1. 서 론
2. 물 추진제 기반 우주추진 기술의 분류 및 특징
2.1 물 추진제 기반 우주추진 기술의 분류
2.2 수전해 방식의 원리 및 특징
2.3 증발방식의 원리 및 특징
3. 물 추진제 기반 우주추진시스템의 연구개발 사례
3.1 Bradford Space
3.2 Pale Blue
3.3 URA Thrusters
3.4 Tethers Unlimited
3.5 ArianeGroup
3.6 Aurora Propulsion Technologies
3.7 기타 연구개발 현황
4. 결 론
1. 서 론
인공위성 및 행성 탐사선 등의 우주비행체가 무중력의 우주공간에서 궤도 유지/변경 및 자세제어 기동 등을 수행하기 위해서는 우주추진시스템의 사용이 필요하다. 우주비행체는 장시간의 임무기간 동안 제한된 체적 및 공간 내에서 안정적으로 추진제를 유지해야 하므로 상온에서도 액체 상태로 보관이 가능한 저장성 추진제를 사용하는 것이 일반적이다[1]. 저장성 추진제의 경우 대부분 하이드라진을 단독으로 사용하는 단일추진과 하이드라진 계열 연료와 사산화질소 산화제를 조합한 이원추진 방식이 사용되고 있다. 이들은 상온에서 기화하지 않고 액체로 존재하므로 장기간 액체 상태로 저장할 수 있기 때문에 인공위성 및 행성 탐사선 등의 추진제로 많이 사용되고 있다. 반면에 인체 및 환경에 미치는 독성이 크기 때문에 특별한 취급 절차와 전문인력, 인프라가 요구되므로 취급 비용이 증가할 뿐만 아니라 비추력 성능이 상대적으로 높지 않다는 단점이 있다[1].
이러한 저장성 추진제의 단점을 보완하기 위해 새로운 친환경 추진제에 관한 연구가 1990년대부터 시작되었다[2]. 특히 유독성의 하이드라진을 대체하기 위해 상온에서 액체 상태로 존재하면서 독성을 대폭 제거하고 비추력 성능도 향상시킨 친환경 단일추진제 개발연구가 미국 및 유럽을 중심으로 진행되었다. 일례로 2010년경에 스웨덴 ECAPS 사에서는 이온성 물질인 ADN (Ammonium Dinitramide)을 사용한 LMP-103S 추진제를, 2019년경에 미국 항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)와 미 공군은 HAN(Hydroxylammonium Nitrate)을 기반으로 하는 AF-M315E 추진제를 소형위성에 탑재하여 실제 우주환경에서 운용함으로써 우주검증에 성공하였다[2,3]. 이러한 친환경 추진제들은 무독성이고 이론 비추력 성능이 약 250초 정도로 기존 하이드라진의 약 220초 대비 높으므로 연료 절감 효과가 비교적 큰 것으로 알려져 있다[4,5,6].
또한 뉴 스페이스 시대를 맞이해 초소형위성의 수요가 증가하면서 복잡한 임무 난이도와 고성능이 요구됨에 따라 우주검증이 완료된 친환경 추진제를 초소형위성에 활용하고자 하는 필요성 역시 증가하는 추세이다. 그러나 ADN과 HAN을 기반으로 한 친환경 추진제의 경우 높은 생산단가, 약 2,000 K의 높은 연소온도로 인한 촉매의 내구성 약화 및 마모 가속화, 소형화로 인한 연소실 냉각의 어려움, 연소반응에 필요한 예열 공급용 히터의 별도 필요 및 히터 작동으로 인한 전력 소모량과 예열 시간 증가, 이원추진제 대비 낮은 비추력으로 인한 높은 연료 소모량 등의 단점을 가지고 있다. 이로 인해 초소형위성에 친환경 추진제를 본격적으로 적용하기에는 아직 상당한 제약이 있다고 할 수 있다.
한편, 2008년 인도의 달탐사선인 찬드라얀(Chandrayaan) 1호를 통해 달 내부에 물이 존재할 가능성이 확인됨에 따라 유럽⋅미국⋅중국⋅인도⋅일본 등의 우주 강국들을 중심으로 달을 전초기지로 하는 심우주 유인 탐사 임무 계획의 수립과 진행이 이뤄지고 있다[7,8,9,10]. 이를 위해 달에 매장된 물의 현지자원 활용(In-Situ Resource Utilization, ISRU)이 반드시 필요하다. 물은 독성이 없는 궁극의 친환경 물질로서 화학적으로 높은 안정성과 함께 취급이 용이할 뿐만 아니라, 물의 전기분해를 통해 얻은 기체수소와 기체산소를 우주추진시스템의 추진제로 사용할 경우 높은 비추력을 가지므로 기존 친환경 추진제 대비 연료절감 성능이 우수하다는 장점이 있다. 또한 생산비용이 비교적 낮으므로 달의 현지자원 활용을 통해 충분한 양의 물을 확보할 경우 심우주 유인 탐사 계획을 위한 새로운 추진제로서 활용이 가능할 것으로 기대된다. 하지만 현재 전 세계적으로 물 추진제 기반 우주추진시스템 연구는 소수 연구팀에 의해 수행되고 있으며 기술 수준은 아직 핵심기술 연구 및 시제품 개발단계인 것으로 조사되었다.
