차세대 우주추진 - 전기추진시스템
세종대학교 항공시스템공학과 교수 강상훈
1. 전기추진시스템 개요
뉴턴의 운동량 보존 법칙에 따르면, 어떤 시스템이 갖는 운동량 (질량과 그 질량이 갖는 속도의 곱)을 모두 합한 값은 변하지 않는다. 따라서, 시스템이 갖는 질량 중 일부를 한쪽 방향으로 빠르게 (높은 속도로) 방출하게 되면, 그 시스템은 방출방향의 반대방향으로 힘을 받게 되는데, 이러한 원리를 이용한 추진시스템이 바로 제트엔진이다. 이 원리에 따르면, 제트 엔진은 노즐 밖으로 뿜어내는 추진제의 질량 및 속도가 클수록 높은 추력을 발생시킨다. 질량을 많이 뿜어내자면, 추진제(연료 및 산화제)가 많이 필요하니, 경제적이지 못하므로, 뿜어내는 속도를 높여, 추진력을 극대화시키게 되는데, 이를 위한 방법으로 연료와 산화제를 섞어 연소(화학반응)시켜 고온, 고압의 가스를 만들어 배출하는 방법을 많이 쓴다. 로켓엔진 및 터보제트 엔진 등이 이에 해당한다. 대기 중의 공기를 사용하는 터보제트 엔진은 우주공간에서는 사용할 수 없으므로, 우주개발 초창기, 우주에서 활용할 수 있는 추진시스템은 로켓엔진이 유일하였다. 그러나, 로켓엔진은 지나치게 많은 추진제를 소모하는 비효율성으로 인해, 오랜 시간 비행하며, 심우주로 나아가기에는 부적합했는데, 이러한 단점을 보완하기 위해 개발된 추진시스템이 바로 전기추진시스템이다.
전기추진시스템은 추진제의 화학반응 대신 전기에너지에 의한 가열, 전기력 또는 자기력에 의해 배기가스를 가속시켜 추력을 얻는 추진시스템을 통칭한다. 이중 전기력 및 자기력과 같은 물체력(Body force)은 추진제가 배출되는 동안에도 추진제에 힘을 지속적으로 가해주므로 상대적으로 오랜 시간 가속시킬 수 있어, 고온, 고압을 만들어 열어주기만 하는 방식의 화학식 추력시스템보다 추진제 가속효율이 매우 높다. 다시 말하자면, 전기추진시스템의 추력의 크기는 화학식 추진시스템보다 작지만, 추진제 소모량 대비 추진력 즉 비추력의 경우 화학식 추진시스템보다 수십 배 크기 때문에, 적은 양의 추진제를 탑재하고도 오랜 시간 동안 심우주로 나아가기에 적합하다. 또한 저추력으로도 충분히 궤도전환 및 자세제어를 이룰 수 있는 위성추진시스템으로도 매우 적합한 추진시스템이라 할 수 있다. 따라서 전기추진시스템을 사용하면, 연료절약, 위성무게 감소, 탑재체 용량 및 응용시간 증가의 장점을 가질 수 있다. 반면에 단점으로는 궤도전이시 화학식에 비해 매우 낮은 추력으로 인해 오랜 시간이 소요되며, 고전력의 배터리 및 대용량의 태양전지판 사용이 필요하다는 점을 들 수 있다.
< 추진시스템 종류에 따른 추진력, 비추력 비교 >
2. 전기추진시스템 분류
전기추진시스템은 추진제의 화학반응 대신 전기에너지에 의한 가열, 전기력 또는 자기력 의해 배기가스를 가속시켜 추력을 얻는 방식으로 추진제 가스의 이온화와 가속 방식에 따라 대표적으로 전열(electrothermal), 정전(electrostatic), 전자기(electromagnetic) 방식 등으로 분류된다.
