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공기흡입식 제트 엔진 주요 구성 요소
터빈 – 터빈은 풍차처럼 작동하여 연소기에서 나오는 뜨거운 가스에서 에너지를 추출하는 일련의 날개 달린 디스크이다. 이 에너지 중 일부는 압축기를 구동하는 데 사용된다. 터보프롭, 터보샤프트 및 터보팬 엔진은 프로펠러, 바이패스 팬 또는 헬리콥터 로터를 구동하기 위한 추가 터빈 단계를 갖는다. 자유 터빈에서는 압축기를 구동하는 터빈이 프로펠러 또는 헬리콥터 로터를 구동하는 터빈과 독립적으로 회전한다. 압축기에서 추출된 냉각 공기는 터빈 블레이드, 베인 및 디스크를 냉각하여 동일한 터빈 재료 온도에서 더 높은 터빈 입구 가스 온도를 허용하는 데 사용될 수 있다.** 냉각 공기 배출구가 있는 고압 터빈 블레이드
애프터버너 또는 재가열 (영국) – (주로 군용) 제트파이프에서 연료를 연소하여 추가 추력을 생성한다. 터빈 배기 가스의 이러한 재가열은 추진 노즐 입구 온도와 배기 속도를 증가시킨다. 노즐 면적은 배기 가스의 더 높은 비부피를 수용하기 위해 증가한다. 이는 엔진을 통해 동일한 공기 흐름을 유지하여 작동 특성의 변화가 없도록 보장한다.
공기흡입식 제트 엔진 주요 구성 요소
위에 명명된 다양한 구성 요소는 가장 효율성이나 성능을 생성하기 위해 함께 배치되는 방법에 대한 제약이 있다. 엔진의 성능과 효율성은 결코 독립적으로 볼 수 없다. 예를 들어 초음속 제트 엔진의 연료/거리 효율은 마하 2 정도에서 최대화되는 반면, 이를 운반하는 차량의 항력은 제곱 법칙으로 증가하고 천음속 영역에서 훨씬 더 많은 항력을 갖는다. 따라서 전체 차량에 대한 최고 연료 효율은 일반적으로 마하 0.85 정도이다.
엔진을 의도된 용도에 맞게 최적화하는 데 중요한 것은 공기 흡입구 설계, 전체 크기, 압축기 단계 수(블레이드 세트), 연료 유형, 배기 단계 수, 구성 요소의 야금, 사용되는 바이패스 공기의 양, 바이패스 공기가 도입되는 위치 및 기타 여러 요소이다. 한 가지 예는 공기 흡입구 설계이다.
공기흡입식 제트 엔진 작동
일반적인 공기 흡입식 제트 엔진의 열역학은 브레이턴 사이클에 의해 대략적으로 모델링되는데, 이는 공기 흡입식 제트 엔진 및 기타의 기초가 되는 가스 터빈 엔진의 작동 방식을 설명하는 열역학 사이클이다. 이것은 그것을 개발한 미국 엔지니어 조지 브레이턴 (1830-1892)의 이름을 따서 명명되었지만, 원래는 1791년 영국인 존 바버에 의해 제안되고 특허를 받았다. 이것은 때때로 줄 사이클로도 알려져 있다.
제트 엔진에 대해 언급된 명목 순추력은 일반적으로 국제 표준 대기(ISA) 또는 고온 조건(예: ISA+10 °C)에 대한 해수면 정지(SLS) 조건을 나타낸다. 예를 들어, GE90-76B는 SLS, ISA+15 °C에서 76,000 lbf(360 kN)의 이륙 정지 추력을 가진다.
당연히 순추력은 낮은 공기 밀도 때문에 고도에 따라 감소한다. 그러나 비행 속도 효과도 있다.
공기흡입식 제트 엔진 작동
처음에는 항공기가 활주로에서 속도를 높이면 흡입구의 램 상승이 매우 작기 때문에 노즐 압력과 온도는 거의 증가하지 않는다. 질량 유량도 거의 변하지 않을 것이다. 결과적으로 노즐 총 추력은 처음에는 비행 속도와 함께 미미하게 증가할 뿐이다. 그러나 (기존 로켓과 달리) 공기 흡입 엔진이므로 대기에서 공기를 흡입하는 데 페널티가 있다. 이것은 램 항력으로 알려져 있다. 정지 조건에서는 페널티가 0이지만, 비행 속도에 따라 급격히 증가하여 순추력을 침식시킨다.
이륙 후 비행 속도가 빨라지면서 흡입구의 램 상승은 노즐 압력/온도 및 흡입구 공기 흐름에 상당한 영향을 미치기 시작하여 노즐 총 추력이 더 빠르게 상승하게 한다. 이 용어는 여전히 증가하는 램 항력을 상쇄하기 시작하여 결국 순추력이 증가하기 시작한다. 일부 엔진에서는 마하 1.0, 해수면에서의 순추력이 정지 추력보다 약간 더 클 수도 있다. 마하 1.0 이상에서는 아음속 흡입구 설계로 인해 충격 손실이 순추력을 감소시키는 경향이 있지만, 적절히 설계된 초음속 흡입구는 흡입구 압력 회복률을 낮춰 초음속 영역에서 순추력이 계속 상승할 수 있게 한다.
공기흡입식 제트 엔진 안전 및 신뢰성
제트 엔진은 일반적으로 매우 신뢰할 수 있으며 매우 우수한 안전 기록을 가지고 있다. 그러나 때때로 고장이 발생하기도 한다.
제트 엔진의 일부 경우, 엔진으로 유입되는 공기 흐름 또는 기타 변동으로 인한 엔진 내부 조건으로 인해 압축기 블레이드가 실속할 수 있다. 이 경우 엔진 내부의 압력이 블레이드를 통해 빠져나가고, 압력이 감소하고 엔진이 모든 추력을 잃을 때까지 실속이 유지된다. 압축기 블레이드는 일반적으로 실속에서 벗어나 엔진을 다시 가압한다. 조건이 수정되지 않으면 사이클은 일반적으로 반복된다. 이를 서지라고 한다. 엔진에 따라 엔진에 심각한 손상을 줄 수 있으며 승무원에게 우려스러운 진동을 유발한다.
팬, 압축기 또는 터빈 블레이드 고장은 엔진 케이싱 내에 봉쇄되어야 한다. 이를 위해 엔진은 인증 기관에서 지정한 블레이드 봉쇄 테스트를 통과하도록 설계되어야 한다.
공기흡입식 제트 엔진 안전 및 신뢰성
조류 흡입은 새가 제트 엔진의 흡입구로 들어가는 현상을 말한다. 이는 흔한 항공기 안전 위험이며 치명적인 사고를 유발했다. 1988년 에티오피아 항공 보잉 737은 이륙 중 두 엔진에 비둘기가 흡입되어 바히르다르 공항으로 돌아가려다 추락했으며, 탑승자 104명 중 35명이 사망하고 21명이 부상당했다. 1995년의 또 다른 사고에서는 닷소 팔콘 20이 파리 (프랑스) 공항에서 착륙 시도 중 엔진에 검은머리물떼새가 흡입되어 엔진 고장과 항공기 동체 화재를 일으켜 탑승자 10명 전원이 사망했다.
