1. 서 론
하이드라진 추진제는 220∼235초의 준수한 비추력과 800∼900 K 사이의 낮은 단열 분해 온도를 가진다[1]. 또한, 추진제 탱크에 15년 이상 저장 저장할 수 있어 1960년대부터 상용 로켓 추진제로 사용되었다[2,3]. 하지만 하이드라진 추진제는 독성 및 발암성 물질이며, 증기압이 높아 쉽게 흡입할 수 있다는 단점이 존재한다[4,5]. 이런 이유로, 하이드라진 추진제를 운송하거나 다루기 위해서는 추가적인 안전 설비가 필수적이다[6]. 하이드라진 추진제를 대체하기 위하여 전세계적으로 고성능 이온성 단일추진제 연구가 활발하게 진행되고 있다[7,8,9].
대표적인 고성능 이온성 단일추진제로는 Hydroxylammonium Nitrate(HAN) 기반 단일추진제와 Amomnium Dinitramide(ADN) 기반 단일추진제가 있다. 두 추진제는 하이드라진 대비 비추력이 높으며, ADN 기반 단일추진제로 널리 사용되는 LMP-103S는 2.0 MPa의 챔버 압력과 노즐팽창비가 50인 조건에서 255초의 진공비추력을 가진다[10]. 또한, 저장성 역시 뛰어나다는 장점을 가지고 있다[11]. 하지만, 추진제의 단열 분해 온도 역시 높아 고내열성 촉매를 사용해야 하며, 추진제를 사용하기 위해서는 촉매를 623 K 이상으로 예열해야 한다는 단점이 존재한다[11,12]. 촉매를 높은 온도로 예열해야만 추진제를 분해할 수 있다는 것은 추력 발생 시 빠른 응답시간을 요구하는 추력기의 고유한 운영 특성을 감안하였을 때, 추진제가 분사되지 않더라도 촉매를 높은 온도로 유지하기 위해서 에너지를 지속적으로 소모해야만 한다는 기술적 한계점이 존재한다. 같은 맥락에서, 추진제를 분사하기 전 촉매의 예열 온도가 충분히 확보되지 않는다면 추진제 분해 성능이 저하되어 추력기의 응답특성 및 추진 효율이 급격히 악화될 수 있다.
촉매 예열 문제를 해결하기 위하여, 카이스트 연구 그룹은 ADN과 혼합하는 연료 조성을 변화시키거나 촉매와 상온에서 반응하는 과산화수소를 ADN과 혼합하는 연구를 진행하였다[13,14]. 추진제의 구성물질을 변경하는 방법 이외에도, DLR에서는 외부 에너지원(예: Glow Plug를 활용한 Torch)을 사용하여 이온성 추진제를 점화하는 연구를 진행하였다[15]. Khare 등[16]이나 Park과 Kim[17]은 HAN 기반 단일추진제를 전기분해(Electrolysis)하여 추진제를 점화하는 연구를 진행하였다. 이처럼 다양한 방식 중에서 전기에너지를 기반으로 한 플라즈마 현상을 활용하여 추진제를 점화하는 방식이 주목받고 있다.
플라즈마는 고체, 액체, 기체 상태 이후 이온화된 기체 상태의 물질로써, 다수의 고에너지 양이온과 전자가 존재한다. 플라즈마는 짧은 시간 안에 고온을 형성할 수 있으며, 높은 에너지의 전자와 라디칼 등으로 반응성을 높일 수 있다는 장점이 있다. 그렇기에 플라즈마를 점화원으로 사용할 시, 긴 예열 시간을 가진 촉매와 달리 신속하게 추진제를 점화할 수 있다. 추가적으로, 촉매 없이 추진제 점화가 가능하기 때문에, 촉매 소결 현상으로 인한 추력기의 수명 단축 문제를 해결할 수 있다. 본 논문에서는 국내외에서 플라즈마를 활용한 추진제 점화 사례를 조사하였으며, 그들의 플라즈마 시스템과 시험 결과에 대해 소개하고자 한다. 이를 통해, 플라즈마를 활용한 이온성 단일추진제 점화 시스템 설계 시 주안점을 두어야 할 기술적 요소들에 대해서 분석하고자 한다.
2. 플라즈마를 활용한 단일추진제 점화 사례
2.1 미국
미국은 이온성 단일추진제를 점화하기 위하여 마이크로파 주파수를 활용한 플라즈마 방전 기술을 사용하였다. 펜실베니아 주립대학교에서는 2002년부터 Penn State Microwave Plasma Torch(PSMPT)라고 명명한 효율적인 플라즈마 토치를 개발하기 시작하였다[18]. PSMPT는 2.45 GHz의 마이크로파 에너지를 활용하여 추진제를 점화하는 방식이다. 방전 가스로 헬륨을 사용하였다.
이후, 2014년에 보고된 자료에 따르면, HAN 기반 단일추진제와 ADN 기반 단일추진제의 플라즈마 점화 가능성을 확인하고자 하였다[18]. Fig. 1과 Fig. 2는 이온성 단일추진제 점화에 사용한 플라즈마 토치 시스템의 개략도이다. Fig. 1의 T자는 이중관으로 되어있으며, 추진제는 아래에서 위로 흐르며 헬륨 가스는 왼쪽에서 추진제의 튜브를 감싸며 위로 흐른다. Fig. 1의 T자의 윗부분은 도파관과 연결되어 마이크로파 에너지를 전달받는 방식이다. 이 연구에서는 헬륨 가스를 8.5 mg/s로 주입하여 마이크로파 플라즈마를 발생시켰으며, 이후 플라즈마를 방전한 상태에서 HAN 기반 단일추진제(13 wt.% HAN과 87 wt.% 물)를 5 mL/min으로 30초 간 주입하였다. HAN 기반 단일추진제 이외에도 ADN 기반 단일추진제에 대한 시험 역시 진행하였다. ADN 기반 단일추진제 시험 역시 헬륨을 사용하여 마이크로파 플라즈마를 방전한 이후, 플라즈마 방전을 유지한 채로 ADN 기반 단일추진제를 2 mL/min으로 주입하였다. 마지막 시험에서는 헬륨 가스를 주입하지 않고, 오직 HAN 기반 단일추진제만을 주입하여 플라즈마 방전 및 추진제 연소를 진행하였다.