1) 전열방식
전열(electrothermal) 방식은 전기에너지로 추진제를 가열하여 노즐을 통해서 팽창시킴으로써 추력을 발생하는 방식이다. 화학식 추진시스템에 비해 분자량이 낮고 비열비가 높은 추진제를 이용해 더 높은 속도로 배기가스를 배출시킬 수 있지만 추력의 크기는 화학식보다 낮다. 전열방식은 추진제 가열 시 전기저항을 이용하는 저항제트 추력기(resistojet)와 방전현상을 이용하는 방전제트 추력기(arcjet)로 분류할 수 있다.
저항제트 추력기는 전기저항에 의해 가열된 고체 표면을 추진제와 접촉하여 추진제를 가열시키는 방식으로서, 1965년 Vela 위성의 궤도제어용으로 처음 쓰인 후 현재까지 수백 개의 위성에서 사용된 바 있다. 또한, 저항제트 추력기는 전기추진시스템 중에서도 추력/전력비가 가장 높다는 장점이 있다. 현재 가장 일반적인 저항제트 추력기는 하이드라진 연료를 사용하는 추력기로서 연료 효율이 높아 정지궤도 위성의 북남/ 위치유지에 주로 사용되고 있으며, 비추력은 약 300 초이다.
방전제트 방식은 전기아크에서 발생하는 높은 열을 이용해 추진제를 가열하는 방식이다. 동일한 양의 추진제를 사용할 때, 방전제트 추력기의 비추력이 저항제트추력기에 비해 약 50 ~ 100 %정도 높다. 이때 추진제는 전기적으로 중성이므로 추진제에 작용하는 전기력은 없으며, 고온의 가스에서 이온화와 분해를 일으킨다.
<저항제트 추력기(좌) 및 방전제트 추력기(우) 개념도>
2) 정전기 방식
정전기(electrostatic) 방식은 이온화된 추진제를 정전기장을 이용하여 가속시켜 추력을 얻는다. 이때 배기되는 이온 추진제는 양이온이므로 음성인 위성체로의 충전을 방지하기 위해 별도로 전자를 혼합하여 배기가스를 중성화시켜야 한다. 정전기 추력기는 충전입자의 생성방법에 따라서 전자 충돌식(electron bombardment), 이온 접촉식(ion contact), 콜로이드(colloid) 추력기로 분류된다. 전자 충돌식 추력기는 가열된 음극에서 방출되는 전자를 증기상태의 수은이나 세슘 등의 추진제 원자에 충돌시켜 양이온을 생성하고 이를 전기장으로 가속시켜 추력을 얻는다. 이온 접촉식 추력기는 세슘과 같은 추진제의 증기를 1000℃ 이상의 다공질 텅스텐 이온화기에 통과시키고 가속전극에 의해 이온빔을 가속시켜 추력을 발생시킨다. 콜로이드 추력기는 강력한 전기장에 추진제의 액적을 통과시켜 양전하 또는 음전하로 만든 후 전자기장의 힘에 의해서 가속하여 추력을 발생시킨다. 이러한 방식은 매우 작은 추력을 얻는데 유리한데, 대표적으로 이온추력기 및 홀 추력기가 있다.
이온 추진방식은 닫힌 공간에 플라즈마를 형성한 후, 음으로 대전된 가속 그리드를 통해 양전하를 띤 이온만 선택적으로 가속 인출하는 방식이다. 플라즈마를 형성하는 방법은 DC를 이용하는 동공음극방전(hollow cathode discharge)과 RF나 마이크로파를 이용하는 방법 등이 있다. 가속 그리드에는 약 1100 ~ 1300 V 수준의 전압이 인가되며 가속 그리드를 통과하는 이온은 가속 전압에 준하는 에너지로 인출되어 추력을 발생시킨다. 그리드를 통해 이온을 가속시킴으로써 홀 추진방식에 비해 높은 비추력을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 반면에 공간 전하 제한 전류(space charge limited current)에 의해 인출할 수 있는 이온전류의 값이 일정 수준으로 제한되므로 수십 mN의 추력 발생을 위해서는 다수의 이온추력기로 구성된 김발(gimbal) 시스템을 사용하거나 이온 추력기의 대형화가 필요하며, 홀 추진방식에 비해 추력수준이 낮고 고전력을 요구한다는 단점이 있다.