제트 엔진은 지정된 무게와 수의 새 흡입에 견디고, 지정된 양 이상의 추력을 잃지 않도록 설계되어야 한다. 항공기의 안전 비행을 위태롭게 하지 않고 흡입될 수 있는 새의 무게와 수는 엔진 흡입구 면적과 관련이 있다. 2009년 에어버스 A320 항공기인 US 에어웨이스 1549편 불시착 사고는 각 엔진에 큰캐나다기러기 한 마리씩을 흡입했다. 이 비행기는 뉴욕시 라과디아 국제공항에서 이륙한 후 허드슨 강에 불시착했다. 사망자는 없었다. 이 사건은 "설계된" 한계를 넘어 새를 흡입하는 위험성을 보여주었다.
공기흡입식 제트 엔진 안전 및 신뢰성
흡입 사건의 결과와 그것이 군용 제트 전투기와 같은 작고 빠른 비행기든 대형 수송기든 사고를 유발하는지 여부는 새의 수와 무게, 그리고 그것이 팬 블레이드 스팬 또는 노즈 콘에 충돌하는 위치에 따라 달라진다. 블레이드 뿌리 근처 또는 노즈 콘에 충격이 가해지면 일반적으로 코어 손상이 발생한다.
높이 나는 새는 거의 없으므로 조류 흡입의 가장 큰 위험은 이륙 및 착륙 중과 저고도 비행 중이다.
제트기가 화산재로 오염된 공기를 비행할 경우, 흡입된 화산재가 압축기 블레이드에 침식 손상을 입히고, 연료 노즐의 공기 구멍을 막으며, 터빈 냉각 통로를 막을 위험이 있다. 이러한 영향 중 일부는 비행 중 엔진이 서지(surge)하거나 플레임아웃(flame-out)될 수 있다. 플레임아웃 후 재점화는 일반적으로 성공적이지만, 상당한 고도 손실이 동반된다. 이는 37,000피트 고도에서 화산 먼지를 통과한 브리티시 에어웨이스 9편의 사례였다. 4개의 엔진 모두 플레임아웃되었고, 재점화 시도는 약 13,000피트 고도에서 성공했다.
공기흡입식 제트 엔진 안전 및 신뢰성
사고를 유발한 한 가지 유형의 고장은 엔진의 회전 부품이 부러져 케이스를 통해 빠져나가는 미봉쇄 고장이다. 이러한 고에너지 부품은 연료 및 제어 라인을 절단할 수 있으며, 객실을 관통할 수 있다. 연료 및 제어 라인은 일반적으로 신뢰성을 위해 이중화되지만, 유나이티드 항공 232편 불시착 사고는 미봉쇄 엔진 고장으로 인한 파편으로 인해 세 개의 독립적인 유압 시스템의 유압 라인이 동시에 절단되어 발생했다. 유나이티드 232편 추락 이전에는 세 가지 유압 시스템 모두의 동시 고장 확률이 10억 분의 1만큼 높게 간주되었다. 그러나 이 수치를 도출하는 데 사용된 통계 모델은 2번 엔진이 모든 유압 라인에 가까운 꼬리에 장착되었다는 사실이나 엔진 고장이 여러 방향으로 파편을 방출할 가능성을 고려하지 않았다. 그 이후로 더 현대적인 항공기 엔진 설계는 파편이 엔진 카울링이나 덕트 작업을 관통하는 것을 방지하는 데 중점을 두었으며, 무게를 낮추면서 필요한 침투 저항을 달성하기 위해 고강도 복합 재료를 점점 더 많이 사용하고 있다.
공기흡입식 제트 엔진 경제적 고려 사항
2007년에 제트 연료 비용은 항공사마다 매우 가변적이지만, 총 운영 비용의 평균 26.5%를 차지하여 대부분의 항공사에게 단일 가장 큰 운영 비용 항목이었다.
공기흡입식 제트 엔진 환경적 고려 사항
제트 엔진은 일반적으로 화석 연료로 작동하며 대기 중 이산화탄소의 원천이다. 제트 엔진은 바이오 연료나 수소로도 작동할 수 있지만, 수소는 일반적으로 화석 연료에서 생산된다.
2004년에 사용된 석유의 약 7.2%가 제트 엔진에 의해 소비되었다.
일부 과학자들은 제트 엔진의 배기가스에 포함된 수증기가 구름 형성을 유발하여 지구음암화의 원인이 된다고 믿는다.
질소 화합물은 연소 과정에서 대기 질소와의 반응을 통해 형성되기도 한다. 저고도에서는 특히 해롭지 않다고 여겨지지만, 성층권에서 비행하는 초음속 항공기의 경우 일부 오존 파괴가 발생할 수 있다.
연료에 황이 포함되어 있으면 황산염도 배출된다.
공기흡입식 제트 엔진 고급 설계
램제트는 회전 압축기 없이 엔진의 전진 운동을 이용하여 유입 공기를 압축하는 공기흡입식 제트 엔진의 한 형태이다. 램제트는 영 공기 속도에서 추력을 생성할 수 없으므로 항공기를 정지 상태에서 움직일 수 없다. 램제트는 잘 작동하기 위해 상당한 전진 속도가 필요하며, 일반적으로 마하 3 정도의 속도에서 가장 효율적으로 작동한다. 이 유형의 제트기는 마하 6까지의 속도에서 작동할 수 있다.
흡입구, 연료를 분사하고 연소하는 연소기, 뜨거운 가스를 배출하고 추력을 생성하는 노즐의 세 부분으로 구성된다. 램제트는 유입 공기를 효율적으로 압축하기 위해 비교적 높은 속도가 필요하므로 정지 상태에서는 작동할 수 없으며 초음속 속도에서 가장 효율적이다. 램제트 엔진의 주요 특징은 연소가 아음속 속도에서 이루어진다는 것이다. 초음속으로 유입되는 공기는 흡입구를 통해 극적으로 느려진 다음 훨씬 느린 아음속 속도에서 연소된다. 그러나 유입 공기가 빠를수록 아음속 속도로 감속시키는 효율성은 떨어진다. 따라서 램제트 엔진은 대략 마하 5로 제한된다.
공기흡입식 제트 엔진 고급 설계
램제트는 미사일과 같이 고속 사용을 위한 작고 단순한 엔진이 필요한 응용 분야에서 특히 유용할 수 있으며, 무기 설계자들은 사거리를 늘리기 위해 포탄에 램제트 기술을 사용하는 것을 고려하고 있다. 120mm 박격포탄이 램제트의 도움을 받으면 22 mi (35 km)의 사거리를 달성할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 헬리콥터 로터의 팁 제트로 성공적으로 사용되었지만 효율적이지는 않았다.
펄스제트는 아음속 엔진으로 램 압축을 사용하지만, 램제트에서 사용되는 연속 연소와 달리 간헐적인 연소를 사용한다. 이들은 완전히 다른 종류의 제트 엔진이다.
