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홀 효과 추력기

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1. 개요

홀 효과 추력기는 정전기적 전위를 이용해 이온을 가속하여 추력을 발생시키는 전기 추진 시스템의 일종이다. 1960년대 미국과 소련에서 독립적으로 연구되었으며, 소련에서 최초로 실용화되었다. 소련/러시아에서는 SPT, TAL 등 다양한 유형의 홀 추력기가 개발되었고, 위성 궤도 유지 등에 활용되었다. 서방 국가에서는 1990년대 이후 연구가 활발히 진행되었으며, SMART-1, 스타링크 위성 등에 사용되었다. 홀 추력기는 화학 로켓에 비해 추력이 작지만, 높은 비추력과 효율을 제공하며, 궤도 진입 및 유지를 위한 우주선 추진에 널리 사용된다.

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홀 효과 추력기

2. 역사

홀 추력기는 미국소련에서 독자적으로 연구되었다. 1960년대 초 미국에서 처음으로 공개적으로 기술되었으나,[4][5][6] 효율적인 추진 장치로는 소련에서 먼저 개발되었다. 미국에서는 격자 이온 추력기 개발에 집중했다.

2. 1. 소련 및 러시아의 개발

소련에서는 두 가지 유형의 홀 추력기가 개발되었다.

  • 넓은 가속 구역을 가진 추력기, SPT (СПД|정지형 플라즈마 추력기ru)는 파켈 설계국에서 개발되었다.
  • 좁은 가속 구역을 가진 추력기, DAS (ДАС|애노드층 추력기ru)는 기계제작 중앙연구소에서 개발되었다.


소련 및 러시아 SPT 추력기


SPT 설계는 주로 A. I. 모로조프의 연구를 바탕으로 이루어졌다.[7][8] 우주에서 작동한 최초의 SPT는 소련의 메테오르 위성에 탑재된 SPT-50으로, 1971년 12월에 발사되었다. 이들은 주로 남북 및 동서 방향의 위성 안정화에 사용되었다. 그 이후 1990년대 후반까지 118개의 SPT 엔진이 임무를 완료했고, 약 50개는 계속 작동되었다. 1세대 SPT 엔진인 SPT-50과 SPT-60의 추력은 각각 20mN과 30mN이었다. 1982년에는 SPT-70과 SPT-100이 도입되었으며, 추력은 각각 40mN과 83mN이었다. 소련 붕괴 후 러시아에서는 고출력(수 킬로와트) SPT-140, SPT-160, SPT-200, T-160 및 저출력(500W 미만) SPT-35가 도입되었다.[9]

소련 및 러시아 TAL형 추력기에는 D-38, D-55, D-80 및 D-100이 포함된다.[9]

1980년대 이후 200개 이상의 홀 추력기가 소련/러시아 위성에 탑재되었으며, 궤도상에서 고장이 발생한 적이 없다.

2. 2. 서방 국가의 개발

소련의 홀 추력기 기술은 1992년 NASA의 제트추진연구소, 글렌연구센터, 미 공군 연구소 전문가 팀이 러시아 연구소를 방문하여 SPT-100을 평가한 후 서방에 소개되었다.[10] 이후 미국, 프랑스, 이탈리아, 일본 등 여러 국가에서 홀 추력기 연구가 활발하게 진행되고 있다.

미국의 경우, NASA의 제트추진연구소, 글렌연구센터, 미 공군 연구소, 항공우주공사 등의 정부 기관과 미 공군 공과대학,[10] 미시간 대학교, 스탠퍼드 대학교, 매사추세츠 공과대학교, 프린스턴 대학교 등의 대학에서 연구가 이루어지고 있다. 에어로제트(Aerojet), 뷰섹(Busek) 등의 민간 기업들도 홀 추력기 개발에 참여하고 있다. 2023년에는 올린 공과대학 학생들이 학부생이 설계한 정상 상태 홀 추력기를 시연하기도 했다.[11]

유럽에서는 스넥마(SNECMA)(프랑스), 시타엘(SITAEL)(이탈리아) 등이 개발을 진행하고 있으며, 유럽우주기구(ESA)는 SMART-1 달 탐사 임무에 홀 추력기를 사용하였다. 일본의 IHI(IHI Corporation), 우크라이나의 LAJP(LAJP), 대한민국의 새트렉아이(Satrec Initiative)도 홀 추력기 개발에 참여하고 있다.

