[논문 리뷰] Coulomb drag devices: electric solar wind sail propulsion and ionospheric deorbiting

P. Janhunen|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 29.

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한 줄 요약

이 논문은 태양풍에서의 운동량 이행을 활용하기 위해 전하를 띤 테이퍼를 사용하는 쿨롱 드래그 장치—특히 행성 간 추진을 위한 전기 태양풍 서큘레이터(E-sail)와 저지구궤도(LEO)에서의 탈궤를 위한 플라즈마 브레이크—를 제안한다. 시뮬레이션과 지상 실험을 통해 E-sail이 200kg 이하의 질량으로 1N의 추진력을 달성할 수 있음을 입증하였으며, ESTCube-1과 Aalto-1의 LEO 실험을 통해 10m 및 100m 길이의 테이퍼 전개와 쿨롱 드래그의 타당성을 검증하였다.

ABSTRACT

A charged tether or wire experiences Coulomb drag when inserted into flowing plasma. In the solar wind the Coulomb drag can be utilised as efficient propellantless interplanetary propulsion as the electric solar wind sail (electric sail, E-sail). In low Earth orbit (LEO) the same plasma physical effect can be utilised for efficient low-thrust deorbiting of space debris objects (the plasma brake). The E-sail is rotationally stabilised while the deorbiting Coulomb drag devices According to numerical estimates, Coulomb drag devices have very promising performance figures, both for interplanetary propulsion and for deorbiting in LEO. Much of the technology is common to both applications. E-sail technology development was carried out in ESAIL FP7 project (2011-2013) which achieved TRL 4-5 for key hardware components that can enable 1 N class interplanetary E-sail weighing less than 200 kg. The thrust of the E-sail scales as inverse solar distance and its power consumption (nominally 700 W/N at 1 au) scales as the inverse distance squared. As part of the ESAIL project, a continuous 1 km sample of E-sail tether was produced by an automatic and scalable "tether factory". The manufacturing method uses ultrasonic wire to wire bonding which was developed from ordinary wire to plate bonding for the E-sail purpose. Also a "Remote Unit" device which takes care of deployment and spin rate control was prototyped and successfully environmentally tested. Our Remote Unit prototype is operable in the solar distance range of 0.9-4 au. The 1-U CubeSat ESTCube-1 was launched in May 2013 and it will try to measure the Coulomb drag acting on a 10 m long tether in LEO when charged to 500 V positive or negative. A more advanced version of the experiment with 100 m tether is under preparation and will be launched in 2015 with the Aalto-1 3-U CubeSat to polar LEO.

연구 동기 및 목표

• 태양풍 내 전하를 띤 테이퍼를 사용해 추진제 없이 행성 간 비행을 위한 추진 시스템을 개발한다.
• 저지구궤도(LEO)에서의 우주 쓰레기 탈궤를 위해 전하를 띤 테이퍼에서 발생하는 쿨롱 드래그를 통해 효율적이고 저력의 탈궤를 실현한다.
• 우주 응용을 위한 테이퍼 제조 및 전개 기술의 확장성과 신뢰성을 입증한다.
• 지상 시험과 궤도 상의 큐브샛 임무(ESTCube-1, Aalto-1)를 통해 쿨롱 드래그 장치의 성능을 검증한다.
• 전자총 및 테이퍼 전개 시스템을 포함한 핵심 구성 요소의 기술 준비도를 TRL 4–5 수준으로 격상시킨다.

제안 방법

• 태양풍 내 양극성으로 편향된 테이퍼를 사용해 이온으로부터의 운동량 이행을 통해 쿨롱 드래그를 생성하며, 궤도 운동 제한(OML) 이론을 사용해 모델링한다.
• 초음파선-선 접합 기술을 적용해 질량이 낮고(10g/km), 마이크로메테오라이드에 강한 4선형 헤이테이퍼를 제작한다.
• 회전 속도 제어 및 전개를 위해 테이퍼 끝에 원격 장치(Remote Unit)를 설치하며, 냉기 가스, 이온 액체 FEEP, 또는 광학 블레이드 추진기를 사용한다.
• 테이퍼에 걸친 전압의 차등 조절을 통해 토크를 생성하고 추진 방향을 제어함으로써 반동 제어 시스템 없이 자세 제어를 가능하게 한다.
• 실제 태양풍 데이터를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 E-sail 우주선의 항로 탐색성과 궤도 제어 능력을 검증한다.
• 0.9–4 au 태양 거리 범위에서의 운영을 대비해 원격 장치 프로토타입의 환경 시험을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양풍 내 전하를 띤 테이퍼가 추진제 없이 행성 간 비행에 필요한 추진력을 충분히 생성할 수 있는가?
• RQ2 LEO 내 음극성으로 편향된 테이퍼가 우주 쓰레기 탈궤를 위한 측정 가능한 쿨롱 드래그를 생성할 수 있는가?
• RQ3 마이크로위성 임무에서 테이퍼 전개 및 전압 제어의 확장성과 신뢰성은 어떠한가?
• RQ4 E-sail의 추진력은 태양과의 거리와 테이퍼 전압에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 E-sail의 추진력과 방향을 별도로 제어할 수 있는가? 이를 통해 정밀한 궤도 보정이 가능한가?

주요 결과

• 1 AU에서 E-sail은 약 0.5 mN/km의 추진력을 달성하며, 태양과의 거리에 따라 1/r 비율로 감소한다. 이는 100 × 20 km 길이의 테이퍼로 20kg의 질량으로 1N의 추진력을 얻을 수 있음을 의미한다.
• 전력 소비는 1/r² 비율로 증가하며(1 AU에서 700W/N), 태양전지판의 전력 수준과 유사하다. 전자총이 테이퍼 전압을 유지함으로써 지속 가능하다.
• 2013년에 발사된 1-U 큐브샛인 ESTCube-1은 테이퍼 전개를 성공적으로 시험하였으며, LEO에서 ±500V 전압에서 쿨롱 드래그를 측정하도록 설계되어 있다.
• 2015년 계획된 3-U 큐브샛 Aalto-1에서 100m 길이의 테이퍼 실험을 통해 극궤도 LEO에서의 플라즈마 브레이크 성능을 추가로 검증할 예정이다.
• 1km 길이의 테이퍼가 확장 가능한 자동화 공정을 통해 성공적으로 제작되었다.
• 원격 장치 프로토타입은 환경 시험을 통과하였으며, 0.9–4 au 범위에서 정상 작동 가능함을 확인하였다. 이는 향후 태양계 외부 태양계 임무의 전개를 뒷받침한다.