공기흡입식 제트 엔진 고급 설계
스크램제트는 램제트의 발전형으로, 다른 어떤 종류의 공기흡입식 엔진보다 훨씬 빠른 속도로 작동할 수 있다. 램제트와 유사한 구조를 가지며, 램-공기 압축을 통해 움직이는 부품 없이 공기를 압축하는 특별한 형태의 튜브이다. 흡입구, 연소기, 노즐로 구성된다. 램제트와 스크램제트의 주요 차이점은 스크램제트가 연소를 위해 유입되는 공기 흐름을 아음속 속도로 늦추지 않는다는 점이다. 따라서 스크램제트에는 유입되는 공기 흐름을 아음속 속도로 늦추기 위해 램제트가 필요로 하는 디퓨저가 없다. 대신 초음속 연소를 사용하며 "스크램제트"라는 이름은 "Supersonic Combusting Ramjet"에서 유래했다.
스크램제트는 최소 마하 4의 속도에서 작동하기 시작하며, 최대 유효 속도는 약 마하 17이다. 이러한 고속에서의 공력가열로 인해 냉각은 엔지니어들에게 큰 과제를 안겨준다.
공기흡입식 제트 엔진 고급 설계
스크램제트는 초음속 연소를 사용하므로 기존 램제트가 너무 비효율적인 마하 6 이상의 속도에서 작동할 수 있다. 램제트와 스크램제트의 또 다른 차이점은 각 유형의 엔진이 유입 공기 흐름을 압축하는 방식에서 비롯된다. 램제트의 경우 흡입구가 대부분의 압축을 제공하는 반면, 스크램제트가 작동하는 고속은 충격파, 주로 경사 충격파에 의해 생성되는 압축을 활용할 수 있게 해준다.
실제로 제작되어 비행한 스크램제트 엔진은 매우 적다. 2010년 5월, 보잉 X-51은 200초가 넘는 가장 긴 스크램제트 연소 기록을 세웠다.
공기흡입식 제트 엔진 고급 설계
영(0)에서 마하 3+에 이르는 전체 비행 엔벨로프에서 터보제트 작동은 마하 2.5를 초과하는 고온 흡입 온도뿐만 아니라 저속 비행 속도에서도 압축기가 제대로 작동할 수 있도록 하는 기능이 필요하다.
J58 압축기 솔루션은 약 마하 2 이상의 속도에서 4단 압축기에서 공기 흐름을 블리드하는 것이었다. 마하 3에서 20%의 블리드 흐름은 6개의 외부 튜브를 통해 엔진으로 되돌아와 애프터버너 라이너와 주 노즐을 냉각하고 연소를 위한 추가 공기를 제공했다. J58 엔진은 마하 3.2 순항을 위해 최대 애프터버닝에서도 지속적으로 작동하도록 설계된 유일한 운용 터보제트 엔진이었다.
동시대의 설치물 중 운용 상태에 도달하지 못한 마하 3 GE YJ93/XB-70에서는 대체 솔루션이 발견되었다. 이는 가변 스테이터 압축기를 사용했다. 또 다른 솔루션은 마하 3 정찰 팬텀 제안서에 명시되어 있었다. 이는 프리-압축기 냉각이었지만, 비교적 짧은 시간 동안만 사용 가능했다.
공기흡입식 제트 엔진 고급 설계
제트 엔진은 거의 모든 연료로 작동할 수 있다. 수소는 매우 바람직한 연료인데, 몰당 에너지가 특별히 높지는 않지만 분자가 다른 분자보다 훨씬 가볍기 때문이다. 수소 1kg당 에너지는 일반적인 연료의 두 배이며, 이는 두 배의 비추력을 제공한다. 또한 수소로 작동하는 제트 엔진은 만들기가 매우 쉽다. 최초의 터보제트도 수소로 작동했다. 또한 덕트 엔진은 아니지만 수소 연료 로켓 엔진은 광범위하게 사용되어 왔다.
그러나 거의 모든 면에서 수소는 문제가 많다. 수소의 단점은 밀도이다. 기체 상태에서는 탱크가 비행에 실용적이지 않지만, 액체 수소 형태에서도 물의 14분의 1 밀도를 갖는다. 또한 극저온이며 날개에 저장하는 것을 불가능하게 하는 매우 상당한 단열이 필요하다. 전체 차량은 매우 커질 것이며, 대부분의 공항에서 수용하기 어려울 것이다. 마지막으로, 순수 수소는 자연에서 발견되지 않으며, 수증기 개질 또는 값비싼 전기 분해를 통해 제조되어야 한다. 몇몇 실험적인 수소 추진 항공기는 프로펠러로 비행했으며, 실현 가능할 수 있는 제트기도 제안되었다.
로버트 P. 카마이클이 1955년에 제안한 아이디어는 수소 연료 엔진이 열교환기를 사용하여 유입 공기를 냉각하면 탄화수소 연료 엔진보다 이론적으로 훨씬 높은 성능을 낼 수 있다는 것이다. 낮은 온도는 더 가벼운 재료를 사용할 수 있게 하고, 엔진을 통해 더 높은 질량 흐름을 허용하며, 엔진 과열 없이 연소기가 더 많은 연료를 주입할 수 있도록 한다.
이러한 아이디어는 리액션 엔진스 SABRE와 같은 타당한 설계로 이어져 단일 비행체 궤도 발사체를 가능하게 할 수 있으며, 발사체 부스터를 위해 제트 엔진을 극초음속 및 고고도까지 사용할 수 있게 하는 ATREX로 이어질 수 있다. 이 아이디어는 또한 EU에서 마하 5로 논스톱 대척점 초음속 여객 운송을 달성하기 위한 개념(리액션 엔진스 A2)으로 연구되고 있다.
공기 터보로켓은 복합 사이클 제트 엔진의 한 형태이다. 기본 구성은 고압 가스를 생성하는 가스발생기를 포함하며, 이 가스발생기는 터빈/압축기 어셈블리를 구동하여 대기 공기를 연소실로 압축한다. 이 혼합물은 노즐을 통해 장치를 떠나기 전에 연소되어 추력을 생성한다.
다양한 유형의 공기 터보로켓이 있다. 다양한 유형은 일반적으로 엔진의 가스발생기 섹션이 작동하는 방식에서 차이가 있다.
공기 터보로켓은 종종 터보램제트, 터보램제트 로켓, 터보로켓 익스팬더 등으로 불린다. 어떤 이름이 어떤 특정 개념에 적용되는지에 대한 합의가 없으므로, 다양한 출처에서 두 가지 다른 개념에 동일한 이름을 사용할 수 있다.
공기흡입식 제트 엔진 용어
제트 엔진의 RPM 또는 로터 속도를 지정하기 위해 일반적으로 약어가 사용된다.
여러 경우, 조종실 디스플레이에 로터 속도(N1, N2)를 RPM으로 표시하는 대신, 조종사에게 설계점 속도의 백분율로 표현된 속도가 제공된다. 예를 들어, 최대 동력에서 N1은 101.5% 또는 100%일 수 있다. 이러한 사용자 인터페이스 결정은 조종사가 5자리 RPM보다 두세 자리 백분율(100%가 공칭 값을 의미)의 문제점을 더 쉽게 알아차릴 수 있다는 인간 공학적 고려 사항으로 이루어졌다.
보드노산
보드노산(마케도니아어: Водно)은 북마케도니아의 산이다. 이 산은 마케도니아 북부, 수도 스코페 남서쪽에 위치해 있다. 산의 가장 높은 지점은 크르스토바르 봉우리로 해발 1,066m이며, 산 중턱은 337m(중간 보드노 봉우리는 557m)다. 2002년 크르스토바르 봉우리에는 세계에서 가장 큰 기독교 십자가 중 하나인 밀레니엄 크로스가 세워졌다.
