연구실 탐방 (비평형 기체 플라즈마 연구실. 지도교수 : 전은지)

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   KAIST 비평형 기체 플라즈마 연구실 (KAIST Non-equilibrium Gas and Plasma Dynamics Lab, KNGPDL)은 희박한 기체와 플라즈마의 움직임에 대하여 수치해석적 방법으로 연구하고 있습니다.

 

   뉴스페이스 시대를 맞이했고, 더 많은 우주 비행체가 우주로 나아가고 있습니다. 대기가 희박한 행성 밖 우주공간에서 움직이는 비행체를 설계하기 위해서는 주변 유동의 정확한 이해가 필요합니다. 희박한 대기의 움직임은 대기의 밀도가 충분히 높은 영역 (예를들어 지구표면)의 대기의 움직임과는 다릅니다. 이를 이해하기 위해서는 지배방정식으로 Navier-Stokes 방정식이 아닌 Boltzmann 방정식을 사용하게 됩니다. 또한 기체와 플라즈마를 입자의 집합으로 보는 미시적 관점과 입자의 움직임을 직접 모사하는 방법을 사용하고 있습니다.

 

   KNGPDL의 연구분야는 크게 극초음속 희박대기 유동해석과 전기추력기를 위한 플라즈마 유동해석 두가지 분야로 나누어 집니다.

 

 

1.  극초음속 희박대기

   유동해석 행성탐사 착륙임무를 위해 타행성으로 진입하는 우주비행체나 우주임무를 마치고 지구로 돌아오기 위해 재진입 하는 우주비행체는 진입/재진입과정에서 매우 빠른 속도 (극초음속)과 급격한 대기의 밀도변화를 경험하게 됩니다. 이 과정에서 비행체 표면온도는 수천도까지 올라가게 되며 이를 위해서 열보호 시스템 설계가 필수적입니다. 정확하고 효과적인 열보호 시스템 설계를 위하여 주변 유동의 정확한 모사가 필요합니다. 이 영역에서의 유동은 매우 빠르고 희박하기 때문에 실험적 접근이 불가능하며, 수치해석적 접근이 필수적입니다. KNGPDL에서는 다양한 물리모델과 수치해석방법을 개발하여 보다 정확하고 효율적으로 유동현상을 해석하고자 합니다.

 

2. 전기추력기를 위한 플라즈마 유동 해석

   

   기존의 화학추력기를 대신할 수 있는 전기추력기의 중요성이 대두되고 있습니다. 전기추력기는 전기에너지를 활용하여 추진제를 가속 및 분사하여 추력을 얻는 방식으로, 기존의 화학추진 방식과 비교하여 상대적으로 높은 비추력을 가진다는 장점이 있습니다. 전기추력기는 홀 추력기, 이온추력기 등 다양한 형태로 개발되고 있으며 주로 연료를 플라즈마화 하여 가속 배출하는 방법을 사용하고 있습니다. 우주공간에서 사용되는 이온추력기의 거동을 이해하기 위해서는 희박 플라즈마를 이해하는 것이 핵심입니다. KNGPDL에서는 우주공간에서의 플라즈마 플럼 해석을 시작으로 전기추력기의 다양한 플라즈마 현상을 모사하는것과 동시에 공기흡입 전기추력기등 새로운 추력기 모델을 개발하고 있습니다.

홀추력기 배기 플라즈마 플럼 해석

 

 

 

- 학생들에게...

 

   우주로의 관심이 증가하고 있는 지금, 우주공간에서의 희박한 기체와 플라즈마 유동을 정확히 해석하고자하는 KNGPDL의 연구분야는 더 중요해 질 것입니다. 본 연구에 관심이 있는 분은 제 연구실의 문을 두드려 주십시오. 제 연구실의 문은 언제나 열려있습니다.

 

 

 

 

 

작성           전은지 교수님[eunji.jun@kaist.ac.kr]

편집                   진도현[jdohyun7@kaist.ac.kr]