미국 해군 연구소(NRL)의 STEX 우주선에 러시아 D-55 홀 추력기가 사용되어 서방 위성에서 처음으로 시연되었다. 최초의 미국산 홀 추력기는 뷰섹 BHT-200으로, TacSat-2 기술 시험 우주선에 탑재되었다. 2010년 8월에는 에어로제트 BPT-4000 홀 추력기가 고성능 극초고주파(AEHF) 위성에 탑재되어 운용 임무를 시작했다. BPT-4000은 궤도 상승 기능도 제공하며, X-37B는 AEHF 위성 시리즈의 홀 추력기 시험대로 활용되었다.[12] 스페이스X스타링크(Starlink) 위성에도 홀 효과 추력기가 탑재되어 운용되고 있는데, 초기에는 크립톤 가스를 사용했지만 V2 위성부터는 아르곤으로 변경되었다.[22] 2023년에는 사이키 우주선에 탑재된 홀 추력기가 16 Psyche 탐사에 사용되어 지구 영향권 밖에서 처음으로 배치되었다.[13]

2. 3. 대한민국의 개발

대한민국에서는 새트렉아이가 홀 추력기 개발에 참여하고 있다. 인도의 벨라트릭스 에어로스페이스(Bellatrix Aerospace)는 상용 홀 효과 추진기를 출시한 최초의 민간 기업이다. 벨라트릭스 에어로스페이스는 인도과학원(Indian Institute of Science), 벵갈루루(Bengaluru)에 있는 우주선 추진 연구소에서 시험을 수행하였으며, 히터 없는 음극 기술을 사용하여 시스템의 수명과 중복성을 높였다. 벨라트릭스 에어로스페이스는 이전에 최초의 상용 마이크로웨이브 전열 추진기(microwave electrothermal thruster)를 개발했으며, 이에 대해 인도우주연구기구(ISRO)로부터 주문을 받았다.[16] ARKA 시리즈 HET는 PSLV-C55 임무에서 발사되어 POEM-2에서 성공적으로 시험되었다.[17]

3. 작동 원리

홀 추력기는 정전기적 전위를 이용하여 이온을 고속으로 가속하는 방식으로 작동한다. 음전하는 그리드 대신 추력기 출구의 전자 플라스마가 제공한다. 약 100G에서 300G의 반지름 방향 자기장은 전자를 가두는 데 사용되며, 이 자기장과 축 방향 전기장의 조합으로 인해 전자는 방위각 방향으로 표류하게 되는데, 이것이 홀 전류이다.

홀 추력기 단면도


양극과 음극 사이에는 150~800V의 전위가 인가된다. 중앙 스파이크는 전자석의 한 극을 형성하고 환형 공간으로 둘러싸여 있으며, 그 주위에는 전자석의 다른 극이 있어 그 사이에 반지름 방향 자기장이 형성된다.

제논과 같은 추진제는 양극을 통해 공급되며, 양극에는 기체 분배기 역할을 하는 작은 구멍들이 있다. 중성 제논 원자가 추력기 채널로 확산될 때, 순환하는 고에너지 전자(일반적으로 10~40eV, 방전 전압의 약 10%)와 충돌하여 이온화된다. 대부분의 제논 원자는 +1의 순 전하를 가지지만, 약 20%는 +2의 순 전하를 갖는다.

제논 이온은 양극과 음극 사이의 전기장에 의해 가속된다. 300V의 방전 전압에서 이온은 1,500s (15 kN·s/kg)의 비추력으로 약 15km/s의 속도에 도달한다. 이온이 방출될 때 같은 수의 전자를 끌어당겨 순 전하가 없는 플라스마 플룸을 생성한다.

반지름 방향 자기장은 전자를 휘게 하지만, 질량이 큰 이온은 거의 영향을 받지 않도록 설계되었다. 대부분의 전자는 추력기 출구면 근처의 높은 반지름 방향 자기장 영역에서 ''E''×''B''(축 방향 전기장과 반지름 방향 자기장)에 갇혀 궤도를 돌고, 전자의 이러한 궤도 회전은 순환하는 홀 전류를 형성한다. 플라스마 불안정성 등으로 인해 일부 전자는 자기장에서 해방되어 양극으로 이동한다.

방전 전류의 약 20~30%는 추력을 생성하지 않는 전자 전류이므로 추력기의 에너지 효율을 제한하며, 나머지 70~80%는 이온에 있다. 대부분의 전자가 홀 전류에 갇혀 있어 거의 모든 제논 추진제를 이온화할 수 있으므로 90~99%의 질량 사용률을 보인다. 추력기의 질량 사용 효율은 약 90%, 방전 전류 효율은 약 70%이며, 결합된 추력기 효율은 약 63%이다. 최신 홀 추력기는 75%에 달하는 효율을 달성하기도 한다.

화학 로켓과 비교했을 때 추력은 매우 작아서, 300V 및 1.5kW로 작동하는 일반적인 추력기의 경우 약 83mN이다. 미국 25센트 동전이나 20센트 유로 동전의 무게가 약 60mN인 것과 비교할 수 있다.

