KR20090066174A - Electromagnetic propulsion apparatus for spaceship - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전자기력의 반발력 혹은 척력을 기반으로 추진력을 얻는 우주선용 추진장치에 관한 것이다.The present invention relates to a spacecraft propulsion device to obtain a driving force based on the repulsive force or repulsive force of the electromagnetic force.
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.As is known, spacecraft propulsion devices are mostly so-called rocket structures that gain propulsion by burning liquid and solid fuels with oxygen. The propulsion device of this structure is limited in its available time to the initial amount of fuel on board the spacecraft. Moreover, the volume of fuel containment spaces (eg fuel tanks) is considered a major design variable in spacecraft construction.
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. One of the proposals to solve the above disadvantages of the conventional propulsion device is the so-called 'space sailing ship'. This space sailing ship is provided with sail-type solar wind shielding means (or shielding film), and is a spacecraft propelled by the light pressure and the solar wind repulsive force hitting the blocking means. The main feature is that space ships in theory do not require a separate liquid or solid fuel, and Cosmos 1 was launched in 2005 as the first space ship.
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.The potential danger with Cosmos 1 is that the barrier is more than 10 meters wide, which means that it is more likely to collide with innumerable large and small meteorites that travel through space.
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.On the other hand, unlike the aforementioned "space ship" there is an 'ion engine' that is propelled by the reaction by accelerating the ionized xenon (Xe) in a strong electric field. The first spacecraft equipped with an ion engine was Deep Space 1, launched by NASA in 1998. However, problems remain to be solved in such an ion engine. Xenon used in ionic engines is not easy to collect because it is only about 0.000009% by volume in the atmosphere of the earth, and it is expensive.
본 발명은 상기와 같은 종래 추진장치의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 전자기력 기반의 우주선용 추진장치를 제안한다.The present invention has been made in view of the problems of the conventional propulsion device as described above, proposes a propulsion device for spacecraft based on electromagnetic force.
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.In order to achieve the above technical problem, the propulsion device of the present invention, the cylindrical portion formed hollow, the solenoid wound on the outer peripheral surface of the cylindrical portion, the cylindrical insulating portion interpolated and disposed in the hollow, and the outer peripheral surface of the cylindrical insulating portion Comprising a plurality of electrodes arranged so that the anode and the cathode alternate radially, and a power supply for supplying power to the solenoid and the electrode.
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.According to the present invention, the electric current in the counterclockwise direction flows to the solenoid by the power supply of the power supply section, and the electric current in the clockwise direction flows to the longitudinal section by the discharge of the electrode, and the magnetic force by the solenoid and the discharge of the electrode Repulsion between magnetic forces occurs.
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.On the other hand, the propulsion device of the present invention can further comprise a discharge gas supply unit for supplying a discharge gas. In this case, the cylindrical insulating portion forms a gas supply path in the center to supply the discharge gas between the plurality of electrodes. The discharge gas supplied between the electrodes transitions to the plasma state by the discharge between the electrodes.
본 발명의 추진장치에 따르면, 액체 또는 고체연료에 의존하지 않고도 추진 력을 얻을 수 있다.According to the propulsion device of the present invention, the propulsion force can be obtained without resorting to liquid or solid fuel.
또한, 본 발명에 따른 추진장치는 상술한 바와 같이 연료가 필요치 않으므로, 우주선의 발사 부하(우주선 중량)를 줄일 수 있다.In addition, the propulsion device according to the present invention does not require fuel as described above, it is possible to reduce the launch load (spacecraft weight) of the spacecraft.
또한, 본 발명에 따른 추진장치를 탑재한 우주선은 우주 범선에 비해 공간 점유면적이 작기 때문에 운석에 대한 충돌확률을 낮출 수 있다.In addition, the spacecraft equipped with the propulsion device according to the present invention can reduce the probability of collision against meteorites because the space occupied area is smaller than that of the space sailing ship.
