깊은 우주 탐사를 위해 설계된 플라즈마 구동 로켓


크세논 홀 스러스터

NASA에서 진공 조건 하에서 테스트되는 태양 전기 추진 홀 효과 스러스터. 크레딧: NASA

깊은 우주 탐사를 위해 설계된 플라즈마 기반 로켓은 오래 지속되며 고출력을 생성합니다.

깊은 우주 여행에 대한 관심이 높아짐에 따라 우주선을 우주로 추진하기 위한 강력하고 오래 지속되는 로켓 시스템의 개발이 필요하게 되었다. 미국 에너지부(DOE)의 프린스턴 플라즈마 물리연구소 과학자(PPPL)의 작은 수정 버전을 만들었습니다. 플라즈마로켓의 수명을 연장하고 고출력을 생산하는 홀 스러스터로 알려진 기본 추진 시스템.

플라즈마 구동 미니어처 장치는 직경이 1인치 미만이며 플라즈마 추진제 주위의 벽을 제거하여 혁신적인 스러스터 구성을 만듭니다. 플라즈마는 부유하는 전자와 원자핵, 즉 이온으로 구성된 물질의 상태입니다. 이러한 혁신 중에는 PPPL에서 최초로 고안되고 연구된 원통형 홀 스러스터와 완전히 벽이 없는 홀 스러스터가 있습니다. 두 구성 모두 플라즈마와 벽의 상호작용으로 인한 채널 침식을 줄이고 스러스터의 수명을 제한합니다. 이것은 일반적인 환형 또는 링형 홀 스러스터, 특히 소형 위성에 사용되는 소형 저출력 스러스터에 큰 문제입니다.

널리 연구되고 있는

원통형 홀 스러스터는 1999년에 PPPL 물리학자인 YevgenyRaitses와 NatFisch에 의해 발명되었으며, 이후 연구소의 홀 스러스터 실험(HTX)에서 학생들과 연구되었습니다. PPPL 디바이스는 한국, 일본, 중국, 싱가포르, 유럽 연합 등의 국가에서도 연구되고 있으며, 한국과 싱가포르는 이들을 비행할 계획을 검토하고 있습니다.

벽이 없는 홀 스러스터는 채널의 침식을 최소화할 수 있지만, 플라즈마 스러스트 풀룸의 상당한 확장 또는 발산 문제에 직면하여 시스템 성능을 저하시킨다. 이 문제를 완화하기 위해, PPPL은 동심적으로 결합된 전류의 캐리어인 세그먼트화된 전극의 형태로 새로운 벽이 없는 시스템에 중요한 혁신을 도입했다. 이 혁신은 발산을 줄이고 로켓의 추력을 강화하는 데 도움이 될뿐만 아니라 전력의 원활한 공급을 방해하는 소형 홀 스러스터 플라즈마의 일시적인 중단을 억제합니다.

홀스 라스타 제이콥 시몬스

대학원생의 제이콥 시몬스(중앙)와 어드바이저의 야마다 마사아키(왼쪽), 그리고 예프게니 레이테스(뒤에 벽이 없는 홀 스러스터의 모습). 크레딧: Elle Starkman/OfficeofCommunications의 Yamadaand Raitses 사진. 타일러 부스에 의해 시몬스의 사진. 키란 스달사난의 콜라주.

새로운 조사 결과는 대학원생 제이콥 시몬스 프린스턴 대학 기계 항공 우주 공학과는 그의 박사 과정의 공동 고문 인 Raitses와 함께 출판했습니다. 프린스턴 플라즈마 물리학자인 야마다 마사아키가 또 다른 공동 고문을 맡고 있습니다. “지난 2년 동안 플라즈마 스러스터의 새로운 물리학에 관한 3개의 논문을 발표했습니다. Raitses는 말합니다. “이것은 이 분야에서 새로운 발전을 약속하는 새로운 효과를 나타냅니다.”