따라서 본 논문에서는 기존 친환경 추진제 대비 다양한 장점 및 우수한 성능과 더불어 심우주 유인탐사를 위한 추진제로서 잠재력이 있는 물 추진제 기반 우주추진시스템 기술의 개발 동향을 소개하고자 한다. 이를 위해 물 추진제를 사용하는 우주추진시스템 기술 방식을 분류함과 더불어 주요 원리와 특징을 조사 및 분석하였다. 또한 물 추진제 기반 우주추진시스템 개발 및 적용 사례를 조사함으로써 주요 성능을 종합 및 분석하였다. 본 연구를 통해 확보한 결과를 현재 수행 중인 물 추진제 기반 우주추진시스템의 개념설계 및 관련 연구개발에 참고자료로 활용함으로써 기초자료로서 도움이 되고자 한다.
2. 물 추진제 기반 우주추진 기술의 분류 및 특징
2.1 물 추진제 기반 우주추진 기술의 분류
일반적으로 우주추진시스템은 추진제 가스를 고온⋅고압 등의 상태로 만들거나 우주공간으로 배출하는데 필요한 에너지 종류 및 가속 방법 등에 따라 크게 화학추진과 전기추진 방식으로 분류된다. 우주추진시스템의 추력과 비추력 성능을 비교한 Fig. 1 그래프에서 보듯이 보통 화학추진 방식은 높은 추력과 낮은 비추력 성능을 보이는 반면에 전기추진은 낮은 추력과 높은 비추력을 가지는 것이 특징이다[11].
한편 물을 추진제로 사용하는 우주추진시스템의 경우 기존 연구개발 문헌 및 사례들을 조사한 결과, Fig. 2와 같이 전기분해(수전해)를 통해 액체 상태의 물을 기체 상태의 수소와 산소로 변환하여 추진제로 사용하는 방식과 액상의 물을 증발기를 통해 기상으로 변환한 후에 추진제로 사용하는 방식으로 분류되는 것으로 분석되었다. 전기분해를 통해 물을 추진제로 활용하는 방식은 대표적으로 냉가스⋅이원추진⋅홀(Hall-Effect) 추진이 있으며, 물을 증발하여 추진제로 활용하는 방식으로는 저항제트(Resistojet)⋅아크제트(Arcjet)⋅마이크로파 전열(Microwave Electrothermal)⋅RF이온 (Radio-Frequency Ion) 추진 등이 있다. 물 추진제 기반 우주추진시스템의 수전해 방식과 증발방식의 개념도를 Fig. 3에 제시하였다. Fig. 3(a)에서 보듯이 수전해 방식은 물의 전기분해를 통해 변환된 기체수소 또는 산소를 추진제로 사용한다. 이때 화학추진 방식의 경우 추진제 가스 가열, 가압 또는 가속시 별도의 전기 에너지 공급이 필요 없는 반면에 정전기 방식인 홀 추진은 추진제 가스의 이온화 및 가속을 위해서는 전력공급이 필수이다. 증발방식의 경우 Fig. 3(b)에서 보듯이 증발기를 통해 기화된 물을 모두 전기추진 방식을 사용해 가속하므로 추가적인 전력공급이 반드시 필요한 것이 특징이다.
2.2 수전해 방식의 원리 및 특징
수전해 방식은 Fig. 3(a)에서 보듯이 전기분해를 통해 액상의 물을 기체 상태의 수소와 산소로 변환한 후 추력기에 공급하여 추력을 발생하는 방식으로 전기분해장치(Electrolyzer)의 성능에 따라 전체 추진시스템의 성능이 좌우된다. 과거에는 우주정거장 등에서 우주인을 위한 산소 생산용으로 알카라인(Alkaline) 방식의 전기분해장치가 사용되었으나, 크기 및 무게 등의 제약으로 인해 우주추진용으로 적용하는데 어려움이 컸다. 최근 수전해 기술이 비약적으로 발전함에 따라 중량⋅체적의 소형화 및 경량화와 더불어 높은 효율과 낮은 온도에서도 운용이 가능한 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM) 방식이 우주추진시스템용으로 사용이 가능한 것으로 조사되었다.
한편 우주공간에서 액상의 물을 기상의 수소와 산소로 전기분해할 경우 미세중력의 영향으로 인해 지상에서처럼 중력에 의한 밀도차를 이용해 기상과 액상을 분리하는 것은 거의 불가능하다. 따라서 전기분해 과정에서 발생한 기포가 전극에 누적될 경우 수전해 장치의 분해 성능이 감소할 수 있으므로, 양성자 교환막에 기상의 물을 주입하거나 원심 펌프 등을 이용해 인위적으로 기상과 액상을 분리하는 등의 방식이 필요한 것으로 조사되었다[12]. 이를 위해 기상의 물을 알카라인 방식의 분해막에 공급할 목적으로 CVF(Cathode Vapor Feeding) 방식이 고안되었으며[13], 최근에 양성자 교환막 방식이 선호됨에 따라 CVF를 양성자 교환막 방식에 적용하려는 연구가 진행되고 있다[14]. Fig. 4에 CVF를 적용한 PEM 방식의 막-전극 조립체(Membrane Electrode Assembly, MEA)에 대한 간략한 구조와 원리를 제시하였다. CVF 방식의 막-전극 조립체는 물 공급부(Feed Water Compartment), 수소 채널(Channel), 양성자 교환막, 산소 채널로 구성된다. 막-전극 조립체는 전력원의 위치에 의해 캐소드(Cathode) 영역과 애노드(Anode) 영역으로 나뉘며, 각각 촉매층(Catalyst Layer)과 가스 확산층(Gas-Diffusion Layer)을 포함하고 있다. 촉매층에서는 물의 전기화학 반응이 일어나며 애노드에서는 기체산소가, 캐소드에서는 기체수소가 생성된다. 가스 확산층은 막-전극 조립체 내에서 기체 상태 물의 원활한 이동을 위해 이온 전도성을 높여주며, 촉매층의 구조적인 지지를 돕는 등 전반적인 셀(Cell)의 성능을 좌우한다[15]. 수전해 장치의 이온 전도성 및 내구성을 위해 막-전극 조립체는 적절한 수분을 유지해야 하며, 이때 탈이온수(Deionized Water)를 사용해야 불순물로 인한 성능감쇠 효과가 없다[16]. CVF 방식을 적용하면 물의 전기분해에 필요한 평형조건이 농도구배에 의해 자동적으로 형성되므로, 전력이 공급되는 동안 막-전극 조립체의 수분유지가 이루어지는 것으로 조사되었다[17].
