Development of FEEP Electric Propulsion for Nano-Satellite

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 협동과정 우주시스템 전공, 2023. 2. 여재익.전계 방출 전기 추진 (FEEP)은 낮은 추력과 높은 비추력 특성에 의해 초소형 위성의 심우주 탐사와 정밀 기동에 가장 적절한 이온 추력기이다. 그 중, 선형 슬릿형 방출기와는 달리 공간 효율성이 더 높고 슬릿 끝단에서의 이온빔 손실이 없는 원주형 슬릿에 관한 연구는 해외의 개념적 특허 외에 수행된 바가 없다. 따라서 이에 대한 연구를 수행하기 위해서 시스템 해석을 통해 설계의 목표치를 설정하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 원주형 슬릿을 적용한 추력기 개발의 기초 단계로써 최대 추력 및 최소 전력을 얻기위해 필요한 전압, 슬릿 길이, 그리고 전류 밀도를 시스템 해석을 통해 계산하였다. FEEP 추력기의 기본 원리를 이해하기 위한 실험적 방법으로 테일러 콘 실험을 다양한 형태의 방출기와 ionic liquid ion source (ILIS)를 활용하여 수행하였고, 이온화 실험을 liquid metal ion source (LMIS)를 활용하여 수행하였다. 그 결과, 실험적으로 접근이 용이한 ILIS로부터 multi cones가 발생 가능하며, 원주형 슬릿에서도 multi cones가 형성 가능함을 확인하였다. 다음으로, 원주형 슬릿에서 LMIS의 액체 인듐에서 이온화가 발생하여 실제 원주형 슬릿형 방출기의 작동 가능성을 확인하였다. 마지막으로 시스템 설계 결과를 바탕으로 원주형 슬릿형 방출기와 FEEP 추력기의 프로토타입을 개발하였다.Field emission electric propulsion (FEEP) is deemed the most suitable ion thruster for nano-satellites deep space exploration and precision maneuver due to its low thrust and high specific thrust. Research on annular slit has never been carried out except for some conceptual patents, which can offer high space efficiency, and zero ion beam lost at the end of the slit. Therefore, it is important to set a design target value through system analysis for the present research. Here, voltage, slit length of emitter, and current per slit length for maximum thrust and minimum power are calculated via system analysis as a basic level of development. To understand the basic principle for the actual development, taylor cone experiment utilizing various types of emitters, ionic liquid ion source (ILIS) was conducted. In addition, ionization experiment using liquid metal ion source (LMIS) was carried out. The results elucidate that multi-cones can be formed from ILIS, which is experimentally accessible, and confirmed the possibility of multi-cones formation at the annular slit. The work in progress is extended to LMIS with annular slit, where ionization occurred from liquid indium, which confirmed the possibility of a working annular slit type emitter. Finally, prototype of annular slit emitter and FEEP thruster was developed based on the system analysis results.제 1 장 서 론 1 제 2 장 시스템 해석 7 2.1 시스템 모델링 7 2.2 해석 절차 11 2.3 해석 결과 13 제 3 장 테일러 콘 및 이온화 실험 18 3.1 실험 18 3.1.1 실험 장비 18 3.1.2 실험 절차 22 3.2 실험 결과 24 3.2.1 테일러 콘 실험 결과 24 3.2.2 이온화 실험 결과 29 제 4 장 추력기 제작 31 4.1 프리웨팅 장치 개발 31 4.2 방출기와 추력기 프로토타입 설계 33 4.3 방출기와 추력기 프로토타입 제작 34 제 5 장 결 론 36 참고문헌 38 Abstract 42 표 목 차 Table 2.1 System requirements 8 Table 2.2 Engineering characteristics and market/target value 8 Table 3.1 Emitter configurations 20 Table 3.2 Accelerator configurations 20 Table 3.3 Specification of water and olive oil 20 Table 3.4 Specification of liquid indium 22 Table 3.5 Experimental conditions for liquid indium with linear slit 22 Table 4.1 Designed geometry for prototype 34 그림목차 Fig. 1.1. Basic principle of FEEP thruster 2 Fig. 1.2. Basic principle of Taylor cone formation 2 Fig. 2.1. Cross section of annular slit emitter 9 Fig. 2.2. Algorithm of design procedure 12 Fig. 2.3. Thrust per slit length at 5 kV emitter voltage 14 Fig. 2.4. Power required per slit length at 5 kV emitter voltage 15 Fig. 2.5. Thrust per emitter voltage at 5 cm slit length 15 Fig. 2.6. Power required per emitter voltage at 5 cm slit length 16 Fig. 2.7. Power vs thrust for various ion current per slit length at 2 cm slit length 16 Fig. 2.8. Power vs thrust for various ion current per slit length at 3 cm slit length 17 Fig. 2.9. Power vs thrust for various ion current per slit length at 4 cm slit length 17 Fig. 2.10. Power vs thrust for various ion current per slit length at 2 cm slit length 18 Fig. 3.1. Schematic of experiment setup 19 Fig. 3.2. Three type of emitter (a) capillary (b) linear slit (c) annular slit 20 Fig. 3.3. Experiment setup for ionization experiment 21 Fig. 3.4. Procedure of ionization experiment 23 Fig. 3.5. Experiment result of water at capillary emitter (a) 0 kV (b) 8 kV (c) 10 kV (d) 14.84 kV 25 Fig. 3.6. Experiment result of olive oil at capillary emitter 25 Fig. 3.7. Experiment result of water at linear slit emitter 26 Fig. 3.8. Experiment result of olive oil at linear slit emitter 26 Fig. 3.9. Experiment result of water at annular slit emitter 27 Fig. 3.10. Experiment result of olive oil at annular slit emitter 27 Fig. 3.11. Experiment result of water with constant flow rate at needle type emitter 28 Fig. 3.12. Experiment result of indium at annular slit 29 Fig. 3.13. Experiment result of indium at vacuum condition 30 Fig. 3.14. Measurement result of ion current 31 Fig. 4.1. Pre-wetting device for slit type emitter 32 Fig. 4.2. Pre-wetted emitter 32 Fig. 4.3. Prototype design of slit type emitters 33 Fig. 4.4. Prototype design of FEEP thruster 34 Fig. 4.5. Annular slit emitter fabrication 35 Fig. 4.6. FEEP thruster prototype fabrication 35석