시험 결과, Fig. 2와 같이 500 W의 전력 소모량으로 추진제(13 wt.% HAN과 87 wt.% 물)의 연소 반응이 진행되었다. 이후, 물과 HAN만을 혼합한 추진제에 연료를 추가하거나 추진제의 조성을 변경해가며 추진제 점화 가능성 여부를 확인하였다. 그 결과 연료를 추가하였을 경우, 추진제의 화염이 커지며 완전 연소가 일어나는 것을 확인하였다. 추진제의 점성이 높아질 경우에는 화염 크기가 작아지는 현상을 확인하였다. 이는 높은 점성으로 인하여 인젝터를 지나가는 추진제의 유량이 감소한 것으로 판단하였다. 그 결과, Fig. 3와 같이 마이크로파 플라즈마 방전을 이용하여 ADN 기반 단일추진제 점화가 가능함을 확인하였다. 추진제 튜브로 몰리브덴을 사용할 경우, 헬륨 가스 마이크로파 플라즈마를 유지한 채로, 10∼15분 동안 튜브의 손상 없이 추진제 연소를 유지할 수 있음을 확인하였으며, 재점화에도 문제없음을 확인하였다. 마지막 시험에서는, 헬륨 주입 없이 2 mL/min의 HAN 기반 단일추진제를 주입하였을 때에도 Fig. 4와 같이 마이크로파를 사용하여 추진제 점화가 가능하다는 것을 확인하였다.
2020년 미공군에서는 F-16의 비상 동력 장치의 추진제로 사용하는 하이드라진 기반 추진제를 HAN 기반 단일추진제(AF-M315E)로 대체하고자 하였다. 이를 위해서는 AF-M315E의 신속한 점화가 필요했으며, 마이크로파 플라즈마 방전을 활용한 추진제 점화 방식을 연구하였다. 이 연구는 펜실베니아 주립대학교와 함께 진행되었으며, 펜실베니아 대학교에서 제작한 마이크로파 플라즈마 토치 시스템을 사용하였다[19,20]. 이전 연구에서 헬륨 가스 없이도 추진제가 점화하는 것을 확인하였으며, 이 연구에서는 전투기의 운용 조건을 고려했기 때문에, 헬륨 가스 없이 저압 및 저온 조건에서 마이크로파 플라즈마 토치로 AF-M315E(유량 : 1 mL/min) 점화가 가능한지 확인하였다. 시험 결과, Fig. 5와 같이 5.8 kPa의 낮은 압력과 239 K의 낮은 추진제 온도에서도 헬륨 가스 없이도 추진제가 안정적으로 점화되었고, 점화된 이후 연소 반응이 지속됨을 확인하였다. 또한, 압력과 추진제의 온도와 관계없이 전력 소모량은 311 W에서 336 W로 일정하게 측정되었다. 추진제 점화 시험에서 마이크로파 플라즈마 토치는 15분간 작동하였으며, 이후에는 추진제 인젝터 끝부분에서 부식이 발생하였다. 마지막으로 우주선에 적용할 것을 고려하여 재점화 시험을 진행하였으며, 18번의 재점화에 성공하였고, 총 413초 동안 일정하게 화염을 형성하는 것을 확인하였다.
펜실베니아 주립대학교 이외에도 2016년에 Digital Solid State Propulsion(DSSP) 사에서도 HAN 기반 단일추진제를 사용한 소형 위성용 플라즈마 추력기를 개발하였다[21]. 이 연구에서 DSSP 사는 전기 추진과 화학 추진이 모두 가능한 GEM이라는 새로운 HAN 기반 단일추진제를 개발 및 사용하였다.
Fig. 6는 DSSP사가 개발한 추력기의 개략도이다. 이 시험은 진공 챔버에서 진행되는 시험으로 Fig. 6의 밸브를 열어, 작은 액적의 추진제를 추진제 탱크에서 꺼내며 이후 바로 밸브를 잠근다. 작은 액적의 추진제는 진공 챔버에 의한 압력차로 인하여 노즐 쪽으로 이동하며 이 과정에서 GEM에 구성물질인 증류수가 증발하게 된다. 이후, 고압의 캐패시터를 통해 전극 사이에 방전을 발생시켜 추진제를 점화하는 방식이다. 이 논문에서는 정확한 점화 원리에 대해 설명을 하지 않았으나, 펜실베니아 주립 대학교와 마찬가지로 이온의 이동으로 인해 생성된 나이트로늄 이온과 하이드록실 아민이 반응하며 점화가 발생한 것으로 판단된다. 이 시험에서 전극 사이 전위차는 300 V이며, 이때 40 J의 에너지를 공급하여 GEM 추진제를 점화시켰다. 플라즈마 플룸 및 배기가스가 노즐로 분출되는 것을 Fig. 7과 같이 시각적으로 확인하였다. 이 시험에서 추진제의 비추력은 214초에서 384초로 측정되었으며, 전극과 절연체에서 약간의 부식이 발생하는 것을 확인하였다.
