마이크로파 전기열 추진기

MET라고도 알려진 마이크로파 전열 추진기는 마이크로파 에너지^[1](전자파 복사의 일종)를 열(또는 열) 에너지로 변환하는 추진 장치다.이러한 추력기는 주로 우주선 추진에 사용되는데, 보다 구체적으로 우주선의 위치와 궤도를 조정하는 데 사용된다.MET는 추진제 가스의 플라즈마를 지탱하고 점화시킨다.이는 가열된 추진제 가스를 생성하며, 노즐을 통과하는 가스의 팽창으로 인해 추력으로 변화한다.A MET의 가열 기능은 아크제트(다른 추진장치)의 하나와 같지만, 자유 부유 플라즈마 때문에 금속 전극의 침식에 문제가 없어 MET의 효율이 더 높다.^[2]

메커니즘 설명

MET에는 그 효율성에 기여하는 주요 특징과 부분이 포함되어 있다.부품에는 엔드플레이트 2개(노즐과 안테나), 플라스마 및 유전 분리판이 포함된다.^[1]

공명 공동은 두 개의 끝판에 의해 단락되는 둥근 겹 단면 도파관이다.충치는 분리판 근처에 있다.MET 내부에는 노즐과 안테나라는 두 개의 엔드 플레이트가 있다.노즐의 기능은 기체 플라즈마를 추력으로 변환하는 것이다.안테나는 마이크로파 전원을 입력하는 데 사용된다.비록 대부분의 힘이 플라즈마에 흡수되지만, 그 중 일부는 반사된다.MET의 또 다른 부분은 혈장이다.경우에 따라서는 플라즈마를 물질의 네 번째 상태라고도 한다.혈장은 MET의 주요 부분이다.추진체를 가열해 시스템 내부에 생성되며 추력을 발생시키기 위해 소진된다.MET의 마지막 부분은 유전분리판이다.이 MET 조각은 캐비티의 양쪽 부분을 다양한 압력으로 제어할 수 있도록 한다.

과정

설명

MET가 추력을 내기 위해서는 전기 에너지를 열 에너지로 전환하는 4단계 과정을 거쳐야 한다.

1. 추진제 가스는 먼저 노즐을 통해 MET에 접선으로 주입되어 플라즈마가 형성될 수 있다.
2. 접선적으로 함으로써 시스템에 소용돌이 흐름(원형 흐름)이 생겨 플라즈마가 안정될 수 있는 시원한 환경이 조성될 것이다.
3. 플라스마가 낮은 전자파 출력 수준에서 점화되어 추력을 일으키려면 낮은 압력에 있어야 하지만, 플라즈마가 이미 점화되었다면 높은 압력에서도 살아남을 수 있을 것이다.
4. 자유유동 플라즈마는 가열되어 노즐을 통해 방출되어 추력을 발생시킨다.

이 과정에서 안테나 부분은 안테나에 가까운 플라즈마 형성이 없는지 확인하기 위해 대기압으로 유지된다.또한 분리판이 크게 다른 두 압력으로 고정되지 않도록 하여 두 판에 스트레스를 줄 수 있다.

분자 수준에서 일어나는 일에 대한 물리적 과정도 다음과 같은 방법으로 설명할 수 있다.

1. 마이크로파 전기장은 전자가 속도를 높이게 하고, 그 다음 플라즈마 내부의 분자와 원자와 충돌하게 한다.
2. 충돌을 통해 플라즈마의 원자와 분자에게 에너지가 전달된다.
3. 그런 다음 에너지는 비탄성 충돌을 통해 열 에너지로 전환된다.^[3]

수학적으로

추력

추진력은 추진체가 풀릴 때 생기는 힘을 로켓에 가하는 힘이다.추력 공식은 다음과 같이 주어진다.

${\textstyle \tau ={\dot{m}u_{e}+(p_{e}+p_{a})A_{e}}$

Where thrust is given as ${\displaystyle \tau }$ in Newtons(N), ${\displaystyle {\dot {m}}}$ as mass flow rate in kilograms/second(kg/s), ${\displaystyle u_{e}}$ as exhaust velocity in meters/second(m/s), ${\displaystyle p_{e}}$ as exit pressure, ${\displaystyle p_{a}}$ as atmospheric 압력$,$ ${\displaystyle {그리고}_{}}$ 노즐 출구 영역으로$$ A e {\displaystyle $A_{e},$ m^2(m^2).

