현장 배출 전기 추진

Field-emission electric propulsion

현장 배출 전기 추진(FEEP)은 이온 추진기의 한 형태인 첨단 정전기 우주 추진 개념으로 액체 금속을 추진제로 사용한다(대개 세슘, 인듐 또는 수은).

FEEP 장치는 방출기와 가속기 전극으로 구성된다.10 kV의 순서의 전위차가 양자간에 적용되어 금속 표면의 끝단에 강한 전기장을 발생시킨다.전기력과 액체 금속의 표면 장력의 상호작용으로 표면 불안정성이 발생하여 액체 표면에 테일러 원뿔이 발생한다.적용 전기장의 충분히 높은 값에서 이온은 전기장 증발 또는 유사한 메커니즘에 의해 콘 팁에서 추출되며, 그 다음 높은 속도(일반적으로 100km/s 이상)로 전기적으로 가속된다.

FEEP 스러스터는 매우 낮은 추력 때문에(마이크로론위턴(µN) ~ 밀리네위턴(mN) 범위에서), 주로 ESA/NASA 리사 패스파인더 과학 우주선과 같은 우주선의 마이크로라디언, 마이크로론위턴 자세 제어에 사용된다.FEEP 추진체는 또한 그라비티 필드와 스테디드 스테이트 해양 순환 탐사선 우주선에 설치될 예정이었으나 그리드 [1]이온 추진기가 대신 사용되었다.[2]우주에서 운용된 최초의 FEEP 추진체는 2018년 Low Earth Organes에서 성공적으로 의뢰된 IFM 나노 추진기였다.[3]

기본개념

자기장 방출 전기 추진(FEEP)은 액체 금속의 자기장 이온화에 기초한 정전기 추진 방식이며, 강한 전기장에 의한 이온의 후속 가속이다.

FEEP는 현재 과학계에서 관심의 대상이 되고 있는데, 이는 연속 모드와 펄스 모드 모두에서 정확한 추력 변조가 가능한 μN ~ mN 추력 범위, 거의 즉각적인 스위치 켜기/끄기 기능, 고해상도 스로틀성(10개4 중 1개 부품보다 우수함)이라는 독특한 특징 때문이다.[4]현재 항력 없는 위성에 탑재된 과학 임무의 기준선으로, 이 추진 시스템은 상업용 소형 위성과 별자리에 대한 자세 제어와 궤도 유지에도 제안되었다.

우주선을 전기적으로 중립적으로 유지하기 위해서는 별도의 전자 공급원이 필요하다.

액체금속 추진체

이러한 유형의 추진기는 많은 다른 액체 금속이나 합금을 가속시킬 수 있다.세슘(Cs, 133 amu)과 루비듐(Rb, 85.5 amu)과 같은 고원자중 알칼리 금속을 사용하여 최상의 성능(추력 효율 및 전력 대 트러스트 비율 측면에서)을 얻을 수 있다.이러한 추진체는 낮은 이온화 잠재력(Cs의 경우 3.87 eV, Rb의 경우 4.16 eV), 낮은 용해점(Cs의 경우 28.7°C, Rb의 경우 38.9°C)을 가지며 습윤 성능이 매우 우수하다.

이러한 특성은 이온화와 난방으로 인한 낮은 전력 손실로 이어지고 모세관 힘을 급유 목적으로 사용할 수 있는 기능, 즉 가압된 탱크나 밸브가 필요하지 않다.더욱이 알칼리 금속은 이온화된 물방울을 형성하거나 이온을 곱하는 태도가 가장 낮기 때문에 달성 가능한 최상의 질량 효율을 얻는다.실제 추력은 주로 단일이온화된 세슘이나 루비듐 원자로 구성된 빔을 소진하여 생성되며, 방출체 끝에서 자기장 증발로 생성된다.

가속 전극(가속기)은 방출체 바로 앞에 위치한다.이 전극은 두 개의 날카로운 날을 가공하는 금속(일반적으로 스테인리스강) 판으로 구성된다.추력이 필요할 때 이미터와 가속기 사이에 고전압 차이의 적용에 의해 강한 전기장이 발생한다.이 조건 하에서, 액체 금속의 자유 표면은 정전기력과 표면 장력의 결합 효과로 인해 국소적으로 불안정한 상태로 들어간다.따라서 일련의 돌출된 쿠스프, 즉 "테일러 콘"이 만들어진다.전기장이 10 V9/m의 순서에 따라 값에 도달하면 쿠스프 끝에 있는 원자가 자연적으로 이온화하여 전기장에 의해 이온제트를 추출하는 한편, 전자는 액체의 대량에서 거부된다.전자(중립자)의 외부 공급원은 추진기 어셈블리의 전지구적 전기적 중립성을 유지하기 위해 음전하를 제공한다.