2.2 일본
일본은 2012년부터 플라즈마를 활용하여 이온성 단일추진제 점화에 관한 연구를 수행한 바 있다. 2012년에 규슈 공업 대학에서는 아크젯(Arcjet) 플라즈마을 활용하여 HAN 기반 단일추진제(SHP163)를 점화하고자 하였다[22,23]. Fig. 8은 규슈 공업 대학에서 제작한 플라즈마 추력기이다. 이 연구에서는 아크젯의 위치를 추진제 인젝터의 옆쪽과 반대쪽에 설치하여 두 추력기의 성능을 비교하였다[22]. 이때, 추력기의 추력은 1 N으로 설계하였으며, 챔버 압력은 0.4 MPa로 설계하여 아크젯를 형성하는 질소가 역류하지 않도록 하였다. 또한, 추진제 인젝터는 이중관으로 질소와 추진제를 함께 주입하였다. 질소를 먼저 아크젯용 튜브(0.1 또는 0.16 g/s)와 추진제 인젝터(0.1 또는 0.16 g/s)로 주입하였으며, 아크젯용 질소를 활용하여 아크젯을 생성하였다. 아크젯 초기 방전을 위해서 10 kV급 전압이 펄스 파워 서플라이를 통해 공급되었다. 아크젯이 방전된 이후 저전압 정전류 형태의 전력을 공급하여 아크젯을 유지하였다. 아크젯이 생성된 7초 후 SHP163을 주입하였으며 30초간 천천히 0.5 g/s까지 유량을 증가시켰다. 이 시험에서는 SHP163의 주입을 멈출 때가지 아크젯을 계속 발생시켰다. 이 연구에서는 추진제와 함께 주입되는 질소의 유량, 아크젯에 사용되는 질소의 유량 그리고 챔버 길이를 변경해가며 특성 속도 효율을 계산하였다.
시험 결과, Fig. 9과 같이 추진제를 주입한 이후, 챔버 압력이 일정하게 형성되는 것을 확인하였다. 방전 전압과 전류는 논문에서 언급하지 않았으나, Fig. 9과 후속 연구로 예측하였을 때, 방전 전류는 15 A로 설정하였으며, 방전 전압은 25 V에서 90 V까지 측정되었다. Side Arcjet 추력기가 Opposing Arcjet보다 특성 속도 효율이 높은 경향을 보였다. 추진제와 함께 주입되는 질소의 양이 많아질수록 추진제의 액적이 작아졌으며, 추진제의 완전 연소에 도움을 주었다. 아크젯에 사용되는 질소의 유량을 높이게 되면 특성 속도 효율이 낮아졌으며 이는 아크젯의 Specific Power가 낮아졌기 때문이라고 추측하였다. 마지막으로, 챔버의 길이가 길어질수록 특성 속도 효율이 높아졌으며, 이는 추진제의 잔류 시간 역시 길어졌기 때문이다.
이후 추가 시험에서는 Fig. 8의 Side Arcjet 추력기를 사용하여 대기압 조건에서의 추력기의 추력과 압력을 측정하였다[23]. 0.16 g/s 유량의 질소로 아크젯을 생성한 이후, 추진제의 유량을 0.5 g/s까지 서서히 증가시키는 방식으로 시험을 진행하였다. 이 시험에서도 아크젯을 시험 종료까지 유지시켰다. 시험 결과, 방전 전류와 전력은 각각 15 A와 0.98 kW였으며, 이 때 추력과 비추력은 각각 0.47 N과 62초로 측정되었다. 실제 계산된 추력은 이론 비추력인 160초보다 낮으며, 이는 추진제가 완전히 연소되지 않았음을 뜻한다. 추가적으로, 작은 추력기의 크기로 인한 열손실도 원인이라고 판단한다. 마지막으로, 방전 전력을 높일수록 추력이 증가하는 경향을 확인하였다.
규슈 공업 대학에서의 연구 이후 2014년부터 도쿄 도립 대학에서는 플라즈마 방전을 활용하여 이온성 단일추진제를 점화하는 연구를 진행하였다. 2014년에 도쿄 도립 대학은 이온성 단일추진제의 점화 및 연소가 안정적으로 되는 조건을 찾고자 하였다[24]. 조건을 찾기 위하여, 플라즈마 가스로 아르곤과 헬륨을 비교하였으며, 플라즈마 가스의 스월수와 가스의 유량에 따른 점화 특성도 확인하였다. Fig. 10은 도쿄 도립 대학에서 HAN 기반 단일추진제(SHP163)를 점화하기 위하여 제작한 플라즈마 점화 장치이다[24].
Fig. 10의 스월 인젝터로 플라즈마 방전용 가스가 주입되었으며, 아래의 음극과 양극에서 발생하는 전압차에 의해 플라즈마를 발생시켰다. 플라즈마 발생 이후, 추진제를 위쪽에서 주입하여 플라즈마 영역 통과시키며 점화를 유도하였다. 또한, 시험을 종료할 때까지 플라즈마를 유지시켰다. 전극은 스테인레스 스틸로 제작하였으며, 절연체는 세라믹으로 제작하였다. 플라즈마 가스로는 헬륨과 아르곤을 사용하였으며, 각 가스의 유량은 아르곤 0.025-0.125 g/s, 헬륨 0.005- 0.020 g/s로 설정하였다. 추진제의 유량은 1 N 추력기에 사용되는 유량인 0.3 g/s로 설정하였다. 마지막으로, 이 시험에서는 추진제의 점화가 가능한지 확인하기 위하여 오직 인젝터만을 제작하여 시험을 진행하였다.
