우주 발사체의 연료는 일반적으로 케로신 계열의 RP-1, JP류(누리호)가 사용되거나 수소, 메탄 등의 가스가 사용된다. 케로신은 비추력이 낮은 편이지만 안정성이 높아서 초기 엔진 개발에 많이 사용되며, 수소, 메탄은 추력과 비추력을 높여 엔진 성능을 높일 경우 주로 사용된다.

SpaceX의 Falcon에서 RP-1을 사용하고 있으며, 유럽의 Arian 5,6, 러시아 Angara A5, 일본 H-2, 3, 미국의 Atlas, Delta로켓이 수소를 사용하였다. 메탄은 SpaceX의 스타쉽에 사용되는 Raptor의 연료이다. 하지만 지구의 고고도나 우주 공간에서는 공기 저항과 중력의 영향이 없고 무게가 많이 나가고 산화제가 필요한 액체/기체 추진기관보다는 전기 추진 기관을 사용하는 것이 효과적일 수 있다. 전기 추진 기관은 일반적으로 기체를 이온화 시킨 플라즈마를 흘러 보낼 때 발생하는 반발력으로 추력을 얻는다.



전기 추진 기관 즉 이온 추진 엔진은 추력이 낮고 기술적 한계로 대부분 연구실 규모로 연구가 진행이 되어 왔다. 하지만 최근에는 이온 추진에 사용하는 추진제의 다양화와 전기 시스템 개발로 인해 추력 및 비추력이 증가하면서 심우주 탐사, 위성의 추진 엔진으로 많은 연구가 진행되고 있다.



일반적인 이온 추력기의 구성은 Fig 1과 같다[1]. 고온의 음극 라인에서 전자를 분사하고 동시에 이온화시킬 기체를 이온 챔버실로 분사를 한다. 자기장이 형성되어 있는 이온 챔버실에서 기체와 전자가 충돌하면서 전자와 양이온 입자가 생산된다.



전자와 양이온 입자는 두 양/음극 그리드를 지나 가속을 한다. 양이온 입자가 노즐 출구에서 팽창되어 추력이 저하되는 것을 방지하기 위해 추가로 전자를 분사하여 이온 즉 플라즈마 유동이 일정하게 후방으로 진행되도록 한다. 이때 후방으로 진행되는 힘을 추력을 사용하는 엔진이 이온 엔진이며 그리드를 사용하여 일정한 추력과 성능을 향상시켜서 그리드 이온 추진 엔진이라 한다[1].



Hall 추력 엔진은 hall effect를 기반으로 한 엔진이다. Hall effect는 Fig 2와 같이 자기장이 흐르는 공간에 전류가 흐르게 되면 측면으로 전자가 흐르게 되는 원리이다. 자기장 내에 고압의 전류와 방전 시킬 기체를 흘러 보내게 되면 기체는 전자와 충돌하여 이온화 된다. 이온화된 양이온 기체와 전자들은 로렌츠 힘의 방향으로 향하게 되며 음극에서 추가로 전자를 보내어 이온과 전자로 구성된 플라즈마 유동이 일정하게 후방으로 흐르도록 하여 추력을 발생시킨다[2].



이온 추력기와 홀 추력기는 기체를 이온화 시키는 방식이 차이가 있을 뿐 전기장, 장기장의 효과를 이용한 로렌츠 힘으로 이온화된 기체 즉 플라즈마를 일정한 방향으로 이동시켜 발생하는 반발력을 추력으로 사용한다는 기본 개념은 동일하다.



전기 추진 장치는 비추력(specific impulse)을 높이고 이온 발생에 필요한 전력을 줄이는 기술이 핵심이다. 여기서 전기 추진 장치는 1kW 이하 레벨에서 많은 연구가 진행이 되었는데 그 이유는 저전력에서 지상에서 실험이 가능하고 인공위성의 추력기로 바로 사용이 가능하기 때문이다.

전기 추진기를 작게 만들기 위해서는 해결해야 하는 과제들이 있다. 작게 할수록 자기장 방벽을 만든다 하더라도 구조적으로 벽면에서 손실(부식)이 발생하며 자기장을 만드는데 추가 전력이 필요하다는 문제가 있다. 또한 방전을 위해 필요한 음극과 전기 시스템의 안정성이 필요하다. Exotrail은 50W의 매우 작은 홀 추력 장치인 Exotrail ExoMG-nano 추진 시스템을 만들어 보였다[3]. 나사의 JPL 연구소에도 50 W급의 MaSMi(Magnetically-Shielded Minature) 홀 추력기를 개발 하였다[4].