보드노산 기후
보드노산의 기후는 춥고 온화하다. 연중 상당한 양의 강수량이 있으며, 가장 건조한 달에도 마찬가지다. 평균 기온은 23°C(73°F)다. 2017년 1월 산에서 측정된 최저 기온은 영하 24°C(-11°F)였고, 2005년 7월 측정된 최고 기온은 43°C(109°F)였다.
보드노산 관광
보드노산에서 가장 인상적인 명소 중 하나는 프르스칼로 폭포다. 그 외에도 경험할 수 있는 볼거리와 액티비티가 많이 있다. 그중 하나는 산 주변에서 가장 아름다운 풍경 중 하나인 돌노손예 마을이다. 산비탈에 자리 잡은 이 작은 마을은 역사적으로 지역 사냥꾼들이 거주하던 곳이다. 최근에는 수도와의 근접성, 깨끗한 공기, 아름다운 자연 경관, 중세 교회 덕분에 주말 별장을 소유하거나 영구적으로 이주한 스코페 사람들이 이곳을 찾고 있다.
또한, 중간 보드노(557m)에서 밀레니엄 크로스가 있는 크르스토바르 봉우리(1,066m)까지 이어지는 하이킹은 매우 매력적인 레저 활동으로 자리 잡았다. 스코페 시내에서 중간 보드노까지 왕복하는 버스 노선이 개통되고, 중간 보드노에서 크르스토바르 봉우리까지 케이블카가 운행되기 시작하면서 이 활동에 대한 관심이 높아졌다.
로스앤젤레스 리뷰 오브 북스
《로스앤젤레스 리뷰 오브 북스》(Los Angeles Review of Books, LARB)는 미국 내외 출판계 전반을 다루는 문예 비평 잡지이다. 2011년에 텀블러에서 미리보기 버전이 공개되었으며, 이듬해인 2012년 4월 공식 웹사이트가 개설되었다. 인쇄판은 2013년 5월에 처음 발간되었다.
이 잡지는 캘리포니아 대학교 리버사이드 창작문예학과 학과장 톰 러츠가 창간했다. 《LARB》는 쇠퇴해가는 신문 일요판 도서 섹션을 되살리고자 “현대 문학 담론의 온라인 백과사전” 구축하는 것을 목표로 한다.
로스앤젤레스 리뷰 오브 북스 게재 범위
《LARB》는 새로운 소설, 시, 논픽션 작품의 서평을 비롯해, 고전 텍스트에 대한 독창적인 비평, 현대 예술·정치·문화에 관한 에세이를 게재하고 있다. 또한 멕시코시티, 런던, 상트페테르부르크 등 해외의 문학 뉴스도 다룬다.
또한 흔히 장르 문학으로 다루어지는 추리물, 스릴러, 만화, 그래픽 노블 등을 논의의 대상으로 삼고, 대학 출판부에서 발행된 도서에 대한 서평도 다루는 것을 목표로 한다. 창간자 톰 러츠는 이에 대해 “지난 50년 동안 문학계에서 ‘연구할 가치가 있는 것’으로 여겨지는 기준은 급격히 변했습니다. 이는 학문적 사고의 자연스러운 진화이며, 무엇이 중요한지를 끊임없이 되묻는 과정이기도 합니다.”라고 말했다.
로스앤젤레스 리뷰 오브 북스 필진
《LARB》 홈페이지에는 200명 이상의 객원 편집자가 있는데, 레자 아슬란, 에이미 벤더, T. C. 보일, 안토니오 다마지오, 조너선 커시, 크리스 크라우스, 조너선 리섬, 제프리 유제니디스, 제인 스마일리, 데이비드 실즈, 그레일 마커스, 재런 러니어, 제리 스탈 등이 참여하고 있다.
전기역학 테더
전기역학 테더(영어: Electrodynamic tether, EDT)는 테더 위성에서 배치되는 것과 같은 긴 전도성 철사로, 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 발전기로 작동하거나, 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하여 전동기로 작동하는 전자기학 원리에 따라 작동할 수 있다. 전기 전위는 행성의 자기장을 통과하는 전도성 테더의 움직임에 의해 생성된다.
여러 임무에서 우주에서의 전기역학 테더를 시연했는데, 가장 주목할 만한 것은 TSS-1, TSS-1R, 그리고 플라스마 모터 발전기 (PMG) 실험이다.
전기역학 테더 테더 추진
테더 추진 시스템의 일부로, 우주선은 길고 강력한 도체(모든 테더가 전도성은 아님)를 사용하여 우주선의 궤도를 변경할 수 있다. 이는 우주 여행을 훨씬 더 저렴하게 만들 잠재력이 있다. 직류가 테더에 가해지면, 자기장에 대해 로런츠 힘을 가하고, 테더는 차량에 힘을 가한다. 이는 궤도를 도는 우주선을 가속하거나 감속하는 데 사용될 수 있다.
2012년에 스타 기술 연구(Star Technology and Research)는 우주 쓰레기 제거를 위한 테더 추진 시스템을 검증하기 위해 190만 달러의 계약을 수주했다.
전기역학 테더 ED 테더의 용도
수년에 걸쳐 전기역학 테더의 수많은 응용 분야가 산업, 정부 및 과학 탐사에서 잠재적으로 사용될 수 있는 것으로 확인되었다. 아래 표는 지금까지 제안된 잠재적 응용 분야 중 일부를 요약한 것이다. 이러한 응용 분야 중 일부는 일반적인 개념인 반면, 다른 일부는 잘 정의된 시스템이다. 이들 개념 중 다수는 다른 분야와 중복되지만, 이 표의 목적을 위해 가장 적절한 제목 아래에 배치되었다. 표에 언급된 모든 응용 분야는 테더 핸드북(Tethers Handbook)에 자세히 설명되어 있다. 테더가 지닌 세 가지 근본적인 개념은 중력 기울기, 운동량 교환 및 전기역학이다. 잠재적 테더 응용 분야는 아래에서 확인할 수 있다.
EDT는 ISS 궤도를 유지하고 화학 추진제 재부스트 비용을 절감하기 위해 제안되었다. 이는 미세 중력 조건의 품질과 지속 시간을 향상시킬 수 있다.
전기역학 테더 전기역학 테더 기본 원리
전기역학 테더에 사용될 금속 도체의 선택은 다양한 요인에 의해 결정된다. 주요 요인으로는 일반적으로 높은 도전율과 낮은 밀도가 포함된다. 이차적인 요인은 적용 분야에 따라 비용, 강도, 녹는점이 포함된다.
테더 요소가 자기장에 대해 상대적으로 움직일 때 기전력 (EMF)이 발생한다. 이 힘은 패러데이 전자기 유도 법칙에 의해 다음과 같이 주어진다.
일반성을 잃지 않고, 테더 시스템은 지구 궤도에 있으며 지구 자기장에 대해 상대적으로 움직인다고 가정한다. 마찬가지로, 전류가 테더 요소에 흐르면 로런츠 힘 방정식에 따라 힘이 생성될 수 있다.
