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Study on Anomalous Electron Diffusion in the Hall Effect Thruster
Kybeom Kwon,Mitchell L. R. Walker,Dimitri N. Mavris 한국항공우주학회 2014 International Journal of Aeronautical and Space Sc Vol.15 No.3
Over the last two decades, numerous experimental and numerical efforts have examined physical phenomena in plasma discharge devices. The physical mechanisms that govern the anomalous electron diffusion from the cathode to the anode in the Hall Effect Thruster (HET) are not fully understood. This work used 1-D numerical method to improve our understanding and gain insight into the effect of the anomalous electron diffusion in the HET. To this end, numerical solutions are compared with various experimental HET performance measurements and the effects of anomalous electron diffusion are analyzed. The relationships between the anomalous electron diffusion and important parameters of the HET are also studied quantitatively. The work identifies the cathode mass flow rate fraction, radial magnetic field distribution, and discharge voltage as significant factors that affect anomalous electron diffusion. Additionally, the study demonstrates a computational process to determine the radial magnetic field distribution required to achieve specific thruster performance goals.
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권기범(Kybeom Kwon) 한국항공우주학회 2020 韓國航空宇宙學會誌 Vol.48 No.10
2019년 10월 발사된 Northrop Grumman사의 MEV-1(Mission Extenstion Vehicle)은 세계 최초의 무인임무로서 궤도상 유지보수(On-Orbit Servicing)가 실질적으로 가능함을 보였다. 물론 궤도상 유지보수 임무는 수십 년 전부터 제안된 개념으로 운영 중인 위성에 대한 궤도수정 및 유지, 추진제/장비 보급 및 업그레이드, 수리, 궤도상 조립 및 제작, 우주잔해 처리 등 다양한 임무개념으로 발전되고 있으며, 이번 MEV-1 임무의 성공으로 향후 세계적으로 정부기관 및 민간분야 위성사업에서의 시장이 확대될 것으로 예상된다. 궤도상 유지보수 임무는 임무의 특성상 기본적으로 고효율의 전기추진시스템의 활용은 필수적이다. 본 연구에서는 전기추진시스템 중 홀추력기를 활용한 간단한 궤도상 유지보수 임무에 대한 임무해석 내용을 소개하고자 한다. 임무사례로서 정지궤도위성의 수명연장 임무에 대해 다양한 홀추력기 설계변수조합에 대한 설계공간탐색을 수행하고, 설계공간분석 및 최적화를 통해 고려하는 임무에 적합한 홀추력기의 설계 및 운용 파라미터를 제안함과 동시에 임무성능을 도출하였다. 추가적으로 현재 궤도상 유지보수 임무해석 시 개선점과 홀추력기를 활용한 우주임무해석에서의 발전방향을 고찰하였다. Launched in October 2019, Northrop Grumman’s MEV-1 was the world’s first unmanned mission demonstrating the practical feasibility of on-orbit servicing. Although the concept of on-orbit servicing was proposed several decades ago, it has been developed to various mission concepts providing services such as orbit change, station keeping, propellant and equipment supply, upgrade, repair, on-orbit assembly and production, and space debris removal. The historical success of MEV-1 is expected to expand the market of on-orbit servicing for government agencies and commercial sectors worldwide. The on-orbit servicing essentially requires the utilization of a highly propellant efficient electric propulsion system due to the nature of the mission. In this study, the space mission analysis for a simple on-orbit mission involving Hall thruster is conducted, which is life extension mission for geostationary orbit satellites. In order to analyze the mission, design space exploration for various Hall thruster design variable combinations is performed. The values of design variables and operational parameters of Hall thruster suitable for the mission are proposed through design space analysis and optimization, and mission performance is derived. In addition, the direction of further improvement for the current on-orbit mission analysis process and space mission analysis involving Hall thruster is reviewed.
