Research Highlight (전은지 교수)

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- 초저궤도 위성운용을 위한 입자흡입형 전기추력기 전산 해석 연구 -

 

  비평형 기체 플라즈마 연구실(지도교수: 전은지)의 박사과정 문건웅 학생과 석사과정 고영일 학생은 초저궤도에서 위성을 운용하기위한 입자흡입형 전기추력기에 대한 전산 해석 연구를 수행하고 있으며, 2건의 연구 성과를 2023년도에 SCI급 국제학술지인 Vacuum (IF: 4.0) 및 Acta Astronautica (IF: 3.5)에 게재하였다. 추가로, 1건의 논문을 저온 플라즈마 분야 국제학술지 Plasma Sources Science and Technology (IF: 3.8)에 투고, 게재 심사 중에 있다. 본 Research Highlight에서는 입자흡입형 전기추력기에 대한 해석 연구 성과를 종합하여 소개한다.

 

 

 

 

< KAIST AE 전은지 교수 >

 

 

  최근 위성기술 개발의 추세는 소형화와 군집화로 대표된다. 초소형 군집위성의 활용은 국방 및 민간 분야 모두에서 그 중요성이 확대되고 있다. 위성 인터넷 시장은 빠르게 성장하여 90억 달러 규모를 초과하였고, 실시간 지상 감시의 활용성은 최근 무력 분쟁지역에서 입증되고 있다. 위성은 운용 고도가 낮아질수록 통신 지연시간이 감소되고 광학 해상도의 개선을 기대할 수 있기에, 각국의 다양한 기관 및 기업에서는 고도 450 km 이하의 지구 초저궤도에 위성을 투입하기 위해 노력하고 있다. 지구 초저궤도는 위성 탑재체 성능에 있어 많은 이점을 제공하지만, 희박한 상층 대기에 의해 항력이 작용하여 궤도 하강이 발생하고, 이로 인해 위성의 임무 수명이 크게 단축되는 문제점을 수반한다. 이러한 항력을 보상하도록 우주 추진장치를 탑재하는 것이 고려될 수 있으나, 장시간 운용을 위해서는 고중량의 탑재추진제가 요구되는 점이 여전히 기술적 한계로 여겨진다.

 

  입자흡입형 전기추력기(Atmosphere-Breathing Electric Propulsion, ABEP)는 상층 대기 입자를 흡입 및 압축하여 추진제로 획득, 이를 전자기장을 통해 이온화 및 가속 배기하여 추력을 얻는 개념적 우주 추진장치이다. 이를 통해 탑재추진제 없이 초저궤도에서 장시간의 항력 보상기동이 가능할 것으로 기대되는 기술이다. 그림 1은 입자흡입형 전기추력기의 개념도이다. 입자흡입형 전기추력기의 개념은 우주개발 초창기인 20세기 중반에 상상에 가까운 기술로서 제시되었으나, 초저궤도 위성의 수요 증가와 더불어 본격적인 체계와 운용개념 연구가 최근에 활발히 진행되고 있다. 입자흡입형 전기추력기는 아직 실현된 사례가 없고, 기초 연구 단계에 있는 미래지향적 기술이다. KAIST의 비평형 기체 플라즈마 연구실에서는 전은지 교수의 지도 하에 입자흡입형 전기추력기에 대한 개념적 체계 분석을 전산 해석 기법을 통해 수행하고 있다. 입자흡입형 전기추력기에 대한 분석은 입자 흡입성능 특성화, 비행 영역의 산출, 배기 플라즈마 플룸 유동의 거동 분석을 포함한다. 전산 해석은 국립 슈퍼컴퓨팅 센터의 계산자원을 활용하여 대규모의 병렬 계산으로 수행되었다.

  

 

 

< 입자흡입형 전기추력기의 개념 >

 

 

  입자 흡입성능의 특성화를 위해, 희박 대기유동을 몬테카를로 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)으로 해석하였다. 이는 입자의 운동학적 특성에 기반한 해석 기법으로, 희박 고속 유동을 이루는 입자들의 거동을 확률론적으로 포착하는 방법이다. 위성체 주변부 대기 조성은 전역적 경험 모형인 NRLMSISE-00 모델을 활용하여 산출하였다. 입자흡입기의 구조적 형태, 표면 온도, 종횡비, 그리드 덕트 구성 등의 설계 인자를 다양하게 변화시키며 흡입 성능과의 상관 관계를 매개 변수적으로 탐색하였으며, 이를 통해 그림 2의 종합 형상을 도출하였다. 종합 형상의 입자흡입기를 통해 흡입된 추진제의 화학조성을 분석한 결과, 초저궤도 대기 조성 중 대부분을 차지하는 원자 산소의 분율이 약 10% 감소됨을 확인하였으며 운동학적 비평형성이 관찰되었다. 이는 입자흡입형 전기추력기의 방전 메커니즘 설계에 있어 중요한 정보를 제공한다.

