1. 서 론
홀 추력기를 사용할 때 발생하는 문제 중 하나는 플라즈마 파라미터에 진동이 존재한다는 것이다. 이러한 진동들은 각자 다른 물리적 원인을 가지고 있고 추력기 운용의 핵심 지표-추력과 비추력, 효율-에 다양한 영향을 미친다[1,2,3]. 다수의 연구[3,4,5,6,7,8]에 따르면 플라즈마 파라미터 진동은 수 kHz에서 수백 MHz의 넓은 주파수 대역에서 나타난다. 플라즈마 파라미터의 저주파 진동은 추력기 작동 변수에 가장 큰 영향을 주며, 일반적인 방전 전류의 수 배의 방전 전류 진동의 진폭을 발생시킨다.
방전 전류에서의 저주파 진동은 추력기의 추력과 비추력을 저하시킬 뿐 아니라, 큰 전류로 인해 더 큰 전력 사용을 요구하여 방전 전원 공급기의 심각한 과부하를 유발한다. 또한 홀 추력기에서의 플라즈마 파라미터의 고주파 진동은 전기 추력 체계와 우주선의 전자 서브 시스템 간의 전자파 적합성(Electro Magnetic Compatibility, EMC)을 악화시킨다[9].
홀 추력기 설계 단계에서는, 추력기의 가속 채널과 전자기장의 극 사이의 자기장의 구성과 세기를 최적화하여 방전 전류 진동을 최소화한다. 알려진 바와 같이[1], 방전 전류 진동의 크기를 줄이려면, 추력기의 가속 채널을 따라 자기장의 기울기가 최대가 되도록 해야 한다. 가속 채널에서 자기장 구배가 가장 큰 구간에서는 전자 에너지가 가장 높아져, 작동물질 원자의 높은 이온화와 가속이 일어날 조건이 형성된다[1]. 따라서 가속 채널의 자기장 분포는 Fig. 1에 제시한 바와 같이 형성되어 방전 전류가 추력기에서 이온으로 변환되는 효율을 높여 결과적으로 추력기의 효율 상승에 기여한다.
이는 추력기의 자기계 파라미터를 적절한 값으로 설정하여 달성할 수 있다.
전기 추력 시스템 개발 단계에서는, 탑재형 전원 공급 장치로 홀 추력기에 전력을 공급한다. 이 전원들의 동적 파라미터들은 실험실용 전원과 상당히 달라, 홀 추력기의 방전 전류의 변동을 유발할 수 있다.
공개된 연구들의 분석과 더불어 SETS(Space Electric Thruster Systems, 우크라이나)에서 수행한 ST-22, ST-25, ST-40, 그리고 ST-100 홀 추력기 시험 결과[10,11], 그리고 ㈜이피에스텍(대한민국)에서 진행한 ST-25의 제논(Xe)과 크립톤(Kr)의 운용 시험 결과를 바탕으로 본 연구의 목표를 설정하였다. 본 연구의 목적은 ST-25 홀 추력기에서 방전 전류의 저주파 진동에 대한 작동방법, 진폭과 주파수에 영향을 미치는 요인을 규명하는 것이다. 이러한 요인들을 식별한 뒤, 최대 추력, 비추력과 효율을 달성하기 위해 ST-25의 방전 전류 저주파 진동을 최소화 할 수 있는 적절한 접근법을 도출하였다.
2. 접근 방법
본 연구의 대상은 우크라이나 SETS에서 개발 및 제작하고 대한민국 ㈜이피에스텍에서 시험한 ST-25 홀 추력기이다. 전체 형상은 Fig. 2에 제시하였으며, 주요 제원은 Table 1에 나타냈다.
Table 1.
ST-25 Hall Thruster parameter.
ST-25 홀 추력기는 자기계에 영구자석을 포함하여, 전원 연결 도식이 전통적인 구성과 다소 다르며, 이는 Fig. 3에 제시하였다. 실험에서는 방전 전압을 200~350 V(Xe), 180~250 V(Kr) 범위에서 변화시켰고, 연료 질량유량은 제논 0.60~0.80 mg/s, 크립톤 1.00~1.25 mg/s로 조정했으며, 전자석 전류는 0.1~0.8 A의 범위에서 조절하였다. 중공음극(hollow cathode)을 통한 연료 질량유량은 0.07 mg/s(Xe, Kr)로 고정하였다.
