주요 연구 성과
- 전은지 교수 연구실, 초저궤도 인공위성의 실현을 위한 입자흡입형 전기추력기 기술 개발: 극저온 기술 기반의 능동형 입자흡입기
- 관리자 |
- 2024-06-28 17:20:27|
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- 2024-06-28 17:20:27|
인공위성은 임무 고도가 낮아질수록 탑재체의 지상 관측 해상도 및 통신 효율의 향상을 기대할 수 있으며, 재방문 주기(revisit)가 짧아 감시 정찰 체계 운용에 유리하다. 이에 따라 고도 약 450 km 미만의 지구 초저궤도(Very low Earth orbit, VLEO)는 미래 우주기술의 영역으로 주목받고있다. 그러나, 지구 초저궤도에는 희박 대기가 잔존하여 항력을 발생시키고, 위성의 임무 수명이 크게 단축되어 위성 운용에 한계가 있다. 대기 항력 보상 및 궤도 보정 기동을 위해 우주추진장치의 탑재가 고려될 수 있으나, 플라즈마 기반의 전기추력기와 같은 고비추력 추진장치를 활용하더라도 장기간 위성 임무수행을 위해서는 고중량의 추진제 탑재가 요구된다.
최근 지구 초저궤도 상의 잔존 희박대기를 흡입하여 추진제로 활용하고자 하는 입자흡입형 전기추력기(Atmosphere-breathing electric propulsion, 이하 ABEP)의 개념이 제시되어 활발히 연구되고있다. ABEP는 발사 단계에서의 추진제 탑재 없이 장기간의 궤도 보정을 가능케 할 것으로 기대되는 미래 기술이지만, 운용 가능한 체계의 개발을 위해서는 효율적 입자흡입기의 설계가 필수적이다. 이를 위해 다수의 선행 연구에서는 7.8 km/s에 달하는 위성의 궤도 속도를 이용, 고깔 모양의 고정형 구조물을 통해 대기를 포집하는 수동형 입자흡입기의 설계가 연구되고있다. 그러나, 추진제의 이온화를 위한 방전 압력 형성과 충분한 추력 발생을 위한 유량 공급을 위해서는 추가적인 성능 개선이 필요할 것으로 여겨진다.
KAIST 항공우주공학과의 비평형 기체 플라즈마 연구실(지도교수: 전은지)에서는 수동형 입자흡입기의 성능을 향상시키기 위해, 극저온 기술 기반의 능동형 입자흡입기의 개념을 고안하고 전산 해석을 통해 운용 과정을 모사하였다. 극저온 응축-재생 능동형 입자흡입기(Cryocondensation-regeneration active intake device, 이하 CRAID)는 20 K 수준의 극저온에서 대기 조성의 기체가 고체로 승화하는 원리를 응용한다. 극저온 패널을 이용해 기존의 수동형 입자흡입기로 포집된 대기를 고체상태로 저장하고, 이후 승온하여 고압의 기체로 재생 및 추진제로 활용하는 방식으로 작동한다. CRAID의 개념도와 작동 원리를 그림 1에 나타내었다. 본 연구진은 CRAID의 형상을 설계하고 상변이 과정에 대한 수치 모델을 개발, 입자기반의 몬테카를로 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)에 적용하여 흡입 성능을 예측하였다. 전산 모사를 통해 CRAID가 기존 수동형 입자흡입기에 비해 100배 이상의 압축 성능을 가짐과 동시에 완전한 항력 보상 기동을 위해 필요한 추진제 유량 공급이 가능함을 확인하였다. 극저온 냉동기를 비롯한 냉각 기술은 우주비행체에서 실증된 기술성숙도(Technology Readiness Level, TRL) 9 수준의 기술로, CRAID에 대한 추가적인 실증 연구를 통해 ABEP의 운용 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
문건웅 박사과정 제 1저자로 참여한 본 연구 성과는 항공우주분야 국제학술지 ‘Aerospace Science and Technology’ (IF:5.6, JCR 분야 상위 7.4%) 151권에 게재되었다. (논문명: Design and operational concept of a cryogenic active intake device for atmosphere-breathing electric propulsion)
https://doi.org/10.1016/j.ast.2024.109300
그림: CRAID의 개념도(좌) 및 작동 원리(우).
최근 지구 초저궤도 상의 잔존 희박대기를 흡입하여 추진제로 활용하고자 하는 입자흡입형 전기추력기(Atmosphere-breathing electric propulsion, 이하 ABEP)의 개념이 제시되어 활발히 연구되고있다. ABEP는 발사 단계에서의 추진제 탑재 없이 장기간의 궤도 보정을 가능케 할 것으로 기대되는 미래 기술이지만, 운용 가능한 체계의 개발을 위해서는 효율적 입자흡입기의 설계가 필수적이다. 이를 위해 다수의 선행 연구에서는 7.8 km/s에 달하는 위성의 궤도 속도를 이용, 고깔 모양의 고정형 구조물을 통해 대기를 포집하는 수동형 입자흡입기의 설계가 연구되고있다. 그러나, 추진제의 이온화를 위한 방전 압력 형성과 충분한 추력 발생을 위한 유량 공급을 위해서는 추가적인 성능 개선이 필요할 것으로 여겨진다.
KAIST 항공우주공학과의 비평형 기체 플라즈마 연구실(지도교수: 전은지)에서는 수동형 입자흡입기의 성능을 향상시키기 위해, 극저온 기술 기반의 능동형 입자흡입기의 개념을 고안하고 전산 해석을 통해 운용 과정을 모사하였다. 극저온 응축-재생 능동형 입자흡입기(Cryocondensation-regeneration active intake device, 이하 CRAID)는 20 K 수준의 극저온에서 대기 조성의 기체가 고체로 승화하는 원리를 응용한다. 극저온 패널을 이용해 기존의 수동형 입자흡입기로 포집된 대기를 고체상태로 저장하고, 이후 승온하여 고압의 기체로 재생 및 추진제로 활용하는 방식으로 작동한다. CRAID의 개념도와 작동 원리를 그림 1에 나타내었다. 본 연구진은 CRAID의 형상을 설계하고 상변이 과정에 대한 수치 모델을 개발, 입자기반의 몬테카를로 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)에 적용하여 흡입 성능을 예측하였다. 전산 모사를 통해 CRAID가 기존 수동형 입자흡입기에 비해 100배 이상의 압축 성능을 가짐과 동시에 완전한 항력 보상 기동을 위해 필요한 추진제 유량 공급이 가능함을 확인하였다. 극저온 냉동기를 비롯한 냉각 기술은 우주비행체에서 실증된 기술성숙도(Technology Readiness Level, TRL) 9 수준의 기술로, CRAID에 대한 추가적인 실증 연구를 통해 ABEP의 운용 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
문건웅 박사과정 제 1저자로 참여한 본 연구 성과는 항공우주분야 국제학술지 ‘Aerospace Science and Technology’ (IF:5.6, JCR 분야 상위 7.4%) 151권에 게재되었다. (논문명: Design and operational concept of a cryogenic active intake device for atmosphere-breathing electric propulsion)
https://doi.org/10.1016/j.ast.2024.109300
그림: CRAID의 개념도(좌) 및 작동 원리(우).
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