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.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. It should be noted that, if it is determined that the detailed description of the known functions and the configurations related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
[ 제1 실시형태 ][First Embodiment]
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.1 and 2 are schematic configuration diagrams of a propulsion device according to the first embodiment. The
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.Referring to FIG. 3, the
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.The
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.On the other hand, the
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. When power is supplied to the above-described electrodes 140: 141 to 148, a discharge occurs between adjacent electrodes, and as a series of discharges by the electrodes, as illustrated in FIG. 7, clockwise (CW) Circulating current I 2 flows. The current direction at this time is opposite to the direction of the current by the
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.8, the direction of the current I 1 by the
한편, 본 실시형태에 따른 전원부(150)는 인공위성 등에서 널리 이용하는 태양전지(solar battery) 기반의 전원부로 구현될 수 있다.Meanwhile, the
[ 제2 실시형태 ]Second Embodiment
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.The propulsion device according to the second embodiment is based on the propulsion device according to the first embodiment described above. Therefore, the structure of the propulsion apparatus of 1st Embodiment and the member code | symbol in drawing are attached | subjected similarly to 1st Embodiment, and the structure added is demonstrated mainly.
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.First, as shown in FIGS. 9 and 10, the
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.The
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).When discharge occurs at the electrodes 140: 141 ˜ 148, the discharge gas introduced between the electrodes changes to a plasma state. The plasma P formed as illustrated in FIG. 11 functions to maintain the discharge between the electrodes. This plasma is pushed out of the
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.For reference, the 'plasma state' refers to an electrically neutral gas composed of electrons of ionized charged particles, ions (atom groups having positive and negative charges), and unionized neutral particles. The plasma has a very good electrical conductivity because of the high concentration of charged particles.
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.As described above and described with reference to the embodiments for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described as such, without departing from the scope of the technical idea Those skilled in the art will appreciate that many variations and modifications to the present invention are possible. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.
도 1은 제1 실시형태에 따른 추진장치의 개략적 구성도,1 is a schematic configuration diagram of a propulsion device according to a first embodiment;
도 2는 제1 실시형태에 따른 추진장치의 분해 사시도,2 is an exploded perspective view of the propulsion device according to the first embodiment;
도 3은 제1 실시형태에 따른 원통부의 세부 구성도,3 is a detailed configuration diagram of a cylindrical portion according to the first embodiment;
도 4a는 제1 실시형태에 따른 솔레노이드의 권취 상태를 보인 예시도,4A is an exemplary view showing a wound state of the solenoid according to the first embodiment;
도 4b 및 도 4c는 제1 실시형태에 따른 솔레노이드에 흐르는 전류를 보인 예시도,4B and 4C are exemplary views showing a current flowing in the solenoid according to the first embodiment;
도 5는 제1 실시형태에 따른 원기둥형 절연부를 보인 구성도,5 is a configuration diagram showing a cylindrical insulating portion according to the first embodiment;
도 6은 제1 실시형태에 따른 전극의 세부 구성도,6 is a detailed configuration diagram of an electrode according to the first embodiment;
도 7은 제1 실시형태에 따른 전극 사이의 방전을 보인 예시도,7 is an illustration showing discharge between electrodes according to the first embodiment;
도 8은 제1 실시형태에 따른 추진력의 생성 원리를 보인 예시도,8 is an exemplary view showing a principle of generating propulsion force according to the first embodiment;
도 9는 제2 실시형태에 따른 추진장치의 개략적 구성도,9 is a schematic configuration diagram of a propulsion device according to a second embodiment;
도 10은 제2 실시형태에 따른 원기둥형 절연부 및 전극의 세부 구성도,10 is a detailed configuration diagram of the cylindrical insulating portion and the electrode according to the second embodiment;
도 11은 제2 실시형태에 따른 방전 및 플라즈마를 보인 예시도,11 is an exemplary view showing a discharge and a plasma according to a second embodiment;
도 12는 제2 실시형태에 따른 플라즈마를 보인 예시도.12 is an exemplary view showing a plasma according to a second embodiment.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **
100 : 추진장치 110 : 원통부100: propulsion device 110: cylindrical portion
112 : 절연층 114 : 중공112: insulating layer 114: hollow
116 : 절개부 118 : 절연부재116: cutout 118: insulating member
120 : 원기둥형 절연부 122 : 가스공급로120: cylindrical insulation 122: gas supply path
124(124a~124h) : 가스관 130(131~138) : 전극124 (124a ~ 124h): Gas pipe 130 (131 ~ 138): Electrode
140 : 전원부 150 : 제어부140: power supply unit 150: control unit
160 : 방전가스 공급부160: discharge gas supply unit
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