자기 플라스마 동적 추진기

Magnetoplasmadynamic thruster
시험 발사 중 MPD 추진기

MPDT(Magnetoplasmadynamic) 추진기는 로런츠 힘(전자장에 의해 하전된 입자에 가해지는 힘)을 사용하여 추력을 생성하는 전기 동력 우주선 추진의 한 형태입니다. LFA(Lorentz Force Accelerator) 또는 MPD 아크젯(MPD arcjet)으로 불리기도 합니다.

일반적으로 가스 물질은 이온화되어 가속 챔버로 공급되며, 여기서 자기장과 전기장은 전원을 사용하여 생성됩니다. 그러면 플라즈마를 통해 흐르는 전류와 배기실을 통해 외부로 인가되거나 유도되는 자기장 사이의 상호작용으로 발생하는 로렌츠 힘에 의해 입자가 추진됩니다. 화학 추진과 달리 연료의 연소가 없습니다. 다른 전기 추진 변형과 마찬가지로 특정 임펄스와 스러스트는 전원 입력에 따라 증가하는 반면, 와트당 스러스트는 감소합니다.

MPD 스러스트러에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. 적용 필드와 셀프 필드입니다. 응용 필드 스러스트러는 자기장을 생성하기 위해 배기 챔버를 둘러싸고 있는 자기 링을 가지고 있고, 셀프 필드 스러스트러는 챔버 중간을 통해 연장되는 음극을 가지고 있습니다. 적용되는 필드는 자체 필드 구성이 너무 약한 낮은 전력 레벨에서 필요합니다. 제논, 네온, 아르곤, 수소, 히드라진, 리튬 등 다양한 추진제가 사용되어 왔으며, 일반적으로 리튬이 가장 우수한 성능을 발휘합니다.[1]

Edgar Choueiri Magnetoplasmatic thruster의 입력 동력은 100-500 킬로와트, 배기 속도는 초당 15-60 킬로미터, 추력은 2.5-25 뉴톤, 효율은 40-60 퍼센트라고 합니다. 그러나 추가 연구에 따르면 배기 속도는 초당 100km를 초과할 수 있습니다.[2][3]

자기 플라즈마 동적 추력기의 한 가지 잠재적인 응용 분야는 무거운 화물 및 조종 우주 차량을 위한 주요 추진 엔진입니다(예: 화성으로의 임무를 엔진 2 a^{[2][3]

이점

이론적으로 MPD 추진기는 최대 110000m/s 이상의 배기 속도로 매우 높은 특정 임펄스(Isp)를 생성할 수 있으며, 현재 제논 기반 이온 추진기의 값의 3배, 액체 로켓보다 약 25배 더 우수합니다. MPD 기술은 또한 최대 200 뉴톤(NF)의 추력 수준을 가질 수 있으며, 이는 어떤 형태의 전기 추진에서도 단연 최고이며, 거의 많은 행성 간 화학 로켓과 유사한 수준입니다.[citation needed] 이를 통해 빠른 델타-v 기동(다른 행성 궤도에 진입하는 등)이 필요하지만 연료 효율이 몇 배나 높은 임무에 전기 추진을 사용할 수 있습니다.[4]

발전

Princeton 대학의 리튬 공급 자가 필드 MPD 추진기의 CGI 렌더링(Popular Mechanics 잡지)

MPD thruster 기술은 학문적으로 연구되어 왔지만, 몇 가지 남아있는 문제들로 인해 상업적인 관심이 낮았습니다. 한 가지 작은 문제는 최적의 성능을 위해 수백 킬로와트 수준의 전력 요구 사항이 필요하다는 것입니다. 현재 행성간 우주선 전력 시스템(예: 방사성 동위원소 열전 발전기 및 태양열 배열)은 그만큼의 전력을 생산할 수 없습니다. NASA의 Project Prometheus 원자로는 수백 킬로와트 범위에서 전력을 생산할 것으로 예상되었으나 2005년에 중단되었습니다.

600 킬로와트의 전력을 생산하기 위해 설계된 우주로 가는 원자로를 생산하는 프로젝트는 1963년에 시작되어 소련에서 1960년대의 대부분 동안 진행되었습니다. 결국 승인되지 않은 통신 위성에 전원을 공급하기 위해서였습니다.[5] 킬로와트의 전력을 공급하는 원자로(현재 RTG 전력 공급의 10배)는 소련의 궤도를 도왔습니다: RORSAT;[6] 그리고 TOPAZ.[7]

승무원이 탑승하는 우주선에 사용할 메가와트 규모의 원자로를 개발하는 계획은 2009년 러시아 원자력 쿠르차토프 연구소,[8] 국가 우주 기관 로스코스모스에 의해 발표되었고,[9] 드미트리 메드베데프 러시아 대통령이 2009년 11월 연방 의회 연설에서 확인했습니다.[10]

