KR101009372B1 - 전자기력 추진장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우주선용 전자기력 추진장치에 관한 것이다.
본 발명의 제1 실시형태에 따른 추진장치는, 중공을 형성한 원통부와, 원통부의 외주면에 권취된 솔레노이드와, 중공에 내삽·배치된 원기둥형 절연부와, 원기둥형 절연부의 외주면에 방사상으로 양극과 음극이 교번되도록 배치된 복수개의 전극과, 솔레노이드 및 전극에 전원을 공급하는 전원부로 구성된다.
본 발명에 따르면, 액체 또는 고체연료에 의존하지 않고도 우주선의 이동을 위한 추진력을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 추진장치를 탑재한 우주선은 우주 범선에 비해 공간 점유면적이 작기 때문에 운석에 대한 충돌확률을 낮출 수 있다.
우주선, 추진장치, 전자기력, 플라즈마

Description

전자기력 추진장치{ELECTROMAGNETIC PROPULSION APPARATUS FOR SPACESHIP}
본 발명은 전자기력의 반발력 혹은 척력을 기반으로 추진력을 얻는 우주선용 추진장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이 우주선용 추진장치는 산소와 함께 액체·고체연료를 연소시킴으로써 추진력을 얻는 이른바 로켓 구조가 대부분이다. 이러한 구조의 추진장치는 그 가용 시간이 우주선에 탑재된 초기 연료량에 한정된다. 더욱이 연료 수용 공간(예: 연료탱크)의 부피는 우주선 제작에 있어서 주요 설계변수로 고려된다.
상기한 종래 추진장치의 단점을 해소하기 위해 제안된 것 중 하나가, 이른바 '우주 범선'이다. 이 우주 범선은 돛 형태의 태양풍 차단수단(또는 차단막)을 구비하여, 이 차단수단에 부딪히는 빛의 광압과 태양풍의 반발력으로 추진되는 우주선이다. 우주 범선은 이론상 별도의 액체 또는 고체연료가 필요치 않다는 점에 주요 특징이 있으며, 지난 2005년에 최초의 우주 범선으로서 코스모스 1호가 발사된 바 있다.
코스모스 1호의 잠재적 위험요소는 차단수단 하나의 너비가 10m를 상회한다는 점에 있는데, 그 너비가 큰 만큼 우주공간을 유영하는 헤아릴 수 없을 정도의 크고 작은 운석들과 충돌할 확률이 높다는 것을 의미한다.
한편, 상술한 '우주 범선'과 달리 이온화된 크세논(Xe)을 강한 전기장 안에서 가속시킴으로써 그에 따른 반동으로 추진되는 '이온 엔진(ion engine)'이 있다. 이온 엔진을 탑재한 최초의 우주선은 1998년 미국항공우주국(NASA)에서 발사된 '디프 스페이스(Deep Space) 1호'이다. 그러나 이러한 이온 엔진에도 해결해야할 문제점이 남아 있다. 이온 엔진에 이용되는 크세논은 지구대기 중 함량비가 약 0.000009부피%에 불과하기 때문에 이를 수집하는 것이 쉽지 않을뿐더러, 막대한 비용이 소요된다는 점이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 추진장치의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 전자기력 기반의 우주선용 추진장치를 제안한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 추진장치는, 중공을 형성한 원통부와, 원통부의 외주면에 권취된 솔레노이드, 중공에 내삽·배치된 원기둥형 절연부와, 원기둥형 절연부의 외주면에 방사상으로 양극과 음극이 교번되도록 배치된 복수개의 전극, 그리고 솔레노이드와 전극에 전원을 공급하는 전원부로 이루어진다.
본 발명에 따라, 전원부의 전원 공급에 의해 솔레노이드에는 종단면 상으로 반시계 방향의 전류가 흐르고, 전극의 방전에 의해 종단면 상으로 시계 방향의 전류가 흘러, 솔레노이드에 의한 자기력과 상기 전극의 방전에 의한 자기력 간의 반발력이 발생한다.
한편, 본 발명의 추진장치는, 방전가스를 공급하는 방전가스 공급부를 더 구성할 수 있다. 이러한 경우, 원기둥형 절연부는 중앙에 가스공급로를 형성하여, 상기 복수개의 전극 사이에 상기 방전가스를 공급한다. 전극 사이에 공급된 방전가스는 전극 사이의 방전에 의해 플라즈마 상태로 천이한다.