홀 추력기는 높은 비추력으로 작동하며, 격자 이온 추력기와 비교했을 때 이온의 생성과 가속이 준중성 플라스마에서 일어나므로 차일드-랭뮤어 전하(공간 전하) 포화 전류 제한이 추력 밀도에 영향을 미치지 않아 더 작은 추력기를 만들 수 있다는 장점이 있다.

또한, 이러한 추력기는 양극에 공급되는 다양한 추진제를 사용할 수 있으며, 음극에는 쉽게 이온화되는 물질이 필요하다.[18]

4. 추진제

크세논은 홀 추력기를 포함한 많은 전기 추진 시스템에서 주로 사용되는 추진제이다.[19] 크세논은 원자량이 높고 이온화 전위가 낮기 때문에 추진제로 사용된다. 또한 크세논은 저장이 비교적 쉽고, 우주선 작동 온도에서 기체 상태를 유지하므로 비스무트와 같은 금속 추진제와 달리 사용 전에 기화할 필요가 없다. 크세논의 높은 원자량은 질량 단위당 이온화에 필요한 에너지 비율이 낮다는 것을 의미하며, 이는 더 효율적인 추력기로 이어진다.[20]

5. 종류

크립톤은 홀 추력기의 추진제로 사용될 수 있다. 제논의 이온화 에너지는 12.1298 eV인 반면, 크립톤의 이온화 에너지는 13.996 eV이다.[21] 크립톤을 사용하는 추력기는 이온화에 단위 몰당 더 많은 에너지를 소모하여 효율이 감소한다. 또한 크립톤은 제논보다 가벼운 이온이므로 이온화 에너지당 단위 질량이 적다. 그러나 제논은 크립톤보다 가격이 10배 이상 비싸기 때문에, 스페이스X스타링크 V1과 같이 크립톤을 연료로 사용하는 위성체계를 구축할 때 경제적인 선택이 될 수 있다.[19][38]

5. 1. 환형 홀 추력기

이전 출력은 주어진 원본 소스에 '환형 홀 추력기'에 대한 내용이 없어 섹션 작성이 불가능하다는 것을 올바르게 지적했습니다. 따라서 이전 출력에 대한 수정은 필요하지 않습니다. 이전 출력 내용을 그대로 유지합니다.

주어진 원본 소스에는 '환형 홀 추력기'에 대한 직접적인 내용이 없고, 스페이스X의 스타링크 V2 미니에 사용된 아르곤 추력기에 대한 정보만 있습니다. 따라서 주어진 정보만으로는 섹션 내용을 작성할 수 없습니다.

5. 2. 원통형 홀 추력기

Cylindrical Hall thruster영어

일반적인 홀 효과 추력기는 채널 벽과 플라즈마의 상호작용으로 인한 침식 때문에 소형화에 어려움이 있다. 원통형 홀 추력기는 이러한 문제점을 해결하기 위해 고안된 새로운 구조이다. 자기장 차폐 구조를 적용하여 채널 벽의 침식을 줄였다.[21] 원통형 홀 추력기는 기존 홀 추력기에 비해 크기가 작고 저전력(100W 이하)에서 작동이 가능하다는 장점이 있다.

5. 3. 외부 방전 홀 추력기 (XPT)

외부 방전 홀 추력기(External discharge Hall thruster) 또는 외부 방전 플라즈마 추력기(XPT)는 비전통적인 홀 추력기 설계 방식이다.[30][31][32] 방전 채널 벽이나 극편이 없어 플라즈마 방전이 추력기 구조물 외부의 열린 공간에서 완전히 생성되고 유지되므로, 침식 없이 작동 가능하다.

6. 활용

홀 추력기는 1971년 12월 소련이 메테오르 위성에 SPT-50을 발사한 이후로 우주에서 비행해 왔다.[33] 그 이후로 240개가 넘는 추력기가 우주에서 비행했으며, 성공률은 100%이다.[34] 홀 추력기는 현재 상업용 저궤도(LEO) 및 정지궤도(GEO) 통신 위성에서 궤도 진입 및 궤도 유지에 일반적으로 사용된다.

유럽우주국(ESA)의 SMART-1 우주선은 태양전기추진 시스템으로 Snecma PPS-1350-G 홀 추력기를 사용했다.[36] SMART-1은 궤도를 도는 기술 시연 임무였다. 2003년 9월 28일부터 시작된 PPS-1350-G의 사용은 정지궤도(GEO) 외부에서 홀 추력기를 처음으로 사용한 것이다.