시험 결과, 아르곤과 헬륨 가스 모두 SHP163을 점화하는데 성공하였다. 하지만 헬륨 가스 사용 시 추진제의 연소가 불안정했으며, 아르곤 가스는 헬륨 가스 대비 넓은 유량 범위에서 추진제를 점화할 수 있었다. 플라즈마 가스의 스월수가 높아질수록 넓은 영역에서 플라즈마가 발생하였으며, 추진제의 점화가 안정적으로 이루어졌다. 추진제 점화에 사용되는 전력 소모량은 대략 270 W로 아르곤 가스의 유량에는 영향을 받지 않으며, 추진제의 유량이 높아질수록 전력 소비량은 증가하였다. 마지막으로 2000초의 작동 시간 동안 전극의 무게 손실율은 0.1%였으며, 장시간 작동에 문제가 없음을 확인하였다.
2016년의 후속 연구에서는 아르곤 스월 인젝터의 스월수 변화에 따른 추진제의 반응 지연 시간(Reaction Delay Time)을 측정하였다[25]. 이 연구에서는 스월수를 0, 3.4, 6.7, 13.4로 변경해가며 아르곤(0.125-0.175 g/s)을 주입하였으며, 추진제의 유량은 0.3 g/s로 설정하였다. 시험 결과, 스월수가 높을수록 반응시간이 짧아지는 것을 확인하였다. 또한, Fig. 11과 같이 스월수가 낮을 경우 추진제의 점화를 실패하는 경우가 발생하였다. 방전가스 유량을 제어하여 스월수를 조절할 경우 스월수를 낮추려면 가스 유량을 감소시켜야 한다. 동일한 에너지가 인가되었다고 가정할 경우, 플라즈마 방전 시 단위 유량 당 에너지는 증가한다. 그럼에도 불구하고, 점화가 실패하거나 연소 불안정성이 발생하는 이유는 스월수가 감소함에 따라 플라즈마 방전부에서 아크의 회전력이 감소했기 때문이라 추측된다. 아크의 회전력이 감소한다면 외부에서 공급된 추진제가 아크 방전의 불안정성을 야기할 수 있으며, 그 결과 점화 실패로 이어진 것으로 추측된다.
2014년과 2016년의 연구에서 도쿄 도립 대학은 제작한 인젝터를 통해 추진제 점화가 가능하다는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 추력기를 제작하였으며(Fig. 12), 제작한 추력기를 사용하여 진공 조건에서의 추력기의 비추력, 특성 속도 효율, 추력 효율, 전력 소비량을 측정 및 계산하였다. 더 나아가, 추진제의 유량 변경에 따른 추력기 성능 변화와 전극의 성능 저하로 인한 추력기 수명에 대해 연구하였다[26,27].
Fig. 12는 연구에 사용된 추력기의 개략도이다. 스월 인젝터로 아르곤 가스를 주입하며, 아르곤 가스는 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. 이 때, 음극과 양극에 고전압을 인가하여 플라즈마 방전을 개시한다. 이후 추진제를 주입하여 생성된 플라즈마와 접촉 및 점화시키며, 시험 종료까지 플라즈마를 유지시킨다. SHP163 추진제의 유량은 0.31 g/s로 설정하였으며, 아르곤의 유량은 0.15 g/s로 설정하였다. 챔버 압력은 0.4 MPa로 설정하였으며, 추력은 0.17에서 0.68 N으로 설계하였다.
시험 결과, 진공 조건에서 SHP163 추진제가 점화되며 추력기가 작동하는 것을 확인하였다. 추진제의 유량이 0.31 g/s이며 아르곤의 유량이 0.15 g/s일 때, 0.38 MPa의 챔버 압력과 0.5 N의 최대 추력이 측정되었다. 또한, 추진제의 비추력은 109초였으며, 특성 속도 효율은 41%였다. 추진제의 유량이 증가하면 특성 속도 효율은 낮아졌다. 이는 플라즈마와 반응할 수 있는 추진제의 양에 한계가 있기 때문이라고 추측하였으며, 아르곤을 이용한 플라즈마 방전의 한계라고 판단하였다[26]. 0.34 g/s로 추진제를 주입할 경우, 충돌형 인젝터를 사용한 추력기는 추진제 점화에 실패하였으며, 단일 구멍 인젝터를 사용한 추력기는 추진제 점화에 성공하였다. 도쿄 도립 대학에서는 미립화된 추진제(충돌형 인젝터)보다 미립화 되지 않은 추진제(단일 구멍 인젝터)가 아르곤 스월 가스의 영향을 덜 받기 때문에 안정적인 점화가 가능했다고 판단했다. 반면에 규슈 공업 대학은 추진제 미립화를 할수록 점화 및 연소에 유리하다고 판단하였다. 이는 도쿄 도립 대학의 경우, 추진제가 아크 컬럼에 물리적으로 직접 닿게 되면 방전 불안정성이 야기될 수 있으며, 플라즈마 방전과 추진제의 분사 조건이 민감하게 서로 관여하게 된다. 반면 규슈 공업 대학에서 제작한 추력기는 아크젯 발생부가 인젝터와 별도로 이격되어 있으며, 아크 컬럼에 추진제가 직접 접촉하는 것을 원천적으로 방지하기 때문에, 추진제가 미립화될수록 유리해지는 것으로 추측한다. 도쿄 도립 대학의 추력기 시험에서 최대 추력은 0.37 N이 측정되었으며, 전력 소비량은 527 W가 측정되었다. 15초 동안 추진제 점화를 위해 사용한 플라즈마 에너지 소모량은 촉매 예열에 사용되는 에너지 소비량과 비슷한 값이며, 플라즈마를 활용한 추진제 점화 시스템은 긴급 구동에서 장점을 가질 것으로 사료된다. 마지막으로 1,646초의 작동 시간 동안 전극의 성능 저하가 없는 것을 확인하였다[27].
