'인공위성의 심장' 고전력 전기추력기 개발 성공

원자력연구원, 10㎾급 기술 국산화
화학식 추력기보다 연비 4배 높아
우주선, 대형 인공위성 등에 활용

한국원자력연구원 핵물리응용연구부 채길병 박사팀이 국내 최초로 개발한 10㎾급 고전력 전기추력기를 가동시키고 있다. 파란 불꽃은 전기추력기의 알곤 플라즈마가 방전돼 분출하는 모습이다. 원자력연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국원자력연구원 핵물리응용연구부 채길병 박사팀이 국내 최초로 10㎾급 고전력 전기추력기를 개발했다. 이번에 개발한 고전력 전기추력기는 화학식 추력기에 비해 연비가 4배 이상 높다. 인공위성의 심장이라 불리는 고전력 전기추력기 개발 성공으로 기술자립의 발판을 마련했으며, 향후 유·무인 우주선, 대형 정지궤도 위성 등에 활용될 전망이다.

전기추력기란 전기에너지를 이용해 연료를 가열, 가속한 뒤 노즐로 분사하여 추진력을 얻는 장치다. 전기추력기는 기존의 화학식 추력기에 비해 추진력은 낮지만 연비가 월등히 높아 연료 무게를 줄이고 탑재체 무게를 늘릴 수 있다.

15일 원자력연구원에 따르면 10~100㎾ 고전력 전기추력기 기술은 아직까지 미국과 유럽, 일본 등 우주기술 선진국만이 보유하고 있다. 이 전기추력기는 국제무기거래규정(ITAR)에 의해 관련 기술 또는 물자의 이전이 통제받고 있다.

한국원자력연구원 핵물리응용연구부 채길병 박사팀이 국내 최초로 10㎾급 고전력 전기추력기(왼쪽)를 개발해 진공챔버 안에서 성능을 테스트하고 있다. 원자력연구원 제공

연구진은 4년간에 걸친 연구개발(R&D) 끝에 만들어진 10㎾급 고전력 전기추력기의 성능을 검증했다. 극저온, 진공의 우주 환경과 유사한 조건을 갖춘 2.6㎥ 크기의 진공챔버에서 성능을 평가한 결과 200mN의 추진력이 발생했다. 1mN은 0.1g의 물체를 들어올리는 힘을 나타내는 것으로, 이번에 개발한 추력기는 20g을 들어올릴 수 있는 힘을 갖고 있다.

우주기술 선진국의 10㎾급 전기추력기 추진력은 300~600mN인 것으로 알려지고 있다. 연구진은 "현재 실험실 규모에서 기술의 주요 성능 및 특성이 입증된 단계로서, 향후 10㎾ 이상의 고전력 전기추력기를 개발해 60㎥ 이상 대형 진공챔버를 통해 성능을 검증할 계획"이라고 말했다.

전기추력기는 양극에서 음극으로 흐르는 전기가 알곤 가스를 플라즈마로 만든다. 직경 30㎝ 원통형 영구자석이 발생시킨 강력한 자기장은 플라즈마화 된 알곤 가스를 가속, 가열하게 되고 이것을 노즐로 분사하면 추진력이 발생한다.

연구진은 고전력 전기추력기를 영구자석 안에 양극, 음극 그리고 양극과 음극을 분리시키는 절연체로 만들었다. 열부하를 가장 많이 받는 부품인 양극을 구리로 제작해 내열성을 확보했고, 음극은 토륨-텅스텐 재질로 설계해 전류를 2시간 이상 지속적으로 공급하는데 성공했다. 절연체는 알루미나(산화 알루미늄)로 만들어 플라즈마의 안정성을 향상시켰다.
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