에는 부족했고, 따라서 전원 공급 장치는 지상에 두고 길고 유연한 전선을 통해 항공기에 전력을 공급해야 했다.

1950년대와 1960년대에 미국의 항공기 설계자 알렉산더 프로코피에프 드 세버스키 소령은 EHD 추진력을 이용한 리프트를 연구했다. 그는 1959년에 "이오노크래프트(Ionocraft)"라는 이름으로 특허를 출원했다.[4] 세버스키는 무거운 전원 공급 장치를 외부에 둔 채, 각기 다른 영역에 가해지는 전압을 조절하여 옆으로 움직일 수 있는 모델 VTOL 이오노크래프트를 제작하고 비행시키는 데 성공했다.[5]

2008년에는 플로리다 대학교의 수브라타 로이가 이끄는 연구팀이 무익(無翼) 전자기 공중 차량을 연구했다. 이는 표면 전체에 전극이 내장된 접시 모양의 EHD 리프터였다. 이 추진 시스템은 이온화 효율을 높이기 위해 자기장을 사용하는 등 여러 혁신적인 기술을 적용했다. 외부 전원 공급 장치를 사용한 모델은 최소한의 이륙과 공중 부양을 달성했다.[6][7]

2. 3. 자체 전원 공급 장치 개발

21세기 들어 전력 공급 장치는 더 가볍고 효율적으로 발전했다.[8][9] 이에 따라 자체 전원 공급 장치를 사용하여 이륙하고 비행하는 이온 추진 항공기 개발이 가능해졌다. 최초의 사례는 2006년 일렉트론 에어(Electron Air)의 이선 크라우스가 개발한 수직 이착륙기였다.[11] 크라우스는 2014년에 관련 특허를 출원했으며, 2017년에는 스타더스트 스타트업스(Stardust Startups)로부터 프로젝트 지원을 위한 마이크로그란트를 받았다.[10] 이 기체는 빠르게 상승하거나 몇 분 동안 수평으로 비행할 수 있을 만큼 충분한 추력을 내는 데 성공했다.[11][12]

2018년 11월에는 최초의 자체 이온 추진 고정익 비행기인 MIT EAD 에어프레임 버전 2가 개발되어 60m 비행에 성공했다. 이 기체는 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 스티븐 배럿이 이끄는 학생 팀이 개발했으며, 날개 길이는 5m, 무게는 2.45kg이었다.[13] 고무 밴드를 이용해 발사되었고, EAD(Electroaerodynamic) 시스템은 저고도에서 항공기를 비행 상태로 유지하는 역할을 했다.

3. 작동 원리

이온 공기 추진은 움직이는 부품 없이 전기 에너지를 사용하여 공기 흐름을 생성하는 기술이다.[17] 이 때문에 때때로 "고체 추진 장치"로 불리기도 한다. 이 기술은 전자기체역학(EHD)의 원리에 기반하며, 전기장을 이용해 공기 분자를 이온화하고 가속시켜 추력을 얻는다.[14]

현재 개발된 EHD 추력기는 기존 제트 엔진에 비해 효율이 낮은 편이지만,[15] 향후 효율 개선의 잠재력이 있다는 연구도 있다.[16]

이 방식은 공기를 작동 유체로 사용하므로, 공기가 없는 우주 진공 환경에서는 작동할 수 없다는 한계가 있다. 이는 매질 없이 추진체를 분사하는 순수 이온 엔진 로켓과의 차이점이다.[17]

3. 1. 기본 원리

이온 공기 추진은 움직이는 부품 없이 전기 에너지를 사용해 공기 흐름을 생성하는 기술이다. 움직이는 부품이 없다는 특징 때문에 때때로 "고체 상태 추진 장치"(solid-state drive)로 설명되기도 한다. 이 기술은 전자기체역학(EHD)의 원리에 기반한다.