그리드 이온 추력기도 1 kW 이하 레벨로 연구가 진행되고 있으며 이중에는 실제로 우주 탐사위성에 사용된 사례도 있다. 일본 JAXA의 키쿠(Kiku) 이온 추력기는 350 W급 무선 방전 방식의 그리드 이온 추력기로 지구 주변의 소행성 탐사 프로그램인 하야부사(Hayabusa) 임무에 사용되었다[5]. 하야부사의 이온 추력기의 경우 12,000시간동안 고전압 방전이 1000-2000번 진행되었다. 이와 같은 고전압에서 방전은 전력 공급이나 그리드 등의 파손을 일으키며 이온 추력기의 손상이나 성능 저하를 유발한다. 이와 같은 고전압 방전에 의한 파손을 피하기 위해 방전이 일어날 때 회복방법을 사용하는 리사이클(recycle)을 사용하기도 한다.

리사이클은 방전 전류를 처음에 줄였다가 일반 수준에서 점차적으로 올리는 방법으로 초기 가속 그리드에 이온 빔 전류를 과하게 보내는 것을 피하는 방법이다. 하야부사 임무에서는 저출력 이기에 연속적인 고압 전류 방전을 사용하였지만 차기 임무(DESTINY+)에서는 고출력이며 이때 히스테리시스(hysteresis)가 발생한다. 플라즈마 히스테리시스는 플라즈마의 유동 조건이 원하는 조건으로 변하지 않는 현상으로 최적의 이온 빔 흐름이 발생하기 전에 갑자기 감소 하는 현상이 발생하게 된다.



이런 히스테리시스는 논문[5]의 실험에서 자기장 영역 내부 웨이브가이드(waveguide)에 존재하는 플라즈마 발생을 제거함으로써 방지할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서 낮은 전류 조건에서는 전자와 이온이 희박하기 때문에 웨이브가이드에서 플라즈마가 생성되지 않았기에 히스테리시스가 발생하지 않는다. 해당 실험의 데이터를 분석해보면 고전류, 저전류에서 추진체 유량을 증가함에 따라 Fig 4와 같이 Nominal과 w/o WG(waveguide)가 있는 조건은 급감소하는 구간이 보인다.

이로 인해 고전류와 저전류에서의 플라즈마 이미지 역시 Fig 5에서처럼 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 고전류와 저전류에서 안정적일 경우 플라즈마의 패턴이 일정하지만, 급감소를 보일 경우 플라즈마가 약해져서 어두운 영역이 보인다. 이와 같은 실험 결과는 이온 추력기의 안정적인 추력 향상을 위해 필요한 자료를 보여주고 있다.



중간 추력의 1~20kW급 전기 추진엔진은 성숙단계에 있으며 화성, 수성, 목성 등 태양계 심우주 탐사용 엔진으로 가장 유력한 후보군 중의 하나이다. 이미 지구 정지 궤도상에 운용되는 인공위성에 약 100개가 넘는 중간 추력급의 홀 추력기가 엔진으로 사용되고 있다[6]. NASA에서는 지구-달 궤도 비행 및 심우주 탐사를 위해 12.5kW급 홀 추력기를 2012년부터 개발하고 있다[7].

홀 추력기 이름은 HERMeS(Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding)로 AR(Aerojet Rocketdyne)회사에서 HERMeS의 비행용 HCT(Hall Current Thruster)를 개발 중이다. 현재는 ETU(Engineering Test Unit) 단계로 선행 지상 시험을 진행 중이다. 중간 추력의 전기 추진엔진의 경우 압력에 따라 엔진의 성능이나 경향성이 다르기 때문에 진공 조건을 만들어야 한다. 하지만 이 진공압력 역시 지구 저궤도 압력에 비해 높은 편이다.



또한 플라즈마는 지상 시험설비 챔버에 누적이 되어 벽면과의 반응 등으로 실험에 영향을 미치기 때문에 지상에서의 실험은 여러 제약이 따르고 있는 상황이다. 그리드 이온 추진기는 홀 추력기에 비해 다소 기술 성숙도가 높은 편에 속한다. 이미 1990년대에 보잉(Boeing)은 제논 이온 추력기를 개발했으며 심우주 탐사 임무인 Dawn[8]에 사용되었다.

