[논문 리뷰] Experimental Study of a Lorentz Actuated Orbit

William R. Gorman, James D. Brownridge외 1명|ArXiv.org|2008. 05. 21.

Astro and Planetary Science참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 행 星 자기장과 상호작용하기 위해 우주선을 충전하여 발생시키는 루멘츠 힘을 이용한 위성 궤도 제어를 위한 새로운 방법을 연구한다. 진공 및 플라즈마 환경에서의 실험 결과, 우주선을 절연 처리하면 아크가 발생하지 않고 전하가 유지되어 네트워크 전하 축적이 없는 상태에서 안정적인 루멘츠 힘을 생성함으로써 추진이 가능하다.

ABSTRACT

This experimental study investigates a new technique to keep a satellite in orbit utilizing electrodynamics. The technique consists of establishing a charge on a satellite such that the body's motion through a planetary magnetic field induces acceleration via the Lorentz force. In order to find the relationship between capacitance and power required to balance incident plasma current, various objects were tested in high vacuum, plasma, and Xenon gas to determine their ability to hold charge. Radioactive material (Am-241) and pyroelectric crystals were tested as a candidate power source for charging the objects. Microscopic arcing was observed at voltages as low as -300 V. This arcing caused solder to explode off of the object. Insulating the object allowed the charge to remain on the object longer, while in the plasma, and also eliminated the arcing. However, this insulation does not allow a net charge to reside on the surface of the spacecraft.

연구 동기 및 목표

• 행성 자기장 속을 운행하는 전하를 띤 우주선이 생성하는 루멘츠 힘을 이용한 위성 궤도 제어의 새로운 방법을 탐색하기 위해.
• 저궤도 지구 플라즈마 환경에서 우주선 표면에 안정적인 전하를 유지할 수 있는지의 가능성을 규명하기 위해.
• 우주선을 충전하기 위한 후보 전원 공급원—아미르비움-241 및 피로전기 결정과 같은 것들—을 평가하기 위해.
• 전하 유지 능력 저하와 우주선 부품 손상의 원인이 되는 미세 아크와 같은 문제를 규명하고 이를 완화하기 위해.
• 절연이 표면에 전하를 유지하면서 아크를 방지하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 방사성(아미르비움-241) 및 피로전기 물질을 사용하여 우주선 본체를 충전하여 지속적인 전위를 생성하기 위해.
• 고진공, 플라즈마, 크세논 기체 환경에서 다양한 물체를 시험하여 전하 유지 및 전류 균형을 측정하기 위해.
• 입사 플라즈마 전류를 상쇄하기 위해 필요한 전압과 용량 간의 관계를 측정하기 위해.
• 절연 코팅을 사용하여 표면 아크를 억제하고 플라즈마 노출 중 전하 안정성을 향상시키기 위해.
• 최소 -300 V의 전압에서도 아크 행동을 관찰하고 기록하여 구조적 및 전기적 손상 위험을 평가하기 위해.
• 절연 표면에서 네트워크 전하 유지가 불가능한 상황에서 전하 유지 능력과의 상충 관계를 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라즈마 환경에서 전하를 띤 우주선 표면에서 미세 아크를 유도하기 위한 최소 전압은 얼마인가?
• RQ2 우주선 표면을 절연 처리할 경우, 저밀도 플라즈마에 노출되었을 때 전하 유지 및 아크 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 입사 플라즈마 전류가 존재하는 조건에서 용량과 유지 전하를 위해 필요한 전력 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 피로전기 또는 방사성 물질이 루멘츠 힘 기반 궤도 제어를 가능하게 하기 위해 충분한 전압을 안정적으로 생성할 수 있는가?
• RQ5 왜 우주선 표면을 절연 처리하면 아크가 방지되지만 동시에 표면에 네트워크 전하를 유지할 수 없는가?

주요 결과

• -300 V의 낮은 전압에서도 미세 아크가 관측되었으며, 이로 인해 테스트 물체의 solders가 폭발하는 등의 물리적 손상이 발생했다.
• 우주선 표면을 절연 처리하면 아크가 효과적으로 제거되고 플라즈마 환경에서 전하 유지 능력이 크게 향상되었다.
• 전하 안정성이 향상되었음에도 불구하고, 절연 처리로 인해 우주선 표면에 네트워크 전하를 확립할 수 없어 루멘츠 힘 생성이 제한되었다.
• 입사 플라즈마 전류를 상쇄하기 위해 필요한 전력은 용량에 비례하는 것으로 나타나, 우주선 크기와 에너지 비용 간의 직접적인 관계가 있음을 시사했다.
• 방사성(아미르비움-241) 및 피로전기 물질은 충전에 실현 가능한 후보로 확인되었지만, 실용적 구현을 위해서는 추가 최적화가 필요하다.
• 실험 결과는 루멘츠 추진이 궤도 제어 잠재력을 이론적으로 지님을 확인했지만, 아크 없이 안정적이고 고전압 전하를 유지하는 데 있어 핵심 과제가 있음을 드러냈다.