우주선 전기 추진

Spacecraft electric propulsion
NASAJet 추진 연구소에서 가동 중인 6kWHall 추진기

우주선 전기 추진(또는 단순히 전기 추진)은 질량을 고속으로 가속하기 위해 정전장이나 전자기장을 이용하여 궤도에서 우주선의 속도를 수정하기 [1]위해 추력을 발생시키는 우주선 추진 기술의 한 종류이다.추진 시스템은 전력 전자 장치에 의해 제어됩니다.

전기 추진기는 일반적으로 [1]화학 로켓보다 배기 속도가 더 높기 때문에 화학 로켓보다 훨씬 적은 추진제를 사용한다.제한된 전력 때문에 화학 로켓에 비해 추력은 훨씬 약하지만 전기 추진력은 더 오랜 시간 [2]추력을 제공할 수 있다.

전기 추진은 NASA에 의해 처음으로 성공적으로 입증되었고 현재 우주선에서 성숙하고 널리 사용되는 기술이다.미국과 러시아의 인공위성은 수십 [3]년 동안 전기추진장치를 사용해 왔다.2019년 현재, 태양계 전체에서 운행되는 500개 이상의 우주선이 정거장 유지, 궤도 상승 또는 1차 [4]추진에 전기 추진력을 사용한다.미래에는, 가장 진보된 전기 추진기가 100 km/s의 델타-v를 줄 수 있을 지도 모른다. 이것은 태양계의 외부 행성에 우주선을 타고 갈 수 있는 충분한 양이지만, 성간 [1][5]이동에는 충분하지 않다.외부 동력원이 있는 전기 로켓(광전지판의 레이저를 통해 전송 가능)은 이론적으로 성간 [6][7]비행의 가능성을 가지고 있다.하지만, 전기 추진은 추진력이 너무 적기 때문에 지구 표면에서 발사하기에는 적합하지 않다.

화성으로의 여행에서, 화학 로켓은 단지 몇 [8]퍼센트만 운반할 수 있는 반면, 전기로 움직이는 우주선은 초기 질량의 70%를 목적지까지 운반할 수 있을 것이다.

역사

우주선을 위한 전기 추진의 아이디어는 1911년 콘스탄틴 [9]치올코프스키에 의해 소개되었다.이에 앞서 로버트 고다드는 개인 [10]공책에서 이런 가능성을 언급했다.

1929년 5월 15일, 소련의 연구소 가스 역학 연구소(GDL)는 전기 로켓 엔진의 개발을 시작했다.발렌틴 글루시코가 [11]이끈 그는 1930년대 초에 세계 최초로 전기 열 로켓 [12][13]엔진의 예를 만들었다.GDL에 의한 이 초기 작업은 꾸준히 진행되어 1960년대에 Voskhod 1호 우주선과 Zond-2 금성 [14]탐사선에 전기 로켓 엔진이 사용되었다.

1973년 토니 마틴이 핵 원자로를 이용한 전기 동력 추진은 성간 프로젝트 다이달로스를 위해 고려되었지만, 그 추력 프로필, 핵 에너지를 전기로 변환하는 데 필요한 장비의 무게, 그리고 그 결과 소량의 가속 때문에 접근은 거부되었다.속도[15]

전기 추진의 첫 시연은 NASA SERT-1 (우주 전기 로켓 시험)[16][17] 우주선에 탑재된 이온 엔진이었다.1964년 7월 20일 발사되어 31분간 [16]운행되었다.1970년 2월 3일 후속 임무인 SERT-2가 발사되었다.하나는 5개월 이상, 다른 하나는 거의 3개월 [16][18][19]동안 작동하는 두 개의 이온 추진기를 탑재했다.

2010년대 초, 많은 위성 제조사들은 인공위성에 전기 추진 옵션(주로 궤도상의 자세 제어용)을 제공하고 있었고, 일부 상용 통신 위성 사업자들은 기존의 화학 로켓 [20]엔진 대신 지동 궤도 삽입을 위해 이 옵션을 사용하기 시작했다.

종류들

이온 및 플라즈마 드라이브

이러한 종류의 로켓 같은 반응 엔진은 추진제로부터 추진력을 얻기 위해 전기 에너지를 사용합니다.로켓 엔진과 달리, 이러한 종류의 엔진은 노즐을 필요로 하지 않기 때문에 진정한 [citation needed]로켓으로 간주되지 않는다.

우주선용 전기 추진 추진기는 플라즈마의 이온을 가속하는 데 사용되는 힘의 유형에 따라 세 가지 계열로 분류할 수 있다.

정전

주요 기사:이온 스러스터

가속도가 주로 쿨롱 힘에 의해 발생하는 경우(즉, 가속 방향으로 정적 전계를 적용하는 경우) 장치는 정전기로 간주됩니다.종류:

전열

전열 범주는 벌크 추진제의 온도를 높이기 위해 플라즈마를 생성하기 위해 전자장을 사용하는 장치를 그룹화합니다.추진제 가스에 주어진 열 에너지는 고체 물질 또는 자기장의 노즐에 의해 운동 에너지로 변환됩니다.저분자량 가스(예: 수소, 헬륨, 암모니아)는 이러한 종류의 시스템에 적합한 추진제이다.

전열엔진은 노즐을 이용해 열을 직선운동으로 변환하기 때문에 열을 발생시키는 에너지가 외부로부터 나와도 진정한 로켓이다.