수직으로 교차하는 전기장(E)과 자기장(B)에 대해 각각 수직방향으로 전하가 표류하는 현상인 홀 효과를 사용하면 중성 가스를 이온화하여 플라즈마를 유지하는 전자를 수 cm 수준의 좁은 공간에 효과적으로 구속할 수 있다. 홀 추력기는 전자기장 내 전자를 구속하는 추력기 형태에 따라 분류되며, 고리 형태의 방전 공간을 가지는 고리형 홀 추력기와 방전공간이 원통처럼 생긴 원통형 홀 추력기가 개발되어 있는데, 고리형 홀 추력기가 가장 널리 활용되고 있다. 방전공간에는 이온의 가속방출 및 전자의 E x B 표류를 유도하는 전기장을 형성하기 위한 양극이, 방전공간 외부에는 자기장을 형성하기 위한 전자석이, 전자석에서 발생된 자기장을 방전공간 내에 전기장과 수직으로 형성하기 위해 전자석을 감싸고 있는 자기회로가 있다. 전하를 띤 전자와 이온은 자기력선을 중심으로 나선운동을 하며 구속되는데, 이때 질량이 큰 이온은 전기 추력기에 인가되는 수백 Gauss 수준의 자기장에 의해 구속되지 않고, 축방향의 전기장 에 의해 가속되어 방전영역 밖으로 방출되며 추력을 발생시킨다. 홀 추력기는 이온 추력기처럼 가속 그리드를 사용하지 않아 추력발생을 위해 인출하는 이온전류 값에 제한이 없으며 추력수준이 상대적으로 높으나, kV 수준의 양극전압에서 방전이 어려워 2000 s 이상의 고비추력을 구현하는데 어려움이 있다.
< 전자 충돌식 Thruster >
< Hall thruster 개념도 >
3) 전자기 방식
정전기 방식이 정전기력을 통해 이온을 가속하여 추력을 발생시키는 반면, 전자기 방식은 플라즈마 상태로 가열된 추진제를 전자기장을 통해서 가속하여 추력을 발생시킨다. 또한 플라즈마 상태로 배기되는 가스에는 양전하와 음전하 입자가 같은 양으로 존재하기 때문에 별도의 혼합과정 없이 항상 중성을 유지한다는 특징이 있다. 전자기 방식 추력기는 크게 펄스 플라즈마(pulsed plasma) 추력기, 고정 플라즈마(stationary plasma) 추력기, 자기 플라즈마(magnetic plasma) 추력기로 구분된다. 테플론을 추진제로 사용하는 펄스 플라즈마 추력기는 점화기 플러그의 방전을 이용하여 고체 테플론 추진제를 플라즈마로 가열한 후 전자기장을 통해서 가속시킨다. 고체 추진제를 사용하므로, 설계가 간단하고, 가변 추력 또는 임펄스 비트 발생에 유리하다.
3. 전기추진시스템 적용 분야
전기추진시스템은 1964년에 Zond-2 우주비행체에 사용된 이래로, 저궤도위성의 궤도전이용, 정지궤도위성의 궤도전이 및 위치유지용, 심우주 탐사선의 속도증가용으로 다양하게 활용되고 있다.
1) 저궤도 위성 적용사례
저궤도위성의 경우 적은 전력량 및 정밀한 자세유지와 같은 다양한 임무를 수행하기에는 전기추진 성능에 제한이 있는 관계로 하이드라진을 사용한 화학식 방식이 일반적으로 선호되었다. 저궤도위성용으로는 1981년에 TIP/Nova 위성에 펄스 플라즈마 추진방식을 최초로 적용한 이례로 현재까지 167개의 50 kg급 소형위성들에게 적용된 바 있다.