 

 

 

< 입자흡입기 종합형상 >

 

 

  입자흡입형 전기추력기의 비행영역은 추력 성능이 대기 항력을 완전히 보상할 수 있는 고도 범위로 정의된다. 비행영역의 산출을 위해, 입자흡입기 종합 형상이 포함된 위성체를 설계하였으며 이에 작용하는 대기 항력을 몬테카를로 직접모사법으로 계산하였다. 전산모사를 통해 획득한 위성체 주변부 유동 특성을 그림 3에 나타내었다. 대기 입자가 흡입기 주변부에서 충돌하여 위성체에 항력을 발생시키고 감속되어 주변부에 적체되는 모습을 보인다. 위성체 표면에 전달되는 기체 입자 운동량을 종합하여 입자흡입형 전기추력기 탑재 위성의 항력을 계산하였다. 추력 성능은 0차원의 방전 해석 모델을 활용하여 계산하였다. 유도결합 플라즈마 방식의 RF 이온추력기 메커니즘을 채택하였으며, 방전과정에 대한 보존방정식을 바탕으로 해석 모델을 수립하였다. 계산된 추력과 대기 항력을 바탕으로 비행영역을 탐색한 결과, 약 200~250km 범위에서 항력 보상 기동이 가능할 것으로 추산되었다. 또한, 태양활동 등의 우주 기상에 따라 비행 영역이 민감하게 변함을 확인하였으며, 이러한 변화는 입자흡입형 전기추력기의 운용 시나리오 수립 시 고려되어야한다.

 

 

< 입자흡입형 전기추력기 탑재 위성 주변부 유동 특성 (위쪽: 개수밀도, 아래쪽: 축방향 속도) >

 

 

  입자흡입형 전기추력기는 이온화된 대기 입자를 가속하여 플룸의 형태로 배기한다. 플룸 내부에서는 고속으로 배기된 이온과 느린 중성 입자간의 전하 교환 충돌(Charge-exchange, CEX)이 발생할 수 있는데, 이로 인해 저속 이온들이 형성되고 위성체 방향으로 되돌아오는 이온 역류 현상이 일어난다. 이러한 이온의 역류 현상은 위성체 및 탑재체 표면과 상호작용하여 침식 및 대전과 같은 오염 문제를 초래할 가능성이 있다. 플룸 유동과 이온 역류 현상을 전산 모사하기 위해, 파티클-인-셀(Particle-In-Cell, PIC) 방법과 몬테카를로 직접 모사법을 결합하여 사용하였다. 다양한 화학종과 충돌 에너지에 대해 충돌 단면적을 계산할 수 있는 일반화된 공식을 유도하였으며, 이를 통해 이온 역류의 원인이 되는 이온-중성 입자의 충돌 모형을 해석에 적용하였다. 그림 4는 플룸 유동의 이온 수밀도의 공간적 분포를 나타낸 것이다. 추력기에서 배기되는 이온 빔 유동의 주변부로 확산적인 이온류가 관찰되는데, 이는 역류 이온의 수송 과정을 나타낸다. 이러한 이온의 역류 현상은 제논 등의 비활성 기체를 추진제로 활용하는 기존의 전기추력기의 배기 플룸에서도 관찰되는 현상이다. 그러나, 입자흡입형 전기추력기는 대기 조성과 동일한 기체를 이온화하여 활용하기 때문에, 배기 플라즈마와 위성체 주변부 대기 유동 입자의 전기적 들뜸 준위가 유사하고 이로 인해 플룸 이온과 외기 입자 간의 전하 교환이 더욱 활발하게 발생함을 확인하였다. 플룸 이온과 위성 주변 유동의 상호작용은 위성 오염을 악화할 수 있어, 이온 역류 해석과 오염 예측은 입자흡입형 전기추력기의 체계 개발과정에서 큰 중요성을 가진다.

 

 

 

< 입자흡입형 전기추력기의 플라즈마 플룸 유동 내 이온 분포 >

 

 

 

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원문            전은지 교수[eunji.jun@kaist.ac.kr]

편집                    이승찬[aero_sc@kaist.ac.kr]