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중력파 측정과 같은 우주 관측용 초소형/나노 위성의 추진 시스템 개발 동향

김채형(한국항공우주연구원 한국형발사체개발사업본부) 2022-08-22

인공위성은 무게에 따라 등급이 분류가 된다. 1톤 이상은 대형 위성, 500~1000 kg은 중형 위성, 100~500 kg은 소형 위성, 10~100 kg은 마이크로 위성, 1~10 kg은 나노 위성이라고 한다. 이 중에서 요즘 대학 및 민간에서 우주 관측 및 실험용으로 많은 연구가 진행되고 있는 큐브 위성이라 불리는 위성은 마이크로/나노위성이다. 각 길이가 10 cm 정사각형 상자 모양을 1U로 정의하며 블럭 쌓기처럼 큐브 위성은 1U~5U 등으로 크기가 정의된다. 1.5 톤급 위성을 탑재 가능한 누리호 2차 발사에서는 통신용 시험 위성 안에 4대의 큐브위성들을 싣고 우주궤도에 보내졌다. 각 큐브 위성들은 초분광 카메라와 GPS를 사용하여 지구 대기나 표면을 관측하거나 미세 먼지 측정 등을 한다. 미국의 아르테미스 프로그램에도 여러 큐브 위성들을 사용하며 태양광 분석, 지구 주변 소행성 탐사, 통신 테스트, 달 표면 탐사 등의 임무를 수행한다.

이와 같은 우주에서의 여러 관측이나 실험 중 중력파(GW, gravitational waves)를 측정하는 것이 있다. 중력파는 중력이 큰 물체(우주, 별 등)가 움직이면서 서로 부딪치면서 시공간을 흔드는 물결 모양의 파동이다. 아인슈타인은 1916년에 중력파에 대해 이야기를 했지만 너무 미세하기에 관측은 힘들다고 말한 바가 있다[1]. 하지만 2015년 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)가 지구로부터 13억 광년 떨어진 곳의 두 블랙홀이 충돌해서 생긴 중력파(GW 150914)를 검출하는데 성공하였다[1]. LIGO는 1984년에 Caltech과 MIT의 공동 연구로 만들어진 프로젝트 명으로 주로 40~7000 Hz의 주파수를 가지는 중력파를 탐지하는데 주력하고 있다.

중력파 관측은 레이저 간섭법을 사용하는데 최근에는 LISA(Laser Interferometer Space Antenna)를 사용하는 것으로 우주에서 초소형 위성을 사용한 레이저 간섭을 사용하는 방법으로 미국과 유럽항공우주국이 공동으로 개발연구를 진행하고 있다. 중국은 Tajii[3], Tianqin[4], 일본은 DECIGO(DeCI-hertz interferometer Gravitational wave Observatory)[5]등을 통해 중력파 측정 프로그램을 진행중이다. 여기서 우주 공간에서 중력파 측정을 위한 마이크로/나노급 위성들은 안정적으로 궤도와 위성간의 간격을 유지하면서 이동을 하여야 하기 때문에 마이크로/나노급 위성의 추진시스템은 정확한 중력파 측정을 위해 중요한 요소이다. 이에 중력파 측정을 위한 마이크로/나노급 위성의 추진 장치의 개념과 개발 동향에 살펴 보고자 한다.

일반적으로 우주발사체나 강한 추력을 발생시키기 위해 자주 사용하는 추진 시스템은 화학 추진시스템이다. 누리호와 같은 발사체는 케로신과 액화 산소의 화학적 반응을 연소기 챔버에서 강제로 일으켜 이때 발생하는 고온 고압의 연소 가스를 노즐로 보내어 추력을 얻게 된다. 하지만 이런 연소기가 축소가 된다면 이야기는 달라진다. 일반적으로 소형 화학 추력기는 150 mN을 발생시키는데 이는 우주 중력파 측정 위성에서 요구하는 추력보다 큰 편이다. 따라서 더 크기를 작게 한다면 연료 분사기와 이와 관련된 부품들도 더 작아지며 구조는 매우 복잡하게 된다. 또한 연료와 산화제 혼합물을 점화시키는 점화가 어려워지며 이로 인해 불안전 연소나 진동이 발생하며 이는 중력파 측정을 위한 센서의 파손이나 위성의 운용 또한 어려워질 수 있다.

