홀 효과 추진기

Hall-effect thruster
NASAJet 추진 연구소에서 운용 중인 6 kW 홀 추진기

우주선 추진에서 홀 효과 추진기(HTT)는 전기장에 의해 추진체가 가속되는 이온 추진기의 일종이다.홀 효과 추력기(Edwin Hall의 발견에 기초함)는 홀 효과 추력기 또는 홀 전류 추력기라고도 한다.홀 효과 스러스터는 자기장을 이용해 전자의 축방향 운동을 제한한 다음 이를 이용해 추진체를 이온화시키고 이온을 효율적으로 가속시켜 추력을 생산하며 플룸의 이온을 중화시킨다.홀 효과 추진체는 중간 정도의 특정 임펄스(1,600s) 우주 추진 기술로 분류되며 1960년대 이후 상당한 이론적, 실험적 연구의 혜택을 받았다.[1]

홀 스러스터는 제논과 크립톤이 가장 흔한 다양한 추진체로 작동한다.다른 관심 추진체로는 아르곤, 비스무트, 요오드, 마그네슘, 아연, 아연 등이 있다.

홀 스러스터는 배기가스를 10 - 80 km/s (특정 임펄스 1,000–8000 초)의 속도로 가속할 수 있으며, 대부분의 모델은 15 - 30 km/s 사이에서 작동한다.추진력은 동력 수준에 따라 달라진다.1.35kW에서 작동하는 기기는 약 83mN의 추력을 낸다.고출력 모델은 실험실에서 최대 5.4N까지 입증되었다.[2]제논 홀 스러스터에 대해 최대 100kW의 출력 레벨이 입증되었다.

2009년 현재 홀 효과 스러스터는 입력 전력 레벨이 1.35~10kW이며, 배기 속도는 초당 10~50km이며, 추력은 40~600mLwton이고 효율은 45~60%이다.[3]홀 효과 추진기의 적용은 궤도를 선회하는 위성의 방향과 위치를 제어하고 중형 로봇 우주 차량의 주요 추진 엔진으로 사용하는 것을 포함한다.[3]

역사

홀 추진기는 미국과 소련에서 독자적으로 연구되었다.그들은 1960년대 초에 미국에서 처음으로 공개적으로 묘사되었다.[4][5][6]그러나 홀 추진기는 소련에서 효율적인 추진장치로 처음 개발되었다.미국에서 과학자들은 격자형 이온 추진기 개발에 초점을 맞췄다.

홀 추진기의 두 종류는 소련에서 개발되었다.

  • thrusters with wide acceleration zone, SPT (Russian: СПД, стационарный плазменный двигатель; English: SPT, Stationary Plasma Thruster) at Design Bureau Fakel
  • 가속도가 좁은 추력가 DAS(러시아어: дааа, ввеееьм;;ь;;;;;;;; 영어: TAL, Anode Layer가 있는 스러스터)는 기계건조 중앙연구소(tsNIIMASH)에 있다.
소련과 러시아 SST 추진기

SST 디자인은 대체로 A의 작품이었다.I. 모로조프.[7][8]소비에트 유성 우주선에 탑재된 SPT-50인 우주에서 운용되는 최초의 SPT가 1971년 12월 발사되었다.그것들은 주로 남북 방향과 동서 방향의 위성 안정화에 사용되었다.이후 1990년대 후반까지 118대의 SPT 엔진들이 임무를 완수했고 50여 대가 계속 운행되었다.SST 엔진 1세대인 SPT-50과 SPT-60의 추력은 각각 20mN과 30mN이었다.1982년 SST-70과 SFT-100이 도입되었으며, 추력은 각각 40mN과 83mN이다.소련의 후기 러시아 고출력(500W 미만) SPT-140, SPT-160, SPT-200, T-160, 저전력(500W 미만) SPT-35가 도입되었다.[9]

소련과 러시아 TAL형 추력기는 D-38, D-55, D-80, D-100을 포함한다.[9]

