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2015년 3월 12일 목요일

탐사선 던에 사용된 이온 로켓



(나사의 던 탐사선의 이온 로켓의 개념도. Inside an ion engine. Credit: NASA ) 

 나사의 던(Dawn) 우주선은 중량이 1240kg에 달하는 비교적 작은 탐사선으로 7년 반동안 우주를 날아 소행성 베스트와 세레스를 탐사하고 있습니다. 인류가 왜행성으로 분류한 천체를 처음 탐사하는 업적을 이룩하기도 하고 베스타의 위성이 되었다가 다시 세레스의 위성이 되는 등 나사의 탐사선 가운데 최초로 두 개 이상의 천체의 위성이 되어 탐사를 진행한 역사적인 업적을 달성한 탐사선이기도 합니다. 

 이것이 가능한 이유는 바로 새롭게 탑재된 이온 추진 엔진에 있습니다. 던 우주선은 이온 엔진을 사용한 덕에 기존의 화학 로켓보다 훨씬 적은 연료로 장거리 비행이 가능한 장점이 있습니다. 수소와 산소의 연소 반응 같은 화학 반응 대신 이온을 고속으로 가속시키기 때문에 화학 로켓 대비더 높은 속도를 낼 수 있다는 것도 장점입니다. 필요한 에너지는 36.4㎡ 면적의 거대한 태양 전지가 제공합니다. 이 태양 전지 때문에 던은 좌우 너비가 19.7m에 달합니다. 1AU 거리에서 최대 출력은 10kW 급이라고 합니다. 

 이온 로켓의 단점이라면 추력이 낮다는 것입니다. 던에 탑재된 이온 로켓의 추력은 최대 90mN에 불과합니다. 보통 내는 추력의 수준은 입으로 바람을 부는 수준에 불과하다고 합니다. (아래 동영상 참조) 하지만 마찰이 거의 없는 우주 공간에서 가속을 하게 되면 계속해서 속도가 빨라지게 됩니다. 던은 임무 기간 중에 무려 10km/s 만큼 가속을 하게 됩니다. 



(동영상) 



(이온 엔진) 

 이온화 되어 추진체로 사용되는 물질은 제논(Xenon)으로 총 425kg 이 탑재되는데 이 중에서 던에 도달하는데 까지는 275kg, 세레스에 도달하기까지는 110kg 이 할당되어 있습니다. 나머지는 예비입니다. 이외에 우주선의 궤도 진입을 돕기 위해 0.9N 추력의 하이드라진(hydrazine) 보조 로켓 12개가 탑재되어 있는데, 이온 로켓의 추력이 너무 낮기 때문이죠.   

 던의 이온 엔진은 전기의 힘으로 뜨거워진 제논 이온을 자기장의 힘으로 밀어낸다는 점에서 펄스 플라즈마 추진기(pulsed plasma thrusters)라고 할 수 있지만 독특하게도 작은 구멍이 뚫인 막으로 이온을 가속해 내보낸다는 특징이 있습니다. 이는 그리디드 이온 추력(Gridded Ion Thruster)으로 불리며 작은 구멍이 뚫린 금속망은 가속 전극의 역할을 하게 됩니다. (위의 동영상 참조) 

 이온 추진 엔진은 이미 던을 제외하고도 딥 스페이스 1 같은 다른 우주선에서도 사용된 바 있습니다. 여전히 낮은 추력이 걸림돌이긴 하지만 기술의 발전은 계속되고 있습니다. 무엇보다 화학 로켓 대비 연료의 양이 적다는 점은 장거리 우주 비행에서는 큰 메리트가 아닐 수 없습니다. 

 인류가 달 궤도를 넘어 화성을 비롯한 우주로 나가기 위해서는 아마 이온 엔진의 힘이 절대적으로 필요할 것입니다. 미래의 발전을 미래 예측하기는 어렵지만 미래에는 단순 화학 로켓 이외의 엔진들이 널리 사용될 것으로 생각됩니다. 

 참고  





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