위성의 자세 제어나 추력기로 많이 사용되는 것은 콜드 가스(cold gas)라고 불리는 비반응 가스(inert gas)이다. 위성에 콜드 가스를 사용한 것은 1960년대부터 사용되었으며 대부분의 위성들이 현재 사용하고 있다[6]. 그 이유는 콜드 가스를 사용한 추력기는 그 구조와 작동 방법이 매우 간단하기 때문이다. 가스를 고압으로 충전하여 필요할 때마다 필터와 압전 밸브(piezoelectric valve) 또는 전기 솔레로이드 밸브를 사용하여 공급하게 되고 노즐을 통해 가스는 가속을 하게 된다. 콜드 가스를 사용한 추진은 간단하지만 지속적인 추력을 얻기 힘들며(낮은 비추력) 반응 시간이 느리다는 단점이 있다.

이와 같은 장단점을 가진 콜드 가스 추진기는 현재 LISA Pathfinder[7]와 Tianqin-1[4]의 추력기로 사용하기 위해 개발 중이다. 반응 시간이 느리지만 여전히 시스템이 간단하며 추력과 유량의 관계가 매우 단순하기 때문이다. 중력파 측정에서 노이즈는 매우 중요한 부분이다. LISA의 추력기에서 발생하는 노이즈는 0.3~10 mHz영역에서 0.17 μN/Hz^0.5를 발생한다. 이는 궤도 비행중 여러 추력기들의 커플링된 노이즈로 단일 추력기의 노이즈는 작을 것으로 생각된다.

중국의 Tianqin-1은 0.1 Hz 영역에서 0.3 μN/Hz^0.5를 발생한다. 이와 같은 콜드 가스 추력기의 노이즈에 크게 영향을 미치는 것은 공급 밸브이다. 밸브의 개폐 작동(밸브의 표면 상태, 반응성, 제어 균일성 등)에 따라 공급하는 유동의 안정성에 영향을 주며 이 안정성이 노즐을 지나 가속되면서 그대로 노이즈 발생에 영향을 주기 때문이다.

중력파 측정을 위해서는 적은 유량으로 빠른 제어가 필요하다. 약한 중력파가 감지가 되고 이는 매우 짧은 시간에 지나기 때문에 탐지 위성의 빠른 자세 제어나 위치 조절이 필요하기 때문이다. 이를 위해 고 정확성과 높은 출력을 가지는 압전방식(piezoelectric) 구동 밸브를 사용한다. LISA Pathfinder에도 콜드가스 추력기에 압전 방식 구동기를 사용하고 있다. 이탈리아의 Thales Alenia Space사에서 LISA Pathfinder용 압전방식 구동 밸브를 설계 제작하고 있다[7]. 유량이 80 sccm에서 40 sccm으로 줄어들 때 반응 시간은 약 100 ms 미만으로 궤도 비행에서의 테스트에서도 약 100 ms의 반응 속도를 보였다. 여기서 역설적이게도 빠른 반응 조절은 높은 노이즈를 발생시킬 수 있다. 그 이유는 순간적으로 움직일 경우 오버슈트(overshoot)와 같은 문제로 큰 추력 노이즈를 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 적절한 속도 조절이 낮은 노이즈를 위해 고려 되어야 한다.

최근에는 지속적이며 안정적이고 비추력(specific impulse)이 높은 전기 추진이 많이 고려되고 있다. 전기 추진은 추진체를 이온화 시키고, 그 이온 입자들을 가속시키며 가속된 속도가 매우 빠르기 때문에 비추력이 높은 추진을 얻을 수 있다. 전기 추진은 사용하는 추진제에 따라 고체, 액체, 기체로 분류가 되기도 한다.