CVF-PEM 전기분해장치의 작동원리를 간략하게 살펴보면 다음과 같다. 우선 액상의 물을 공급부에 채운 후 막-전극 조립체의 전극에 전력을 인가하면 초기 막-전극 조립체의 수분을 유지하던 물이 전기분해되면서 공급부와 양성자 교환막 사이에 액체와 기체가 혼합된 물의 농도구배가 증가하게 된다[18]. 이때 다공성 막(Porous Membrane)은 기상의 물만 통과되기 때문에 공급부와 교환막 캐소드 사이에 존재하는 물의 농도 차로 인한 확산에 의해 공급부로부터 양성자 교환막으로 기상의 물이 공급된다. 기상의 물은 양성자 교환막을 통과하여 애노드의 촉매층에 접촉하면서 기상의 산소 분자(O2)⋅수소 이온(H+)⋅전자(e-)로 분리된다. 이때 수소 이온은 전기장에 의해 양성자 교환막을 통과하여 캐소드로 이동하게 되고, 전자는 별도의 전기회로를 따라 이동한다. 수소 이온은 공급된 전력에 의한 전자와 캐소드에서 결합함으로써 기상의 수소 분자(H2)로 변환된다. 최종 생성된 기상의 수소와 산소 분자들은 각각의 저장 탱크로 이동한 후 저장되며, 적절한 수준의 가압을 통해 추력기로 공급된다.
한편 수전해 방식은 Fig. 2에서 보듯이 크게 냉가스⋅이원추진의 화학추진 방식과 홀 추진의 정전기추진 방식으로 분류되는 것으로 조사되었다. 수전해 방식은 비추력 성능이 최소 약 300 초 이상이므로 하이드라진 및 친환경 단일추진제 대비 추진제 소모율 감소 및 추진제 중량 절감 효과라는 장점이 있는 것으로 알려져 있다[19,20]. 또한 연료전지를 사용할 경우 1개의 전기분해장치를 전력과 추진시스템에 공용으로 활용할 수 있으므로 기존 위성체용 배터리의 대체를 통한 중량 절감의 효과도 기대할 수 있다[19]. 이외에도 전기분해장치를 통해 기체수소와 산소를 연속적으로 생성할 수 있으므로 저장 탱크에 저장시 별도의 가압가스나 가압장치가 필요 없으며[20], 전기분해장치의 성능에 따라 가압압력을 필요한 수준으로 조절할 수 있다는 장점이 있다[21,22]. 반면에 무중력 환경에 대한 전기분해장치의 작동 신뢰성의 개선 외에도 기상의 수소와 산소를 보관하기 위한 별도의 저장 탱크가 필요하므로 전체 추진시스템의 중량과 체적이 약간 증가할 수 있다는 단점이 있다.
2.2.1 화학추진 방식
냉가스 방식의 경우 Fig. 5에서 보듯이 수전해를 통해 얻은 기체수소를 고압 상태로 저장하고 있다가 추력기 밸브를 개방하여 압력 차에 의해 압축가스를 외부로 방출시킴으로써 추력을 얻는 방식이다. 질소나 헬륨 등의 불활성 기체를 추진제로 사용하는 일반적인 냉가스 방식은 비추력이 70초 이하인데 비해 기체수소는 분자량이 매우 작아 가벼우므로 이론적으로는 약 296초 정도의 높은 비추력을 얻을 수 있다는 장점이 있다[23]. 반면에 낮은 밀도로 인한 탱크 중량 및 체적의 증가와 더불어 높은 폭발성으로 인해 냉가스 방식으로 사용하기에는 제약이 크다. 따라서 물의 증발을 이용한 저항제트 추진방식과 구성이 매우 유사함에도 불구하고 상기 제약으로 인해 물 추진제를 냉가스 추진으로 사용하는 것은 크게 선호되지 않는 것으로 조사되었다.
반면에 이원추진 방식은 Fig. 6에서 보듯이 기체수소와 산소 간의 연소반응을 통해 발생된 고온⋅고압의 가스를 이용하므로 약 300초 이상의 비추력과 수 N급 이상의 추력을 얻을 수 있다. 따라서 다양한 임무에 적합한 우주추진시스템으로 활용이 가능하다. 일례로 1970년대 미 공군연구소는 위성용 추진시스템으로 수전해 방식을 이용해 냉가스와 이원추진을 동시에 적용하는 개념을 연구하기도 하였다[24]. 이 연구를 통해 22 N급 추력기⋅전기분해장치⋅배관계통 등의 성능을 지상실험을 통해 검증하였으며 결과적으로 수전해 방식을 이원추진으로 적용할 경우 높은 안전성과 효율성이 가능하다는 것을 보여주었다[24]. 또한 Gotzig 등[20,25]은 초소형위성용 저추력 이원추진시스템에 촉매나 충돌형 분사기를 적용함으로써 연소효율을 개선하는 연구를 수행하였다.