자체 구동 모드(궤도 이탈 모드)에서 이 EMF는 테더 시스템이 테더와 다른 전기 부하(예: 저항기, 배터리)를 통해 전류를 구동하고, 방출 끝에서 전자를 방출하거나, 반대쪽에서 전자를 수집하는 데 사용될 수 있다. 부스트 모드에서는 온보드 전원 공급 장치가 이 운동 EMF를 극복하여 전류를 반대 방향으로 구동해야 하며, 아래 그림에서 볼 수 있듯이 반대 방향으로 힘을 생성하여 시스템을 부스트한다.
전기역학 테더 전기역학 테더 기본 원리
예를 들어, 위 그림에 나타난 NASA 추진성 소형 배치 시스템 (ProSEDS) 임무를 보자. 고도 300km에서 북-남 방향의 지구 자기장은 약 0.18–0.32 가우스이며, 약 40°의 경사까지 상승하며, 국부 플라스마에 대한 궤도 속도는 약 7500m/s이다. 이로 인해 5km 길이의 테더를 따라 35–250V/km의 Vemf 범위가 발생한다. 이 EMF는 베어 테더에 걸쳐 전위차를 결정하며, 이는 전자가 수집되거나/또는 반발되는 지점을 제어한다. 여기서 ProSEDS 감속 테더 시스템은 베어 테더의 양전하를 띠는 고고도 섹션으로 전자 수집을 가능하게 하고, 저고도 끝에서 전리층으로 되돌아가도록 구성된다. 지구 자기장 존재 하에 테더 길이를 통한 이러한 전자 흐름은 위 방정식에 의해 주어진 것처럼 시스템의 궤도 이탈을 돕는 항력 추력을 생성하는 힘을 생성한다.
전기역학 테더 전기역학 테더 기본 원리
부스트 모드는 궤도 이탈 모드와 유사하지만, 고전압 전원 공급 장치(HVPS)가 테더와 더 높은 양전위 끝 사이에 테더 시스템과 직렬로 삽입된다는 점이 다르다. 전원 공급 장치 전압은 EMF보다 크고 극성이 반대여야 한다. 이는 전류를 반대 방향으로 구동하여, 결과적으로 고고도 끝은 음전하를 띠고, 저고도 끝은 양전하를 띠게 한다(지구 주위를 동쪽에서 서쪽으로 표준 궤도를 가정).
감속 현상을 더 강조하기 위해, 절연되지 않은 베어 테더 시스템(모두 노출)의 개략도가 아래 그림에 나와 있다.
다이어그램의 상단, 지점 A는 전자 수집 끝을 나타낸다. 테더의 하단, 지점 C는 전자 방출 끝이다. 마찬가지로, 와 는 각각의 테더 끝에서 플라스마까지의 전위차를 나타내며, 는 플라스마에 대한 테더의 모든 지점에서의 전위이다. 마지막으로, 지점 B는 테더의 전위가 플라스마와 같은 지점이다. 지점 B의 위치는 키르히호프의 전압 법칙 (KVL)과
키르히호프의 전류 법칙 (KCL)
의 해에 의해 결정되는 테더의 평형 상태에 따라 달라진다. 여기서 ,  및 는 각각 지점 A에서 B까지의 전류 이득, 지점 B에서 C까지의 손실 전류 및 지점 C에서의 손실 전류를 나타낸다.
전기역학 테더 전기역학 테더 기본 원리
테더의 노출된 길이를 따라 전류가 지속적으로 변하기 때문에, 전선의 저항적 특성으로 인한 전위 손실은 로 표현된다. 테더의 무한소 단면을 따라 저항 에 그 단면을 통과하는 전류 를 곱한 값이 저항적 전위 손실이다.
시스템에 대한 KVL 및 KCL을 평가한 후, 결과는 위 그림에서 볼 수 있듯이 테더를 따라 전류 및 전위 프로파일을 제공한다. 이 다이어그램은 테더의 A 지점에서 B 지점까지 양의 전위 편향이 있어 수집된 전류를 증가시킨다는 것을 보여준다. 그 지점 아래에서는 가 음수가 되고 이온 전류 수집이 시작된다. 동등한 양의 이온 전류(주어진 면적에 대해)를 수집하는 데 훨씬 더 큰 전위차가 필요하기 때문에, 테더의 총 전류는 더 적은 양으로 감소한다. 그런 다음 C 지점에서 시스템에 남아있는 전류는 저항 부하()를 통해 흐르고, 전자 방출 장치()에서 방출되며, 마지막으로 플라스마 시스()를 가로지른다. KVL 전압 루프는 전리층에서 닫히며, 여기서 전위차는 사실상 0이다.
베어 EDT의 특성상 테더 전체를 노출시키는 것은 선택 사항이 아닌 경우가 많다. 시스템의 추진 능력을 최대화하려면 베어 테더의 상당 부분을 절연해야 한다. 이 절연량은 플라스마 밀도, 테더 길이와 너비, 궤도 속도, 지구 자기장 밀도 등 여러 효과에 따라 달라진다.
전기역학 테더 발전기로서의 테더
전기역학 테더는 물체에 부착되며, 테더는 물체와 자기장을 가진 행성 사이의 국부 수직선에 대해 일정한 각도로 향하게 된다. 테더의 먼 끝은 노출된 채로 두어 전기 접촉을 전리층과 할 수 있다. 테더가 행성의 자기장과 교차할 때 전류를 생성하여 궤도 물체의 운동 에너지 일부를 전기 에너지로 변환한다. 기능적으로, 전자들은 우주 플라스마에서 전도성 테더로 흐르고, 제어 장치의 저항 부하를 통과하며, 전자 방출기에 의해 자유 전자로 우주 플라스마로 방출된다. 이 과정의 결과로, 전기역학적 힘이 테더와 부착된 물체에 작용하여 그들의 궤도 운동을 늦춘다. 느슨한 의미에서 이 과정은 일반적인 풍차와 유사하다고 볼 수 있다. 저항성 매개체(공기 또는 이 경우 자기권)의 항력이 상대 운동(바람 또는 위성의 운동량)의 운동 에너지를 전기로 변환하는 데 사용된다. 원칙적으로 소형 고전류 테더 발전기가 가능하며, 기본적인 하드웨어로 수십, 수백, 수천 킬로와트가 달성 가능해 보인다.
전기역학 테더 발전기로서의 테더
NASA는 우주에서 플라스마 모터 발전기(PMG) 테더를 이용한 여러 실험을 수행했다. 초기 실험에서는 500미터 길이의 전도성 테더를 사용했다. 1996년 NASA는 20,000미터 길이의 전도성 테더를 이용한 실험을 진행했다. 이 테스트 동안 테더가 완전히 전개되었을 때, 궤도를 도는 테더는 3,500볼트의 전위를 생성했다. 이 전도성 단일 라인 테더는 전개 5시간 후에 절단되었다. 이 고장은 전도성 테더가 지구 자기장을 통과하며 움직일 때 발생하는 전기 아크에 의해 발생한 것으로 추정된다.
테더가 지구의 자기장(B)에 직각으로 속도(v)로 움직일 때, 테더의 기준 프레임에서 전기장이 관찰된다. 이는 다음과 같이 표현될 수 있다.