분할된 전극을 홀 스러스터에 적용하는 것은 새로운 것이 아니다. Raitses와 Fisch는 이전에 이러한 전극을 사용하여 기존의 환형 홀 스러스터의 플라즈마 흐름을 제어했습니다.그러나 시몬스가 측정하고 최근 논문에서 설명한 효과 응용 물리학 편지 훨씬 강력하고 스러스터의 전반적인 동작과 성능에 큰 영향을 미칩니다.

깃털에 집중

새로운 장치는 플라즈마 추진제가 로켓으로부터 광각으로 발사할 수 있게 하는 벽이 없는 홀 스러스터의 문제를 극복하는데 도움을 주며, 로켓의 추력에 거의 기여하지 않는다. “요컨대, 벽이 없는 홀 스러스터는 채널 벽이 없기 때문에 초점이 맞지 않는 풀룸을 가지고 있다고 약속합니다.”라고 시몬스는 말합니다. “따라서 추력과 효율성을 높이고 우주선 전체의 추력을 개선하기 위해 풀룸에 초점을 맞추는 방법을 찾아야했습니다.”

세그먼테이션 된 전극은 스러스터의 고전압 표준 전극으로부터 약간의 전류를 흐르게하여 플라즈마를 성형하고 플룸의 초점을 좁히고 개선합니다. 전극은 플라즈마 내의 힘, 특히 시스템이 로켓을 추진하기 위해 가속하는 이온화 크세논 플라즈마 상의 힘의 방향을 변화시킴으로써 이 효과를 생성한다. 이온화는 크세논 가스를 공정에 사용되는 자립형 전자와 원자핵, 또는 이온으로 바꾸었다.

이러한 개발은 홀 스러스터의 중요한 목표인 추력을 더 적은 부피로 성형하여 추력 밀도를 높였습니다. 세그먼테이션된 전극의 추가적인 이점은 호흡 모드 진동으로 불리는 플라즈마 불안정성의 감소이며, “이온화율이 시간에 따라 변화함에 따라 플라즈마의 양이 주기적으로 증가 또는 감소한다”고 Simmonds는 말합니다. 놀랍게도, 그는 분절된 전극이 이러한 진동을 제거했다고 덧붙였다. “세그먼트화된 전극은 이러한 이유로 홀 스러스터에 매우 유용하다”고 그는 말했다.

새로운 고추력 밀도 로켓은 작은 입방체 위성 또는 CubeSats에 특히 유용합니다. 태양 플레어, 오로라 및 기타 우주 현상 뒤에 있는 프로세스를 연구하는 자기 재연성 실험(MRX)을 이끄는 시몬스의 공동 지도 교관인 야마다 마사아키는 CubeSat에 전력을 공급하기 위해 벽이 없는 세그먼트화 전극 시스템의 사용을 제안했습니다. 시몬스와 그의 학부생 팀은 1911년 프린스턴 대학의 에반스클로포드 물리학 교수인 다니엘 마로우 교수의 지도하에 CubeSat과 그러한 로켓을 개발하겠다는 제안을 받아들였다. COVID-19(신형 코로나 바이러스 감염증) 유행성과 미래에 다시 시작될 수 있습니다.

참조: J. Simmonds와 Y. Raitses에 의한 “세그먼테이션 된 전극 벽이없는 홀 스러스터에서 호흡 진동 완화 및 플룸의 집속”, 2021 년 11 월 22 일 응용 물리학 편지.
DOI: 10.1063/5.0070307

이 작업에 대한 지원은 DOE 과학국에서 제공합니다.

뉴저지 주 플레인스버러에 있는 프린스턴 대학의 포레스탈 캠퍼스에 있는 PPPL은 플라즈마 물리학(초고온 하전 가스)에 대한 새로운 지식을 창출하고 핵융합 에너지를 생성하기 위한 실용적인 솔루션을 개발하기 위해 전념하고 있습니다.



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