실험 1단계에서는 추력기의 양극(anode)을 ㈜선명테크노의 전원 공급 장치에 직접 연결하였다. 2단계에서는 수동 LRC 필터(Fig. 4)를 추가하여 방전 전원과 추력기 사이에 연결하였다.
1단계에서 주로 관측된 22 kHz의 방전 전류의 진동을 제거하고자 해당 주파수의 공진값에 맞는 소자들의 값들을 선택하고 다양한 필터를 설계하고 2단계 실험을 진행하였다.
해당 논문에서는 가장 효과적인 Fig. 4(b) 필터를 사용하여 실험을 진행 후 결과를 기록하였다.
3. 예비 결과 및 기대 성과
ST-25 홀 추력기의 방전 전류를 기준으로, 방전 전압, 연료 질량유량(Xe, Kr), 전자석 전류 등 넓은 범위의 파라미터에서 실험을 수행하였다. 실험 결과, 방전 전류의 오실로그램과 홀 추력기의 방전 전압 사이의 전압-전류 특성을 획득하였다. 전자석 전류값을 변화시킬 때의 대표적 오실로그램은 Fig. 5에 제시하였다. 해당 데이터들을 정리하여 Table 2에 정리하여 나타내었다.
Table 2.
Amplitude/RMS(%) of discharge current(Xe).
이 실험 결과로 방전 전류의 저주파 진동이 전자석 전류의 값에 변화한다는 가설을 확인하였다.
전자석 전류를 0.1~0.7 A 범위에서 조절하며 수행한 ST-25 추력기 시험 결과(Fig. 5)를 참고하면, 전자석 전류를 증가시켜 자기장이 강해질수록 방전 전류 진동의 진폭을 170%에서 50%까지 감소시킬 수 있었으나, 전자석 전류만 조정하여 ST-25에서 방전 전류 진동을 완전히 제거하는 것은 불가능하였다.
방전 전원 출력단에 수동 LRC 필터(Fig. 4(b))를 적용한 후, ST-25 추력기의 작동 안정성이 크게 향상되었다. 사용한 필터의 값은 L = 0.5 mH, C1 = 2.2 μF, C2 = 11.0 μF, R = 100 Ω이다. 필터 적용 시험은 제논 질량유량 0.6, 0.7, 0.8 mg/s와 방전 전압 250, 275, 300 V 조건에서 진행하였으며, 전자석 전류는 0.7 A로 고정하였다. LRC 필터 사용 시 방전 전류 진동의 오실로그램은 Fig. 6에 제시하였다. 해당 데이터를 정리하여 Table 3에 나타내었다.
Table 3.
Amplitude/RMS(%) of discharge current with the LRC filter application(Xe).
연구 결과, 추가적인 LRC 필터를 적용하면 방전 전류 진동의 진폭이 8.8~17% 수준으로 감소하는 것을 확인하였다. 홀 추력기의 다양한 실제 적용 사례에서, 이 정도의 방전 전류 진동은 충분히 허용 가능한 범위로 간주된다[1,2,3].
1단계 실험 결과에 따르면, 방전 전원 출력과 추력기 방전 회로 사이에 수동 필터를 삽입하면 방전 전류 진동의 진폭이 기존 진폭의 최소 50%인 8.8~17%까지 크게 감소하였다.
LRC 필터 적용 후 추력기의 안정적인 운용을 확보한 후, 방전 전압을 200~375 V까지 변화시키고 제논 유량을 0.60, 0.65, 0.70, 0.75, 0.80 mg/s로 설정하며 추력기의 방전 전압-전류 특성을 획득하였다(Fig. 7).
ST-25 추력기의 제논을 공급한 작동 이후, 추가적으로 크립톤을 연료로 사용한 시험도 수행하였다. 시험 결과는 Fig. 8에 나타내었다. 해당 데이터를 정리하여 Table 4에 나타내었다. 연구는 방전 전압 200, 225, 250 V와 크립톤 질량유량 1.06, 1.15 mg/s 조건에서 진행하였으며, 전자석 전류는 0.7 A로 설정하여 평균 방전 전류가 최소가 되도록 하였다.