E = v * B = vB
전기장(E)의 방향은 테더의 속도(v)와 자기장(B) 모두에 직각이다. 테더가 도체인 경우, 전기장은 테더를 따라 전하의 변위를 초래한다. 이 방정식에 사용된 속도는 테더의 궤도 속도이다. 지구 또는 지구 핵의 회전 속도는 관련이 없다. 이와 관련하여 단극 발전기도 참조하라.
전기역학 테더 발전기로서의 테더
길이 L인 긴 전도성 철사의 경우, 철사에 전기장 E가 생성된다. 이는 철사의 반대쪽 끝 사이에 전압 V를 생성한다. 이는 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 각 τ는 테더의 길이 벡터(L)와 전기장 벡터(E) 사이의 각도이며, 이는 평면 내에서 속도 벡터(v)에 직각인 수직 방향으로 가정되고 자기장 벡터(B)는 평면 밖으로 향한다.
전기역학 테더 발전기로서의 테더
전기역학 테더는 일종의 "개방 시스템"으로 설명될 수 있다. 전기역학 테더 회로는 단순히 다른 전선을 사용하여 완성될 수 없는데, 이는 다른 테더가 유사한 전압을 발생시키기 때문이다. 다행히도 지구의 자기권은 "비어있지" 않으며, 지구 근처 지역(특히 지구 대기권 근처)에는 태양 복사 또는 기타 복사 에너지에 의해 부분적으로 이온화된 고도로 전도성 있는 플라스마가 존재한다. 전자 및 이온 밀도는 위치, 고도, 계절, 태양 흑점 주기, 오염 수준 등 다양한 요인에 따라 달라진다. 양전하를 띤 베어 도체가 플라스마에서 자유 전자를 쉽게 제거할 수 있다는 것이 알려져 있다. 따라서 전기 회로를 완성하려면 테더의 상부, 양전하를 띤 끝에 충분히 넓은 면적의 절연되지 않은 도체가 필요하며, 이를 통해 테더를 통해 전류가 흐를 수 있게 된다.
전기역학 테더 발전기로서의 테더
그러나 테더의 반대쪽(음극) 끝이 자유 전자를 방출하거나 플라스마에서 양이온을 수집하는 것은 더 어렵다. 테더의 한쪽 끝에 매우 넓은 수집 영역을 사용하면 충분한 이온을 수집하여 플라스마를 통해 상당한 전류를 흐르게 할 수 있다. 이는 셔틀 궤도선의 TSS-1R 임무 동안 입증되었는데, 셔틀 자체가 대형 플라스마 접촉기로 사용되어 1암페어 이상의 전류를 공급했다. 개선된 방법으로는 열전자 방출 음극, 플라스마 음극, 플라스마 접촉기 또는 전계 전자 방출 장치와 같은 전자 방출기를 만드는 것이 포함된다. 테더의 양쪽 끝이 주변 플라스마에 "개방"되어 있으므로, 전자는 테더의 한쪽 끝에서 흘러나가고 해당 전자 흐름이 다른 쪽 끝으로 들어올 수 있다. 이러한 방식으로 테더 내에서 전자기적으로 유도된 전압은 주변 우주 환경을 통해 전류가 흐르게 하여, 언뜻 보기에는 개방 회로로 보이는 것을 통해 전기 회로를 완성할 수 있다.
테더를 통해 흐르는 전류(I)의 양은 다양한 요인에 따라 달라진다. 이 중 하나는 회로의 총 저항(R)이다. 회로의 저항은 세 가지 구성 요소로 구성된다.
또한, 기생 부하가 필요하다. 전류 부하는 배터리와 같은 예비 전원을 충전하는 충전 장치의 형태를 취할 수 있다. 배터리는 차례로 전력 및 통신 회로를 제어하고, 테더의 음극 끝에 있는 전자 방출 장치를 구동하는 데 사용된다. 따라서 테더는 배치 및 시동 절차에 필요한 초기 배터리 충전 외에는 완전히 자체 동력을 사용할 수 있다.
충전 배터리 부하는 전력을 흡수하지만(즉시 열을 발산하는 대신) 나중에 사용하기 위해 저장하는 저항으로 볼 수 있다. 이는 "제어 저항"의 일부로 포함된다. 충전 배터리 부하는 "기본 저항"으로 취급되지 않는다. 충전 회로는 언제든지 끌 수 있기 때문이다. 꺼져 있을 때는 배터리에 저장된 전력을 사용하여 중단 없이 작업을 계속할 수 있다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
주변 플라스마로부터 전하 및 이온 전류를 수집하고 방출하는 것을 이해하는 것은 대부분의 EDT 시스템에 매우 중요하다. EDT 시스템의 노출된 모든 전도성 부분은 우주선 본체의 전기 전위에 따라 주변 플라스마에 대해 수동적으로('수동적' 및 '능동적' 방출은 원하는 효과를 얻기 위해 미리 저장된 에너지를 사용하는 것을 의미함) 전자 또는 이온 전류를 수집할 수 있다. 또한, 전도성 본체의 기하학적 구조는 시스(sheath)의 크기와 전체 수집 능력에 중요한 역할을 한다. 결과적으로, 다양한 수집 기술에 대한 여러 이론이 존재한다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
EDT 시스템에서 전자 및 이온 수집을 제어하는 주요 수동적 과정은 열 전류 수집, 이온 램 수집 효과, 전자 광전 방출, 그리고 가능하게는 2차 전자 및 이온 방출이다. 또한, 얇은 베어 테더를 따라 흐르는 전류 수집은 궤도 운동 제한(OML) 이론과 플라스마 디바이 길이에 대한 물리적 크기에 따라 이 모델에서 파생된 이론적 유도를 사용하여 설명된다. 이러한 과정은 전체 시스템의 노출된 모든 전도성 물질을 따라 발생한다. 환경 및 궤도 매개변수는 수집된 전류량에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 몇 가지 중요한 매개변수에는 플라스마 밀도, 전자 및 이온 온도, 이온 분자량, 자기장 강도 및 주변 플라스마에 대한 궤도 속도가 포함된다.
또한 EDT 시스템에는 능동적인 수집 및 방출 기술이 포함된다. 이는 중공 음극 플라스마 접촉기, 열전자 방출 음극 및 전계 방출 배열과 같은 장치를 통해 발생한다. 이러한 각 구조의 물리적 설계와 전류 방출 능력은 철저히 논의된다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
노출된 전도성 테더로의 전류 수집 개념은 산마르틴과 마르티네스-산체스에 의해 처음으로 정립되었다. 그들은 가장 면적 효율적인 전류 수집 원통형 표면은 유효 반경이 약 1 디바이 길이 미만인 표면이며, 여기서 전류 수집 물리학은 충돌 없는 플라스마에서 궤도 운동 제한(OML)으로 알려져 있다고 언급한다. 베어 전도성 테더의 유효 반경이 이 지점을 초과하면 OML 이론에 비해 수집 효율이 예측 가능하게 감소한다. 이 이론(비흐름 플라스마에 대해 유도됨) 외에도 우주에서의 전류 수집은 흐르는 플라스마에서 발생하며, 이는 또 다른 수집 효과를 유도한다. 이러한 문제는 아래에서 더 자세히 다루어진다.
