우주선 전기 추진

섬네일|미국 항공 우주국 제트추진연구소에서 작동 중인 6 kW 홀 효과 추력기
섬네일|전자기 추진 핵융합 플라스마 추력기의 3D 스케치

우주선 전기 추진(spacecraft electric propulsion) 또는 전기 추진은 정전기 또는 전자기장을 사용하여 질량을 고속으로 가속하여 궤도에 있는 우주선의 속도를 변경하는 추력을 생성하는 우주선 추진 기술의 한 유형이다. 추진 시스템은 전력 전자공학으로 제어된다.

전기 추진기는 일반적으로 화학 로켓보다 배기 속도가 더 빠르므로(더 높은 비추력으로 작동) 화학 로켓보다 추진제를 훨씬 적게 사용한다. 제한된 전력으로 인해 추력은 화학 로켓에 비해 훨씬 낮지만, 전기 추진은 더 오랜 시간 동안 추력을 제공할 수 있다. 저추력으로 장기간 작동하며 핵분열 원자로로 구동되는 핵전기 또는 플라스마 엔진은 화학 동력 비행체나 핵열 로켓보다 훨씬 빠른 속도에 도달할 잠재력이 있다. 그러나 저추력 추진으로 인해 전기 추진은 지구 표면에서의 발사에는 적합하지 않으며 외계의 심우주 작전에만 제한될 것이다. 이러한 비행체는 이번 세기 내에 합리적인 여행 시간으로 태양계 탐사를 가능하게 할 잠재력을 가지고 있다. 미래에는 가장 발전된 전기 추력기가 의 델타 V를 부여할 수 있을 것이며, 이는 원자력을 사용하여 우주선을 태양계 외행성으로 보낼 수 있을 만큼 충분하지만 성간 이동에는 너무 느리다. 외부 동력원(우주선용 태양 전지판에 레이저를 통해 전송 가능)을 가진 전기 로켓은 성간 비행의 이론적 가능성을 가지고 있다.

전기 추진은 1960년대에 처음 시연되었으며 현재 우주선에 널리 사용되는 성숙한 기술이다. 미국과 러시아 위성은 수십 년 동안 전기 추진을 사용해왔다. 기준으로, 500대 이상의 우주선이 태양계 전역에서 위치 유지, 궤도 상승 또는 주요 추진을 위해 전기 추진을 사용했다.

화성으로 가는 여정에서 전기 동력선은 초기 질량의 70%를 목적지까지 운반할 수 있지만, 화학 로켓은 몇 퍼센트만 운반할 수 있다.

 역사 
우주선 전기 추진에 대한 아이디어는 1911년 콘스탄틴 치올콥스키에 의해 처음 제시되었다. 이보다 앞서 로버트 고더드는 자신의 개인 공책에 그러한 가능성을 언급한 바 있다.

1929년 5월 15일, 소련 연구소인 가스 동역학 연구소(GDL)는 전기 로켓 엔진 개발에 착수했다. 발렌틴 글루시코가 이끄는 그는 1930년대 초 세계 최초의 전기열 로켓 엔진을 만들었다. GDL의 초기 작업은 꾸준히 이어져 1960년대에는 보스호트 1호 우주선과 존드 2호 화성 탐사선에 전기 로켓 엔진이 사용되었다.

전기 추진의 첫 번째 시험은 1964년 4월 소련 존드 1호 우주선에 실린 실험용 이온 기관이었지만, 탐사선 문제로 인해 불규칙하게 작동했을 수 있다. 존드 2호 우주선 또한 6개의 펄스 플라스마 추력기(PPT)를 탑재하여 자세 제어 시스템의 액추에이터 역할을 했다. PPT 추진 시스템은 1964년 12월 14일, 우주선이 지구에서 420만 킬로미터 떨어져 있을 때 70분 동안 시험되었다.

이온 엔진의 첫 성공적인 시연은 미국 항공 우주국의 SERT-1(우주 전기 로켓 시험) 우주선이었다. 1964년 7월 20일에 발사되어 31분 동안 작동했다. 후속 임무인 SERT-2는 1970년 2월 3일에 발사되었다. 두 개의 이온 추진기를 탑재했으며, 하나는 5개월 이상 작동했고 다른 하나는 거의 3개월 동안 작동했다.

도널드 A. 마틴은 1973년에 성간 이동 다이달로스 계획을 위해 원자로를 이용한 전기 동력 추진을 고려했지만, 추진력 프로파일, 핵 에너지를 전기로 변환하는 데 필요한 장비의 무게, 그리고 결과적으로 목표 속도에 도달하는 데 한 세기가 걸릴 작은 가속도 때문에 이 방식은 거부되었다.

2010년대 초까지 많은 위성 제조업체는 위성에 전기 추진 옵션을 제공하고 있었으며, 대부분은 궤도상 자세 제어를 위한 것이었고, 일부 상업용 통신 위성 사업자들은 전통적인 화학 로켓 엔진 대신 지구 동기 궤도 진입에 전기 추진을 사용하기 시작했다.

 종류 

 이온 및 플라스마 드라이브 
이러한 유형의 로켓과 같은 반응 엔진은 전기 에너지를 사용하여 추진제로부터 추력을 얻는다.

