발간 현황

NASA에서는 Table 2에 나타낸 것처럼 크게 Science Mission Directorate (SMD), Human Exploration and Operations Mission Directorate (HEOMD), Space Technology Mission Directorate (STMD)에서 임무에 따른 다양한 전기추력기 연구를 수행하고 있다[15].

SMD에서는 주로 우주에서 다양한 과학임무를 수행하며, 향후 심우주탐사를 위한 7 kW급 이온추력기인 NEXT-C (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster-Commercial)와 4.5 kW급 홀추력기 HiVHAc(High Voltage Hall Accelerator)를 연구개발하고 있다. NSTAR를 바탕으로 Aerojet Rocketdyne과 ZIN Technologies 에 의해 개발된 NEXT-C는 향후 Double Asteroid and Redirection Test (DART) mission의 주요 추진시스템으로 사용하고자 계획하고 있다[15,20,21].

화성으로의 유인 우주탐사와 우주화물운반과 같은 고난이도 임무를 목적으로하는 HEOMD에서는 차세대 추진시스템인 고전력의 전기추진 시스템을 연구하고 있다[15]. 주요 사업인 NextSTEP (Next Space Technologies for Exploration Partnerships)을 통해서 100 kW급 전기추력기인 Aerojet Rocketdyne사의 홀추력기 XR-100[21], Astra사의 VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)[22], MSNW사의 ELF (Electrodeless Lorentz Force Thruster)[23]를 약 100시간 이상 안정적인 운전을 목표로 개발 중에 있으며, 주요 성능 목표를 비추력 2000-5000 s, 전력효율 60%, 수명 10,000 시간, 무게 5 kg/kW 수준으로 설정하고 추후 MW급 추력기 개발을 목표로 연구 중이다(Fig. 5)[15]. 또한, 소형 큐브위성을 통한 달탐사 임무인 Lunar IceCube mission을 수행하기 위해 BUSEK에서 개발한 추력 1.6 mN, 전력 60 W급 이온추력기인 BIT-3를 활용하여 탐사임무를 진행하고 있다[24,25].

Fig. 5 
VASIMR (top), ELF-250 (middle), and XR-100 (bottom) [15].

NASA에서 진행 중인 대부분의 전기추력기 과제는 STMD에서 진행되며, 주요 임무는 AEPS (Advacned Electric Propulsion System)개발로, FM급 13.3 kW급 홀 추력기 시스템을 개발하고 있다[26]. AEPS의 개발을 통해서 향후 구축할 지구와 달 사이의 정거장을 개발하는 Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G)(Fig. 6) 임무의 Power and Propulsion Element (PPE)를 AEPS를 이용하여 개발하고자 계획 중이다[27,28]. 이외에도 소형 추력기인 전자분무기(Electrospay), 고체연료로 사용가능한 요오드(iodine)를 연료로 사용한 홀추력기 시스템, 자기차폐(Magnetically shielding) 홀추력기 등의 연구가 활발하게 진행되고 있다[15].

Fig. 6 
NASA’s Lunar Gateway Configuration concept [27].

Michigan University의 Plasmadynamics & Electric Propulsion Laboratory (PEPL)에서는 NASA와 공동연구를 통해 미국 내에서 가장 활발하게 전기추력기의 연구개발을 진행하고 있다. 수백 W급에서 100 kW급 추력기(Fig. 7)를 폭넓게 개발하고 있으며, 홀추력기를 기반으로한 고전력 전기추력기를 개발하고 있다. 미국 내의 BUSEK, NASA JPL 등과 대부분의 홀추력기 공동연구를 진행하고 있으며, BUSEK의 BHT-200, NASA의 NASA-173Mv1, Aerojet Rocketdyne의 Nested 홀추력기 등을 개발하였다[29]. 길이 9 m, 직경 6 m, 배기속도 240,000 L/s (Xe)의 대형진공챔버(Fig. 7)를 구축하여, 수십 kW 급 추력기의 연구 개발이 자체적으로 가능하며, ExB탐침, 전위지연탐침(Retarding potential Analyzer), 패러데이탐침(Faraday probe) 등 플라즈마의 이온빔 특성을 진단 할 수 있는 다수의 플라즈마 진단 시스템도 구축하여 플라즈마 특성연구도 진행하고 있다. 최근에는 홀추력기의 수명개선을 위한, 자기장 구조를 제안하여 기존의 SPT (Stationery plasma thruster) 타입 추력기의 수명 개선을 위한 연구를 활발하게 진행하고 있다[30,31].

