The present study deals with the performance characterization of a 300 W-class Hall thruster operating with xenon-nitrogen mixture propellant and its plasma diagnostics to investigate the physics behind the Hall thruster. Hall thrusters are highly efficient electric propulsion device that generates thrust by the electrostatic acceleration of ions produced by the collision between neutral particles and ExB confined electrons. In the performance characterization of the Hall thruster operating with xenon-nitrogen mixture, the thrust, specific impulse, and anode efficiency were measured at the fixed anode power (250 – 450 W) with selected anode voltage (200 – 400 V). As a result, the performance, including the thrust, specific impulse, and anode efficiency, deteriorated with the increase in nitrogen mass fraction of propellant and improved with the increase in anode power. At the anode power of 450 W, the anode voltage of 300 V, and the nitrogen mass fraction of 40%, the thrust, specific impulse, and anode efficiency decreased by 31%, 16%, and 16%p, respectively, compared to pure xenon operation. However, the xenon mass flow rate decreased by 53% compared to pure xenon operation, implying the viability of xenon-nitrogen mixture propellant in terms of providing options to reduce the propellant cost. Furthermore, a thrust analysis model is formulated to identify the major cause of performance deterioration. The measured thrust and results from plasma diagnostics, including a Faraday probe and a retarding potential analyzer, were utilized in the analysis. As a result, the decreased propellant ionization, especially reduced production of Xe$^+$ ion, was the major cause of the performance deterioration. Additionally, pure nitrogen operation was achieved at the anode power of 450 W and anode voltage of 350 V, implying the potential of a low-power pure nitrogen Hall thruster. Advanced plasma diagnostics will be conducted to understand the contribution of individual ion species to the performance and physics of the Hall thruster operating with xenon-nitrogen mixture and pure nitrogen. Further performance improvements of the pure nitrogen Hall thruster are also planned.
본 연구는 제논-질소 혼합연료를 이용한 300 W급 저전력 홀추력기의 성능 측정과 이를 분석하기 위한 플라즈마 진단에 관하여 다룬다. 홀추력기는 직교하는 전기장과 자기장에 의해 발생하는 전하의 ExB 방향의 표류를 이용하여 전자를 구속하며, 구속된 전자들과 중성기체의 충돌을 통해 발생한 이온들을 전기장에 의해 높은 속도(~15 km/s)로 방출하는 위성용 고효율 우주추진 장치의 일종이다. 홀추력기의 성능 측정에서는 고정된 양극전력(250 - 450 W) 하에서 특정 양극전압(200 – 400 V)을 인가하여 제논-질소 혼합연료로 작동하는 홀추력기의 추력, 비추력 및 양극 효율을 측정하였다. 이때 연료의 질소 질량유량 백분율 증가에 따라 추력, 비추력, 양극효율이 감소하는 반면, 양극전력의 증가에 따라서는 개선되는 경향을 보였다. 양극전력 450 W, 양극전압 300 V에서 질소 질량유량 백분율 40%로 운전한 경우, 순수 제논 대비 31%의 추력 감소, 16%의 비추력 감소 및 16%p의 양극효율 감소가 발생하였다. 반면 홀추력기 운용을 위한 제논 질량유량은 순수 제논 대비 53% 감소하여 추력 성능 감소를 감수한다면 제논 연료를 대폭 절감할 수 있다는 장점이 확인되었다. 이때 발생하는 질소 혼합에 따른 성능 감소의 원인을 밝혀내기 위해 추력 분석 모델을 유도하여 측정된 추력 및 패러데이 탐침과 전위지연탐침 진단 결과를 기반으로 분석을 진행하였다. 이를 통해 연료의 이온화 감소, 특히 Xe$^+$ 이온 생성의 감소가 추력 감소의 주원인임을 규명하였다. 또한 양극전력 450 W, 양극전압 350 V에서 순수 질소 방전에 성공하여 저전력 순수 질소 홀추력기의 가능성을 확인하였다. 추후 ExB 탐침 등 발전된 진단장치를 사용하여 각 이온이 제논-질소 혼합연료와 순수 질소를 사용하는 홀추력기의 성능과 물리현상에 미치는 영향을 규명하고, 순수 질소를 사용하는 홀추력기의 성능 개선을 진행하고자 한다.