고체연료를 사용하는 경우 펄스 플라즈마 추력기(PPT, Pulsed Plasma Thruster), 마이크로 음극 아크 추력기(Micro-Cathode Arc Thruster) 등이 사용된다. 고체 연료를 이온화 시키기 위해 매우 높은 에너지가 필요하며 이는 분자간 강항 분자힘이 작용하기 때문이다. 따라서 고체 표면에 스파크 점화 등에 의한 강한 아크 삭마 방법을 사용한다. 이와 같은 고체 연료의 이온화는 펄스 방전을 사용하기 때문에 이온의 흐림이 안정적이지 못하다는 단점이 있다.

액체연료를 사용하는 경우 콜로이드 추력기(Colloid thruster), FEEEP(field emission effect thruster) 등이 사용된다[8]. 고체 연료에 비해 액체연료는 유동적이고 다양한 형태로 저장이 가능하지만 액체도 분자간 힘이 강하고 액체 입자는 극소형 유동 라인에서는 자유롭게 흐리기 힘들다는 단점이 있다. 액체 연료가 전기장이 형성된 모세관(capillary)을 흐리게 되면 표면 장력으로 인해 Taylor cone이라는 유동의 끝점이 뾰족하게 모이게 되며, 이 Taylor cone이 어떤 경계점에서 이온 입자로 바뀌게 된다. 일반적으로 가스 이온화는 입자 충돌로 이온을 만들지만 액체의 Taylor cone을 통한 방법은 입자 충돌없이 이온을 만들 수 있고 전기장 내 자유영역에서 이온화 되기 때문에 고체 벽면에 의한 손실이 없다는 장점이 있다[8].

Busek과 제트 추진 연구소(JPL, Jet Propulsion Laboratory)에서 개발한 ST7 FEEEP 시스템이 2015년 LISA Pathfinder에서 액체 연료를 사용한 전기 추진 기술이 궤도에서 검증이 되었다[9]. 최대 추력은 약 30 μN이며 최소 추력은 5 μN이었으며 최대에서 최소 추력으로 전환 명령이 가서 전환되는데 약 300초가 소요되었다. ST7 FEEEP 시스템의 추력 노이즈는 정상 작동 시에 0.1 μN/Hz^0.5 이하였다. 최대 추력 노이즈는 주로 추력의 급격한 변화에 의한 진동으로 0.1에서 1 Hz 범위에서 0.1 μN/Hz^0.5으로 나타났다. FEEEP의 효율을 높이기 위해 비추력이 높은 액체 금속(metal liquid)을 추진제로 사용한다. 액체 금속은 녹는 점이 낮고 이온화 시키는데 낮은 에너지가 소모되기 때문이다. 대표적인 액체 금속은 인디움(indium)과 세시움(cesium)으로 ARCS와 Alta라는 기업이 FT-150[10], FEEP-100[11]이라는 모델명으로 개발을 진행하고 있다. FT-150의 추력은 약 1~390 μN이며, FEEP-100의 추력은 0.1~100μN 이다. 두 모델의 추력 노이즈는 0.1 μN/Hz^0.5 이하이다. LISA Pathfinder의 대체 추진체로 FEEEP를 고려하고 있으며 이를 적용한 발사는 아직 미정이다.

기체 연료의 경우 주로 Xe과 같은 가스가 사용되며 Hall 추력기, 이온 추력기 등이 있다. 가스는 분자 사이의 거리가 멀고 분자간의 힘이 약하기 때문에 적은 에너지로 이온화가 가능하다.