도쿄 도립 대학은 아르곤 가스를 사용하여 플라즈마 추력기를 개발하는 과정에서 아르곤 가스와 같은 방전 가스가 없더라도 추진제 점화가 가능하다는 것을 깨달았다. 2017년에 아르곤 가스 없이 오직 추진제만으로 플라즈마 발생 및 점화 가능한 추력기를 개발하였다[28,29]. 기본적인 작동 방식는 추력기에 주입되는 추진제 중 소량이 줄히팅과 전기 분해로 인하여 기체화되면, 기체화된 추진제를 사용하여 플라즈마를 생성하고 및 점화하는 방식이다. 이는 펜실베니아 주립 대학교에서 제작한 마이크로파 플라즈마를 활용한 추력기의 기본 개념과 비슷하다. 제작한 추력기는 시스템이 간단하였으며, 빠른 응답 특성을 가지고 있었다. 하지만, 제작한 추력기는 목표 추력인 1 N의 1%인 10 mN의 추력이 발생하였으며, 이는 추진제의 반응성과 관련이 있다고 판단하였다. 추진제의 반응성을 높이기 위하여, 추력기의 5개의 설계 사항(전극 간의 거리, 방전 챔버 직경, 방전 방식, 전극 직경, 연소 챔버 압력)을 변경하여 최적의 조건을 찾고자 하였다[28].
Fig. 13은 도쿄 도립 대학에서 제작한 추력기의 개략도이다. 추진제가 왼쪽 끝의 라인에서부터 주입되며, 양극과 음극을 지나게 되면서 플라즈마 생성 및 점화된다. 이후 점화된 추진제는 연소 챔버를 통과하며 완전 연소되는 방식으로 추력기가 작동한다. 시험 결과, 전극 간의 간격, 방전 챔버 직경, 방전 방식, 연소 챔버 압력은 추력기 성능에 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 전력 대비 추력은 연소 챔버 압력에 큰 영향을 받았으며, 제작한 추력기는 최적의 조건에서 322 mN의 추력과 0.95 mN/W의 전력 대비 추력을 가지고 있었다[28].
이후 찾은 최적의 조건을 바탕으로 더 높은 챔버 압력을 가지는 추력기를 제작하여 추력기의 전력 대비 추력을 높이고자 하였다[29]. 더 나아가, 진공 조건에서의 추진제 점화 가능성을 확인하고자 하였다. 제작한 추력기의 설계 추력은 1 N이며, 설계 챔버 압력은 1 MPa이다. 시험 결과, 진공 조건에서 직류 방전을 사용할 시, 방전 전압은 800 V이며, 방전 전류는 0.4 A로 측정되었다. 이 실험에서 측정된 추력과 전력 대비 추력은 이전 연구 결과와 같은 322 mN와 0.95 mN/W이다. 이후 진행된 펄스 방전 시험에서는 캐패시터의 에너지를 높일수록 챔버 압력이 상승하였으며, 16.4 J 에너지를 제공할 시 1 MPaG의 챔버 압력이 측정되었다. 펄스 방전 시에 챔버 압력은 1에서 2 ms 만에 최고 압력에 도달하였다. 이를 통해, 펄스 방전을 활용한 추력기는 촉매 추력기에 비해 빠른 응답 속도을 가지며, 촉매 추력기를 대체할 수 있다고 판단하였다[29].
2020년에 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)에서도 50 kg의 초소형 인공위성에 사용할 추진제로 이온성 단일추진제를 선택하였으며, 추진제 점화를 위해 플라즈마를 사용하고자 하였다[30]. 초소형 인공위성에 사용되는 추력기는 3.5 kg의 추진제를 사용하며 10,000초 동안 운용이 가능해야 한다. 이를 확인하기 위하여 제작한 플라즈마 시스템은 Fig. 14과 같다.
Fig. 14의 시스템은 Polycarbonate로 제작하였으며, 전극은 SUS303, 절연체는 알루미나 세라믹으로 제작하였다. 전극 간의 간격은 3.5 mm이며 이온성 단일추진제로는 ADN 기반 단일추진제 (40 wt.% ADN, 40 wt.% Monomethylamine nitrate, 20 wt.% Urea)를 사용하였다. ADN은 10 MΩ 급의 높은 저항을 가지고 있기에, 방전 시 시스템 외부로 플라즈마가 발생할 가능성이 있다. 이를 방지하기 위하여, ADN 기반 단일추진제를 Fig. 14의 파란색 부분에 미리 채워놓았으며, 1.5 N 급(설계 유량 : 0.637 g/s) 추력기를 고려하여 0.637 g의 추진제를 채워놓았다. 직류 파워 서플라이의 공급 전압은 500 V로 설정하였다. 10에서 30 Pa의 낮은 압력과 대기압 조건에서 시험을 진행하였으며, 대기압 조건 시험에서는 아르곤을 사용하여 공기를 제거하였다.
Fig. 14
Schematic of a discharge plasma system with DC power supply and ADN based monopropellant[30].