소련제 추력기는 1992년 탄도 미사일방어기구의 지원을 받아 미 항공우주국(NASA) 제트추진연구소, 글렌 연구센터, 공군연구소의 전기추진 전문가 팀이 러시아 연구소를 방문해 SPT-100(즉, SPT-100)을 실험적으로 평가한 후 서구에 도입됐다.직경 100mm SPT 추진기).지난 30년 동안 200개가 넘는 홀 추진기가 소련/러시아 인공위성을 타고 날아왔다.궤도에서 어떤 실패도 일어나지 않았다.홀 추진기는 러시아 우주선에서 계속 사용되며 유럽과 미국 우주선에서도 비행했다.미국의 상업용 위성 제조업체인 스페이스 시스템/로랄은 이제 그들의 GEO 통신 우주선에 파켈 SPT-100을 띄운다.

1990년대 초 서양에 도입된 이래 홀러스트러스는 미국, 프랑스, 이탈리아, 일본, 러시아(세계 여러 나라에 더 작은 노력이 많이 흩어져 있음)에 걸쳐 수많은 연구 노력의 대상이 되어 왔다.미국의 홀 추진체 연구는 몇몇 정부 연구소, 대학, 민간 기업에서 이루어진다.정부 및 정부 지원 센터에는 NASA의 제트 추진 연구소, NASA의 글렌 연구 센터, 공군 연구 연구소(Edwards AFB, CA), 항공우주 공사가 있다.대학으로는 미 공군기술연구소,[10] 미시간대, 스탠퍼드대, 매사추세츠공대, 프린스턴대, 미시간공대, 조지아공대가 있다.일본의 IHI 코퍼레이션, 미국의 에어로젯과 부섹, 프랑스의 SNECMA, 우크라이나의 LAJP, 이탈리아의 SITAEL, 한국의 Satrec Initiative 등 산업에서 상당한 발전이 이루어지고 있다.

홀 추진기를 달 궤도에 처음 사용한 것은 2003년 유럽우주국(ESA) 달 임무 SMART-1이었다.

홀 추진기는 러시아 D-55를 비행한 NRL(Navy Research Laboratory Laboratory) STEX 우주선의 서부 위성에서 처음 시연됐다.우주로 날아간 최초의 아메리칸 홀 추진체는 TacSat-2 기술 시연 우주선에 탑재된 Busek BHT-200이었다.작전 임무를 수행 중인 미국 홀 추진기의 첫 비행은 2010년 8월 군사용 첨단 고주파수 GEO 통신 위성으로 발사된 에어로젯 BPT-4000이었다.4.5kW의 BPT-4000은 또한 우주에서 비행한 가장 높은 파워 홀 추진체다.통상적인 스테이션 키핑 작업 외에도 BPT-4000은 우주선에 궤도 상승 능력도 제공하고 있다.X-37B는 AEHF 위성 시리즈 홀 추진기의 테스트베드로 사용되어 왔다.[11]전 세계의 몇몇 나라들은 상업적 사용을 위해 홀 추진기 기술의 자격을 얻기 위한 노력을 계속하고 있다.세계에서 가장 큰 위성 별자리 스페이스X 스타링크 별자리는 홀 추진기를 사용한다.그들은 또한 소행성 탐사를 위한 프시케 우주선 설계에 포함되어 있다.

작동 원리

홀 추진기의 기본 작동 원리는 정전기 전위를 사용하여 이온을 고속으로 가속한다는 것이다.홀러 추진기에서 매력적인 음전하가 격자 대신 추진기의 오픈 엔드에 있는 전자 플라즈마에 의해 제공된다.약 100–300 G(0.01–0.03 T)의 방사형 자기장이 전자를 구속하는데 사용되며, 방사형 자기장과 축방향 전기장의 조합으로 전자가 방위각으로 표류하여 장치가 이름을 얻는 홀 전류를 형성한다.

홀드러스터.홀 스러스터는 대부분 축 대칭이다.이것은 그 축을 포함하는 단면이다.

인접한 이미지에는 홀 추진기의 개략도가 표시된다.양극과 음극 사이에 150~800V 사이의 전위가 가해진다.