전자 디바이 길이는 플라스마에서 특성 차폐 거리로 정의되며, 다음 방정식으로 설명된다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
전도성 물체로 인해 플라스마에서 발생하는 모든 전기장이 1/e로 감소하는 이 거리를 계산할 수 있다. OML 이론은 전자 디바이 길이가 물체의 크기와 같거나 크고 플라스마가 흐르지 않는다고 가정하여 정의된다. OML 체제는 시스가 충분히 두꺼워져서 입자 수집에서 궤도 효과가 중요해질 때 발생한다. 이 이론은 입자 에너지와 각운동량을 설명하고 보존한다. 결과적으로, 두꺼운 시스의 표면에 입사하는 모든 입자가 수집되는 것은 아니다. 주변 플라스마에 대한 수집 구조의 전압과 주변 플라스마 밀도 및 온도가 시스의 크기를 결정한다. 이 가속(또는 감속) 전압은 입사 입자의 에너지 및 운동량과 결합되어 플라스마 시스를 가로질러 수집되는 전류량을 결정한다.
궤도 운동 제한(OML) 체제는 실린더 반경이 충분히 작아서 수집되는 모든 입자 궤적이 실린더 표면에서 종료되고 배경 플라스마에 연결될 때 (즉, 다른 지점에서는 연결되지 않음) 달성된다. 준중성 충돌 없는 플라스마에서 입자 궤적을 따라 분포 함수가 보존되므로, 모든 "도착 방향"이 채워지는 것은 단위 면적당 수집되는 전류의 상한선에 해당한다 (총 전류는 아님).
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
EDT 시스템에서 주어진 테더 질량에 대한 최상의 성능은 전형적인 전리층 주변 조건(고도 200~2000km 범위의 전형적인 전리층 조건에서 T_e는 0.1eV~0.35eV, n_e는 10^10 m^-3~10^12 m^-3)에 대한 전자 디바이 길이보다 작은 테더 직경을 선택하는 것이다. 따라서 이는 OML 체제 내에 있다. 이 차원 밖의 테더 형상은 다루어졌다. OML 수집은 다양한 샘플 테더 형상 및 크기에 대한 전류 수집 결과를 비교할 때 기준선으로 사용될 것이다.
1962년에 제럴드 해리스 로젠은 현재 먼지 대전의 OML 이론으로 알려진 방정식을 유도했다. 아이오와 대학교의 로버트 멀리노에 따르면 로젠은 다른 누구보다 30년 전에 그 방정식에 도달한 것으로 보인다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
다양한 실용적인 이유로, 노출된 EDT로의 전류 수집이 항상 OML 수집 이론의 가정을 만족시키는 것은 아니다. 이러한 조건에서 예측된 성능이 이론과 어떻게 다른지 이해하는 것이 중요하다. EDT에 대해 일반적으로 제안되는 두 가지 형상은 원통형 철사와 평평한 테이프를 사용하는 것이다. 원통형 테더가 반경에서 하나의 디바이 길이보다 작다면 OML 이론에 따라 수집될 것이다. 그러나 너비가 이 거리를 초과하면 수집은 이 이론에서 점점 더 벗어난다. 테더 형상이 평평한 테이프라면, 정규화된 테이프 너비를 동등한 원통 반경으로 변환하는 근사치를 사용할 수 있다. 이것은 산마르틴과 에스테스에 의해 처음 시도되었고 최근에는 초이니에르 외에 의해 2차원 운동학적 플라스마 솔버(KiPS 2-D)를 사용하여 수행되었다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
현재, 베어 테더에 대한 플라스마 흐름의 효과를 설명하는 폐쇄형 해법은 없다. 그러나 초이니에르 외에 의해 KiPS-2D를 사용하여 수치 시뮬레이션이 최근 개발되었으며, 이는 높은 바이어스 전위에서 간단한 형상에 대한 흐름 사례를 시뮬레이션할 수 있다. EDT에 적용되는 이 흐르는 플라스마 분석은 논의되었다. 이 현상은 현재 최근 연구를 통해 조사 중이며, 완전히 이해되지 않았다.
이 섹션에서는 ED 테더의 끝에 적용될 대형 전도성 물체에 대한 수동 전류 수집을 설명하는 플라스마 물리학 이론을 논의한다. 시스의 크기가 수집하는 물체의 반경보다 훨씬 작을 때, 테더의 전위와 주변 플라스마의 전위(V – Vp) 차이의 극성에 따라 플라스마 시스로 들어오는 모든 전자나 이온이 전도성 물체에 의해 수집된다고 가정한다. 흐르지 않는 플라스마를 포함하는 이 '얇은 시스' 이론이 논의된 후, 흐르는 플라스마에 대한 이 이론의 수정 사항이 제시된다. 다른 전류 수집 메커니즘이 이어서 논의될 것이다. 제시된 모든 이론은 EDT 임무 중 발생하는 모든 조건을 설명하기 위한 전류 수집 모델을 개발하는 데 사용된다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
자기장이 없는 흐르지 않는 준중성 플라스마에서 구형 전도성 물체는 모든 방향에서 동일하게 전하를 수집한다고 가정할 수 있다. 말단체에서의 전자 및 이온 수집은 Ithi 및 Ithe로 주어지는 열 수집 과정에 의해 지배된다.
전류 수집에 대한 보다 현실적인 모델을 개발하는 다음 단계는 자기장 효과와 플라스마 흐름 효과를 포함하는 것이다. 충돌 없는 플라스마를 가정하면, 전자와 이온은 자기 미러링 힘과 기울기-곡률 드리프트로 인해 지구 주변의 극 사이를 이동하면서 자기장 선 주위를 회전한다. 그들은 질량, 자기장 강도, 에너지에 따라 특정 반경과 주파수로 회전한다. 이러한 요인들은 전류 수집 모델에서 고려되어야 한다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
전도성 물체가 플라스마에 대해 음전하를 띠고 이온 열 속도 이상으로 이동할 때, 추가적인 수집 메커니즘이 작동한다. 일반적인 저궤도(LEO)의 경우, 200km에서 2000km 사이에서, 관성 기준 프레임에서 속도는 원형 궤도의 경우 7.8km/s에서 6.9km/s까지 다양하며, 대기 분자량은 각각 25.0 amu (O+, O2+, & NO+)에서 1.2 amu (대부분 H+)까지 다양하다. 전자 및 이온 온도가 ~0.1 eV에서 0.35 eV 사이라고 가정하면, 결과적인 이온 속도는 200km에서 2000km 고도까지 각각 875m/s에서 4.0km/s까지 다양하다. 전자는 LEO 전역에서 약 188km/s로 이동한다. 이는 궤도를 도는 물체가 이온보다 빠르고 전자보다 느리게, 즉 중간음속으로 이동한다는 것을 의미한다. 이는 궤도를 도는 물체가 플라스마의 주변 이온을 "충돌"하여 궤도를 도는 물체의 기준 프레임에서 빔과 같은 효과를 생성하는 독특한 현상을 초래한다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
다공성 종단체는 수집 종단체의 항력을 줄이는 동시에 이상적으로 유사한 전류 수집을 유지하는 방법으로 제안되었다. 이들은 종종 고체 종단체로 모델링되지만, 고체 구의 표면적의 작은 부분에 해당한다. 그러나 이것은 개념을 극단적으로 단순화한 것이다. 시스 구조, 메시의 기하학적 구조, 종단체의 크기, 그리고 전류 수집과의 관계에 대해 많은 것을 배워야 한다. 이 기술은 또한 EDT와 관련된 여러 문제를 해결할 잠재력을 가지고 있다. 수집 전류와 항력 면적의 점진적 감소는 다공성 테더가 극복할 수 있는 한계를 설정했다. 스톤 외와 하자노프 외에 의해 다공성 구를 이용한 전류 수집에 대한 연구가 이루어졌다.