시험 결과, 대기압 조건과 진공 조건(Fig. 15)에서 모두 ADN 기반 단일추진제가 점화하는 것을 확인하였으며, 가스와 불꽃이 관찰되었다. 처음 전극에 전압을 인가하였을 때, 526 mA의 낮은 전류가 측정되었다. JAXA에서는 ADN 기반 단일추진제의 저항이 너무 높아 절연체로 전류가 흘렀으며, 이로 인해 절연체로부터 줄히팅이 발생했다고 판단하였다. 하지만, 절연체로 사용된 알루미나 세라믹은 ADN 기반 단일추진제보다 더 높은 저항(1×1014 Ω 급)을 가지고 있기에, 세라믹 절연체가 아닌 ADN 기반 단일추진제로 전류가 흐르며 줄히팅이 발생했을 것으로 사료된다. 이후, 줄히팅으로 인해 추진제가 열분해되며 가스 형태의 중간 생성물이 만들어지고, 이 가스에서 플라즈마 방전이 개시되어 추진제 점화로 이어졌다. 약 3초간 줄히팅이 발생한 대기압 조건과 달리 진공 조건에서는 0.3초 동안만 줄히팅이 이루어졌으며, 이후 플라즈마가 발생하였다. 이는 ADN 기반 단일추진제의 구성물질 중 높은 증기압을 가지고 있는 Monomethylamine이 증발하며 증발한 기체로부터 플라즈마 방전이 발생한 것으로 판단하였다.다른 가능성으로는 Monomethylamine이 증발하며 추진제의 전기전도도 역시 변하였으며 방전이 가능한 조건이 되었을 가능성이 있다. 이는 추가적인 연구를 통해, 정확한 방전 매커니즘을 탐구할 필요가 있다. 대기압 조건에서는 플라즈마 발생 시간 동안 69 W(2.715초)를 사용하였으며, 진공 조건에서는 72 W(2.619초)를 사용하였다.
2.3 중국
2022년 중국 청화대학교와 북경대학교에서도 플라즈마를 활용하여 이온성 단일추진제를 점화하고자 하였으며, 이 연구에서는 마이크로파 플라즈마 토치를 사용하였다[31]. Fig. 16은 연구에 사용한 마이크로파 플라즈마 점화기 시스템의 개략도이다.
이 시험에서는 2.45 GHz의 마이크로파를 공급하였으며, 동축 케이블을 통해 에너지를 Resonant Cavity로 전달하였다. 이 때, Sectional View에서 확인할 수 있듯이, 동축 케이블에 연결된 구리로 제작한 링을 통해 에너지를 전달하는 방식이며 에너지 손실은 5% 미만이라고 한다. 추진제 튜브(70 wt.% W, 30 wt.% Cu)는 구리 링을 통과하면서 중심 전극의 역할을 수행한다. 중심 전극 주변으로는 공기(2 L/min)를 주입하여 플라즈마를 발생시켰으며, 스월 유동으로 주입하여 추진제의 화염을 안정적으로 형성하고자 하였다. 공기 가스로 플라즈마가 발생하게 되면 추진제 튜브의 온도는 427 K까지 상승하며 Resonator와 노즐의 온도는 435 K에서 456 K까지 상승한다. 이후, 추진제 튜브로 HAN 기반 추진제(50 wt.% HAN, 40 wt.%[Emim][EtSO4], 10 wt.% H2O)를 주입하게 되면, 뜨거워진 튜브가 추진제를 증발시킨 뒤 열분해 및 점화가 촉발되는 방식이다. 이 시험에서는 기본적으로 추진제를 주입하는 동안에는 공기와 마이크로파를 꾸준히 공급하였으며, 마지막 시험에서는 추진제의 주입 및 연소가 진행되는 상태에서 마이크로파의 공급을 중단하여도 추진제의 연소가 유지되는지 확인하였다.
시험 결과, 0.7 g/min으로 HAN 기반 단일추진제를 주입하였을 때, Fig. 17과 같이 추진제가 점화 및 연소하는 것을 확인하였다. 추진제의 유량을 높이게 되면 화염의 길이 역시 길어지게 되며, 2,000 K까지 상승하는 것을 확인하였다. 하지만, 1.4 g/min 이상으로 추진제를 주입하게 되면 완전 연소가 되지 않았다. 공기 유량과 추진제 유량을 세 배씩 늘렸을 때에도 추진제가 점화하였으며, 마이크로파 전력을 꺼도 화염이 지속되었다. 여러 번의 재점화 시험을 진행하였으며, 30분의 누적 시험 시간 동안 전극의 부식이 관찰되었지만, 재점화에는 큰 영향을 주지 않았다. 또한, 전극의 부식으로 인해 생성된 구리 분자가 이온성 단일추진제의 촉매 역할을 하였다. 중국은 펜실베니아 주립대학교와 마찬가지로 마이크로파 플라즈마를 사용하여 추진제를 점화하였지만, 펜실베니아 주립대학교(300 W)보다 더 적은 전력(100 W)만으로 추진제를 점화하였다. 이는 펜실베니아 주립 대학교에서 사용한 AF-M315와 달리 이 연구에서 사용한 HAN 기반 단일추진제에는 쉽게 이온화되는 이미다졸이 포함되어 있으며, 이로 인해 낮은 전력에서도 추진제의 점화가 이뤄진 것으로 추측된다. 하지만, 추진제의 이온화 특성과 점화의 관계에 대한 연구가 아직 없기에 추가적인 연구가 필요하다.