중앙 스파이크는 전자석의 한 극을 형성하고 환상 공간으로 둘러싸여 있으며, 그 둘레에는 전자석의 다른 극이 있고 그 사이에 방사형 자기장이 있다.

제논 가스 같은 추진체는 양극을 통해 공급되는데, 양극에는 수많은 작은 구멍이 뚫려 가스 배급사 역할을 한다.중성 제논 원자가 추진기의 채널로 확산되면서 순환하는 고에너지 전자(일반적으로 10–40 eV 또는 방전 전압의 약 10%)와의 충돌에 의해 이온화된다.대부분의 제논 원자는 +1의 순전하까지 이온화되지만, 눈에 띄는 분수(~20%)는 +2 순전하를 가진다.

제논 이온은 양극과 음극 사이의 전기장에 의해 가속된다.300V의 방전 전압의 경우, 이온은 약 15km/s(9.3mps)의 속도에 도달하여 1,500초(15kN/s/kg)의 특정 임펄스에 도달한다.그러나 퇴장하자마자 이온들은 그들과 같은 수의 전자를 끌어당겨 순전하가 없는 플라즈마 플룸을 만든다.

방사상 자기장은 저질량 전자를 실질적으로 꺾을 수 있을 만큼 충분히 강하도록 설계되어 있지만 훨씬 더 큰 질량 이온을 가지고 있고 거의 방해받지 않는 고질량 이온은 아니다.따라서 대부분의 전자는 E×B(축전장 및 방사상 자기장)에 갇힌 채 추진기 출구 평면 근처의 높은 방사상 자기장 영역에 궤도를 선회하는 상태로 고착된다.이 전자의 궤도 회전은 순환 홀 전류로, 홀 추진기가 그 이름을 얻은 것은 이로부터이다.플라즈마 불안정성뿐만 아니라 다른 입자와 벽과의 충돌은 전자의 일부를 자기장으로부터 해방시켜 양극 쪽으로 표류하게 한다.

방전 전류의 약 20-30%는 전자 전류로 추력을 생성하지 않으므로 추진기의 에너지 효율이 제한되며, 나머지 70-80%는 이온에 있다.대다수의 전자가 홀 전류에 갇혀 있기 때문에 추진체 내부에서 체류 시간이 길고 거의 모든 제논 추진체를 이온화할 수 있어 90~99%의 대량 사용이 가능하다.따라서 추진기의 대량 사용 효율은 약 90%인 반면 방전 전류 효율은 약 70%인 반면, 복합 추진기 효율은 약 63%(=90% × 70%)이다.현대 홀 스러스터는 고급 디자인을 통해 75%의 효율을 달성했다.

화학 로켓에 비해 추력은 매우 작으며, 300 V, 1.5 kW로 작동하는 일반적인 추진기의 경우 83 mN의 순서로 매우 작다.비교하자면, 미국 분기나 20센트 유로 동전 같은 동전의 무게는 대략 60 mN이다.모든 형태의 전기 동력 우주선 추진과 마찬가지로 추력은 가용 전력, 효율성, 특정한 충동에 의해 제한된다.

그러나 홀 스러스터는 전기 추진에 일반적인 높은 특정 임펄스에서 작동한다.격자형 이온 추진기와 비교했을 때 홀 스러스터의 한 가지 특별한 이점은 이온의 생성과 가속이 준중립 플라즈마에서 발생하기 때문에 추력 밀도에 Child-Langmuir 충전(공간 충전) 포화 전류 제한이 없다는 것이다.이것은 격자형 이온 추진기에 비해 훨씬 작은 추진기를 허용한다.

