한국형 핵추진 우주선 핵심기술 탑재
2023-3-15
한국은 원자력을 동력으로 하는 전기 우주선과 인공위성을 개발하기 위한 핵심 기술을 확보했다.
한국원자력연구원(원자력연구원)은 핵물리 및 응용연구학과 채길병 박사팀이 10kW급 고출력 전기추진장치를 개발했다고 15일 밝혔다. 핵에너지 전기추진, 대형위성, 심우주탐사 등 4년간의 현장 연구 끝에 본 성능 검증에 성공했다.
(그림-01)
한국형 핵추진 우주선 핵심기술 탑재
© 아시아경제 제공
전기추진은 전기에너지를 이용하여 연료를 가열하고 가속한 다음 노즐을 통해 분사하여 추진하는 장치이다. 전기추진의 장점은 연료의 무게를 줄이고 탑재체의 무게를 늘리며, 기존 화학추진보다 추력은 낮으면서도 연료효율이 월등히 높다는 점이다. 이번에 개발된 고출력 전기추진은 화학추진보다 연료효율이 4배 이상 높아 향후 유인·무인 우주선과 대형 정지위성 등에 활용될 전망이다.
연구팀은 영구자석에 양극과 음극, 양극과 음극을 분리하는 절연체가 있는 고출력 전기추진기를 만들었다. 양극에서 음극으로 흐르는 전류는 아르곤 가스를 플라즈마로 바꿉니다. 직경 30cm의 원통형 영구자석에서 생성된 강력한 자기장이 플라즈마화된 아르곤 가스를 가속 및 가열하여 노즐로 분사하면 추력을 발생시킵니다. 이때 전기추진기의 양극은 내열성이 있어야 하고, 음극은 안정적으로 전류를 공급할 수 있어야 한다. 여기서 플라즈마의 안정성은 절연체를 어떤 재료로 만들느냐에 따라 달라지는데, 플라즈마 성능을 극대화하고 안정화시키는 절연체 재료를 선택하는 문제도 전기추진기 개발의 난제로 지적돼 왔다.
(그림-02)
한국형 핵추진 우주선 핵심기술 탑재
© 아시아경제 제공
연구팀은 내열성을 확보하기 위해 가장 큰 열부하를 견디는 양극을 구리로 만들고, 음극을 토리에이티드 텅스텐 소재로 설계해 2시간 이상 연속 전원 공급에 성공했다. 절연체는 알루미나(산화알루미늄)로 만들어 플라즈마의 안정성을 높인다.
항공우주 기술이 발달한 선진국의 10kW 전기추진기의 추진력은 300~600mN(밀리뉴턴을 들어올리기 위한 1mN=0.1g의 힘)인 것으로 파악된다. 연구팀은 저온 진공 공간의 환경 조건과 유사한 2.6㎥의 진공 챔버에 성능 평가 시스템을 구축하고 200mN의 추력이 발생하는 것을 확인했다. 현재 이 기술의 주요 성능과 특성은 실험실 규모로 검증되었으며, 향후 10kW 이상의 고출력 전기추진기를 개발하고 실험을 통해 그 성능을 검증할 계획이다. 60입방미터가 넘는 대형 진공 챔버.
(그림-03)
한국형 핵추진 우주선 핵심기술 탑재
© 아시아경제 제공
국제 우주기술의 비약적인 발전이라는 맥락에서 이번 연구성과는 고출력 전기추진 분야의 기술 자율화 기반을 마련했다는 평가를 받고 있다. 미국, 유럽, 일본 등 항공우주 기술이 발달한 국가는 현재 10~100kW급 고출력 전기추진 기술을 보유하고 있지만 ITAR(International Traffic in Arms Regulations) 규제를 받아 구매하거나 양도할 수 없다.
한국원자력연구원은 “이번 연구 결과가 독자적인 개발을 통해 관련 기술의 국산화에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
김봉수 기자 [email protected]