기본적인 형태는 두 개의 평행한 전도성 전극, 즉 앞쪽에 위치한 방출 전선(emitter wire)과 뒤쪽에 위치한 수집 전극(collector)으로 구성된다. 이 전극 배열에 높은 전압(수 kV/mm 수준)을 가하면, 방출 전선 주변의 공기 분자가 이온화된다. 생성된 이온들은 전기장에 의해 수집 전극 쪽으로 가속되고, 이 과정에서 뉴턴의 제3법칙에 따른 반작용으로 추력이 발생한다. 가속된 이온들은 전기적으로 중성인 주변 공기 분자들과 충돌하여 운동량을 전달하며, 이 중성 분자들도 함께 가속되어 전체적인 공기 흐름(이온풍)을 형성한다.

이 효과는 생성되는 이온이 양전하(+)를 띠든 음전하(-)를 띠든 관계없이 발생한다. 따라서 전극의 극성을 바꾸어도 추력의 방향은 변하지 않는데, 이는 전하를 운반하는 이온의 극성 역시 함께 반전되기 때문이다. 양극(+) 코로나 방전에서는 주로 질소 이온이 먼저 생성되고, 음극(-) 코로나 방전에서는 산소 이온이 주요 초기 이온이 된다. 이 초기 이온들은 즉시 주변의 다른 공기 분자들과 결합하여 양전하 또는 음전하를 띤 분자 클러스터 이온[14]을 형성하며, 이 클러스터 이온들이 실질적인 전하 운반체 역할을 수행한다.

3. 2. 전기수력학 (EHD)

EHD 장치에 의해 생성된 추력은 비펠드-브라운 효과의 한 예이며, 차일드-랭뮤어 방정식을 수정하여 표현할 수 있다.[18]

일반화된 1차원 처리는 다음 방정식을 제공한다.

F = \frac{Id}{k}

여기서

  • ''F''는 결과적인 힘이다.
  • ''I''는 전류이다.
  • ''d''는 공극(전극 간 거리)이다.
  • ''k''는 작동 유체의 이온 이동도[19]이며, SI 단위로는 A⋅s2⋅kg−1로 표시되지만, m2⋅V−1⋅s−1 단위를 사용하여 더 일반적으로 표현된다. 표면 압력 및 온도에서 공기의 일반적인 값은 1.5 × 10−4 m2⋅V−1⋅s−1이다.[19]


공기와 같은 가스에 적용될 때, 이 원리는 전기공기역학(EAD, Electroaerodynamics)이라고도 한다.

이온 추진기가 켜지면 코로나 와이어는 일반적으로 20~50 kV 사이의 고전압으로 충전된다. 코로나 와이어가 약 30 kV에 도달하면 근처의 공기 분자가 이온화되어 전자가 제거된다. 이 과정에서 이온은 양극에서 밀려나 수집기로 끌려가 대부분의 이온이 수집기를 향해 가속된다. 이 이온들은 드리프트 속도라고 하는 일정한 평균 속도로 이동한다. 이러한 속도는 충돌 사이의 평균 자유 행로, 외부 전기장의 강도, 이온 및 중성 공기 분자의 질량에 따라 달라진다.

전류가 코로나 방전에 의해 전달된다는 사실(아크가 아님)은 이동 입자가 팽창하는 이온 구름으로 확산되어 중성 공기 분자와 빈번하게 충돌한다는 것을 의미한다. 이러한 충돌은 중성 공기 분자에 운동량을 전달하며, 중성이기 때문에 두 번째 전극으로 다시 이동하지 않는다. 대신 동일한 방향으로 계속 이동하여 중성 바람을 생성한다. 이러한 중성 분자가 이온 추진기에서 방출되면 뉴턴의 제3법칙에 따라 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 작용하므로, 이온 추진기는 동일한 힘으로 반대 방향으로 이동한다. 가해지는 힘은 부드러운 산들바람에 비유될 수 있다. 결과적인 추력은 기압 및 온도, 가스 조성, 전압, 습도 및 공극 거리와 같은 다른 외부 요인에 따라 달라진다.

전극 사이의 공기 덩어리는 높은 드리프트 속도로 움직이는 여기된 입자에 의해 반복적으로 충격을 받는다. 이것은 극복해야 하는 전기 저항을 생성한다. 이 과정에서 중성 공기가 잡히는 결과는 운동량의 효과적인 교환을 유발하여 추력을 생성하는 것이다. 공기가 더 무겁고 밀도가 높을수록 결과적인 추력이 더 높아진다.