슬릿 방출기

자기장 이온화 또는 자기장 증발을 기반으로 하는 액체 금속 이온 소스(LMIS)는 60년대 후반에 도입되었고, 여러 응용을 위한 단순하고 값싼 이온원으로 빠르게 보급되었다.특히 갈륨, 인듐, 알칼리 금속 또는 합금에 운용되는 LMIS의 사용은 70년대부터 이차 이온 질량 분광법(SMS)에서 표준 관행이 되어 왔다.

니들, 모세관 및 슬릿 이미터 유형과 같이 서로 다른 필드 이미터 구성이 존재하지만, 작동 원리는 모든 경우에 동일하다.예를 들어 슬릿 방출기에서 액체 금속 추진체는 좁은 채널을 통해 모세관 힘에 의해 공급된다.방출기는 스테인리스강으로 만들어진 동일한 반반으로 구성되며, 클램프로 고정되거나 나사로 고정된다.니켈 층은 방출체 절반에 침전된 스퍼터로서 원하는 채널 윤곽선을 정리한 후 채널 높이(예: 슬릿 높이, 일반적으로 1~2μm)와 채널 너비(예: 1mm에서 약 7cm)를 결정한다.채널은 음극 또는 가속기 전극의 반대편에 위치한 날카로운 가장자리에 의해 형성되고 방출기 팁으로부터 작은 간격(약 0.6 mm)로 분리되는 방출기 팁에서 끝난다.두 전극 사이에 추출 전압이 인가된다.가속기가 음전위일 때 방출기는 양의 전위를 전달한다.방출체와 가속기 사이에 생성되는 전기장은 이제 액체 금속 추진체에 작용한다.

좁은 슬릿 폭은 모세관 이송을 가능하게 할 뿐만 아니라, 액셀러레이터 바로 맞은편의 날카로운 채널 가장자리와 결합할 경우 슬릿 출구 근처에서 높은 전기장 강도를 얻을 수 있도록 한다.액체 금속 기둥이 이 전기장에 의해 변형되기 시작하여 액체 표면에서 돌출된 쿠스프(테일러 콘)를 형성한다.전기장의 작용으로 인해 액체 쿠스프들이 더욱 날카로운 원뿔을 형성하면서, 이들 쿠스프 근처의 국부적인 전기장 강도가 강화된다.약 109 V/m의 국소 전기장 강도에 도달하면, 전자가 금속 원자를 뜯어낸다.이 전자들은 채널 벽에 의해 액체 금속 기둥을 통해 수집되고, 양 이온들은 그들을 만들어낸 동일한 전기장에 의해 음극 가속 전극의 틈새를 통해 액체로부터 가속된다.

슬릿 방출기는 더 높은 추력 수준을 산출하고 단일 방출체에 대해 관찰되는 불규칙한 행동을 피하기 위해 추진기의 방출 면적을 증가시키기 위해 개발되었다.쌓인 바늘에 비해 슬릿 방출체의 상당한 장점은 작동 매개 변수에 따라 액체 금속 표면의 방출 부위의 형성과 재분배를 제어하는 자가 조정 메커니즘에 있다. 반대로 쌓인 니들 배열에서는 테일러 원뿔이 지옴을 미리 구성하는 고정 팁에만 존재할 수 있다.하나의 특정 작동 조건에만 일관될 수 있는 트리컬 배열.

기타 설계

다양한 슬릿 폭을 가진 슬릿 배출기가 제작되었으며, 현재 슬릿 폭이 2mm에서 7cm 사이인 장치를 사용할 수 있다.추력 범위가 0.1μN에서 2mN에 이르는 이 장치들은 세슘이나 루비듐으로 작동된다.

표준 CubeSat 섀시에 맞는 크라운 모양의 이미터를 가진 소형화된 FEEP 모듈 디자인이 2017년에 보고되었다.

0.5mN의 싱글리터 FEEP 디자인은 상업적으로 판매되고 있으며,[5] 그 배열된 버전 개발은 2018년을 기점으로 거의 완성 단계에 있다.[6]

참조

  1. ^ FEEP feasibility report (PDF). European Space Agency (ESA) (Report).
  2. ^ "Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE)" (PDF). European Space Agency (ESA).
  3. ^ Krejci, David. Demonstration of the IFM nano FEEP thruster in low Earth orbit. ResearchGate (Report). Retrieved 27 March 2019.
  4. ^ Marcuccio, S.; Genovese, A.; Andrenucci, M. (September–October 1998). "Experimental performance of field emission microthrusters" (PDF). Journal of Propulsion and Power. 14 (5): 774–781. Archived from the original (PDF) on 20 May 2013.
  5. ^ "IFM Nano Thruster for CubeSats €30,000". Cubesat Shop.
  6. ^ "IFM 350 nano thruster - IOD". European Space Agency (ESA).

외부 링크