비임펄스(Ip)로 환산하면 500~1000초이지만 냉가스 추진기, 단연제 로켓, 심지어 대부분의 2연제 로켓을 능가한다.소련에서는 1971년부터 전열 엔진이 사용되기 시작했으며, 소련의 "메테오르-3", "메테오르-프리로다", "레수르-O" 위성 시리즈와 러시아의 "엘렉트로" 위성이 이를 [21]장착하고 있다.에어로젯(MR-510)의 전열 시스템은 현재 히드라진을 추진체로 사용하는 록히드 마틴 A2100 위성에 사용되고 있다.

전자파

주요 기사 : 플라즈마 추진 엔진

전자기 스러스터는 로렌츠 힘 또는 전자장이 가속 방향으로 이동하지 않는 전자기장의 효과에 의해 이온을 가속합니다.종류:

비이온 드라이브

포토닉

참고 항목: 레이저 추진 및 Photon 로켓

포토닉 드라이브는 광자와만 상호작용합니다.

전기 다이내믹 테더

주요 기사:전기 다이내믹 테더

전기 동적 테더는 테더 위성에서 전개된 것과 같은 긴 전도선입니다. 테더 위성은 발전기, 운동 에너지를 [22]전기에너지로 변환하거나 모터로 전환하여 전자기 원리로 작동할 수 있습니다.전위는 지구 자기장을 통과하는 운동에 의해 전도성 테더에 걸쳐 생성됩니다.전기동적 테더에 사용되는 금속 도체의 선택은 전기 전도율 및 밀도와 같은 요인에 의해 결정됩니다.애플리케이션에 따라 비용, 강도 및 용해점이 2차 요인입니다.

논쟁의 여지가 있다

제안된 추진 방법 중 일부는 명백히 현재 알려진 물리 법칙에 위배된다.[23]

안정성과 불안정성

전기 추진 시스템은 안정적(소정 기간 동안 연속 점화) 또는 비정상적(희망 임펄스로 누적되는 펄스 점화)으로 특징지을 수 있다.이러한 분류는 모든 유형의 추진 엔진에 적용할 수 있다.

동적 속성

상세 정보:반응 엔진 energy 에너지 사용

전기로 움직이는 로켓 엔진은 [2]우주선에서 사용할 수 있는 제한된 전력 때문에 화학 로켓에 비해 몇 배 정도 낮은 추진력을 제공한다.화학 로켓은 연소 생성물에 에너지를 직접 전달하는 반면, 전기 시스템은 몇 가지 단계를 필요로 합니다.하지만, 같은 추력에 소비되는 고속과 낮은 반응 질량은 전기 로켓이 더 적은 연료로 달릴 수 있게 해준다.이것은 엔진이 더 많은 연료를 필요로 하고 우주선이 대부분 관성 궤적을 따르도록 요구하는 전형적인 화학 동력 우주선과는 다릅니다.행성 근처에 있을 때, 낮은 추력 추진은 중력을 상쇄하지 못할 수도 있다.전기 로켓 엔진은 행성 표면에서 차량을 들어올릴 충분한 추력을 제공할 수 없지만, 오랜 시간 동안 낮은 추력을 가하면 우주선이 행성 근처에서 조종할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c Choueiri, Edgar Y. (2009) 전기 로켓 Scientific American 300의 새로운 새벽, 58-65 doi:10.1038/scientific American 09-58
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  3. ^ "Electric Propulsion Research at Institute of Fundamental Technological Research". 16 August 2011. Archived from the original on 16 August 2011.
  4. ^ Lev, Dan; Myers, Roger M.; Lemmer, Kristina M.; Kolbeck, Jonathan; Koizumi, Hiroyuki; Polzin, Kurt (June 2019). "The technological and commercial expansion of electric propulsion". Acta Astronautica. 159: 213–227. Bibcode:2019AcAau.159..213L. doi:10.1016/j.actaastro.2019.03.058. S2CID 115682651.
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  8. ^ Boyle, Alan (29 June 2017). "MSNW's plasma thruster just might fire up Congress at hearing on space propulsion". GeekWire. Retrieved 15 August 2021.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  9. ^ Palaszewski, Bryan. "Electric Propulsion for Future Space Missions (PowerPoint)". Electric Propulsion for Future Space Missions. NASA Glenn Research Center. Retrieved 31 December 2011.
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  11. ^ Siddiqi, Asif (2000). Challenge to Apollo : the Soviet Union and the space race, 1945-1974 (PDF). Washington, D.C: National Aeronautics and Space Administration, NASA History Div. p. 6. Retrieved 11 June 2022.
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  18. ^ NASA Glenn, "SPACE Electric ROKET TEST II (SERT II)" 2011년 9월 27일 웨이백 머신에 보관(2010년 7월 1일 접근)
  19. ^ 2010년 10월 25일 Austomerix의 Wayback Machine 페이지에서 SERT 아카이브 완료(2010년 7월 1일 액세스)
  20. ^ de Selding, Peter B. (20 June 2013). "Electric-propulsion Satellites Are All the Rage". SpaceNews. Retrieved 6 February 2015.
  21. ^ "Native Electric Propulsion Engines Today" (in Russian). Novosti Kosmonavtiki. 1999. Archived from the original on 6 June 2011.
  22. ^ M.L. 코스모와 E.C.가 편집한 NASA, Tethers In Space Handbook.Lorenzini, 제3판, 1997년 12월호(2010년 10월 20일 입수 가능), NASA MSFC 버전도 참조, 스크라이브에서 이용 가능
  23. ^ "Why Shawyer's 'electromagnetic relativity drive' is a fraud" (PDF). Archived from the original (PDF) on 25 August 2014.

외부 링크