또 다른 장점은 이러한 추력기가 음극에서 쉽게 이온화되는 것이 필요하지만 양극에 공급되는 보다 다양한 추진체를 사용할 수 있다는 것이다.[12]

추진제

제논

제논은 홀 추진기를 포함한 많은 전기 추진 시스템의 대표적인 추진제 선택이었다.[13]제논 추진체는 높은 원자량과 낮은 이온화 가능성 때문에 사용된다.제논은 비교적 보관이 용이하며, 비스무트 같은 금속 추진체와 달리 우주선 운용 온도에서 기체로서 사용 전에 기화시킬 필요가 없다.제논의 높은 원자량은 질량 단위당 이온화에 소비되는 에너지의 비율이 낮다는 것을 의미하며, 이는 보다 효율적인 추진으로 이어진다.[14]

크립톤

크립톤은 홀 추진기의 또 다른 선택이다.제논은 12.1298 eV의 이온화 전위를 가지고 있고 크립톤은 13.996 eV의 이온화 전위를 가지고 있다.[15]크립톤을 활용한 추력자가 분자당 에너지를 조금 더 많이 소모해 이온화해야 효율이 떨어진다는 의미다.또한 크립톤은 더 가벼운 분자여서 제논에 비해 이온화 에너지당 단위 질량이 더욱 감소한다.그러나 제논은 kg당 크립톤보다 10배 이상 비쌀 수 있어 홀 스러스터러에 크립톤을 연료로 하는 스페이스X의 스타링크와 같은 위성 별자리를 만드는 데 크립톤을 더 경제적인 선택으로 만든다.[16][17]

변형

원통형 홀 스러스터

진공 챔버에서 Exotrail ExoMG™ - 나노(60W) 홀 효과 추진기 발사

재래식(안내식) 홀 추진기는 킬로와트 전력 시스템에서는 효율적이지만, 작은 크기로 크기를 조정하면 효율성이 떨어진다.이는 채널 크기를 줄이고 적용된 자기장 강도를 증가시키면서 성능 스케일링 파라미터를 일정하게 유지하는 것과 관련된 어려움 때문이다.이것이 원통형 홀 추진기의 설계로 이어졌다.원통형 홀 추진기는 비전통적 방전-챔버 기하학 및 관련 자기장 프로필로 인해 더 쉽게 소형으로 확장할 수 있다.[18][19][20]원통형 홀 추진기는 기존의 홀 추진기보다 소형화와 저전력 작동에 더 용이하다.원통형 홀 추진기의 1차적인 이유는 45~55%[21]의 효율을 유지하면서 ~1kW에서 ~100W까지 넓은 봉투에 걸쳐 작동하는 일반 홀 추진기를 달성하기 어렵기 때문이다.

외부 배출 홀 추진기

자기 회로를 보호하는 방전 채널 벽과 극 조각이 스퍼터링 침식으로 인해 추진기 작동이 실패하게 된다.따라서 환상형 및 원통형 홀 추진기는 수명이 제한된다.자기 차폐가 방전 채널의 벽 부식을 현저히 감소시키는 것으로 나타났지만, 극 조각 부식은 여전히 우려되는 사항이다.[22]대안으로 외부 방전 홀 추진기 또는 외부 방전 플라즈마 추진기(XPT)라는 파격적인 홀 추진기 디자인이 도입됐다.[23][24][25]외부 방전 홀 추진기는 방전 채널 벽이나 폴 파트를 가지고 있지 않다.플라즈마 방전은 추진체 구조물 외부의 열린 공간에서 완전히 생산되고 유지되며, 따라서 침식 없는 작동이 달성된다.

적용들

An illustration of the Gateway's Power and Propulsion Element (PPE) and Habitation and Logistics Outpost (HALO) in orbit around the Moon in 2024.
달 궤도에 있는 게이트웨이의 삽화.게이트웨이의 궤도는 홀 추진기로 유지될 것이다.

홀 추진기는 소련이 운석 위성에 SPT-50을 발사한 1971년 12월부터 우주에서 비행하고 있다.[26]그 이후로 240개가 넘는 추진기들이 100% 성공률로 우주 공간을 날아다녔다.[27]현재 홀 스러스터는 상용 LEO와 GEO 통신 위성을 통해 일상적으로 비행되며, 거기서 궤도 삽입 및 스테이션 보관을 위해 사용된다.

