Science

일본, 초소형 위성으로 이온 엔진의 작동 실증

장종엽엔에스 2014. 12. 22. 08:33

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-19
초소형 위성 ′Hodoyoshi 4호′에 탑재한 소형 이온 엔진(이온 반동 추진엔진(thruster))을 탑재한 추진 시스템)(지식리포터 주)이 2014년 10월 28일 우주에서 작동되고 있다. 100kg 이하인 소형 위성에서의 이온 엔진 작동은 세계 최초로 저비용・단기간으로 개발할 수 있는 소형 위성이나 탐사기의 추진력에 활용할 수 있는 것을 알 수 있다. 해외로부터의 반향도 크다. 개발한 도쿄(Tokyo) 대학 첨단 과학기술 연구 센터와 차세대 우주 시스템 기술 연구 조합 연구그룹이 2014년 12월 5일 발표하였다. 도쿄대학 대학원 공학계 연구과가 중심이 되어 진행하고 있는 최첨단 연구 개발 지원 프로그램 ′초소형 위성에 의한 새로운 우주 개발・이용 패러다임(paradigm)의 구축′의 일환으로서 실시되었다.

전기로 추진하는 이온 엔진은 우주 탐사나 위성으로 급속하게 실용화되고 있다. 그러나 소형 위성으로의 실용화는 전력이나 사이즈의 제한으로 실현되지 않았었다. 연구 그룹은 소형 이온 엔진의 각 부품의 소형화, 경량화, 저소비 전력화를 통해 추진제의 크세논을 포함한 전체 중량 8.1 kg, 전체 소비 전력 27와트를 달성하여 50kg급 소형 위성에서도 사용할 수 있도록 하였다.

2014년 6월 19일 러시아의 야스네 우주기지(Yasny Launch Base)로부터 발사된 도쿄 대학의 초소형 위성 ′Hodoyoshi 4호′에 탑재하였다. 발사 후 소형 이온 엔진의 콤퍼넌트 레벨에서의 동작 확인을 반복하여 2014년 10월 28일과 11월 18일에 지구 주회 궤도 상에서의 이온 엔진 작동 실증에 성공하였다. 작동 시험 시간은 각각 5분과 6분으로 짧았지만 이것이 100kg 이하의 소형 위성에서의 세계 최초 이온 엔진 작동으로 소형 위성에서도 이온 추진 시스템 이용의 길을 열었다. 이온 엔진은 장시간(예를 들면 100시간 이상)의 작동으로 진가를 발휘하는 시스템이기 때문에 연구 그룹은 향후에도 위성의 궤도 수정에 이온 엔진을 활용하여 운용을 계속할 예정이라고 한다.

연구 그룹은 “위성의 개발에는 지금까지 방대한 비용과 기간이 필요하기 때문에 이용자가 정부나 일부 기업에 한정되고 목적도 통신・방송・측위・지구 관측・우주 과학 등 한정적이었다. 그러나 저비용・단기간으로 개발할 수 있는 소형 위성에 소형 이온 엔진을 사용할 수 있으면 우주 이용의 저변이 폭넓게 된다. 이온 엔진은 추진제 질량이 적어서 궤도 수정의 능력이 높기 때문에 소형 위성용의 개발이 세계적으로 요망되고 있었다. 궤도 수정이 필요 있는 심우주 탐사기에도 사용할 수 있다”고 의미를 강조하고 있다.

(지식리포터 주) 이온 엔진(Ion engine)
전기 추진이라고 부르는 방식을 채용한 로켓 엔진의 일종이며 마이크로파를 사용하여 생성한 플라스마 이온을 정전장(靜電場)에서 가속・분사하는 것으로 추진력을 얻는 로켓 엔진이다. 이온 추진, 이온 로켓, 이온 반동 추진엔진 등이라고도 한다. 최대 추진력은 작지만 비교적 적은 연료로 장시간 동작하는 특징을 가지고 있어 발사 된 후 인공위성이나 우주 탐사기의 궤도 제어에 이용되는 것이 많다. 이전에는 실증 시험으로서 탑재되는 예가 많았지만 최근에는 기존 히드라진계 추진기로 교체하는 표준 장비가 되고 있다. 비추진력이 화학 로켓보다 현격히 높기 때문에 정지위성의 장기 수명화에 공헌하고 있다.

<사진 1> Hodoyoshi 4호에 탑재된 소형 이온 엔진의 외관
<사진 2> 개발한 소형 이온 엔진의 작동을 옆에서 촬영한 모습(발광 부하측은 엔진으로부터 발사된 이온 빔(이온 제트), 발광부 위쪽은 중화기로부터의 전자 방출에 수반하는 플라스마 발광)