Fig. 8에서 제시된 크립톤을 사용한 ST-25 추력기의 시험 결과, 모든 방전 전압 조건과 추력기의 양극의 특정 연료 공급유량의 조건에서 방전 전류의 특정한 진동이 관찰되었다. 방전 전류 진동의 진폭은 평균치의 46~152%에 이르렀고, 진동 주파수는 수십 kHz였다. 이 결과는 전자석 전류가 최대값()일 때 나타났다. 전자석 전류를 감소시키면, 방전 전류와 진동의 진폭이 모두 증가하였다.
Table 4.
Amplitude/RMS(%) of the ST-25 discharge current(Kr).
크립톤을 사용한 2단계 시험에서는 방전 전력 출력부와 추력기 방전 회로 사이에 다음과 같은 값의 필터(Fig. 4(b))를 연결하였다 : L = 0.5 mH, C1 = 2.2 μF, C2 = 11.0 μF, R = 100 Ω. 필터를 포함한 추력기 시험의 결과는 Fig. 9와 같았다. 해당 데이터를 정리하여 Table 5에 나타내었다.
추가 필터를 적용한 ST-25 추력기 시험 결과(Fig. 9)는 특정한 방전 전압과 양극의 투입되는 연료의 유량 값에 따라 방전 전류 진동이 크게 감소하였다. 이때 방전 전류 진동의 진폭은 평균값의 12~20% 수준이었다. 해당 결과는 전자석 전류가 최대값()일 때 획득하였다. 만약 전자석 전류가 감소하면, 방전 전류의 평균값은 증가하며, 결과적으로 추력기의 효율은 감소한다.
Table 5.
Amplitude/RMS(%) of ST-25 discharge current(Kr) with the LRC filter(L = 0.5 mH).
방전 전류 진동의 진폭을 감소시키기 위한 필터의 파라미터 변화의 영향을 검증하기 위하여 ST-25 추력기를 수정된 필터(L = 18 mH, C1 = 2.2 μF, C2 = 11.0 μF, R = 100 Ω)로 시험을 진행하였다. 그 결과를 Fig. 10에 표기하였다. 해당 데이터를 정리하여 Table 6에 나타내었다.
Table 6.
Amplitude/RMS(%) of ST-25 discharge current(Kr) with the LRC filter(L = 18 mH).
필터의 인덕턴스 값을 0.5 mH에서 18 mH까지 증가시켰을 때, 실험 결과는 20~33%의 미미한 범위의 방전 전류 진폭에 영향을 미친다는 것을 보여준다.
위 내용을 바탕으로 크립톤을 연료로 사용할 경우 발생하는 방전 전류의 진동과 진폭을 줄이기 위하여 제논과 마찬가지로 필터의 유무가 중요하며 해당 현상을 억제하기 위해 인덕턴스 값을 증가시키는 것은 효과적이지 않으며 제논을 연료로 공급할 때 사용한 필터로도 해당 현상을 줄일 수 있는 것을 확인하였다.
또한 크립톤을 연료로 공급하며(1.00, 1.05, 1.10, 1.15, 1.20, 1.25 mg/s), 방전 전압을 180~250 V의 범위에서 변경하며 추력기를 방전 시켰을 때, 다음과 같은 전압-전류 특성 그래프를 보여준다(Fig. 11).
4. 결 론
본 연구에서 제시하는 결론은 다음과 같다.
1. 연구 결과, 전자석 전류의 값을 적절하게 조정하면 홀 추력기 방전 전류 진동의 진폭을 감소시킬 수 있는 것을 확인하였다.
2. 만약 전자석 전류 조정만으로 진폭의 감소가 충분하지 않을 경우, 추가적인 수동 LRC 필터를 방전 전원 공급 장치와 추력기 방전 회로 사이에 추가하는 것으로 해결할 수 있다.
3. 위 연구 결과들은 ST-25 추력기에서의 연료로 제논 및 크립톤 2종의 운용방법에서 모두 방전 전류 진동 진폭을 크게 감소시키는 데 효과적임을 보였다.
4. 추진계 PPU 제어 유닛에는 방전 전류 진동 검출 기능이 포함되어야 하며, 전자석 전류를 조정하여 진폭을 최소화 할 수 있는 제어 알고리즘을 포함하여야 한다.
5. 본 연구 결과는 홀 추력기에서 저주파 방전 전류 진동을 최소화하고 추력, 비추력과 효율을 최대화하는 데 높은 실용적 가치를 가진다.