최근에는 수성 탐사를 목적으로 하는 BepiColombo 임무에 이온 추진기가 사용되기도 하였다[10]. BepiColombo 임무는 ESA(European Space Agency)와 JAXA의 협력임무로 MPO(Mercury Planetary Orbiter), MiO(Mercury Magnetospheric Orbiter) 위성들이 하나로 조립되어 수성의 자기장과 대기성분, 지상 성분을 관측하는 프로그램이다. 2018년 10월에 Ariane 5를 통해 발사되었으며, 2025년 12월에 수성에 도착할 예정이다(Fig 7).



유인 우주선의 경우 20 kW이상의 출력이 필요하지만 아직까지는 단일 이온 추력기로 이와 같은 추력을 구현하지 못하고 있다. 하지만 이온 추력기(또는 홀 추력기)의 추력을 높이기 위해 한 개의 엔진에 이온 추력 채널을 여러 개 배열하여 추력을 높이는 연구가 진행 중이다.

미국 미시건(Michigan) 대학에서 Fig 8처럼 홀 추력기를 원형 배열로 배치하여 2채널 X2(10kW), 3채널 X3(100kW), 자기장 방어를 사용한 2채널 N30(33kW)을 사용한 고출력 홀 추력기에 대한 연구가 진행 중이다[8].



NASA의 달탐사 프로젝트인 아르테미스(Artemis)의 달궤도 보급위성인 Gateway의 모듈 중 하나인 PPE(Power and Propulsion Element)의 추력기로 Maxar Technologies&Busek Co의 이온 추력기를 사용할 예정이다[12]. 이온 추력기는 BHT-6000으로 태양광을 전력으로 사용하는 6 kW급 이온 추력기이다. 이 경우 단일 추력기가 아니며 Fig 9처럼 여러 대의 BHT-6000을 장착하였다. PPE의 50kW 태양광 전력과 결합이 된다면 자사에서 개발한 홀 추력기보다 30% 정도 추력 성능이 높을 것으로 보고 있다.



앞서 설명한 다양한 출력의 홀 추력기, 그리드 이온 추력기는 대부분 제논 가스를 사용한다. 제논은 이온화에 필요한 전압이 낮으며 이온화 양이 크기 때문에 이온 엔진 연료로 자주 사용되었지만 점차 공급이 부족해지고 비싸지고 있다(2021년 기준 kg당 3000달러). 최근에 ThrustMe라는 프랑스 회사에서 처음으로 요오드(Iodine)를 사용한 소형 위성용 이온 추력기를 개발하였다[13].

NPT30-I2라는 1U CubeSat에 장착 가능한 이온 추력 시스템이다. 요오드의 장점은 구하기 쉬우며 폭발성이 없고 고체로 저장이 가능하다는 점이다. 이렇게 좋은 연료인 요오드가 지금까지 이온 연료로 사용되지 못한 이유는 전기음성도가 높아 부식이 잘되며, 진동 환경에서 고체상태를 유지하기 힘들기 때문이다.

하지만 ThrustMe는 세라믹 재질의 보관함을 사용함으로써 이런 단점을 보완하였다. 제논은 가압(100-200bar)하여 저장을 해야 하지만, 요오드는 상압에서 사용가능하며 요오드의 가격은 제논의 10에서 100분1으로 매우 저렴하다. NPT30-I2엔진을 장착한 CubeSat은 2020년 11월 6일 중국의 Long March 6로켓으로 발사되었으며, 현재까지 추진 시스템에 대한 데이터 관측이 진행 중이다.



국내의 경우 전기 추진 시스템 개발이 진행되고 있지는 않다. 하지만 한국항공우주연구원에서는 400 W급 이온 추력기를 2026년까지 개발하는 프로그램을 진행하고 있으며 이에 필요한 시험설비는 2023년에 완공할 예정이다[14].



인공 위성이나 심우주 탐사를 목적으로 하는 우주선의 추진 기관으로 전기 추진 엔진들이 연구 개발되고 있다. 전기 추진 엔진의 가장 큰 특징은 현재 사용하고 있는 액체 로켓엔진과 달리 산화제가 필요 없다는 점이다. 그리고 제논이나 요오드 같은 가벼운 기체를 사용하여 태양광 발전을 통해 공급되는 전기에너지로 지속적으로 사용 가능하다는 장점이 있다. 하지만 이온화 시키는데 필요한 전기 시스템의 안정성과 플라즈마 유동의 금속의 부식, 지상에서 적절한 실험 조건을 구사하기 힘들다는 어려운 점이 있다. 앞으로 우주 분야는 지구 궤도를 벗어나 달을 비롯한 다른 행성들과 소행성 등의 탐사가 본격적으로 진행될 것이며 이를 위한 엔진이 필요하기에 전기 추진 엔진들은 더욱 발전될 것으로 생각된다.