2.2.2 정전기추진 방식
홀 추진방식은 Fig. 7에서 보듯이 외부로부터 유입된 전자들을 전기장과 자기장에 의해 발생된 홀 효과를 이용해 고리 형태로 홀 추력기 내부에 포집한다. 여기에 중성의 추진제 가스를 분사하여 전자와 충돌시킴으로써 추진제 가스를 이온화시킨 후 인가된 전기장에 의해 이온이 외부로 가속되면서 추력이 발생하게 된다. 인가된 전기 에너지 대비 우수한 추력 효율로 인해 일반적으로 제논을 추진제로 사용하였으나, 한정된 양과 함께 사용량이 증가함에 따라 최근에 수급비용이 급격하게 상승하였다. 따라서 제논을 대체할 추진제로서 수전해를 통해 얻은 기체를 홀 추진에 적용하는 연구가 수행되고 있다. 일례로 Schwertheim 등[26]의 연구에서는 수전해를 통해 얻은 기체산소를 홀 추력기의 추진제로 사용하였으며, 본 연구를 통해 제논과 산소의 이온화 에너지는 비슷한 수준이지만, 플라즈마 특성이 다르므로 기체산소에 적합한 추력기 및 전극을 설계할 필요가 있는 것을 확인하였다[26].
2.3 증발방식의 원리 및 특징
Fig. 3(b)에 제시된 증발방식은 증발기를 통해 액상에서 기상으로 변환된 물에 별도의 전기 에너지를 작용하여 가열 또는 이온화 등의 과정을 거친 후에 외부로 가속시킴으로써 추력을 얻는 원리이다. 이때 증발을 위해 히터나 가스발생기를 사용하는 것으로 조사되었다. 히터를 사용하는 경우는 물의 증발량 증가를 위해 미세한 액적의 형태로 물을 분사한 후에 히터를 통해 열을 공급하여 기화시키는 방식이며, 가스발생기의 경우에는 예열플러그를 이용해 공급된 전기 에너지를 열로 변환하여 물을 기화하는 방식이다[28,29]. 이때 물의 끓는점은 대기압에 비례하므로 진공인 우주환경의 경우 지상의 대기압 조건보다 상대적으로 적은 양의 전기 에너지만으로도 충분히 물을 기화시킬 수 있다(일례로 5 kPa에서 물의 끓는점은 약 34℃임). 기존 연구사례들을 조사한 결과, 물의 증발을 이용한 추진방식은 크게 증발된 물을 전기 에너지를 이용해 가열하여 추력을 얻는 전열(Electrothermal) 추진방식과 전자기파에 의해 기상의 물을 플라스마화하여 고온으로 가열함으로써 추력을 얻는 플라스마(Plasmaization) 추진방식으로 분류될 수 있는 것으로 조사되었다.
2.3.1 전열추진 방식
물 추진제의 전열추진 방식으로는 저항제트와 아크제트가 있으며, 마이크로파 전열추진은 추진제 가열을 위해 플라스마를 사용하기 때문에 본 논문에서는 편의상 플라스마 추진방식으로 분류하였다. 저항제트 추진은 전열추진 중 가장 단순한 형태로 Fig. 8에서 보듯이 전기 히터 등을 통해 고온 상태인 추력기 내부를 추진제 가스가 통과하면서 가열된다[30]. 저항제트 추진방식은 구성과 원리가 비교적 단순하므로 물 추진제 기반 우주추진시스템 방식 중에서 가장 많이 연구되고 있으며, 보통 mN 급의 추력과 최소 70초에서 최대 200초 미만의 비추력을 가지는 것으로 조사되었다. 일례로 Yaginuma 등[28]은 기상의 물을 추진제로 사용하는 초소형위성용 저항제트 추진방식에 관한 연구를 진행하였다. 증발챔버에 물을 액적 형태로 분사하여 증발시킴으로써 물 증발율의 개선 가능성을 보여주었다. 최종적으로 환경 및 지상시험을 통해 3U 크기의 초소형위성에 활용할 수 있는 물 추진제 기반 추진시스템의 성능검증에 성공하였다[28].
한편, 아크제트 추진은 Fig. 9과 같이 아크방전을 통해 추력기 내부를 통과하는 추진제 가스를 가열하는 방식이다. 일례로 Nogawa 등[29]은 물과 질소를 혼합한 추진제를 활용한 아크제트 추진을 연구하였는데, 액체 상태의 물은 점화가 쉽지 않기 때문에 이를 해결하기 위해 가스발생기를 증발기로 사용하여 물을 기화시켰다. 하지만 순수 물만 추진제로 사용한 경우에는 충분치 않은 연소시간과 화염길이로 인해 원하는 추력 등의 실험값을 얻는 데는 실패하였다[29].