스페이스X 스타링크 위성체의 초기 소형 위성은 위치 유지 및 궤도 이탈을 위해 크립톤 연료 홀 추력기를 사용했으며,[38] 후기 스타링크 위성은 아르곤 연료 홀 추력기를 사용했다.[22]

톈궁 우주정거장에는 홀 효과 추력기가 장착되어 있다. 톈허 핵심 모듈은 화학 추력기와 4개의 이온 추력기를 사용하여 우주정거장의 궤도를 조정하고 유지한다.[39] 홀 효과 추력기는 가속된 이온 입자로 인한 부식 및 손상을 방지하기 위해 유인 임무 안전을 염두에 두고 제작되었다. 중국과학원에 따르면, 톈궁에 사용된 이온 추진기는 오류 없이 8,240시간 동안 연속 작동하여 중국 우주 정거장의 지정된 15년 수명에 적합함을 나타낸다.[40] 이것은 유인 임무에 사용된 세계 최초의 홀 추력기이다.[41]

2024년 달 궤도를 도는 게이트웨이의 동력 및 추진 요소(PPE)와 거주 및 물류 전초기지(HALO)를 보여주는 그림. 게이트웨이의 궤도는 홀 추력기를 사용하여 유지됩니다.


소행성 프시케로의 NASA 임무는 제논 가스 홀 추력기를 사용한다.[44]

NASA의 유인 임무에 처음으로 사용되는 홀 추력기는 Busek이 제공하는 6 kW 홀 추력기와 NASA 고급 전기 추진 시스템(AEPS) 홀 추력기의 조합이다. 이들은 NASA의 아르테미스 계획에 따라 맥서의 동력 및 추진 요소(PPE)의 주요 추진 장치 역할을 할 것이다.[46] 홀 추력기의 높은 비추력은 달 게이트웨이의 극 근원형 헤일로 궤도에 대한 효율적인 궤도 상승 및 궤도 유지를 가능하게 한다.

7. 개발 현황

현재 다양한 출력의 홀 추력기가 개발 중이며, 특히 고출력 및 장수명 홀 추력기 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 미시간 대학교의 100kW급 X3 중첩 채널 홀 추력기는 직경이 80cm이고 무게는 230kg이며, 5.4N의 추력을 시연하였다.[47] NASA의 40kW급 고급 전기 추진 시스템(Advanced Electric Propulsion System, AEPS)은 심우주에서 대규모 과학 임무와 화물 수송을 추진하기 위한 것이다.[48]

참조

[1] 보고서 Development and Characterization of High-Efficiency, High-Specific Impulse Xenon Hall Thrusters 2004-06-01
[2] 웹사이트 Ion Thruster Prototype Breaks Records in Tests, Could Send Humans to Mars https://www.space.co[...] 2018-04-27
[3] 저널 New Dawn for Electric Rockets 2009-01-01
[4] 학회 Momentum transfer through magnetic fields 1962-01-01
[5] 학회 Momentum Transfer Through the Electric Fields 1962-01-01
[6] 학회 Generation of Thrust – Electromagnetic Thrusters https://archive.org/[...] 1962-01-01
[7] 웹사이트 Hall thrusters http://fluid.ippt.go[...] 2004-01-14
[8] 저널 The conceptual development of stationary plasma thrusters Nauka/Interperiodica 2003-03-01
[9] 웹사이트 Native Electric Propulsion Engines Today http://novosti-kosmo[...] Novosti Kosmonavtiki 1999-01-01
[10] 웹사이트 AFIT SPASS Lab Achieves '(AF) Blue Glow' http://www.afit.edu/[...] Air Force Institute of Technology 2007-11-13
[11] 웹사이트 A year of firsts for electric propulsion https://aerospaceame[...] 2023-12-01
[12] 보도자료 Aerojet Rocketdyne's Modified XR-5 Hall Thruster Demonstrates Successful On-Orbit Operation http://www.rocket.co[...] Aerojet Rocketdyne 2015-07-01
[13] 웹사이트 NASA's Psyche spacecraft will blaze an unusual blue trail across the solar system https://www.popsci.c[...] 2023-10-17
[14] 웹사이트 ISRO to Test Electric Propulsion on Satellites https://www.newindia[...] 2015-11-30
[15] 웹사이트 ISRO Electric Propulsion - General Discussion https://forum.nasasp[...]
[16] 웹사이트 Spacetech Startup Bellatrix Aerospace Test Fires India's First Privately Built Hall Thruster https://inc42.com/bu[...] 2021-05-28
[17] 뉴스 Space startup Bellatrix to test electric propulsion for satellites on-board PSLV https://economictime[...] 2023-04-21
[18] 웹사이트 Hall-Effect Stationary Plasma thrusters http://www.permanent[...]
[19] 웹사이트 Krypton Hall effect thruster for spacecraft propulsion https://www.scienced[...]
[20] 웹사이트 Hall Thruster Project https://w3.pppl.gov/[...]
[21] 웹사이트 The elements of the periodic table sorted by ionization energy https://www.lenntech[...]
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[23] 서적 Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Wiley
[24] 웹사이트 Chemical elements by market price http://www.leonland.[...]
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[27] 학회 Comparisons in Performance of Electromagnet and Permanent-Magnet Cylindrical Hall-Effect Thrusters 2010-07-25
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