3. 3. 항공기 구성

일반적인 반작용 추력과 마찬가지로, EAD(전기공기역학) 추력은 고정익 비행기를 추진하기 위해 수평으로 향하거나, 때로는 "리프터(lifter)"라고 불리는 동력 리프트 항공기를 지원하기 위해 수직으로 향할 수 있다.

수직 이착륙(VTOL)이 가능한 이온 추진 항공기는 종종 "리프터"라고 불린다. 초기 리프터는 와트당 약 1그램의 무게를 들어 올릴 수 있는 수준이었다.[3] 이는 당시 기술로는 무거운 고전압 전원 공급 장치의 무게까지 감당하기에는 부족했기 때문에, 전원 공급 장치는 지상에 두고 길고 유연한 전선을 통해 항공기에 전력을 공급하는 방식으로 운용되었다.

이러한 원리를 이용한 초기 연구 사례로는 미국의 실험가 토머스 타운센드 브라운이 있다. 그는 이 원리가 반중력 효과라고 잘못 이해하고 비펠드-브라운 효과라고 명명했지만, 실제로는 EHD(전기유체역학) 효과였다.[1][2] 그의 장치는 중력 방향과 관계없이 전기장 기울기 방향으로 추력을 생성했으며, 진공 상태에서는 작동하지 않아 다른 연구자들은 이것이 EHD 효과임을 확인했다.[1][2]

1950년대와 1960년대에는 미국의 항공기 설계자 알렉산더 프로코피에프 드 세버스키 소령이 EHD 추진력을 이용한 리프터를 연구했다. 그는 1959년에 "이오노크래프트(Ionocraft)"에 대한 특허를 출원했으며[4], 외부 전원 공급 장치를 사용하지만 전압 조절을 통해 측면 기동이 가능한 모델 VTOL 이오노크래프트를 제작하여 비행시키는 데 성공했다.[5]

2008년에는 플로리다 대학교의 수브라타 로이(Subrata Roy) 연구팀이 무익(無翼) 전자기 공중 차량(WEAV, Wingless Electromagnetic Air Vehicle)을 연구했다. WEAV는 표면 전체에 전극이 내장된 접시 모양의 EHD 리프터로, 이온화 효율을 높이기 위해 자기장을 사용하는 등 새로운 기술이 적용되었다. 외부 전원을 사용하는 모델은 최소한의 이륙과 공중 부양을 시연했다.[6][7]

4. 설계

이온추진 항공기의 추력은 주로 방출기(코로나 와이어), 공극, 수집기의 세 부분으로 구성된 시스템에서 발생한다. 최대 추력을 얻기 위해서는 방출기와 수집기를 가능한 한 가깝게 배치해야 하지만, 너무 가까우면 전극 사이에서 아크 방전이 발생할 위험이 있다. 또한, 시스템 작동에는 높은 전압이 필요하므로 안전에 대한 고려가 필수적이다.

4. 1. 구성 요소

전형적인 이온추진 항공기 구조


이온 추진 시스템의 추력을 생성하는 구성 요소는 세 부분으로 구성된다. 코로나 또는 방출 와이어, 공극, 그리고 방출기 하류의 수집 와이어 또는 스트립이다. 경량 절연 프레임이 이 배치를 지지한다. 방출기와 수집기는 최대 추력을 생성하는 포화 코로나 전류 상태를 달성하기 위해 가능한 한 가깝게, 즉 좁은 공극으로 위치해야 한다. 그러나 방출기가 수집기에 너무 가까우면 간극을 가로질러 아크가 발생할 가능성이 있다.

이온 추진 시스템은 필요한 고전압으로 인해 많은 안전 예방 조치가 필요하다.