서양 위성을 타고 비행한 최초의[failed verification] 홀 추진체는 1998년 10월 3일 발사된 NRO의 STEX 우주선에 TsNIIMASH가 제작한 러시아 D-55였다.[28]

유럽우주국(European Space Agency) SMART-1 우주선의 태양전기 추진 시스템은 스네크마 PPS-1350-G 홀 추진기를 사용했다.[29]SMART-1은 달 궤도를 도는 기술 시연 임무였다.2003년 9월 28일부터 시작된 PPS-1350-G의 이러한 사용은 지구동기식 지구 궤도(GEO) 밖에서 홀 추진기를 처음으로 사용한 것이다.상용 애플리케이션에 사용되는 대부분의 홀 추진 시스템과 마찬가지로 SMART-1의 홀 추진 장치는 다양한 동력, 특정 충동 및 추력에 의해 조절될 수 있다.[30]방전 전력 범위는 0.46–1.19 kW, 특정 임펄스 1,100–1,600 초, 추력 30–70 mN이다.

스페이스X 스타링크 클러스터의 많은 작은 위성들은 위치 유지와 탈부착을 위해 크립톤 연료의 홀 추진기를 사용한다.[17]

톈궁 우주정거장에는 홀 효과 추진기가 설치돼 있다.톈허 핵심 모듈은 화학 추진기와 이온 추진기 4개로 추진되는데,[31] 이 두 모듈은 우주정거장의 궤도를 조정하고 유지하기 위해 사용된다.중국에서는 홀 효과 추력기 개발이 민감한 화두로 꼽히는데, 과학자들은 "관심을 끌지 않고 기술을 향상시키기 위해 노력한다"고 한다.홀 효과 추진기는 가속 이온 입자에 의한 침식과 손상을 방지하기 위해 유인 임무 안전을 염두에 두고 제작된다.자기장과 특별히 설계된 세라믹 실드가 만들어져 손상입자를 물리치고 추력기의 무결성을 유지했다.중국과학원에 따르면 톈궁에 사용된 이온 구동장치가 결함 없이 8,240시간 동안 계속 연소돼 중국 우주정거장의 15년 수명에 적합함을 알 수 있다.[32]이것은 인간 등급의 임무에 대한 세계 최초의 홀 추진 장치다.[33]

제트추진연구소(JPL)는 마이크 캐시디가 이끄는 아폴로 퓨전(Apolo Fusion)에 자기 차폐형 미니어처(Magnetic Shielded Minerial) 또는 MaSMI Hall 추진기 기술로 독점 상업적 허가를 부여했다.[34]2021년 1월, 아폴로 퓨전은 요크 스페이스 시스템스와 "아폴로 Constellation Engine"[35]이라는 최신 반복 주문을 위한 계약을 확보했다고 발표했다.

2022년 말 미 항공우주국(NASA) 소행성 프시케호는 제논 가스 홀 스러스터를 활용할 예정이다.[36]이 전기는 이 우주선의 75평방미터의 태양 전지판에서 나올 것이다.[37]

NASA가 인간 등급의 임무를 맡은 최초의 홀 추진기는 Busek가 제공하는 6kW 홀 추진기와 NASA AEPS(Advanced Electric Propropulation System) 홀 추진기의 조합이 될 것이다.그들은 NASA의 Artemis 프로그램에 따라 Maxar의 달 게이트웨이의 전력 및 추진 요소(PPE)에서 1차 추진 역할을 하게 될 것이다.[38]홀 스러스터의 높은 특정 임펄스는 효율적인 궤도 상승을 가능하게 하고 루나 게이트웨이의 극지 근직선 후광 궤도를 위한 정거장을 유지할 수 있게 할 것이다.

개발중

개발 중인 가장 높은 파워홀 효과 추진체는 미시간 대학의 100kW X3 중첩 채널홀 추진이다.이 추진기는 직경이 약 80cm이고 무게가 230kg이며, 5.4N의 추력을 보였다.

다른 고출력 추진 장치로는 NASA의 40kW 첨단 전기 추진 시스템(AEPS)이 있는데, 이는 대규모 과학 임무와 깊은 우주에서의 화물 수송을 추진하기 위한 것이다.[40]

참조

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