2.4 국내
국내에서도 플라즈마를 사용하여 추진제를 점화하는 연구를 진행하였으며, 조선대학교는 N2O와 Polymethyl Methacrylate(PMMA)를 추진제로 사용하는 하이브리드 로켓에 플라즈마를 활용하였다[32,33]. 비록 하이브리드 로켓이지만, N2O가 단일추진제로써도 활용이 가능하다고 판단하여 본 논문에서 소개하고자 한다. 조선대학교에서는 2018년과 2019년에 플라즈마를 활용하여 N2O를 분해하며, 분해된 생성 가스로 PMMA 고체 연료를 점화하는 연구를 진행했다[32,33]. Fig. 18은 조선대학교에서 제작한 플라즈마 토치 및 추력기의 개략도이다.
추력기는 스테인레스 스틸로 제작하였으며, 음극은 텡스텐으로 제작하였는데, 별도의 냉각을 하지 않더라도 열전자 방출(Thermionic Emission) 메커니즘으로 아크 방전 시 전극의 온도가 특정 온도 이상 상승하지 않고 냉각이 되는 원리를 이용하였다. 또한, 양극부와 음극부의 절연을 위해서 테프론 재질의 가스켓을 사용하였다. N2O를 플라즈마 가스로 사용한 이전 연구가 없기에, 이 연구에서는 전극의 간격을 2 mm로 설정하여 N2O의 방전이 쉽게 일어나도록 유도하였다. PMMA 고체 연료 점화에 앞서, 다양한 전류와 추진제 유량에서의 N2O 아크 방전에 대한 시험을 시험하였다. 시험 결과, 추진제의 유량이 증가하더라도 전력 소모량이 비슷한 것을 확인하였으며, 추진제의 유량이 증가할수록 방전이 안정적으로 발생하였다[32].
이후, PMMA 고체 연료 점화 가능성을 확인하였다. N2O의 안정적인 방전 및 PMMA의 초기 점화를 위하여 N2O의 초기 유량을 1 g/s으로 설정하였으며, PMMA가 점화하면 방전을 종료하며 N2O의 유량을 10 g/s으로 늘렸다. 이 때, 플라즈마 방전을 위하여 직류 방전을 사용하였으며, 600-620 V의 전압과 0.7 A의 전류가 측정되었다. 시험 결과, PMMA가 성공적으로 점화하였으며, 플라즈마 방전을 중단한 이후에도 PMMA가 연소하는 것을 확인하였다[33].
2.5 요약 및 비교
Table 1은 플라즈마 타입에 따라 사례를 분류 및 요약한 표이다. 마이크로파 플라즈마 방식는 HAN 기반 단일추진제와 ADN 기반 단일추진제 점화가 가능하였으며, 방전 가스의 유무와 관계없이 추진제 점화가 가능하였다. 마이크로파 플라즈마를 사용한 연구에서 적게는 0.01 g/s에서 많게는 0.1 g/s 추진제를 사용하였다. 또한, 대기압 뿐만이 아니라 저진공 조건에서도 추진제의 점화 및 연소 반응을 확인하였다. 직류 방전 방식 역시 ADN 기반 단일추진제와 HAN 기반 단일추진제 점화 및 연소가 가능하였다. 직류 방전 방식의 경우, 마이크로파 플라즈마 방식보다 높은 0.3-0.5 g/s 유량의 추진제를 주입하였으며, 더 높은 유량에서도 추진제 점화가 가능하다는 것을 보였다. 또한, 대기압과 진공 조건에서도 사용이 가능하며, 방전 가스의 유무와 관계없이 추진제 점화가 가능한 것을 입증하였다. 펄스 플라즈마 방식의 경우, HAN 기반 단일추진제 점화가 가능하다는 것을 보였으나, 다른 플라즈마 방식과 다르게 한 방울씩을 노즐에 흘리는 시험이였으며, 아직 연구 사례가 적어 다양한 조건(추진제 유량, 추진제 종류 등)에서의 추가적인 연구가 필요하다.
마이크로파 플라즈마 방식과 직류 방전 방식 모두 현재 널리 사용하고 있는 ADN 기반 단일추진제와 HAN 기반 단일추진제를 점화할 수 있엇으며, 두 방식 모두 방전 가스(헬륨, 질소, 아르곤, 공기)의 유무와 관계없이 점화가 가능하였다. 두 방식에서의 추진제 점화 매커니즘을 유추하였을 때, 비록 플라즈마 방식은 다르지만 추진제가 점화하는 과정은 같다고 추측한다. 방전 가스를 사용하는 경우, 방전 가스를 플라즈마 형태로 방전시키고, 이후 플라즈마화 된 고온의 방전 가스로부터 열에너지를 전달받아 추진제가 열분해하며 점화한 것으로 판단한다. 도쿄 도립 대학의 광분석 결과에서 아르곤 방전 시 관측되야하는 아르곤 이온과 여기된 아르곤(Excited Ar)의 피크가 로켓의 플룸에서는 관측되지 않았다. 이는 여기된 아르곤이 추진제에 에너지를 전달하고 사라진 것으로 추측하며 위의 점화 매커니즘에
Table 1
Summary of propellant ignitions with plasma type.