본 발명의 추진장치에 따르면, 액체 또는 고체연료에 의존하지 않고도 추진 력을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 추진장치는 상술한 바와 같이 연료가 필요치 않으므로, 우주선의 발사 부하(우주선 중량)를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 추진장치를 탑재한 우주선은 우주 범선에 비해 공간 점유면적이 작기 때문에 운석에 대한 충돌확률을 낮출 수 있다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
[ 제1 실시형태 ]
첨부도면 도 1 및 도 2는 제1 실시형태에 따른 추진장치의 개략적 구성도이다. 제1 실시형태의 추진장치(100)는, 중공을 형성한 원통부(110)와, 원통부의 외주면에 권취되는 솔레노이드(120)와, 상기 원통부의 중공에 내삽·배치되는 원기둥형 절연부(130)와, 원기둥형 절연부의 외주면에 방사상으로 양극(+)과 음극(-)이 교번·배열되는 복수의 전극(140)과, 상기 솔레노이드(120)와 전극(140)에 전원을 공급하는 전원부(150), 이 전원부를 제어하는 제어부(160)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 원통부(110)는 앞서 언급한 바와 같이 중공(112)을 형성하고 있다. 원통부(110)는 금속 재질 또는 비금속 재질이어도 무방하며, 내주면에 절연층(114)이 마련될 수 있다.
솔레노이드(120)는 원통부(110)의 외주면을 따라 단층으로 혹은, 도 4a 및 도 4b와 같이 복층으로 권취된다. 이러한 솔레노이드에 전원이 공급되면, 도 4c에 예시된 바와 같이 전류(I1)는 반시계 방향(CCW: counter clockwise)으로 순회하고, 플레밍의 왼손 법칙에 따라 자기력(B1)이 형성된다.
한편, 첨부도면 도 5의 원기둥형 절연부(130)는 원통부(110)의 중공(112)에 삽입·배치된다. 도 6을 참조하면, 원기둥형 절연부(130)의 외주면과 상기한 절연층(114) 사이에는 방사상의 교번되는 전극(140: 141~148)이 구비되어, 전원부(150)로부터 전원을 공급받는다. 전극(140) 각각은 원기둥형 절연부(130)의 길이방향으로 장착되는 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 전극(140: 141~148)에 전원이 공급되면, 이웃한 전극 간에 방전이 발생하게 되고, 전극들에 의한 일련의 방전으로, 도 7에 예시된 바와 같이, 시계 방향(CW: clock wise)으로 순회하는 전류(I2)가 흐르게 된다. 이때의 전류 방향은 솔레노이드(120)에 의한 전류의 방향과 반대이다. 따라서 자기장의 방향 역시 반대로 형성된다.
첨부도면 도 8을 살펴보면, 원통부(110)에 의한 전류 I1과 전극(140)에 의한 전류 I2의 방향은 반대이고, 자기력의 방향 또한 서로 반대(B1, B2)이다. 즉, 자기력 B1, B2 사이에는 척력이 발생한다. 이때 추진장치(100)는 미도시된 우주선에 고정된 상태이므로, 상기 자기력 간의 척력에 의해 우주선은 추진력을 얻게 되는 것 이다.
한편, 본 실시형태에 따른 전원부(150)는 인공위성 등에서 널리 이용하는 태양전지(solar battery) 기반의 전원부로 구현될 수 있다.
[ 제2 실시형태 ]
제2 실시형태에 따른 추진장치는 앞서 살펴본 제1 실시형태에 따른 추진장치를 기초로 한다. 따라서, 제1 실시형태의 추진장치 구성과 도면 내의 부재부호를 제1 실시형태와 동일하게 부여하고, 추가되는 구성을 위주로 설명한다.
우선, 첨부도면 도 9 및 도 10과 같이, 제2 실시형태에 따른 추진장치(100)의 원기둥형 절연부(130)는 중앙에 가스공급로(132)를 구성하며, 이 가스공급로(132)로부터 연장되고 원기둥형 절연부(130)를 관통하는 다수의 가스관(134: 134a~134h)을 형성한다. 가스공급로(132)의 일단(32a)은 개방되어 있으며, 타단(32b)은 폐쇄되어 있다. 상기 가스관(134)은 바람직하게 가스공급로(132)에 대해 방사상으로 형성되며, 각 가스관(134)의 출구가 전극(140) 사이에 배치된다.