Fig. 7 
Nested Hall thruster (top) and Large Vacuum Test Facility (bottom)[29].

Boeing Satellite Development Center에서는 위성의 무게를 크게 감소시키기 위해 전기추력기를 기반으로한 상업용 통신위성 플랫폼을 최초로 개발하였다[13,14]. 개발된 플랫폼인 702SP는 무게 약 2 ton, 전력 7.5 kW이며, Full-EP를 사용하여 궤도 천이와 위치유지임무를 수행 할 수 있다[13]. 사용된 전기추력기는 약 2.0-4.5 kW급 L3 Electron Devices사의 이온추력기(XIPS-25)를 4기 사용하였다[13,32]. Fig. 8과 Table 3에 XIPS의 사진과 성능을 정리하였다[33].

Fig. 8 
XIPS Ion thruster[33].

ESA에서는 우주탐사 임무로는 Smart-1과 Bepi-Colmobo에서 전기추력기를 사용하였다[14]. Bepi-Colombo는 이온추력기를 사용하여 수성을 탐사하는 임무를 수행하고 있는데, 전력 약 10.5 kW, 연료 580 kg, 비추력 3800 s, 추력 120-290 mN의 요구조건을 만족시키기 위해서 QinetiQ사의 T6 이온추력기 4기를 탑재하였다(Fig.10) [37].

Fig. 10 
Electric propulsion system of Bepi-Colombo[37].

2009년 발사된 중력장 측정과 지구관측을 위한 GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)를 통해 저궤도(약 275 km)에서 전기추력기를 이용하여 궤도 보정 및 항력 보상(Drag compensation)을 수행하였으며, 이를 기반으로 향후 NGGM (NEXT Generation Gravity Mission), LISA (Laser Interferometer Space Antennas)와 같은 위성의 정교한 제어를 요구하는 임무에 저전력 전기추력기를 활용하고자 계획하고 있다(Fig. 11)[14].

Fig. 11 
ESA’s Science and Earth Observation Satellites[14].

ESA의 우주탐사와 과학임무에 더하여, 유럽에서는 위성에서 전기추력기의 실용화가 더 활발하게 진행되고 있다. Table 4에 유럽의 상업용 통신위성들의 전기추력기 활용과 개발현황을 나타내었다(2018년 기준)[14]. ESA의 ARTEMIS 플랫폼의 경우만 이온추력기를 사용하였으며, 다른 플랫폼의 경우 모두 홀추력기를 사용하였다. 현재까지 발사된 Eurostar E3000, AlphaBus, SpaceBus 등의 위성은 Safran의 PPS-1350 홀추력기를 사용하였으며, 대부분의 임무는 NSSK 위치유지로 제한적으로 사용되었다. 2021년과 2019년 발사될 ELECTRA(Fig. 12)와 NEOSAT은 약 5.0 kW급 홀추력기 PPS-5000을 사용하여 Boeing 에서와 같이 자세제어부터 궤도상승(Orbit Raising)까지 활용할 계획이다[14,38,39]. Safran의 PPS-5000은 최대 전력 5kW, 추력 316 mN, 비추력 2000 s의 성능을 가지고 있으며, 정지궤도로의 궤도상승 임무는 4기의 추력기를 사용하여 약 4-5개월 동안 진행될 예정이다[14,38-41].

Fig. 12 
Electra satellite with EP and boom kinematic[41].

Safran에서는 홀추력기 시스템인 1.5 kW급 PPS-1350과 5kW 급 PPS-5000 두 가지 추력기를 연구개발하고 있다. 추력기의 플라즈마 진단과 특성 분석은 주로 CNRS와 같은 연구소에서 수행하며 회사에서는 추력기 개발을 중점적으로 진행하고 있다. Smart-1에서 사용된 PPS-1350(Fig. 13)을 기반으로 유럽의 다수의 위성에 홀추력기를 탑재하였으며 향후 궤도상승과 같은 고난이도 임무 수행을 위한 5 kW 추력기인 PPS-5000을 개발하고 있다. Safran에서 개발 중인 추력기는 kW당 추력이 약 50-60 mN이며 비추력 약 1660-2000 s 의 성능을 가지고 있다.

Fig. 13 
Safran PPS-1350[42].