2.3.2 플라스마추진 방식
플라스마추진 방식의 경우 기상의 물 추진제를 매우 높은 온도에서 이온과 전자로 분리된 플라스마로 변환하기 위해서 별도의 마이크로파 등을 사용하는데[32], 크게 마이크로파 전열추진과 RF 이온추진 방식이 있는 것으로 조사되었다. 먼저 마이크로파 전열추진 방식은 Fig. 10과 같이 전자기파를 사용해 높은 에너지를 가진 전자를 추진제 가스로 충돌시켜 추진제 가스 분자에 진동⋅회전 에너지를 전달한다. 그 결과 분자 간의 충돌을 유도함으로써 추진제 가스의 내부 열에너지를 증가시켜 가열하는 방식이다[33]. 다른 전열추진 방식에 비해 외부로의 열손실이 적으므로 효율이 높다는 장점이 있다[32]. 일례로 Brandenburg 등[34]의 연구에 따르면 마이크로파 전열추진의 추진제로 증발상태의 물을 사용하면 비추력 성능이 높고, 제논의 경우에는 높은 추력을 낼 수 있는 것으로 확인되었다. 이 연구에서는 증발기로 물을 증발시킨 후에 고압 조건을 형성함으로써 800초 이상의 비추력과 0.12 N의 추력을 보였다[34]. 또한 증발된 물을 추진제로 사용하는 경우 고압 조건에서 안정적인 플라스마 방출을 보일 수 있었으나 수증기가 전자에 부착되려는 경향 때문에 플라스마 방전이 쉽지 않은 것으로 밝혀졌다. 이와 관련하여 고압 환경을 만들기 위해서는 액체-기체 혼합 상태에서 가열을 통한 가압이 필요한 것으로 확인되었다[33]. 따라서 물의 2상으로 인해 전기방전이 어려워지면 증기압 조절이 제대로 되지 않을 수 있으므로 물 추진제를 마이크로파 전열추진 방식에 적용하기에는 제약이 있는 것으로 확인되었다[33].
한편 RF 이온추진 방식은 추진제 가스의 이온화시 전자기장을 이용하는 방식으로서 가열된 추진제 가스의 팽창이 아닌 전극 그리드 사이에 적용된 전기장 차이에 의해 추진제 가스를 가속한다는 점이 전열추진 방식과의 차이점이다[36]. Fig. 11과 같이 RF 코일이 추력기의 이온화 챔버를 감싼 상태에서 축 방향 자기장을 유도하게 되면 자기장을 따라 원형 전기장이 형성되면서 전자 충돌의 증가로 인해 연쇄적으로 이온이 발생하게 되는데, 이를 전자 충격 이온화 현상이라고 한다[37]. 이러한 전자 충격 이온화에 의해 플라스마가 발생하게 되고, 이때 생성된 이온은 2개의 전극 그리드 사이에 적용된 전기장 차이에 의해 방출 및 가속되면서 추력이 발생된다[36]. 일례로 Nakagawa 등[38]의 연구에서는 추진제로 증발상태의 물을 사용한 RF 이온추진 방식과 제논 기체를 사용한 경우에 대해 성능을 비교하였다. 실험을 통해 추력⋅이온빔 전류⋅중화기 전류 등을 측정한 결과 약 660초의 비추력과 145 μN 정도의 추력을 측정했지만, 전반적으로 제논 추진제보다 물 추진제의 성능이 다소 떨어지는 것을 확인하였다[38]. 이 연구를 통해 초소형위성용으로 물 추진제 기반 RF 이온추진 방식의 활용 가능성이 제시되었다.
3. 물 추진제 기반 우주추진시스템의 연구개발 사례
3장에서는 본격적으로 물 추진제 기반 우주추진시스템의 해외 연구개발 사례에 대해 조사하였다.
3.1 Bradford Space
네덜란드의 Bradford Space 사는 위성을 포함해 우주비행체용 부품을 전문적으로 개발하는 회사이다. 1994년 설립 이후 초기에는 밸브나 열교환기 등을 개발하였으나 2000년대 중반 들어 자세제어⋅궤도제어⋅추진⋅열 제어계로 사업 분야를 확장하였다. 이후 2017년에 스웨덴 ECAPS 사를 인수하여 LMP-103S 기반 친환경 추진시스템 분야로 확장하였고, 2018년에는 Deep Space Industries(DSI) 사를 인수하여 물 추진제 기반의 Comet 추진시스템을 개발하였다. Bradford 사의 Comet 제품군은 비용 절감⋅취급상의 안전⋅높은 성능을 고려해 개발된 (초)소형위성용 물 추진제 기반 저항제트 추력기로서 17 mN급 추력과 175∼185초의 비추력 성능을 가진다[39]. 제품군으로는 Comet-1000, Comet-8000, Comet-X가 있으며, 위성 임무와 크기에 따라 요구되는 추진제량의 변화를 맞출 수 있도록 하였다[40]. HawkEye 360 사의 Prospector-1 위성 추진시스템 개략도를 Fig. 12(a)에 Bradford Space 사의 Comet-1000 추진시스템 형상을 Fig. 12(b)에 제시하였다. Prospector-1 위성에는 히터 가열방식의 전열추진시스템이 사용되었으며, 지구 저궤도 군집 비행과 자세제어를 위해 검증모델인 Comet-1 추진시스템을 사용하였다[41].
3.2 Pale Blue
일본의 Pale Blue 사는 도쿄대학교와 일본 우주항공연구개발기구(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)의 물 추진제 기반 추진시스템 연구팀이 2020년에 설립하였으며, 안전성⋅친환경성⋅비용적 측면의 장점이 있는 물 추진제 기반 전기추진을 주로 개발하고 있다. 도쿄대 및 JAXA에서 개발한 AQT-D, EQUULEUS, EYE, OPTIMAL-1 등의 위성 또는 탐사선에 Pale Blue 사가 개발한 물 추진제 기반 전기추진시스템이 사용되었다. 일례로 Fig. 13에 도쿄대에서 개발한 AQUARIUS 추력기를 사용한 AQT-D 위성의 추진시스템 개략도를 간략하게 제시하였다[28]. 증발챔버를 통해 기화된 물을 1개의 궤도전이용 주 추력기(Main Thruster)와 4개의 반동제어 추력기(Reaction Control Thruster)로 공급한 후에 히터를 통해 가열하여 추력을 얻는 저항제트 방식이다. AQT-D 위성의 임무 수행 중에 추진시스템의 압력⋅온도와 더불어 추력기 작동으로 인한 위성체의 각속도⋅각운동량 등을 측정하는 등 장기간의 운용시험을 통해 추진시스템의 성능을 평가하였다[28].