4. 2. 방출기 (Emitter)

방출 와이어는 일반적으로 고전압 전원 공급 장치의 양극 단자에 연결된다. 보통 가는 게이지의 노출된 전도체 와이어로 만들어진다. 구리 와이어를 사용할 수도 있지만, 스테인리스강 와이어가 더 좋은 성능을 보인다. 마찬가지로, 44 또는 50 게이지와 같이 더 가는 와이어는 일반적인 30 게이지와 같은 더 굵은 와이어보다 성능이 뛰어나다. 이는 가는 와이어 주변에 더 강한 전기장이 형성되어, 피크의 법칙에 따라 낮은 전압에서도 이온화가 시작되고 더 큰 코로나 전류가 흐르기 때문이다.[20]

방출기는 작동 중에 보라색 코로나 방전 빛을 내는 경향이 있어 때때로 "코로나 와이어"라고 불리기도 한다. 이는 이온화 과정에서 발생하는 부수적인 현상이다.

4. 3. 공극 (Air gap)

공극(Air gap)은 두 전극을 절연하는 역할을 한다. 또한 이미터에서 생성된 이온이 가속되어 중성 공기 분자에 운동량을 전달하게 한 후, 수집기에서 전하를 잃도록 하는 공간이다. 공극의 너비는 일반적으로 1 mm/kV이다.[21]

4. 4. 수집기 (Collector)

수집기는 코로나 와이어 아래에 매끄러운 등전위 표면을 제공하도록 만들어진다. 수집기의 형태로는 와이어 메쉬, 평행한 전도성 튜브, 또는 매끄럽고 둥근 가장자리를 가진 포일 스커트 등이 사용될 수 있다. 스커트 형태의 수집기에서 가장자리가 날카로우면, 추력 메커니즘 내부의 이온과 반대 극성을 가진 이온이 생성되어 성능을 떨어뜨릴 수 있으므로 피해야 한다.

참조

[1] 뉴스 The Antigravity Underground https://www.wired.co[...] 2003-08
[2] 간행물 Biefeld–Brown Effect: Misinterpretation of Corona Wind Phenomena
[3] 웹사이트 Lifter efficiency relation to ion velocity http://www.benreuven[...] 2014-08-08
[4] 특허 1954-04-28
[5] 서적 Major de Seversky's Ion-Propelled Aircraft https://books.google[...] Popular mechanics 1964-08
[6] 웹사이트 The World's First Flying Saucer: Made Right Here on Earth https://www.scientif[...] 2008-07-07
[7] 보고서 Demonstration of a Wingless Electromagnetic Air Vehicle http://apps.dtic.mil[...] Defense Technical Information Center 2011
[8] 간행물 Full analysis & design solutions for EHD Thrusters at saturated corona current conditions http://www.blazelabs[...] 2004
[9] 간행물 Electrostatic propulsion device for aerodynamics applications 2016-07
[10] 특허 Self Contained Ion Powered Aircraft
[11] 웹사이트 Ion-Powered Aircraft Invention https://starduststar[...] 2019-02-27
[12] Youtube
[13] 웹사이트 First ever plane with no moving parts takes flight https://www.theguard[...] 2018-11-21
[14] 간행물 Ion-aerosol-cloud processes in the lower atmosphere 2003
[15] 웹사이트 Silent and Simple Ion Engine Powers a Plane with No Moving Parts https://www.scientif[...]
[16] 웹사이트 Ionic thrusters generate efficient propulsion in air http://www.scienceda[...] 2013-04-03
[17] 웹사이트 Ion Propulsion https://ntrs.nasa.go[...]
[18] 웹사이트 Electrokinetic devices in air http://rimstar.org/s[...]
[19] 간행물 Reduction of air ion mobility to standard conditions
[20] 서적 Dielectric Phenomena in High Voltage Engineering McGraw-Hill 1929
[21] 웹사이트 ion drives and sustainability https://pdfhost.io/v[...] 2019-12-02
[22] 문서 空中都市008にこの記述がある
[23] 웹사이트 『イオンクラフト』Table-Top Lab https://table-top-la[...]
[24] 웹사이트 『イオンクラフト』Table-Top Lab https://table-top-la[...]
[25] 웹사이트 プロペラがない！ 騒音問題を解決する「イオン風で飛ぶドローン」 https://nazology.net[...] kusuguru株式会社 2022-09-23


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