[논문 리뷰] Electrostatic AB-Ramjet Space Propulsion

Alexander Bolonkin|ArXiv.org|2007. 01. 08.

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics참고 문헌 24인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 전기적 AB-램제트 우주 추진 시스템을 제안하며, 이는 상층 대기(85–1000 km)와 태양풍으로부터 이온을 수집하고 가속시켜 추진력을 생성하거나 데드레이지하여 전기 에너지를 생성하는 데 사용된다. 이 개념은 장기간의 위성 정지 유지, 궤도 진입, 행성간 탐사 및 궤도 쓰레기 제거를 가능하게 하며, 시뮬레이션 결과 몇 개의 뉴턴 수준의 추진력이 생성되며 추진 및 전력 생성의 이중 기능을 구현한다.

ABSTRACT

A new electrostatic ramjet space engine is proposed and analyzed. The upper atmosphere (85 -1000 km) is extremely dense in ions (millions per cubic cm). The interplanetary medium contains positive protons from the solar wind. A charged ball collects the ions (protons) from the surrounding area and a special electric engine accelerates the ions to achieve thrust or decelerates the ions to achieve drag. The thrust may have a magnitude of several Newtons. If the ions are decelerated, the engine produces a drag and generates electrical energy. The theory of the new engine is developed. It is shown that the proposed engine driven by a solar battery (or other energy source) can not only support satellites in their orbit for a very long time but can also work as a launcher of space apparatus. The latter capability includes launch to high orbit, to the Moon, to far space, or to the Earth atmosphere (as a return thruster for space apparatus or as a killer of space debris). The proposed ramjet is very useful in interplanetary trips to far planets because it can simultaneously produce thrust or drag and large electric energy using the solar wind. Two scenarios, launch into the upper Earth atmosphere and an interplanetary trip, are simulated and the results illustrate the excellent possibilities of the new concept.

연구 동기 및 목표

• 상층 대기 및 태양풍의 주변 이온을 활용하여 지속 가능한 궤도 내 운영을 위한 새로운 우주 추진 시스템을 개발한다.
• 기존 추진 시스템의 한계를 해결하여 추진제 질량 감소 없이 장기간의 정지 유지 기능을 가능하게 한다.
• 궤도 및 행성간 공간에서 이온 수집을 통한 추진력 생성과 전기 에너지 수확의 가능성을 탐색한다.
• 고지구 궤도, 지구 달 궤도 임무 및 행성간 탐사에 대한 발사 보조 기구로 시스템의 잠재력을 입증한다.
• 지속 가능한 우주 임무를 위한 추진 및 에너지 생성의 이중 기능을 평가한다.

제안 방법

• 전하를 띤 구형 수집기가 상층 대기(85–1000 km) 및 행성간 공간에 배치되어 이온층과 태양풍으로부터 양이온(수소 이온)을 끌어모은다.
• 전기장을 적용하여 수집된 이온을 뒤로 가속시켜 동량 이행을 통해 추진력을 생성한다.
• 동일한 시스템은 이온 가속을 반전시켜 데드레이지시키며, 유도 현상을 통해 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
• 태양 전지 또는 기타 외부 에너지원으로 시스템을 구동하여 전기장을 유지하고 수집기의 전하를 유지한다.
• 이론적 모델링과 시뮬레이션을 통해 궤도 진입 및 행성간 항행의 두 상황에서 추진력, 데드레이지 및 에너지 생성을 분석한다.
• 전기역학, 플라즈마 물리학 및 궤도 역학 원리를 통합하여 이온 수집 및 에너지 변환 효율을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전하를 띤 구가 상층 대기 및 태양풍으로부터 이온을 효과적으로 수집하여 측정 가능한 추진력을 생성할 수 있는가?
• RQ2 수집된 이온의 전기적 가속을 통해 도달할 수 있는 최대 추진력 크기는 얼마인가?
• RQ3 데드레이지 작동 중에 동일한 시스템이 유용한 전기 에너지를 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ4 전기적 AB-램제트는 저지구궤도에서 장기간의 위성 정지 유지에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 이 시스템은 행성간 탐사에 대한 발사 보조 또는 궤도 진입 기구로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 전기적 AB-램제트는 수집된 이온을 가속시켜 몇 뉴턴 수준의 추진력을 생성하여 지속적인 궤도 정지 유지가 가능하다.
• 이온의 데드레이지 과정에서 전기 에너지가 생성되어 추진 및 전력 생성의 이중 기능을 입증한다.
• 시뮬레이션은 이 시스템이 고지구 궤도, 지구 달 궤도 및 행성간 임무에 대한 발사에 활용 가능한 것으로 확인한다.
• 이 시스템은 대기권으로의 복귀 임무를 가능하게 하여 궤도 쓰레기 제거를 위한 탈궤 추진기로 기능할 수 있다.
• 내부 추진제가 없이 주변 이온 자원에 의존하므로 장기간의 임무 수행이 가능하다.
• 이론적 분석은 이 시스템이 지구 근처 및 행성간 환경 모두에서 효과적으로 작동할 수 있음을 보여준다.