1997년 이전까지는 새로운 전기추진 방식 기술을 우주환경에서 시험해보는 것이 주된 목적이었다. 일례로 미국의 NOVA 항법위성, 소련의 Plazma-A 실험위성에서 홀 추진방식을 적용해보았으며, 일본의 ETS-III 및 유럽의 EURECA 위성에서 이온 추진방식을 사용하였다. 한편 1997년에 발사된 95개의 Iridium 군집위성에는 상업용 위성 최초로 궤도유지 및 폐기기동을 위해 저항제트 추진방식을 적용하였다. 또한 방전제트 방식을 3가지 위성 프로그램에 적용하기도 하였다. 저항제트 추진방식의 경우 비추력이 127 초 정도로 성능은 낮지만 간단한 기술 및 경제적인 개발 비용의 장점으로 인해 영국의 Surrey Space Technology Ltd사에서 개발한 제품이 UoSat-12를 시초로 20개의 상업용 위성에 연속적으로 채택되기도 하였다. 최근에는 이온 추진방식을 점차 채택하기 시작했으며 그 사례로 2012년에 중국의 LIPS-200 이온추력기가 Shijian-9A에 사용되었다. 영국의 QinetiQ사의 T5 Kaufman-type 이온추력기가 독일 GOCE 위성의 궤도유지용으로 사용되었으며, 동경대학교에서 개발된 MIPS 이온추력기는 Hodoyoshi-4 초소형 위성에 사용되기도 했다.
1981년 ~ 2018년까지 적용된 저궤도위성 사례를 분석한 결과 저항제트 추진 방식이 약 74 %의 우세한 비율로 적용되었으며, 그 뒤를 이어 홀 추진방식이 15 %를 차지하고 있다. 2009년 이후 부터는 저항제트 방식보다 홀 추진 방식이 점차 선호되는 것으로 조사되었다.
< 저궤도위성용 전기추진 방식의 사용 사례 (1981 ~ 2018) >
2) 정지궤도 위성 적용사례
정지궤도위성의 경우 남북 위치유지용으로 활용 시 연료절감에 큰 장점이 있는 관계로 상업용 통신위성 분양에서 가파른 성장을 보이고 있다. 1980년 후반에 Intelsat-V 위성에 저항제트 추진방식이 사용되었으며 이와 병행하여 러시아의 SPT-70 홀 추력기가 Kosmos와 Luch 위성체에 사용되었다. 1993년에 Telstar-401 통신 위성에 비추력이 500 초인 방전제트 방식이 최초로 적용되면서 기존 화학식 추진방식에 비해 위성체 무게감소 및 탑재체 용량 증가가 가능해지면서 전기추진 사용이 증가하는 계기가 된다. 1990년 중반부터 2010년까지 정지궤도위성용 전기추진 방식은 대부분 방전제트와 이온 방식이 차지하였다. 2000 년 초반부터 홀 추진방식을 Alcatel Space, Space Systems Loral 및 Astrium에서 적용함으로써 홀 추진방식의 사용이 점차 증가하게 되었다. 2000년 초반에 Boeing의 702 통신위성과 유럽의 Artemis 위성, 유럽의 SMART-1 달탐사선에 이온 및 홀 추력기를 이용해 궤도상승을 시도해봄으로써 전기추진 방식의 새로운 활용 가능성을 검증했다. 2015년에는 최초로 Boeing이 전기추진만을 사용하여 정지궤도위성을 최종 임무궤도에 투입시킴으로써 완전 전기추진(all-electric propulsion) 방식의 성능을 입증하였다. 정지궤도위성에 활용된 전기추진 방식 사례를 조사한 결과 방전제트와 저항제트 추진 방식이 활용되면서 1990년대 중반부터 적용횟수가 급격하게 증가하기 시작하였다. 2012년부터는 전기추진 방식의 기술이 완숙되면서 1.5 ~ 4.5 kW 급의 이온 및 홀 추진방식이 큰 비중을 차지하게 되었다. 1981 ~ 2018년까지 총 340 개의 정지궤도위성에 전기추진 방식이 적용되었으며 그 중에서 홀 추력기가 약 38 % 비중을 차지하고 있으며 뒤를 이어 저항제트가 25 %, 이온추력기 19%, 방전제트 18 %의 비중으로 조사되었다. 2018년부터는 5 kW 이상의 고전력 홀 추진 방식이 적용되기 시작하는 것으로 조사되었다.