브래들리 C가 제안한 또 다른 계획. 에드워즈, 지상에서 전력을 발사하는 겁니다 이 계획은 지상의 적응광학과 함께 0.84 마이크로미터의 5200 kW 자유 전자 레이저를 사용하여 MPD 동력 우주선에 전력을 공급하고 GaAs 태양광 패널에 의해 전기로 변환됩니다. 0.840 마이크로미터(광자당 1.48 eV)의 레이저 파장과 1.43 eV의 태양광 패널 밴드갭을 서로 튜닝하면 59%의 추정 변환 효율과 최대 540 kW/m의2 예측 전력 밀도가 생성됩니다. 이것은 아마도 LEO에서 GEO로 위성을 들어올리기 위해 MPD 상위 단계에 전력을 공급하기에 충분할 것입니다.[11]

MPD 기술의 또 다른 문제는 높은 전류 밀도(100 A/cm2 초과)에 의해 구동되는 증발로 인한 음극의 열화입니다. 리튬 및 바륨 추진제 혼합물과 다채널 중공 음극의 사용은 음극 침식 문제에 대한 유망한 해결책임을 실험실에서 보여주었습니다.[12]

조사.

MPD 추진기에 대한 연구는 미국, 구소련, 일본, 독일, 이탈리아 등에서 진행되었습니다. 실험적인 프로토타입은 소련 우주선에서 처음 비행되었고, 가장 최근에는 1996년 일본 우주 비행선 유닛에서 비행되었는데, 이는 우주에서 준안정 펄스 MPD 추진기의 성공적인 작동을 보여주었습니다. 모스크바 항공 연구소, RKK 에너지야, 국립 항공 우주 대학교, 하르키우 항공 연구소, 슈투트가르트 대학의 우주 시스템 연구소, ISAS, Centrospazio, Alta S.p.A., Osaka University of Southern California, 프린스턴 대학의 EPPDyl(Electric Propulsion and Plasma Dynamics Lab)과 NASA 센터(Jet Propulsion Laboratory and Glenn Research Center)는 MPD 추진기의 성능, 안정성 및 수명과 관련된 많은 문제를 해결했습니다.

1995년 3월 18일 발사되어 1996년 1월 20일 우주왕복선 임무인 STS-72를 통해 회수된 EPEX(전기 추진 실험)의 일환으로 일본 우주비행선 유닛에 MPD 추진기가 탑재되어 시험되었습니다. 현재까지 추진 시스템으로 우주를 비행한 유일한 운영형 MPD 추진기입니다. 실험용 시제품은 소련 우주선에서 처음으로 비행되었습니다.

슈투트가르트 대학의 우주 시스템 연구소에서 개발 중인 응용 분야 MPD 추진기는 2019년에 61.99%의 추진기 효율에 도달했으며, 이는 특정 충격 I = 4665초 및 2.75N의 추진력에 해당합니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ "PROPELLANTS". history.nasa.gov. Retrieved 2022-11-05.
  2. ^ a b "Choueiri, Edgar Y. (2009). New dawn of electric rocket. Next-Generation Thruster". Archived from the original on 2016-10-18. Retrieved 2016-10-18.
  3. ^ a b Choueiri, Edgar Y. (2009) 전기 로켓의 새로운 새벽 사이언티픽 아메리칸 300, 58-65 도이:10.1038/사이언티픽 아메리칸 0209-58
  4. ^ Roskosmos와 함께 Kurchatov Institute는 2009년 6월 행성간 비행을 위한 원자력 에너지원 개발에 대한 작업을 재개했습니다.
  5. ^ 웨이백 머신에 보관된 원자력을 이용한 글로벌 통신위성 2008-07-09
  6. ^ "The USSR/Russia – RORSAT, Topaz, And RTG".
  7. ^ "TOPAZ".
  8. ^ Kurchatov Institute with Roskosmos, 2009년 6월, 행성간 비행을 위한 원자력 에너지원 개발에 관한 연구를 재개했습니다 (러시아어).
  9. ^ Roskosmos는 2009년 10월, 원자력 엔진을 가진 승무원 우주선 프로젝트 RIAN을 준비했습니다. (러시아어로)
  10. ^ 2009년 11월 연방의회[permanent dead link] 연설에서 "핵 분야의 개발은 다른 행성으로의 우주 비행을 보장할 수 있는 추진체 장치를 만드는 데에도 적극적으로 적용될 것입니다."
  11. ^ 에드워즈, 브래들리 C. 웨슬링, 에릭 A. 우주 엘리베이터: 획기적인 지구 대 우주 교통 시스템. 2002, 2003 BC Edwards, TX 휴스턴
  12. ^ Sankaran, K.; Cassady, L.; Kodys, A.D.; Choueiri, E.Y. (2015). "A Survey of Propulsion Options for Cargo and Piloted Missions to Mars". Annals of the New York Academy of Sciences. 1017 (1): 450–467. doi:10.1196/annals.1311.027. PMID 15220162. S2CID 1405279.
  13. ^ Boxberger, Adam; Behnke, Alexander; Herdrich, Georg (2019). "Current Advances in Optimization of Operative Regimes of Steady State Applied Field MPD Thrusters" (PDF). International Electric Propulsion Conference (IEPC). IEPC-2019-585. Archived (PDF) from the original on 2022-10-09.

외부 링크