그리드 구에 의해 수집되는 최대 전류와 질량 및 항력 감소를 비교하여 추정할 수 있음이 밝혀졌다. 80~90%의 투명도를 가진 그리드 구의 단위 수집 전류당 항력은 동일한 반경을 가진 고체 구의 항력보다 약 1.2~1.4배 작다. 이 동일한 비교에서 단위 부피당 질량 감소는 2.4~2.8배이다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
전자 열 수집 외에도 EDT 시스템의 전류 수집에 영향을 미칠 수 있는 다른 과정으로는 광전 방출, 2차 전자 방출, 2차 이온 방출이 있다. 이러한 효과는 EDT 시스템의 모든 전도성 표면에 해당하며, 종단체에만 해당되는 것은 아니다.
전자가 진공 갭을 가로질러 방출되는 모든 응용 분야에서는 전자 빔의 자체 반발로 인해 주어진 바이어스에 대해 허용되는 최대 전류가 존재한다. 이 고전적인 1차원 공간 전하 한계(SCL)는 초기 에너지가 0인 전하 입자에 대해 유도되며, 차일드-랭뮤어 법칙이라고 불린다. 이 한계는 방출 표면적, 플라스마 갭을 가로지르는 전위차, 그리고 그 갭의 거리에 따라 달라진다. 이 주제에 대한 추가 논의는 다음에서 찾을 수 있다.
EDT 응용 분야에서 일반적으로 고려되는 세 가지 능동 전자 방출 기술은 중공 음극 플라스마 접촉기(HCPC), 열전자 방출 음극(TC), 및 전계 방출 음극(FEC), 종종 전계 방출 배열(FEA)의 형태이다. 각 장치에 대한 시스템 수준 구성과 상대적인 비용, 이점 및 검증이 제시될 것이다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
열전자 방출은 가열된 전하를 띤 금속 또는 금속 산화물 표면에서 전자가 흐르는 현상으로, 열 진동 에너지가 일함수 (전자를 표면에 붙잡는 정전기력)를 극복하여 발생한다. 열전자 방출 전류 밀도 J는 온도가 증가함에 따라 빠르게 증가하며, 표면 근처의 진공으로 상당한 수의 전자를 방출한다. 정량적 관계는 다음 방정식으로 주어진다.
이 방정식은 리처드슨-더쉬만 또는 리처드슨 방정식이라고 불린다. (ф는 약 4.54 eV이고 AR은 텅스텐의 경우 ~120 A/cm2이다.)
전자가 TC 표면에서 열전자 방출되면, 틈새를 가로지르거나, 이 경우 플라스마 시스를 가로지르기 위해 가속 전위가 필요하다. 가속 그리드 또는 전자총이 사용되면 전자는 플라스마 시스의 SCL을 탈출하는 데 필요한 에너지를 얻을 수 있다. 방정식
은 장치로 들어가는 특정 전류를 방출하기 위해 그리드에 필요한 전위가 무엇인지를 보여준다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
여기서 η는 전자총 조립체(EGA) 효율(~TSS-1에서 0.97), ρ는 EGA의 투과도(TSS-1에서 7.2 마이크로퍼브), ΔVtc는 EGA의 가속 그리드에 걸리는 전압, It는 방출 전류이다. 투과도는 장치에서 방출될 수 있는 공간 전하 제한 전류를 정의한다. 아래 그림은 Heatwave Labs Inc.에서 생산된 열전자 방출기 및 전자총의 상업적 예시를 보여준다.
TC 전자 방출은 온도 또는 공간 전하 제한 전류 흐름이라는 두 가지 체제 중 하나에서 발생한다. 온도 제한 흐름의 경우, 음극 표면에서 탈출하기에 충분한 에너지를 얻는 모든 전자가 방출되며, 전자총의 가속 전위가 충분히 크다고 가정한다. 이 경우, 방출 전류는 리처드슨-더쉬만 방정식으로 주어지는 열전자 방출 과정에 의해 조절된다. SCL 전자 전류 흐름의 경우, 음극에서 너무 많은 전자가 방출되어 전자총에 의해 모두 충분히 가속되어 공간 전하를 탈출할 수 없다. 이 경우, 전자총 가속 전위가 방출 전류를 제한한다. 아래 차트는 온도 제한 전류와 SCL 효과를 보여준다. 전자의 빔 에너지가 증가함에 따라 총 탈출 전자가 증가하는 것을 볼 수 있다. 수평이 되는 곡선은 온도 제한 사례이다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
전계 전자 방출에서는 전자가 열전자 방출이나 광전 방출에서처럼 전위 장벽을 넘어가는 대신, 잠재 장벽을 통해 터널링한다. 저온 금속의 경우, 아래 그림을 통해 이 과정을 이해할 수 있다. 금속은 페르미 준위까지 전자로 채워진 전위 상자로 간주할 수 있다 (이는 진공 준위보다 몇 전자볼트 낮다). 진공 준위는 외부 전기장이 없을 때 금속 밖에 정지해 있는 전자의 전위 에너지를 나타낸다. 강한 전기장이 있을 때, 금속 밖의 전위는 선 AB를 따라 변형되어, 전자가 터널링할 수 있는 삼각형 장벽이 형성된다. 전자는 파울러-노르드하임 방정식으로 주어진 전류 밀도로 전도대에서 추출된다.
전기역학 테더 EDT 시스템의 전류 수집/방출: 이론과 기술
AFN 및 BFN은 각각 A/V2 및 V/m 단위를 가진 FEA 측정으로 결정된 상수이다. EFN은 전자 방출 팁과 전자를 끌어내는 양전하 구조 사이에 존재하는 전기장이다. 스핀트 유형 음극의 일반적인 상수는 AFN = 3.14 x 10-8 A/V2 및 BFN = 771 V/m이다. (스탠포드 연구소 데이터 시트). 가속 구조는 일반적으로 아래 그림과 같이 방출 물질과 가까이 배치된다. 방출기와 게이트 사이의 근접성(마이크로미터 규모)은 자연 또는 인공적인 초점 구조와 결합되어 비교적 낮은 인가 전압 및 전력으로 방출에 필요한 높은 전장 강도를 효율적으로 제공한다.
탄소 나노튜브 전계 방출 음극은 일본 HTV-6에 탑재된 KITE 전기역학 테더 실험에서 성공적으로 테스트되었다.
전계 방출 음극은 종종 스핀트(Spindt) 등의 음극 설계와 같이 전계 방출 배열(FEA) 형태로 제공된다. 아래 그림은 스핀트 방출기의 근접 시각 이미지를 보여준다.