가스는 주로 이온과 전자의 충돌에 의한 방법으로 이온이 된다. 충돌 방식 중에 DC 이온화는 전기장에 중성자 충돌에 의해 이온이 발생하는 방법이다. DC 방법은 자기장을 사용하여 이온화된 이온의 잔존시간이나 이온의 밀집도를 향상시킨다. 이온화되고 튀어나온 전자는 자기장 영역의 필드 라인을 따라 이동하는 경향이 발생하고 전자의 운동은 자기장의 필드 라인에 대해 수직하게 매우 느린 속도로 이동한다. 이와 같은 방법을 사용하여 추력 채널 안에서 전자들을 효과적으로 가둬둘 수 있으며 자기장의 출력을 사용하여 전자와 이온의 움직임을 가속시킬 수 있다.

DC 방법과 달리 낮은 에너지를 가지고 있는 전자가 전자기 파장과의 간섭을 통해 높은 에너지를 가진 전자가 된다. 높은 에너지를 가지는 전자는 중성 입자와의 충돌을 통해 이온 입자를 생성한다. 이와 같은 방법을 파장 이온(wave inoization) 생성법이라고 하는데 어떤 파장을 사용하느냐에 따라 ECR(electron cyclotron resonance), RF(radio frequency)로 구분되기도 한다.

ECR 이온 추력기에 대해서는 일본에서 많은 연구가 진행되었다. 2014년 HODOYOSHI-4에 27~34W의 210~300 μN급 ECR이온 추력기가 사용되었고[12], 같은 해 지구 근처 소행성 탐사용 위성인 70 kg 크기의 PROCYON에 35W의 300 μN급 마이크로 뉴턴 ECR 이온 추력기가 장착되어 그 성능을 검증하였다[13]. ECR 추력기의 소음은 마이크로웨이브의 파워 피드백을 통해 조절이 가능한데 안정적인 마이크로웨이브 출력을 사용할 경우 0.1~1Hz 영역에서 0.2 μN/Hz^0.5까지 노이즈를 감소시킬 수 있다. 중국의 Northwestern Polytechnical 대학에서 2츠 크기의 ECR 이온 추력기에 대한 연구를 진행했으며 0.1 sccm 유동, 마이크로웨이브 파워는 0.5~2 W, 150~1850 V를 사용하여 1.38~139.2 μN 추력을 발생하는데 성공한 바가 있다[14].

이와 같은 전기 추진 시스템은 전자기장을 사용하여 이온과 전자를 가속시켜 추력을 발생시키지만, 중력파 측정용 마이크로 뉴턴 추력기를 위해서는 추력이 충분하지 못하기에 이를 보완하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다.

마이크로파장이나 아크로 가열시켜 플라즈마의 온도와 압력을 높여서 노즐을 통해 가속시키는 방법이 있다. 이는 외부의 전자기장 에너지를 사용하여 이온에 에너지를 투여하여 이온과 중립자 사이의 충돌을 통해 운동에너지를 높이는 방식이다. 플라즈마의 압력은 노즐을 지나면서 내부에너지가 운동에너지로 전환되면서 감소하게 된다. 이와 같은 방법은 비추력과 가속의 효율성이 떨어지며 추력이 불안정하다는 단점이 있기에 중력파 측정용 위성의 추력기로는 적합하지 못하다.

정전기 가속 방법은 전기장내에서 가스의 이온화와 가속을 별도로 진행시켜서 추력을 발생시키는 방법이다. 중립기체의 이온화와 전자의 생성이 지속적으로 진행되면서 이를 지속적으로 가속화시키기 때문에 안정적이고 높은 정확도를 가지는 이온 가속 방식으로 중력파 측정용 위성의 추력기로 많은 관심을 가지고 있는 방법이다.

전자기장 가속 방법은 전기장과 자기장 내에서 이온을 가속시키는 방식이다. 이를 로렌츠 힘을 사용하기 때문에 다소 복잡하지만 이온 흐름을 가속시키기에 효과적이다. 이와 같은 이온 가속화 방식의 대표적인 형태가 Hall 추력이다. Hall 추력 또는 전자기장 가속은 주로 마이크로 뉴턴 가속기(즉 나노 크기의 위성)와 중력파 측정용 위성에 적합하다.