이를 기반으로 Yaginuma 등[28]의 후속 연구를 통해 Fig. 14(a)의 저항제트 방식인 PBR-20이 개발되었다. PBR-20은 1 mN의 추력과 70초 정도의 비추력 성능을 가지며 최근 Sony 사의 EYE 1(Star Sphere 1) 위성에 탑재되어 지구 저궤도 유지 임무를 성공적으로 수행하였다[42].
한편 수십 년간에 걸친 도쿄대와 JAXA의 플라스마 형성 연구를 바탕으로 이온 추력기의 소형화에도 성공하였다. Nakagawa 등[38]의 연구로부터 Pale Blue 사가 후속 개발한 물 추진제 기반 이온 추력기인 PBI-40(Fig. 14(b))은 0.15∼0.3 mN의 추력과 1,000∼2,000초의 비추력 성능을 가진다. Nakagawa 등[38]은 추진제로 제논과 물을 사용하였을 때 RF 이온 추력기의 성능을 비교하였다. 이 연구로부터 물 추진제의 사용효율에 따른 이온 형성효율이 측정되었으며, 제논과 비슷한 수준인 것으로 확인되었다[38]. 당시에는 제논에 비해 물 추진제의 성능이 다소 떨어졌으나, 현재는 추력과 비추력 성능이 개선된 것으로 보아 추후 연구에서 개선 후 상용화한 것으로 추정된다. 그러나 아직 실제 위성에는 사용되지는 않은 것으로 조사되었다.
3.3 URA Thrusters
영국의 URA Thrusters 사는 2019년 AVS Group의 자회사로 분할되었으며 발사체 추진 및 우주추진 제품을 개발하고 있다. 독성 하이드라진 추진제의 사용규제와 더불어 (초)소형 위성 시장의 성장에 따라 물 기반 친환경 추진시스템을 연구하고 있다. 화학추진과 전기추진 외에도 이들을 결합한 하이브리드 방식과 MEMS(Micro- Electro Mechanical Systems) 공정을 적용한 초소형 추진방식도 개발하고 있는데, 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London) 등의 물 추진제 기반 연구결과를 활용하고 있다.
URA Thrusters 사의 연구개발 사례를 보면, 우선 넓은 범위의 가용전력과 유량 조건에서 30∼150 mN의 추력과 500∼1,000초의 비추력 성능을 가지는 마이크로파 전열추진 방식의 MET 제품군을 개발하였다[35]. URA Thrusters 사는 2010년대 후반부터 진행된 Staab 등[33]의 연구를 바탕으로 제논을 사용한 XMET(Fig. 15)를 개발하였고, ‘24∼’25년 시장도입을 목표로 물 추진제를 기반으로 하는 AQUAMET를 개발하고 있다[35]. 이들의 주 용도는 정지궤도(GEO) 소형 위성체의 반동제어 추진시스템(RCS)인 것으로 조사되었다[33].
한편 기존의 홀 추력기는 일반적으로 제논을 추진제로 이용하였으나, 희유가스임에도 불구하고 사용량이 증가함에 따라 최근에 수급비용이 급격하게 상승하였다. 따라서 제논을 대체하기 위해 URA Thrusters 사는 Schwertheim 등[26,43]의 연구를 토대로 물의 전기분해를 통해 얻은 산소를 추진제로 사용하는 추력 48 mN, 비추력 3,000초의 WETHET-2000 홀 추력기 (Fig. 16)를 ‘26년 시장도입을 목표로 개발 중이다[35]. Schwertheim 등의 연구를 통해 수전해를 통해 얻은 기체산소의 플라스마 거동에 적합한 홀 추력기의 채널 설계가 연구되었으며, 그밖에 추력 효율⋅유량⋅회로 내 전류 등이 측정되었다[43]. 수학적 모델의 결함으로 인해 이론 추력 값이 실험측정 결과보다 다소 높게 나옴에도 불구하고 전반적인 경향은 잘 구현되는 것으로 조사되었다[43].
또한 URA Thrusters 사는 초소형 화학추진시스템의 필요성이 증가함에 따라 Muir 등[44]의 연구를 기반으로 Fig. 17의 ICE(Iridium Catalysed Electrolysis) 추진시스템을 개발하였다. ICE는 PEM 기반 수전해 이원추진 방식을 적용한 초소형 추진시스템으로 MEMS 공정을 사용하기 때문에 얇은 두께의 기판 형상을 가지는 것이 특징이다[44]. URA Thrusters 사는 ’24년 시장도입을 목표로 ICE-10과 ICE-1000을 개발 중인 것으로 조사되었다. ICE-10과 ICE-1000의 추력은 각각 10 mN과 1,000 mN이며, 비추력은 310초로 동일하다[35]. 0.8 L의 물을 이용해 1,000 m/s 이상의 속도 증분(Delta-V)을 달성할 수 있으며, 이는 3U 크기의 초소형위성이 행성 간 궤도천이에 필요한 속도 증분량과 같다[44].
