펄스 플라즈마 스러스터

플라즈마 제트 엔진으로도 알려진 펄스 플라즈마 스러스터(PPT)는 전기 우주선 ^[1]추진의 한 형태이다.PPT는 일반적으로 전기 우주선 추진의 가장 단순한 형태로 여겨지며 1964년부터 ^[2]두 개의 소련 탐사선 (존드 2와 존드 3)을 타고 우주로 날아간 최초의 전기 추진 형태였다.PPT는 일반적으로 풍부하게 이용 가능한 태양 에너지로부터 잉여의 전기로 우주선을 타고 비행한다.

작동

대부분의 PPT는 고체 물질(일반적으로 Teflon으로 더 잘 알려진 PTFE)을 추진제로 사용하지만, 액체 또는 기체 추진제를 사용하는 경우는 거의 없습니다.PPT 작동의 첫 번째 단계는 연료를 통과하는 전기의 아크를 포함하며, 이는 연료의 절제 및 승화를 일으킵니다.이 아크로 인해 발생하는 열에 의해 생성된 가스가 플라즈마로 바뀌어 충전된 가스 구름이 형성됩니다.절제력으로 인해 플라즈마는 두 개의 대전 플레이트(아노드 및 음극) 사이에서 저속 추진됩니다.플라즈마가 충전되기 때문에 연료는 효과적으로 두 플레이트 사이의 회로를 완성하여 플라즈마를 통해 전류가 흐를 수 있도록 합니다.이러한 전자 흐름은 강력한 전자기장을 발생시키고, 이 전자기장은 플라즈마에 로렌츠 힘을 가하여 플라즈마를 PPT 배기가스 밖으로 ^[1]고속으로 가속시킵니다.그것의 작동 방식은 레일건과 유사하다.각 연료 버스트 후 플레이트를 충전하는 데 필요한 시간 및 각 아크 사이의 시간 때문에 펄스가 발생합니다.펄스의 주파수는 보통 매우 높기 때문에 거의 연속적이고 부드러운 추력을 생성합니다.추력은 매우 낮지만 PPT는 장시간 연속적으로 작동하여 최종 속도가 커집니다.

각 펄스에 사용되는 에너지는 ^[3]캐패시터에 저장됩니다.각 캐패시터 방전 사이의 시간을 변화시킴으로써 PPT의 추력 및 파워 드로우를 변화시켜 시스템을 ^[2]다용도로 사용할 수 있다.

화학 추진과의 비교

우주선의 속도 변화에 대한 방정식은 로켓 방정식으로 다음과 같이 주어진다.

$\displaystyle \Delta v=v_{\text{e}}\ln {frac {m_{0}}{m_{1}}}$

여기서:

$v \displaystyle \Delta$ v$\$ }는 (외부 힘이 작용하지 않는) 차량의 최대 속도 변화인 델타-v입니다.

${\displaystyle v_{}}$e {\$displaystyle v_{\text{e}}}$는 유효 배기 $$입니다( ${\displaystyle v_{}}$ e ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\text{I}}_{}}$ sp${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ g$$ {\$displaystyle v_{\text{e$}} $=$$I_{\text{sp}}\cdot g_{$0$$}. $여기$서$sp$(\displaystyle $I_{\text{sp})$는 기간으로 표현되는 특정 임펄스, ${\displaystyle {g\mathrm{}}_{}}$0(\$displaystyle g_{0})$은 표준 중력)입니다.

$\displaystyle \ln }$은 자연 로그 함수를 나타냅니다.

${\displaystyle {m\mathrm{}}_{}}$ 0$({$은 추진제를 포함한 초기 총 질량입니다.

${\displaystyle {m\mathrm{}}_{}}$ 1$({$은 최종 총 질량입니다.

PPT는 화학 추진 엔진보다 배기 속도가 훨씬 높지만 연료 유량이 훨씬 더 적습니다.위에 언급된 치올코프스키 방정식에서, 이것은 추진된 비행선의 비례적으로 더 높은 최종 속도를 가져옵니다.PPT의 배기 속도는 수십 km/s 정도이며, 기존의 화학 추진은 2-4.5 km/s 범위에서 열 속도를 발생시킨다.이러한 낮은 열 속도 때문에, 화학 추진 장치는 높은 차량 속도에서 기하급수적으로 덜 효과적이며, PPT와 같은 전기 우주선 추진 장치를 사용해야 합니다.따라서 PPT와 같은 전기 추진 시스템을 사용하여 20-70km/s 범위의 높은 행성간 속도를 생성하는 것이 유리하다.

NASA의 연구 PPT(2000년 발표)는 13,700m/s의 배기 속도를 달성했고 860µN의 추력을 발생시켰으며 70W의 전력을 ^[1]소비했다.

장점과 단점

PPT는 본질적으로 단순한 설계(다른 전기 우주선 추진 기법에 비해 상대적으로) 때문에 매우 견고하다.전기 추진 시스템으로서 PPT는 기존의 화학 로켓에 비해 연료 소비량이 감소하여 발사 질량이 감소하여 발사 비용이 절감될 뿐만 아니라 높은 비충격 개선 ^[1]성능도 얻을 수 있다.

그러나 지연 시간 절제 및 추진제에서 나머지 우주선으로의 신속한 전도성 열 전달로 인한 에너지 손실 때문에 다른 형태의 전기 추진에 비해 추진 효율(배기 운동 에너지/사용 에너지 총량)이 약 10%로 매우 낮습니다.

사용하다

PPT는 자세 제어, 정거장 유지, 궤도 이탈 기동 및 심우주 탐사와 같은 역할을 위해 질량이 100kg(특히 큐브샛) 미만인 비교적 작은 우주선에 사용하기에 적합하다.PPT를 사용하면 PPT의 ^[3]고유한 단순성과 상대적으로 낮은 비용 특성으로 인해 복잡성이나 비용이 크게 증가하지 않고 이러한 소규모 위성 임무의 수명을 두 배로 늘릴 수 있다.

PPT는 1964년 11월 30일 소련의 존드 2호 우주탐사선에서 처음 사용되었다.

2000년 11월, 나사는 지구 관찰-1 우주선에서 비행 실험으로 PPT를 발사했다.스러스터는 성공적으로 우주선에서 롤 제어를 수행할 수 있는 능력을 입증했으며 펄스 플라즈마로부터의 전자파 간섭이 다른 ^[1]우주선 시스템에 영향을 미치지 않는다는 것을 입증했다.펄스 플라즈마 스러스터는 홀 효과 이온 ^[2]스러스터와 같은 다른 형태의 전기 추진에 비해 PPT와 관련된 비교적 단순하고 저렴한 비용으로 인해 전기 추진 실험을 시작하기 위해 대학에서 사용하는 연구 수단이기도 합니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 진공 아크 추진기

레퍼런스

외부 링크

• "Design of a High-energy, Two-stage Pulsed Plasma Thruster". Princeton University. Retrieved 2020-06-27.
• "EO1 Pulsed Plasma Thruster" (PDF). Goddard Space Flight Center. Archived from the original (PDF) on 2011-07-16. Retrieved 2020-06-27.
• Ephraim Chen. "Gas-Fed Pulsed Plasma Thrusters: From Sparks to Laser Initiation" (PDF). Princeton University. Retrieved 2020-06-27.
• Michael Bretti. "AIS-gPPT3-1C Single-Channel Gridded Pulsed Plasma Thruster". Applied Ion Systems. Retrieved 2020-06-27.