Hall 추력기의 성능을 향상시킨 새로운 마이크로웨이브가 있다. MDCFT(Microwave discharge cusped filed thruster)로 구조는 세라믹으로 된 이온 유동관이 있으며 출구 지역에 양극과 음극으로 일렬의 자석이 배열이 된다[15]. 기체가 유입되는 구간에는 양극 전선이 출구에는 음극 전선이 위치한다. 양극 전선이 있는 유로 주변에 금속에 의한 열부하로 기체를 가열하고 전기장에서 이온화된 플라즈마는 일렬의 자기장을 지나면서 가속이 된다.

MDCFT는 0.2 sccm 유량보다 작을 때 1.9~30.8 μN 추력을 보여 적은 유량에서 추력 성능이 좋음을 알 수 있다. 또한 MDCFT는 이온화률을 높이는데 효과적인데 마이크로웨이브를 구동하고 0.15 sccm에서 이온이 2%에서 15%까지 증가하였다. 추력 노이즈의 경우에도 0.1 μN/Hz^0.5보다 약간 높게 나왔다. 이는 추력 조절을 통해 조절이 가능한 부분으로 넓은 추력 범위, 빠른 응답성, 낮은 추력 노이즈, 긴 수명으로 LISA급의 중력파 측정을 위한 위성의 추력기로 주목을 받고 있다[16].

우주공간에서 중력파 측정을 위한 인공 위성용 마이크로 뉴턴 추력기들에 대해 알아 보았다. 중력파 측정 뿐만 아니라 우주에서의 다양한 관측 및 실험을 위해 마이크로/나노급 위성에 대한 연구 개발은 활발히 진행되고 있으며 이에 대한 추진 시스템도 많은 연구가 진행되고 있다. 위성의 크기가 초소형이다 보니 기존의 추진 시스템이 차지하는 공간은 작고 추진 시스템에 의한 진동이 작아야 한다는 제약 사항이 발생한다. 그 이유는 작은 위성에서의 진동은 계측 장비의 정확도를 떨어뜨리고 크게는 위성의 오작동을 유발하기 때문이다.

위성의 추력기로 오래전부터 콜드 가스를 사용한 가스 추진이나 단일혼합기를 사용한 추진체가 이용되어 왔다. 하지만 빠른 응답성을 얻기 위해 강한 출력을 발생할 경우 기계 작동 등에 의한 오버슈트 같은 강한 진동을 발생할 수 있고 최근에는 위성의 크기는 계속 작아지고 있고 적은 에너지로 노이즈가 적고 지속적인 추력을 발생하는 추력 장치가 요구되고 있다. 이런 이유로 최근에는 이온 추력기 개발에 많은 관심을 가지고 있다. 하지만 아직까지 이온 추력기를 실용화 하기에는 기술적으로 해결해야할 과제가 많은 편이다.

현재 실험 모델을 사용한 우주 궤도에서 실험이 진행되고 있으며 이에 대한 실험 결과는 장단점을 가지고 있다. 아르테미스 프로그램에서도 이온 추진 큐브 위성에 대한 연구가 진행되고 있기에 빠른 시기에 이온 추진 시스템을 장착한 위성이 실용화 될 것으로 사료된다.

국내에서도 연구원이나 대학 연구실에서 기초연구 수준의 이온 추진기에 대한 연구가 진행중이다. 대부분 소형 위성용으로 Hall 추력기나 ECR 방식의 이온 추력기이다. 이번 누리호 발사에 사용된 큐브 위성들(나노위성)처럼 현재 우리나라에서도 큐브 위성과 같은 나노 위성에 대한 개발 및 이를 사용한 연구가 활발히 진행되고 있다.

아직까지는 기술적 완성도가 높은 콜드 가스 추력기가 주로 사용되고 있지만, 마이크로-뉴턴급 이온 추진기에 대한 개발이 이루어진다면 우리나라도 중력파 측정과 같은 우주에서 다양한 관측 및 실험을 할 수 있을 것으로 사료된다.

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마이크로/나노급 위성의 추진시스템

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