Electric propulsion (EP) system of space missions including orbit maintenance of satellites is expanding based on their high specific impulse. Due to the characteristics of an electric thruster that exhausts plasma in a plume, some of the exhausted ions may cause a backflow phenomenon. The backflow of ions is known to cause damage to satellite payloads and optical equipment. A precise analysis of the ion backflow phenomenon is necessary. In the presence of background gas such as ground facility and the Very-Low-Earth-Orbit, the backflowing ion current might be increased by plume-background gas interaction. In this study, particle-based numerical simulation is performed to investigate the interaction between the EP plume and the background flow. Hybrid numerical simulation code is developed based on Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) and Particle-In-Cell (PIC). The hybrid PIC-DSMC simulations are performed in a 2D axi-symmetric domain with various operating conditions; perfect vacuum, ground facility, and VLEO. It is verified by comparing with ground and flight test data. The increment of ion backflow due to background gas is observed from simulation results under the conditions of the ground facility. The chemical composition and flow characteristics of the upper atmosphere are investigated to analyze the dynamics of the EP plume under VLEO conditions. Furthermore, exhaust conditions of the atmosphere-breathing electric propulsion (ABEP) which intakes the upper atmosphere as a propellant are determined. A predictive analysis of the ABEP plume dynamics consisting of the ionized atmosphere is performed.

전기추력기는 화학 추력기에 비해 높은 비추력을 나타내는 특성을 바탕으로 인공위성의 궤도 보정 등 우주 임무에 그 적용이 확대되고 있다. 플라즈마를 플룸 형태로 배기하는 전기추력기의 특성으로 인해 고속으로 배기되는 이온 중 일부가 위성체 방향으로 역류하는 현상이 발생할 수 있다. 배기 이온의 역류는 위성 탑재체 및 광학 장비에 손상을 일으키는 것으로 알려져있는 만큼 이온 역류 현상에 대한 정밀한 분석이 필요하다. 전기추력기를 주변에 잔존 기체가 존재하는 지상의 진공 시험 설비나 지구 초저궤도 위성에서 운용하는 경우, 플룸-배경 기체 상호작용으로 인해 이온의 역류 현상이 심화될 수 있다. 본 연구에서는 이러한 전기추력기 플룸과 배경 유동의 상호작용을 규명하기 위해 입자 기반의 전산 모사를 수행하였다. 몬테카를로 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)과 Particle-In-Cell(PIC)방법을 통합하여 하이브리드 PIC-DSMC 방법 기반의 해석 코드를 개발하고 2차원 축대칭 영역에서 플룸 해석을 수행하였다. 해석 결과를 지상 및 비행 시험 데이터와의 비교 검증을 통해 해석 정확도를 검증하였으며, 진공 시험설비 조건을 반영한 해석을 통해 배경기체에 의한 이온 역류 현상의 증가를 확인하였다. 지구 상층 대기의 화학 조성 및 유동성질에 대해 조사하고 이를 해석에 반영하여 지구 초저궤도에서 전기추력기의 플라즈마 플룸이 나타내는 특성에 대해 분석하였다. 더나아가, 초저궤도 위성에서 상층 대기를 흡기하여 추진제로 사용하고자 하는 공기-흡입 전기추력기의 배기 조건을 상정하고, 이온화된 대기로 이루어진 플룸 거동에 대한 예측 분석을 수행하였다.