대한 추측을 뒷받침한다. 방전 가스 주입 없이 추진제 점화가 가능한 이유에 대해 연구진들은 두 가지의 원인으로 추진제가 점화한다고 추측하였다[18]. 첫 번째 이유로 줄히팅(Joule-heating)에 의한 점화라고 판단하였다. HAN 기반 단일추진제와 ADN 기반 단일추진제는 액체 상태에서 전기 저항성을 띄고 있으며, 전기적 에너지를 제공할 시 열이 발생하는 것을 확인하였다. 두 번째 이유로는 이온의 이동에 의한 점화라고 판단하였다. HAN 기반 단일추진제의 경우, 전기장에서 추진제에 녹아있는 양이온과 음이온이 다른 방향으로 이동하며, 나이트로늄 이온(NO2+)이 국부적으로 증가한 질산염(NO3-)으로부터 생성된다. 마지막으로, 생성된 나이트로늄과 생성된 나이트로늄 이온과 하이드록실 아민(H2NOH)과 반응하며 점화된다고 판단하였다.
유량 대비 전력비를 비교하였을 때, 직류 방전 방식이 마이크로파 플라즈마 방식보다 유량 대비 전력비가 낮은 경향성을 보였다. 추가적으로, 방전 가스를 주입할 때보다 추진제만을 주입하였을 때 유량 대비 전력비가 낮아지는 경향성을 보였다. 이는 방전 가스를 사용할 경우, 방전 가스를 방전한 이후 추진제로 에너지를 전달하는 과정에서 에너지 손실이 발생하기 때문에 유량 대비 전력비가 높아지는 것으로 판단한다. 직류 방전 방식 중에서도 N2O 추진제의 유량 대비 전력비가 가장 낮았으며, 이는 다른 추진제와 달리 N2O는 기화하는데 소비되는 에너지가 없기 때문이다. 일본 우주항공연구개발기구의 연구 결과나 중국 청화대학교와 북경대학교의 연구 결과와 같이, 쉽게 기화되는 물질을 이온성 추진제와 혼합하는 방식을 통해 유량 대비 전력비를 낮출 수 있을 것이라고 사료된다.
2019년에 발표된 논문에 따르면 ECAPS 사의 1 N 급 ADN 기반 단일추진제 추력기를 사용하기 위해서는 30분 동안 촉매를 예열해야하며, 예열 과정에서 9 W의 전력을 사용한다고 한다[34]. 그러므로, 촉매를 예열하는 데에는 16.2 kJ의 에너지가 소모된다. LMP-103S를 추진제로 사용했다고 가정할 시 0.4 g/s의 추진제가 추력기에 주입된다. Table 1의 유량 대비 전력비를 통해 사용되는 에너지를 계산하면, 3-27초의 작동 시간에서 플라즈마 기반 점화 방식은 촉매 예열 방식 대비 적은 에너지 소비량을 보였다. 그렇기에 추력기 작동 시간이 짧을 경우, 플라즈마 기반 점화 방식을 사용하는 것이 권장된다. 추가적으로, 직류 방전 방식의 경우 40초 이내에 플라즈마 방전 및 추진제 점화가 가능하였으며, 100 ms 이하의 응답 속도를 보였다[25]. 이런 이유로 플라즈마 기반 점화 방식은 단일추진제 추력기의 긴급 구동에 도움이 될 것이라 판단한다. ECAPS 사의 ADN 기반 단일추진제 추력기의 경우, 누적 작동 시간은 짧게는 5분에서 길게는 24시간으로 확인된다[35]. 그에 비해, 플라즈마 기반 점화 방식 추력기의 누적 작동 시간은 최대 30분으로 촉매 예열 방식 방식보다 짧았다. 또한, 현재 위성체 정밀 제어에 필수적인 펄스 모드에 대한 연구는 진행되지 않았다. 그렇기에 플라즈마 기반 점화 방식이 실제 추력기에 적용하기 위해서는 소비하는 전력을 낮추며, 추력기 수명 향상과 펄스 모드에 대한 추가 연구가 필요하다.
3. 결 론
본 논문에서는 플라즈마를 사용하여 추진제를 점화한 사례에 대해 조사하였으며, 향후 플라즈마 토치를 활용한 이온성 단일추진제 추력기 설계 시 중점적으로 고려해야하는 사항을 알아보고자 하였다. 플라즈마를 발생시키기 위하여 아르곤, 헬륨, 공기 가스 등을 사용하기도 하였지만, 실제 추력기에 적용하기 위해서는 방전 가스 없이 추진제만을 주입하여 점화하는 방식으로 개발이 이루어져야만 한다. 추진제 만을 주입하는 방식에서는 줄히팅을 통해 추진제를 가스화하고 플라즈마를 발생시켜야한다. 이를 위해, 무독성이며 증기압이 높은 물질을 이온성 추진제에 혼합하여 신속하게 추진제를 가스화하는 방식도 고려하여야 한다. 또한, 이온성 추진제의 전기적 특성에 따라 플라즈마 발생 과정과 점화 지연 시간이 변하며, 추진제 조제 시 고려해야 한다. 추진제의 신속한 점화를 위하여, 대부분의 연구에서는 짧은 시간에 많은 에너지를 전달할 수 있는 직류 아크방전 방식이나 마이크로파 플라즈마를 활용하여 추진제를 점화하였다. 그 중에서도 직류 방전 방식은 시스템이 간단하고, 유량 대비 전력비가 낮으며, 소형화도 가능하여 이온성 단일추진제용 플라즈마 토치에 적합하다고 판단한다. 전극으로는 다양한 물질을 사용할 수 있으며, 구리 전극의 경우 부식 시 생성되는 구리 분자로 추진제의 분해를 촉진시킬 수 있다. 그렇기에 장기 작동에 큰 영향을 주지 않는 선에서 구리 혼합 재질로 전극을 제작하는 것도 하나의 방법이 될 수 있다. 본 논문을 통해, 이온성 단일추진제의 점화원으로써 플라즈마의 사용 가능성을 확인하였다.