3) 심우주 탐사선 적용사례
높은 비추력 성능으로 인해 심우주 탐사선 적용에 큰 장점을 가지고 있다. 1981 ~ 2018년까지 총 8개의 심우주 탐사선에 적용되었으며, 특히 이온추력기가 6번 사용되었다. 최대 전력 소모량은 2.5 kW급이며 총 임펄스는 2×103 ~ 2×107 N-s로 조사됐다. 아직까지 높은 기술위험성과 개발비용으로 인해 화학식 추진방식보다 적용사례는 작지만 향후에 증가할 것으로 예상된다.
4. 맺음말
우리나라의 항공우주연구는 1990년대에 들어서며 시작되었다고 볼 수 있다. 오랜 연구개발의 노력 끝에, 다목적 실용위성, 정지궤도 위성을 다수 쏘아 올린 바 있고, 2013년 나로호 발사 성공 이후 진행 중인 한국형발사체 사업 또한 순조롭게 진행되고 있다.
그러나 1964년에 처음 사용되어 다수의 위성 및 심우주탐사선에 적용되어 탁월한 성능을 보이는 전기추진시스템에 대한 연구는 우리나라에서 거의 이루어지지 않았다. 단순한 형상과 낮은 추력으로 시제 제작 비용이 낮고, 실험 시 위험도가 낮아 제작 및 실험에 대한 연구는 일부 대학 및 중소기업들에 의해 이루어진 바 있으나, 해석과 설계 방법에 대한 연구는 극히 드물다.
이렇게 전기추진시스템에 대한 국내연구결과가 드문 이유 중 하나는 전기추진시스템의 학문분야가 매우 융복합적이라는 점이다. 로켓엔진, 터보젯 엔진 등과 같은 전통적인 연료/산화제 연소열을 이용한 추진기관 연구자는 전자기장과 플라즈마를 동반한 전기추력기 내부 현상에 대한 연구에 접근하기 어렵고, 다양한 산업분야에서 활용되는 플라즈마 관련 연구자는 우주추진에 대한 배경지식이 부족하다. 이렇게 어찌보면 사소할 수도 있는 이유로 우리나라의 전기추진시스템의 전문가는 매우 부족한 실정이다.
2019년 한국형발사체의 시험발사체 누리호가 성공적으로 발사되었고, 2021년 본 발사도 순조롭게 진행될 것으로 예측되고 있다. 수많은 다목적 실용위성, 정지궤도위성, 차세대 중형위성 등의 발사도 이미 성공하였거나, 성공적으로 진행 중이다.
이러한 모든 사업들이 성공한 이후에도 우리나라의 항공우주분야가 나아가야할 방향은 다양하게 뻗어있다. 재사용발사체 개발, 인공위성 고성능 탑재체 국산화 등도 중요한 목표가 될 수 있지만, 또 하나 목표가 될 수 있는 분야는 심우주 탐사이다. 일부 어려움도 겪고 있지만, 달궤도선을 개발하는 달탐사 사업이 진행되고 있고, 이 사업이 성공한 이후에는 그 다음 탐사 목표는 화성이 될 수 있다. 스페이스 엑스 사는 화성유인탐사 및 정착을 목표로 하고 있음을 대외적으로 선포하였다.
언젠가 우리나라가 화성탐사를 목표로 하게 된다면 이에 적합한 추진기관은 전기추진기관이 될 것이다. 이를 위해 지금부터라도 전기추진시스템에 대한 기초 및 응용연구가 활발하게 선행되어야할 것이다.
<스페이스 엑스 사의 화성 유인 탐사 계획>