특정 임펄스

특정 임펄스는 MET의 연료를 얼마나 효율적으로 사용하여 추력을 만들어내느냐 하는 것이다.특정 충동에 대한 공식은 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle I_{sp}=\tau /{\dot{m}g}$

여기서 $I{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ ${\$$sp$$}$은(는) 특정 임펄스로, $thrust{\displaystyle \stackrel{}{}}$ ${\dot${$m}$은(는) N에서 추력으로, m ${\displaystyle \stackrel{}{\dot{}}}$ ${\$displaystyle$$$\tau}$은(는) 질량 흐름률(kg/s), $g{\displaystyle }$ ${\$dot{$m}$은 지구의 중력 $가속도$로 주어진다$$.

매스 관계

모멘텀 법칙의 보존을 적용할 때 추진제 질량과 우주선의 초기 질량의 관계를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

${\displaystyle M_{p}/M_{i}=1-e^{-\Delta v/I_{sp}g}}}$

여기서 ${\displaystyle M_{}}$ p ${\$은 추진체$$ 질량으로, ${\displaystyle {Mi}_{}}$ ${\$은(는) 초기 우주선 질량으로, $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ v ${\$$displaystyle \Delta v}$은 속도 변화로, I s$$ p {\$displaystystyle$ I_${$$sp$$}$은 특정$$ 임펄스로, $}$은 g}이다$$.^[4]

적용

공간

MET의 주요 목적은 우주선 추진이다.생성되는 에너지는 우주에서 추력을 만들어낼 운동 에너지로 변환될 것을 의미한다.일부 작업에는 궤도 상승과 역점 유지 등이 포함된다.궤도 상승은 추진장치를 이용해 배의 궤도를 바꾸는 반면, 역기원은 다른 우주선에 비해 우주선의 위치를 유지하고 있다.여기에는 특정 위치에서 위성을 유지하는 것도 포함된다.^[5]

주목할 만한 발명품

전자레인지용 전자열 구동장치 제어시스템

이것은 2020년 8월에 만들어진 마이크로파 전기 열 추진기의 최근 응용 프로그램 중 하나이다.이 발명품은 정밀 제어 시스템을 만들기 위해 MET의 기능을 이용했다.MET가 전자기파에서 추진체로 에너지를 변화시키면 MET의 작은 충동이 위성을 제어할 수 있게 된다.^[2]

공간 내 전기 열 추진

이 발명은 우주 전기 열 추진에 대한 MET 적응에 관련된 것이다.위성/우주선의 고도 제어와 1차 추진의 경우 튜닝 가능한 주파수 MET를 제공했다.자석 대신 발전기와 반도체를 사용하는 대체 구조 기능이 있었다.이것은 두 개의 개별 주파수에서 구동기가 작동할 수 있도록 하는 것을 더 효율적으로 만들었다.^[6]

장단점

프로스

다른 전기 열추력기와 비교했을 때, MET는 저항성보다 높은 순위를 차지하고 있으며, 일부는 그들이 아크 제트와 유사한 성능을 달성할 수 있을 것이라고 주장한다.이것은 MET가 더 높은 특정한 임펄스를 제공하거나, 더 간단한 용어로 연료량에 대해 더 많은 추력을 제공한다는 가정에 근거한다.또 다른 장점은 전자파를 수집하여 추력실에 직접 공급할 수 있기 때문에 MET는 우주 운송과 매우 호환된다는 것이다.마지막으로, MET는 수증기로 추진체로 작동될 수 있으며, 이것은 우주의 많은 다른 부분에서 발견될 수 있다.^[3]

단점

일반적으로 전열 추진기는 대부분의 다른 전기 추진 시스템 중에서 효율이 가장 낮다.MET는 이온 추력기 등 대부분의 정전기 추력기보다 순위가 낮다.^[3]또 다른 단점은 MET는 로켓 엔진에 비해 추진력이 상대적으로 낮다는 점이다.^[7]

참조