Fig. 17
ICE bipropellant thruster(a), and components of propulsion system(b) - 1: thrusters, 2: electrolyzer, 3: helium tank, 4: water tank[44].
그밖에 HYDRA라는 수전해 이원추진과 홀 추진을 결합한 하이브리드 방식 제품도 개발되고 있는 것으로 조사되었다. 하이브리드 방식의 경우 화학 및 전기추진의 장단점을 유연하게 사용할 수 있는데, 대표적으로 전기분해를 통해 발생한 기체산소 일부를 홀 추력기로 공급하게 되면수전해 이원추진 방식은 양론비(Stoichiometric Ratio)에 맞춘 기체산소와 수소의 연소 대신에 기체수소 과잉상태로 반응하게 되므로 결과적으로 수전해 이원추진 방식을 단독으로 사용할 때보다 비추력 성능을 개선할 수 있다.
3.4 Tethers Unlimited
미국 Tethers Unlimited 사는 1994년 설립되어 2020년에 ARKA Group의 자회사로 합류했으며, 주요 사업으로는 테더 기술(Tether Technology)을 기반으로 우주 파편 제거, 통신기, 태양전지판, 추진시스템 등을 개발하였다. NASA의 아르테미스 프로그램에 참여하면서 6U 크기의 초소형위성인 PTD-1(Pathfinder Technology Demonstrator-1)에 탑재할 HYDROS-C를 개발하였다. Fig. 18의 HYDROS 제품은 전 세계에서 최초로 상용화된 수전해 이원추진 방식으로 1.2 N 이상의 추력과 310초 이상의 비추력을 가지는 것으로 조사되었다[45]. 개발 과정에서 콘(Cone) 형상의노즐을 다양한 팽창비⋅팽창각⋅레이놀즈(Reynolds) 수 조건에 대해 실험적으로 비교⋅분석을 수행하였다[46]. HYDROS를 탑재한 PTD-1 위성은 2021년 발사되어 비행성능 평가가 진행되었고, 그 결과 수전해 이원추진 방식이 성공적으로 적용된 것으로 조사되었다[47].
3.5 ArianeGroup
ArianeGroup은 유럽의 Airbus 사와 Safran 사의 합작으로 설립된 항공우주 기업이며, 주요 사업으로 방산업과 발사체 제조⋅개발 등을 하고 있다. 유럽의 하이드라진 사용규제에 따라 독일의 ArianeGroup과 슈투트가르트 대학교를 중심으로 대체 추진제로써 물 추진제 기반 추진시스템을 개발 중이며, 유럽 우주국(European Space Agency, ESA)이 지원하는 ROMEO(Research and Observation in Medium Earth Orbit) 기술검증위성의 궤도천이 임무 등을 위해 ArianeGroup이 개발 중인 1 N급 수전해 이원추진시스템을 탑재할 예정이다. 이를 위해 Fig. 19에서 보듯이 전기분해장치와 추력기의 핵심기술과 시제품 연구개발을 진행하고 있다[21]. 추력기는 1 N급의 추력과 330초의 비추력 성능을 가지고 있으며, 정상상태 연소실험과 펄스모드 연소실험 등을 진행하였다[20]. 전기분해장치의 경우 무중력 상황에서의 운용을 고려하여 설계되었고, 현재는 분극 곡선 및 가스 생성량 등의 성능을 충족시키기 위한 후속 연구가 진행 중이다[14]. 수전해 이원추진시스템의 기술 검증을 위해 2025년 발사를 목표로 하고 있다[20].
3.6 Aurora Propulsion Technologies
Aurora Propulsion Technologies 사는 2018년에 설립된 핀란드의 회사이며, 2019년부터 ESA의 사업에 참여하고 있다. Fig. 20에 제시된 ARM 제품군은 초소형위성의 자세 및 궤도 조정 임무를 수행하기 위한 전열추진 방식으로, 추력 0.6∼4 mN, 비추력 100초 정도의 성능을 갖고 있다[48]. Aurora Propulsion Technologies 사는 ARM 제품군의 우주검증을 위해 1.5U 크기의 초소형위성인 AuroraSat-1을 활용하였다. 탑재된 6개의 ARM-A 추력기를 사용하여 신속한 자세 안정화의 가능성과 자세제어 성능을 확인하였다[49].
3.7 기타 연구개발 현황
3.7절에는 기업에 의해 개발된 추진시스템 개발이 아닌 대학을 중심으로 진행된 물 추진제 기반 추진시스템 연구개발 현황을 조사하였다. 일본의 EARTH-Track Corporation과 오사카공업대학에서는 Fig. 21의 WEPS(Water Electric Propulsion System)이라는 물 추진제 기반 아크제트 추진방식을 연구하였다. 친환경⋅재사용⋅비용 절감을 목적으로 저중량⋅저전력을 특징으로 하는 단순화된 추진시스템을 개발하고자 하였으며, 주요 임무는 국제우주정거장(ISS)에서 사출된 후 달 혹은 그 이외의 목적지를 향해 궤도상승을 하는 것이다[29]. 증발한 물에 질소를 혼합하여 추진제로 사용했을 때, 114.6 mN의 추력과 80.2초의 비추력 성능을 가진다[29].