이와 같은 구성의 가스공급로(132)는 개방된 일단(32a)을 통해 방전가스 공급부(170)로부터 방전가스를 공급받는다. 본 실시형태의 방전가스는 종래 기술에서 언급한 크세논(Xe)과 같은 희소 가스가 아닌 활성기체, 예들 들어 수소 등이 이용될 수 있다.
전극(140: 141~148)에 방전이 일어나면, 전극 사이에 유입된 방전가스는 플라즈마(Plasma) 상태로 변화한다. 도 11에 예시된 바와 같이 형성된 플라즈마(P)는 전극 사이의 방전을 유지시키는 기능을 한다. 이러한 플라즈마는 척력에 의해 추진 장치(100) 외부로 밀려 나가게 된다(도 12 참조).
참고적으로 '플라즈마 상태'란 전리된 하전입자의 전자와, 이온(정·부의 전기를 가진 원자단)과, 그리고 전리되지 않은 중성입자로 구성되며, 전체적으로는 전기적으로 중성인 기체를 말한다. 이러한 플라즈마는 하전입자가 밀집되어 있기 때문에 전기 전도도(electric conductivity)가 매우 우수하다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 실시형태와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 추진장치의 개략적 구성도,
도 2는 제1 실시형태에 따른 추진장치의 분해 사시도,
도 3은 제1 실시형태에 따른 원통부의 세부 구성도,
도 4a는 제1 실시형태에 따른 솔레노이드의 권취 상태를 보인 예시도,
도 4b 및 도 4c는 제1 실시형태에 따른 솔레노이드에 흐르는 전류를 보인 예시도,
도 5는 제1 실시형태에 따른 원기둥형 절연부를 보인 구성도,
도 6은 제1 실시형태에 따른 전극의 세부 구성도,
도 7은 제1 실시형태에 따른 전극 사이의 방전을 보인 예시도,
도 8은 제1 실시형태에 따른 추진력의 생성 원리를 보인 예시도,
도 9는 제2 실시형태에 따른 추진장치의 개략적 구성도,
도 10은 제2 실시형태에 따른 원기둥형 절연부 및 전극의 세부 구성도,
도 11은 제2 실시형태에 따른 방전 및 플라즈마를 보인 예시도,
도 12는 제2 실시형태에 따른 플라즈마를 보인 예시도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100 : 추진장치 110 : 원통부
112 : 절연층 114 : 중공
116 : 절개부 118 : 절연부재
120 : 원기둥형 절연부 122 : 가스공급로
124(124a~124h) : 가스관 130(131~138) : 전극
140 : 전원부 150 : 제어부
160 : 방전가스 공급부

Claims (8)

  1. 전자기력 추진장치에 있어서,
    중공을 형성한 원통부;
    상기 원통부의 외주면에 권취된 솔레노이드;
    상기 중공에 내삽·배치된 원기둥형 절연부;
    상기 원기둥형 절연부의 외주면에 방사상으로 양극과 음극이 교번되도록 배치된 복수개의 전극; 및
    상기 솔레노이드와 상기 전극에 전원을 공급하는 전원부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기력 추진장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원부의 전원 공급에 의해 상기 솔레노이드에는 종단면 상으로 반시계 방향의 전류가 흐르고, 상기 전극의 방전에 의해 종단면 상으로 시계 방향의 전류가 흘러, 상기 솔레노이드에 의한 자기력과 상기 전극의 방전에 의한 자기력 간의 반발력으로 우주선이 추진되는 것을 특징으로 하는 전자기력 추진장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 원통부는 금속 재질 또는 비금속 재질인 것을 특징으로 하는 전자기력 추진장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 원통부의 내주면에 절연층이 형성된 것을 특징으로 하는 전자기력 추진장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극은 상기 원기둥형 절연부의 길이방향으로 장착되는 것을 특징으로 하는 전자기력 추진장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    방전가스를 공급하는 방전가스 공급부; 를 더 포함하고,
    상기 원기둥형 절연부는 중앙에 가스공급로를 형성하여, 상기 복수개의 전극 사이에 상기 방전가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 전자기력 추진장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가스공급로는,
    상기 원기둥형 절연부를 관통하는 복수개의 가스관을 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기력 추진장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 전극 사이에 공급된 방전가스는 상기 전극 사이의 방전에 의해 플라즈마 상태로 변화하는 것을 특징으로 하는 전자기력 추진장치.
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