새로운 "공기 구동" 위성 엔진은 지구 대기에 연료로 직접 흡입될 수 있으며, 앞으로도 무한정 궤도에 머물 수 있습니다.

요약:

지구 상층 대기를 직접 추진체로 사용할 수 있는 새로운 위성 엔진이 항공우주업계의 주목을 받고 있다.

이 개념은 독일 슈투트가르트 대학교 연구원인 프란체스코 로마노(Francesco Romano)의 박사 과정에서 나온 것입니다. 핵심 아이디어는 원래 위성 속도를 늦추는 대기 분자를 추진 시스템의 연료로 전환하여 위성 작동을 방해하는 요소를 궤도를 유지하는 데 필요한 동력원으로 바꾸는 것입니다.

지구에서 약 100~450km 떨어진 초저궤도 지역에서 위성은 많은 고유한 이점을 얻을 수 있습니다. 지상에 더 가까워지면 원격 감지 장비가 더 선명한 이미지를 캡처할 수 있으며 통신 및 레이더 시스템에는 훨씬 적은 전력이 필요합니다. 동시에, 이 지역의 대기 저항은 위성을 자연적으로 다시 대기로 끌고 가서 폐기된 후 태울 수 있으므로 우주 잔해가 장기간 축적되는 문제를 줄일 수 있습니다.

그러나 이러한 장점에는 심각한 단점이 따릅니다.

고도 수백 킬로미터에서도 잔류 대기로 인해 위성의 속도가 계속 느려집니다. 추력이 지속적으로 보충되지 않으면 위성의 궤도 고도는 점차 감소하여 결국 대기권으로 떨어지게 됩니다. 따라서 현재 낮은 궤도에서 작동하는 위성은 일반적으로 탑재된 추진 시스템에 의존하여 정기적인 궤도 수정을 수행하며 이러한 추진 시스템은 제한된 연료 비축량을 보유해야 합니다.

전통적인 전기 추진 시스템은 대부분 크세논과 같은 고가의 추진제를 사용합니다. 연료가 고갈되면 위성 자체가 손상되지 않았는지 여부에 관계없이 일반적으로 위성의 임무 수명이 종료됩니다.

로마노가 제안한 해결책은 '대기호흡 전기추진 시스템'에 속한다. 기존 방식과 달리 이 시스템은 비행 중에 다가오는 얇은 대기를 직접 수집하고 가스 분자를 엔진에 도입한 다음 전기장을 사용하여 이러한 분자를 플라즈마로 변환한 다음 뒤로 방출하여 추진력을 생성합니다.

이론적으로 위성이 잔여 가스가 있는 궤도 고도에 있는 한, 많은 양의 추가 연료를 운반하지 않고도 계속해서 추진제 공급원을 얻을 수 있습니다.

그러나 단순해 보이는 이 아이디어를 현실로 구현하는 것은 쉽지 않습니다.

연구원들은 초저궤도 환경에서 가장 큰 과제 중 하나가 원자 산소에서 비롯된다고 지적합니다. 상부 대기에서 자외선은 일반 산소를 단원자 산소로 분해합니다. 이 물질은 매우 강한 산화 능력을 갖고 있으며 기존 이온 엔진의 금속 전극, 가속 그리드 및 음극과 같은 주요 구성 요소를 빠르게 부식시킵니다.

특히 전하를 중화시키는 역할을 하는 음극계가 가장 손상되기 쉽다. 음극이 고장 나면 위성은 정상적으로 하전 입자를 방출할 수 없으며 추진 시스템도 기능을 잃게 됩니다.

또한 상층 대기는 안정적인 환경이 아닙니다. 가스 밀도는 낮과 밤의 변화, 태양 활동, 궤도 위치에 따라 변동하므로 추진 시스템 설계의 어려움이 더욱 커집니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Romano는 새로운 유형의 무선 주파수 나선형 파 플라즈마 추진기를 설계했습니다. 기존 이온 엔진과 비교하여 이 설계는 부식되기 쉬운 중화제 및 음극 시스템에 의존하지 않으며 양이온과 음이온을 모두 포함하는 준중성 플라즈마 제트를 생성하여 추진 작업을 수행합니다.

또한 연구팀은 특수한 대기 수집 구조를 개발했습니다. 가장 효과적인 것은 포물선 거울 구조의 공기 흡입 장치입니다. 실험에서 이 설계는 다가오는 가스 분자의 약 94.3%를 포착할 수 있었습니다. 위성의 자세가 어느 정도 벗어나더라도 수집 효율의 저하가 상대적으로 제한적입니다.

스러스터의 핵심 부분은 자기공명영상 장비의 '새장 안테나'와 유사한 구조 설계를 채택했다. 테스트 결과에 따르면 이 솔루션은 무선 주파수 에너지의 약 99%를 추진기로 전송할 수 있어 기존 코일 구조로 인한 에너지 손실을 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.

실험실 시뮬레이션 결과에 따르면 추진 시스템이 안정적인 플라즈마 흐름을 형성하는 데 필요한 전력은 50~60와트에 불과하며, 실제 궤도 환경에서 지속적인 작동을 유지하는 데 필요한 전력은 1.6킬로와트 미만일 것으로 예상됩니다. 연구원들은 이러한 수요가 일반 태양광 패널로 완전히 충족될 수 있다고 믿습니다.

모델 계산에 따르면 시스템 성능이 기대치를 충족할 경우 위성은 기존 추진제를 보충하지 않고도 고도 190~250km 정도의 궤도를 오랫동안 유지할 수 있습니다. 이는 임무 수명이 크게 연장될 수 있을 뿐만 아니라 발사 품질과 임무 비용도 줄일 수 있음을 의미합니다.

연구원들은 이 기술이 아직 실험적 검증과 이론적 모델링 단계에 있으며, 실제 우주 임무에서 테스트된 적은 없다고 강조했다. 장기적인 신뢰성, 궤도 환경 적응성 및 실제 추진 효율성은 여전히 ​​추가 검증이 필요합니다.

이에도 불구하고 업계에서는 일반적으로 대기 호흡 추진 시스템이 초저궤도 위성 개발에 중요한 방향을 제시한다고 믿고 있습니다. 미래에 성공적으로 배치되면 차세대 지구 관측 위성, 통신 위성 및 기타 행성 탐사선도 작동을 유지하기 위해 주변 환경의 천연 가스에 의존하여 기존 추진제에 대한 의존성을 없앨 것으로 예상됩니다.