이온추력기 형상을 고려한 PIC-DSMC 기반 성능해석 = PIC-DSMC based Performance Analysis of an Ion Thruster Considering Geometric Parameters

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ion thrusters are crucial for extended space missions, including deep-space exploration, by offering high specific impulse, which drives the growing need for enhanced performance and accurate lifetime estimation. Conventional experimental research faces challenges, including the high cost and maintenance of vacuum chamber facilities and the difficulty of observing internal grid phenomena. To address these limitations, this study utilizes the Particle-In-Cell Direct Simulation Monte Carlo (PIC-DSMC) method to conduct a numerical simulation of the ion optics in an ion propulsion device.
The simulation results obtained using the improved pdFoam-based code were compared with the measured potential and ion number density distribution from prior research. The high degree of agreement successfully validated the code's fidelity. Detailed analysis were conducted on the physical phenomena within the ion optics and the influence of grid geometry changes.
When the accelerator grid voltage is insufficient, direct ion impingement on the upstream surface of the accelerator grid can occur, causing significant erosion. Furthermore, the accelerator grid voltage was confirmed to be a critical factor in determining the magnitude of the saddle point potential.
During extended operation, erosion and thermal expansion can result in dimensional changes of the grids. The effects of these changes in grid diameter and thickness were evaluated using an axisymmetric two-dimensional model for the screen-accelerator-decel grid system. The results showed that the neutral leakage increases in proportion to the grid diameter. Furthermore, the screen grid dimensions significantly influenced the sheath shape and location, while the accelerator grid played a crucial role in preventing electron backstreaming by affecting the saddle point potential.
The simulation results obtained in this study can serve as essential baseline data for the optimal design of ion thrusters and for ensuring performance reliability during long-duration missions.

국문 초록 (Abstract)

이온 추력기는 높은 비추력을 제공하여 심우주 탐사 등 장기간 우주 임무 에 필수적이며, 이에 따라 성능 향상 및 수명 예측에 대한 수요가 증대되고 있다. 또한, 기존 실험 연구는 가지는 진공 챔버 시설의 유지보수 등의 한계 및 그리드 내부 현상 분석의 한계 등을 가지고 있다.
이를 극복하기 위해, 본 연구는 PIC-DSMC(Particle-In-Cell Direct Simulation Monte Carlo) 기법을 활용하여 이온 추진기 이온 광학 시스템의 전산해석을 수행하였다. 개선된 pdFoam 기반 코드를 통해 얻은 전산해석 결과를 선행 연구의 전위 및 이온 수밀도 분포 측정값과 비교한 결과, 높은 일치도를 보여 코드의 타당성을 성공적으로 검증하였다. 확보된 신뢰성을 바탕으로, 이온 광학 시스템 내 물리적 현상과 그리드 형상 변화의 영향을 심층 분석하였다.
가속 그리드 전압이 증가할수록 플라즈마 시스가 스크린 그리드에서 멀어 지고 곡률이 증가하며 이온의 방사 방향 속도가 증가하는 현상을 확인하였 다. 특히, 가속 그리드 전압이 충분치 않을 경우 이온이 가속 그리드 상류 표면에 직접 충돌하여 심각한 침식을 유발할 수 있으며, 가속 그리드 전압 이 안장점 전위 크기를 결정하는 핵심 인자임을 확인하였다.
이온 추력기의 장기 운용 중에는 침식 및 열팽창이 발생하여 그리드의 형 상 수치를 변경시킬 수 있다. 이에 따라 그리드 직경 및 두께 변화의 영향 을 스크린-가속-감속 그리드 축 대칭 2차원 모델로 평가하였다. 해석 결과, 그리드 직경에 비례하여 중성 유출량이 증가함을 보였다. 또한, 스크린 그리 드의 형상 수치가 시스의 형태 및 위치에 크게 영향을 주고 가속 그리드가 안장점 전위에 영향을 미쳐 전자 역류 방지에 핵심 역할을 하였다.
본 연구의 전산해석 결과는 이온 추진기의 최적 설계 및 장기간 임무 수 행을 위한 성능의 신뢰성 확보에 중요한 기초 자료의 역할을 할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차 iii
• 그림 목차 iv
• ABSTRACT vi
• 제1장 서론 1
• 제1절 전기 추력기 개요 1
• 제2절 이온 추력기 역사 2
• 제3절 이온 추력기 구조 5
• 1. 플라즈마 발생부 5
• 가. DC 방전 5
• 나. RF 방전 6
• 2. 가속부 9
• 가. 공간 전하 제한 전류 10
• 3. 중화부 12
• 가. 텅스텐 필라멘트 12
• 나. 중공 음극 13
• 제4절 연구 배경 15
• 제2장 전산해석 방법 19
• 제1절 지배방정식 19
• 제2절 해석 기법 20
• 1. PIC 기법 20
• 가. Simple Model 23
• 2. DSMC 기법 24
• 가. 입자 모델 설명 25
• (1). 강구 모델 25
• (2). 가변 강구 모델 25
• 나. 충돌 쌍 선택 기법 27
• 3. 시공간 조건 28
• 가. 시간 조건 29
• 나. 공간 조건 30
• 제3절 pdFoam30
• 제3장 코드 검증 35
• 제1절 전산해석 조건 35
• 제2절 해석 결과 비교 38
• 제4장 그리드 전압의 영향 41
• 제1절 전산해석 조건 41
• 제2절 해석 결과 43
• 1. 시스에 대한 영향 43
• 2. 안장점 전위에 대한 영향 52
• 제5장 그리드 형상 수치의 영향 55
• 제1절 전산해석 조건 55
• 제2절 해석 결과 56
• 1. 기준 그리드 형상 결과 58
• 2. 스크린 그리드의 영향59
• 가. 스크린 그리드 직경 59
• 나. 스크린 그리드 두께 63
• 3. 가속 그리드의 영향 67
• 가. 가속 그리드 직경 67
• 나. 가속 그리드 두께 69
• 제6장 결론 71
• 참고문헌 73
• 부록 78
• [부록 1] 명명법 78
• 국문초록 82