Research Highlight (초저궤도 위성 구현을 위한 입자흡입형 전기추력기의 극저온 추진제 수송 기술)

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  초저궤도 위성 구현을 위한 입자흡입형 전기추력기의 극저온 추진제 수송 기술

  전은지 교수 연구실

 

이번 Research Highlight에서는 우리 학과 전은지 교수 연구실의 “초저궤도 위성 구현을 위한 입자흡입형 전기추력기의 극저온 추진제 수송 기술” 연구를 소개한다.

 

지구 초저궤도(Very-Low-Earth-Orbit, 이하 VLEO)는 고도 450 km 이하의 영역으로, 기존에 위성이 운용되는 궤도보다 현저히 낮아 관측 해상도 등 탑재체의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 궤도 영역이다. 그러나 이 영역에는 희박 대기가 잔존하여 위성에 항력으로 작용하므로, 임무 수명이 크게 단축되는 한계가 있다. 이로 인해 VLEO는 위성이 장기간 실용적 임무를 수행하기 어려운 영역으로 여겨져 왔다. 최근에는 입자흡입형 전기추진(Atmosphere-breathing Electric Propulsion, 이하 ABEP)이 VLEO에서 효율적인 궤도 유지를 가능하게 하는 유망한 개념으로 주목받고 있다. 항공기의 공기흡입 엔진과 유사한 작동 원리로, ABEP는 그림 1과 같이 입자흡입기(intake)를 이용하여 전방에서 유입되는 대기 유동을 포집·압축한 뒤 이를 추력 발생 장치로 공급한다. 별도의 탑재 추진제를 필요로 하지 않으므로 VLEO에서 임무 수명 제약을 획기적으로 완화할 것으로 기대되지만, ABEP 기술의 실현을 위해서는 희박 대기를 효과적으로 포집하고 압축할 수 있는 입자흡입기의 개발이 핵심 요소로 평가된다.

 

< 그림 1 ABEP 작동 원리 개념도 >

 

 

우리 학과 전은지 교수 연구실에서는 입자흡입기의 포집 및 압축 성능을 극대화할 수 있는 극저온 응축-재생 능동형 입자흡입기(Cryocondensation-Regeneration Active Intake Device, 이하 CRAID)의 설계와 운용 방식을 고안하였다. CRAID는 그림 2와 같이 수동형 입자흡입기에 극저온 패널, 저장 용기, 유량 제어기를 통합한 구조이며, 세 단계의 시퀀스를 통해 운용된다. 가장 먼저, 응축 시퀀스에서는 유입되는 기체를 극저온 패널 상에 응축 저장한다. 두 번째는 재생 시퀀스로, 충분한 양의 응축물이 저장되면 기체 용기의 전면 밸브를 폐쇄하고 극저온 패널의 온도를 높여 응축물을 저장 용기 내에 고압의 기체로 재생한다. 재생된 기체 추진제는 유량제어기를 통해 추력기에 수송한다. 마지막 시퀀스는 냉각 시퀀스로, 앞선 두 시퀀스를 반복하기 위해 극저온 패널의 온도를 다시 냉각한다.

 

 

< 그림 2 CRAID 개념도(상) 및 작동 시퀀스 모식도(하) >

 

 

연구팀은 CRAID의 개념 제안을 넘어 운용 가능성을 분석하기 위해, 실제 VLEO 위성 탑재 시에 요구되는 사양과 궤도상 성능을 전산해석적으로 분석하였다. 희박기체 해석기법인 몬테카를로 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)에 상변이 및 열부하 물리 모델을 적용하여 그림 3과 같이 궤도상 대기의 응축 및 수송 특성을 정량화 하고 극저온 표면의 온도 제어와 운용 시퀀스 달성을 위해 필요한 냉각기 요구 성능을 산출하였다.

 

 

< 그림 3 응축 시퀀스(상) 및 재생 시퀀스(하)의 기체 분자 수밀도 분포 >

 

 

더 나아가, CRAID의 완전 항력 보상 가능성을 평가하기 위해 전기추력기 플라즈마 해석, 추력-항력 임펄스 비교, 전력 균형 평가 등 다학제적 분석 기법을 통합한 전산 해석 프레임워크를 개발하였다. 그림 4에 나타낸 바와 같이, CRAID 탑재 위성체의 항력을 정밀하게 분석하고, 고도에 따른 운용 시퀀스 별 소요 시간과 필요 전력을 계산하였다. 이를 바탕으로 위성 시스템에서의 CRAID 운용 절차와 요구 사양을 정량적으로 제시하였으며, 완전 항력 보상을 달성할 수 있는 비행 영역을 도출함으로써 CRAID를 통한 ABEP 기술의 실현 가능성을 확인하였다.

 

 

< 그림 4 CRAID 통합 위성체에 대한 대기 항력 해석 영역(좌) 및 고도에 따른 운용 시퀀스 소요 시간과 필요 전력량(우) >

 

 

논문명: Operational Feasibility Analysis of a Cryogenic Active Intake Device for Atmosphere-Breathing Electric Propulsion

 

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2026.112138

 

 

 

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

편집                   김준서[junnius@kaist.ac.kr]