Research and development of the electric propulsion systems has been performed for a variety of space missions by virtue of advantages of high specific impulse and low propellant mass. A Hall thruster is a promising electrostatic propulsion device which basically utilizes the crossed electric and magnetic fields to accelerate the ion beam and to generate the thrust. A cylindrical type Hall thruster (CHT) is the Hall thruster with the reduced central magnetic core which increases the plasma volume-to-surface ratio and is considered as the more promising type for low power operation.
A Hall thruster has cylindrical symmetry to discharge azimuthally uniform plasma. The thruster anode is designed to provide propellant gas into the discharge channel, and its azimuthal uniformity is one of most important factors in the anode design. A mathematical method is developed to reconstruct azimuthal distributions of the propellant gas from the optical emission images of the Hall thruster plasma. The reconstructed distributions are analyzed by using an equivalent electrical circuit model (EECM) to obtain the optimized design for the Hall thruster.
A mathematical method is developed to reconstruct the ion energy distribution functions (IEDFs) from the measured EB probe spectrum. The CHT plasmas were observed to have the high energy tail in the reconstructed entire IEDF, and the tail formation is found to be mainly due to singly charged ions. It is parametrically investigated to show strong correlation with the oscillating discharge current at a frequency of ion transit-time scale (360 kHz). Analytical and numerical investigations confirm that the IEDF tail formation is basically due to nonlinear ion acceleration under the ion transit-time field oscillation.
높은 비추력과 적은 연료 질량을 장점으로 하는 전기추력기는 다양한 우주 미션을 수행하기 위해 연구개발이 진행되어왔다. 홀 추력기는 수직으로 교차하는 전기장과 자기장을 이용하여 이온빔을 가속하고 추력을 발생시킨다. 원통형 홀 추력기(CHT)는 중심 자기장 코어 부분을 줄인 홀 추력기로 플라즈마 부피 대비 표면적 비율을 향상시켜 저전력 공정에서 더 장점이 있을 수 있다.
홀 추력기는 원통 대칭구조를 가지고 있으며 방위각 방향으로 균일한 플라즈마를 발생시킨다. 추력기 양극은 방전 공간으로 연료가스를 공급하도록 설계되며, 공급에 있어 방위각 균일도는 양극 설계에서 있어 가장 중요한 인자 중의 하나이다. 플라즈마 방전 이미지로부터 연료 가스의 밀도 분포를 재구성하는 수학적 방법을 개발하였다. 재구성한 분포는 EECM 기법을 이용하여 분석하였고, 홀 추력기의 설계 최적화를 수행하였다.
ExB 진단계 스펙트럼으로부터 이온에너지분포함수(IEDF)를 재구성하는 수학적인 방법을 개발하였다. 원통형 홀 추력기 플라즈마의 측정 스펙트럼에서 재구성한 이온에너지분포함수에서 고속이온에 의한 꼬리(high-energy tail)가 확인되었고, 대부분 일가 이온에 의한 영향임을 규명하였다. 방전조건에 대한 매개변수로 분석하여, 이온체류시간 주파수(360 kHz)로 진동하는 방전 전류와 강한 연관성이 있음을 확인하였다. 해석적 및 수치적 분석을 통해 이온에너지분포함수의 꼬리 형성이 이온체류시간 필드 진동에서 비선형적 가속되는 이온에 기인함을 밝힌다.