미국 퍼듀대학에서 개발한 Fig. 22의 FEMTA (Film Evaporation MEMS Tunable Array)는 중량⋅크기⋅전력 등에 제약이 많은 1U 크기 초소형위성의 정밀 자세제어를 위해 개발되었고, 소형화를 위해 MEMS 공정을 적용함으로써 실리콘 기판 형태로 제작되었다. Fowee 등[50]의 연구에 따라 진공에서 유체의 표면장력과 유체 내부압력이 평형이 될 수 있는 크기의 모세관을 사용하고 이때 히터를 가열하여 모세관에 형성되는 유동막을 증발시킬 수 있다. 증발된 액적의 물을 배출함으로써 μN 수준의 추력을 발생시킬 수 있고, 히터로 온도 조절시 6∼68 μN 범위에서 추력을 조절할 수 있는 것으로 조사되었다[50]. FEMTA는 통상 70 μN의 추력과 80초의 비추력 성능을 보이며, μm 수준의 두께 및 mm 수준의 폭을 가지고 있다. 진공챔버 내에서 4개의 FEMTA 추력기를 이용하여 온도 조절과 자세제어 실험을 진행함으로써 결과적으로 1U 크기 초소형위성의 자세제어 가능성을 확인했다[50].
미국 코넬대학의 Cislunar Explorers는 2016년 NASA의 CubeQuest Challenge에 참여하면서 개발되고 있는 위성이며, 주 임무는 수전해 이원추진 방식 추진시스템의 우주검증 등이다[51]. 공간과 비용의 제약을 극복하기 위해 3D 프린팅 방식으로 제작한 티타늄 재질의 노즐과 탱크, 예열플러그, 두 개의 소형 전기분해장치 등으로 추진시스템을 구성하였다[52]. 추진시스템의 목적은 달 궤도에서의 천이와 유지이며[51], 추력과 비추력 성능은 아직 공개되지 않았다. Cislunar Explorers는 NASA의 아르테미스 프로그램에 참여하면서 2022년에 미국의 SLS(Space Launch System) 발사체로 발사될 예정이었으나, 기술적인 문제로 발사가 지연되었다. 추후 발사계획은 아직 정해지지 않은 상태로 확인되었다.
4. 결 론
본 논문에서는 물 추진제 기반 우주추진 기술의 기초자료 확보를 위해 기술별 원리 및 특징을 조사했으며, 성능 및 임무에 따라 연구개발 현황을 Table 1와 같이 정리하였다. 본 연구를 통해 물 추진제 기반 추진시스템은 기존 화학추진방식 대비 우수한 비추력 성능과 더불어 친환경성⋅안전성⋅저장성⋅수급성⋅비용절감 측면에서 장점을 가지므로 (초)소형위성의 활용과 수요가 증가함에 따라 저추력의 소형 추진시스템으로 주목을 받는 것으로 조사되었다. 다양한 자료들을 통해 현재 물 추진제 기반 추진시스템은 미국⋅일본⋅유럽 등에서 연구개발이 진행 중이며, 주로 대학과 전문 기업체들이 담당하고 있는 것으로 조사되었다. 주 임무는 (초)소형 위성 및 우주탐사선 등의 궤도유지⋅궤도천이⋅자세제어 등이며, 추진방식에 따라 추력은 최소 μN 급∼최대 1 N급, 비추력은 최소 70초∼최대 3,000초까지 기술적으로 구현이 가능한 것으로 분석되었다.
뉴 스페이스 흐름에 맞춰 국내에서도 민간 주도의 초소형위성 수요와 활용이 활성화되고 있고 이에 따라 추진시스템의 필요성도 점차 증가하는 추세이다. 따라서 국내에서도 물 추진제 기반 추진시스템의 수요가 있을 것으로 예상되므로 관련 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구에서 도출된 결과물을 현재 수행 중인 물 추진제 기반 우주추진시스템의 개념설계 연구뿐만 아니라 다른 연구개발에도 참고자료로 활용함으로써 미약하나마 도움이 되기를 기대한다.
Table 1
Development status summary of water-based space propulsion technology.
| Type | Company/Lab. | Product | Thrust | Isp | Mission | Ref. |
| Bipropellant | URA Thrusters | ICE-10 | 10 mN | 310 s | T | [35] |
| Bipropellant | URA Thrusters | ICE-1000 | 1,000 mN | 310 s | T | [35] |
| Bipropellant | Tethers Unlimited | HYDROS-C, M | > 1.2 N | > 310 s | R, T | [45] |
| Bipropellant | ArianeGroup | DM1 | 1 N | 330 s | T | [20] |
| Bipropellant | Cornell University | Cislunar Explorers | N/A | N/A | T | [51] |
| HET | URA Thrusters | WETHET-2000 | 48 mN | < 3,000 s | - | [35] |
| Resistojet | Bradford Space | Comet Series | 17 mN | 175 - 185 s | F, R | [40] |
| Resistojet | Tokyo University | AQUARIUS | 1 - 4 mN | 70 s | R, T | [28] |
| Resistojet | Pale Blue | PBR-20 | 1 mN | 70 s | M | [42] |
| Resistojet |
Aurora Propulsion Technologies | ARM-01 | 0.6-4 mN | 100 s | R, T | [48] |
| Resistojet | Purdue University | FEMTA | 70 μN | 80 s | R | [50] |
| Arcjet | Earth-Track Corp. | WEPS | 114.6 mN* | 80.2 s | T | [29] |
| MET | URA Thrusters | AQUAMET | 30 - 150 mN | 500 - 1,000 s | R | [35] |
| RIT | Pale Blue | PBI-40 | 0.15 - 0.3 mN | 1,000 - 2,000 s | - | [42] |