QinetiQ에서는 Kaufman DC 방전을 이용한 이온추력기를 개발하고 있다. ESA의 GOCE 위성에서 1 kW급 T5 이온추력기를 탑재하였고, 5 kW급 T6 추력기를 개발하여 Bepi-Colmobo 위성에 탑재하였다[43]. 개발된 추력기와 상세한 성능은 아래 Fig. 14과 Table 5에 나타내었다. 최근에는 T5와 T6를 바탕으로, 7 kW급 이온추력기인 T7을 개발하고 있다.

Fig. 14 
QinetiQ’s T6 ion thruster[43].

최근 일본에서는 Hayabusa 임무를 통해 개발한 μ10 이온추력기에 더하여, 고전력 홀추력기에 대한 연구 개발이 활발하다[48]. Fig. 16의 JAXA의 전기추력기 개발 로드맵 초안에 따르면, 약 1 kW 급 이하의 추력기는 이온추력기를 활용하지만 2021년 발사될 ETS-9 (Engineering Test Satellite)[49]의 Full-EP 시스템과 달 화물선 및 유인우주선 모두 자체 개발한 홀추력기를 탑재하고자 계획하고 있다. 이는, 상대적으로 추력밀도가 낮은 이온추력기보다 고추력 임무에서 전력가활용위가 넓은 홀추력기 개발을 선택한 것으로 사료된다. 현재는 기존의 SPT 타입 추력기와는 구조가 다른 약 5kW급 TAL(Thruster with Anode Layer) 타입 홀추력기를 개발하여 향후 우주임무를 수행하고자 계획하고 있다[50,51]. 이를 바탕으로, 현재 진행중인 RAIJIN 임무를 통해 25 kW 우주 추진시스템(5 kW급, 5기)을 개발하여, 향후 우주 임무에서 자체개발한 홀추력기를 활용하고자 준비하고 있다[49-51].

Fig. 16 
Electric Propulsion Roadmap at JAXA[48].

도쿄대에서는 홀추력기, 이온추력기, 펄스플라즈마추력기 등 다양한 추력기의 연구 개발을 일본 내에서 가장 활발하게 진행하고 있다[50].

최근 주요사업으로 진행 중인 홀추력기 연구의 경우, 5 kW급 홀 추력기를 개발하여 25 kW급 시스템을 개발하는 과제인 RAIJIN 임무를 위해 2 kW급 TAL 홀추력기(Fig. 17)를 디자인하고 평가하는 임무를 주요 업무로 진행하고 있다. 홀추력기에서 성능과 수명에 주요한 역할을 하는 방전채널 소재와 자기장 특성 변화를 통한 추력기 최적화 연구를 진행하고 있다[50].

Fig. 17 
UT-58 Thruster with anode layer[50].

이온추력기는 약 40 W급 추력기를 개발하여, HODOYOSHI-4와 PROCYON 위성에 탑재하여 운용하였다. HODOYOSHI-4는 약 65 kg급 저궤도 소형위성으로, 건조질량 7.1 kg, 크기, 34x26x16 cm³, 소모전력, 39 W, 추력 300 uN, 비추력 1200 s의 성능을 가지고 있는 이온추력기를 탑재하였다[50]. PROCYON는 67 kg급 소형 탐사위성으로, Hayabusa-2와 함께 발사되었다. 추력 시스템은 전력 38 W, 추력 350 uN, 비추력 1000 s의 이온추력기와 8기의 8 W급 냉가스 추력기를 탑재하였다(Fig. 18)[50].

Fig. 18 
Firing of ion thruster on PROCYON satellite [50].

OIT에서는 홀추력기, 아크젯추력기, MPD 추력기, 펄스플라즈마추력기 등 다양한 종류의 전기추력기를 개발하고 있다. 가장 활발하게 연구하고 있는 홀추력기의 경우, 주요과제인 RAIJIN의 추력기 개발을 위한 TAL 타입 추력기와 SPT 타입 추력기, 원통형 타입의 홀추력기를 개발하고 있다(Fig. 19)[50]. 개발된 원통형 홀추력기는 추력 1.1-5.5 mN, 비추력 366-1853 s, 효율 8.6-36.4%의 성능을 가지고 있으며, 3rd PROITERES 나노위성에 탑재되었다. 또한, 전력 약 32 J의 PPT를 개발하여, 1st PROITERES와 2nd PROITERES 나노위성에 탑재하였다[50].

Fig. 19 
TAL type(left), SPT type(middle), Cylindrical(right) Hall thrusters[50].