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

 정전기식 

가속이 주로 쿨롱 힘(즉, 가속 방향으로 정적 전기장 적용)에 의해 발생하는 경우 장치는 정전기식으로 간주된다. 유형:

 그리드 이온 추력기
 NASA 태양 기술 적용 준비 (NSTAR)
 HiPEP
 무선 주파수 이온 추력기
 홀 효과 추력기, 여기에는 정지 플라스마 추력기(SPT) 및 양극층이 있는 추력기(TAL)의 하위 유형이 포함된다.
 콜로이드 이온 추력기
 전계 방출 전기 추진
 나노 입자 전계 추출 추력기

 전기열식 
전기열 범주는 전자기장을 사용하여 플라스마를 생성하여 벌크 추진제의 온도를 높이는 장치들을 묶는다. 추진 가스에 전달된 열 에너지는 고체 재료 또는 자기장의 노즐에 의해 운동 에너지로 변환된다. 낮은 분자량 가스(예: 수소, 헬륨, 암모니아)가 이러한 종류의 시스템에 선호되는 추진제이다.

전기열 엔진은 노즐을 사용하여 열을 선형 운동으로 변환하므로, 열을 생성하는 에너지가 외부 소스에서 오더라도 진정한 로켓이다.

비추력(Isp) 측면에서 전기열 시스템의 성능은 500에서 ~1000초에 달하지만, 냉가스 추진기, 단일 추진제 로켓, 심지어 대부분의 이중 추진제 로켓보다 우수하다. 소련에서는 1971년에 전기열 엔진이 사용되기 시작했다. 소련의 "메테오-3", "메테오-프리로다", "레수르스-O" 위성 시리즈와 러시아의 "일렉트로" 위성에는 이러한 엔진이 장착되어 있다. 에어로젯(MR-510)의 전기열 시스템은 현재 하이드라진을 추진제로 사용하여 록히드 마틴 A2100 위성에 사용되고 있다.

 전기 저항 제트 엔진
 아크젯
 마이크로파
 바시미르

 전자기식 

섬네일|전자기 추진 핵융합 플라스마 추력기의 3D 스케치
전자기 추력기는 로런츠 힘 또는 전기장이 가속 방향과 일치하지 않는 전자기장의 효과에 의해 이온을 가속한다. 유형:

 전극 없는 플라스마 추력기
 자기 플라스마 동역학 추력기
 펄스 유도 추력기
 펄스 플라스마 추력기 
 헬리콘 이중층 추력기
 자기장 진동 증폭 추력기

 비이온 드라이브 

 광자식 

광자식 드라이브는 광자하고만 상호 작용한다.

 전기역학 테더 

전기역학 테더는 테더 위성에서 배치된 것과 같은 긴 전도성 와이어로, 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하여 발전기로 작동하거나, 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하여 전동기로 작동할 수 있다. 전위는 지자기를 통해 움직이는 전도성 테더에 의해 생성된다. 전기역학 테더에 사용될 전기 전도체 금속의 선택은 도전율 및 밀도와 같은 요인에 의해 결정된다. 응용 분야에 따라 보조 요인으로는 비용, 강도 및 녹는점이 포함된다.

 논란의 여지가 있는 
일부 제안된 추진 방법은 현재 이해되는 물리 법칙을 위반하는 것으로 보이며, 여기에는 다음이 포함된다.
 양자 진공 추력기
 EM 드라이브 또는 캐내 드라이브

 정적 대 비정적 
전기 추진 시스템은 정적(정해진 기간 동안 지속적인 발사) 또는 비정적(원하는 충격량에 도달하도록 펄스 발사)으로 분류할 수 있다. 이러한 분류는 모든 유형의 추진 엔진에 적용될 수 있다.

 동적 특성 

전기 동력 로켓 엔진은 우주선에서 사용 가능한 제한된 전력 때문에 화학 로켓에 비해 몇 자릿수 낮은 추력을 제공한다. 화학 로켓은 연소 생성물에 에너지를 직접 전달하는 반면, 전기 시스템은 여러 단계를 거쳐야 한다. 그러나 동일한 추력에 대해 높은 속도와 적은 반응 질량을 소모하기 때문에 전기 로켓은 연료를 적게 사용하여 작동할 수 있다. 이는 엔진에 더 많은 연료가 필요하여 우주선이 대부분 관성 궤적을 따라야 하는 일반적인 화학 동력 우주선과는 다르다. 행성 근처에서는 저추력 추진이 중력을 상쇄하지 못할 수 있다. 전기 로켓 엔진은 행성 표면에서 비행체를 들어 올릴 만큼 충분한 추력을 제공할 수 없지만, 장시간 동안 가해지는 저추력은 우주선이 행성 근처에서 기동할 수 있도록 한다.

 같이 보기 
 자기 돛, 태양 또는 모든 별의 태양풍에 의해 구동되는 제안된 시스템
 전기 추진 우주선 목록, 전기 추진을 사용한 과거 및 제안된 우주선 목록
 비펠드-브라운 효과

 각주 

 외부 링크 
 미국 항공 우주국 제트추진연구소
The technological and commercial expansion of electric propulsion - D. Lev et al. The technological and commercial expansion of electric propulsion
 전기(이온) 추진, 볼더 콜로라도 대학교, 대기 연구 대학교 센터, 2000.
 전기 추진을 위한 분산 전력 아키텍처
 Choueiri, Edgar Y. (2009). 전기 로켓의 새로운 새벽 
 로버트 G. 얀 및 에드거 Y. 추에리. 전기 추진 
 콜로라도 주립 대학교 전기 추진 및 플라스마 공학 (CEPPE) 연구소
 정지 플라스마 추력기(PDF)
 전기 우주 추진
 공공 교훈 학습 항목: 0736
 전기 추진의 비판적 역사: 첫 50년 (1906–1956) - AIAA-2004-3334
Aerospace America, AIAA 출판물, 2005년 12월, 추진 및 에너지 섹션, 54–55쪽, Mitchell Walker 저.

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