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Study on Anomalous Electron Diffusion in the Hall Effect Thruster
Kwon, Kybeom,Walker, Mitchell L.R.,Mavris, Dimitri N. The Korean Society for Aeronautical and Space Scie 2014 International Journal of Aeronautical and Space Sc Vol.15 No.3
Over the last two decades, numerous experimental and numerical efforts have examined physical phenomena in plasma discharge devices. The physical mechanisms that govern the anomalous electron diffusion from the cathode to the anode in the Hall Effect Thruster (HET) are not fully understood. This work used 1-D numerical method to improve our understanding and gain insight into the effect of the anomalous electron diffusion in the HET. To this end, numerical solutions are compared with various experimental HET performance measurements and the effects of anomalous electron diffusion are analyzed. The relationships between the anomalous electron diffusion and important parameters of the HET are also studied quantitatively. The work identifies the cathode mass flow rate fraction, radial magnetic field distribution, and discharge voltage as significant factors that affect anomalous electron diffusion. Additionally, the study demonstrates a computational process to determine the radial magnetic field distribution required to achieve specific thruster performance goals.
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권기범(Kybeom Kwon),이강현(Kanghyun Lee),조예랑(Ye Rang Cho),지완구(Wan Gu Ji),김규홍(Kyu Hong Kim) 한국항공우주학회 2022 韓國航空宇宙學會誌 Vol.50 No.3
세계적으로 500 kg 급 이하의 소형위성에 대한 수요가 늘어남에 따라 전용 소형발사체에 대한 개발과 운용이 크게 증가하고 있다. 소형위성을 원하는 시간에 목표로 하는 궤도에 투입하는 발사체의 신속한 대응성이 주목받고 있으며, 신속한 위성군 구축 측면에서 공중발사 방식에 대한 관심이 증대되고 있다. 본 연구에서는 국내 소형위성군의 수요가 증가함에 따라 우리나라 및 주변 지리적 환경을 고려하여 공중발사체의 활용가능성에 대한 분석을 수행하였다. 대응성 측면에서 공중발사체와 지상 소형 및 대형발사체에 대해 임무 대응시간을 비교, 분석하고, 발사체의 궤도투입 성능 측면에서 공중발사체와 지상 소형발사체를 정량적으로 비교, 분석하였다. 분석결과, 공중발사체는 신속한 위성군 구축 관점에서 우리나라의 경우 실질적인 대응성은 제한되나 상대적으로 빠른 턴어라운드 시간과 낮은 경사각의 궤도 투입 시 효과적인 대안이 될 수 있다. 또한, 궤도투입 성능은 지상 소형발사체의 성능에 근접할 뿐만 아니라 요구 추진제 질량 측면에서 높은 효율성을 나타내어 국내 소형위성군의 궤도투입에 효과적인 발사수단으로 평가된다. As the global demand for small satellites weighing less than 500 kg increases, the development and operation of dedicated small launch vehicles increase significantly. The responsiveness of a launch vehicle that puts a small satellite into a target orbit at the desired time is attracting attention. As a result, interest in the air launch is increasing in the rapid establishment of a constellation. As the demand for small satellites in south Korea increases, this study performed analyses on the applicability of an air launch vehicle using a large civil aircraft considering the geographical environment. In terms of responsiveness, mission response times were compared and analyzed for air launch vehicles and ground small and large vehicles. In addition, an air vehicle and a small ground vehicle were quantitatively compared and analyzed for the orbital insertion performance. As a result of the analysis, the air launch vehicle has limited responsiveness in Korea regarding rapid satellite constellation establishment. However, it can be an effective alternative for low inclination angle orbit insertion with the benefit of a fast turnaround time. Furthermore, the performance of the orbital injection is close to that of the ground small launch vehicle, and the high efficiency in terms of the required propellant mass is possible, so air launch can be an effective launch means for putting small satellites into orbit in Korea.
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권기범(Kybeom Kwon) 한국항공우주학회 2011 韓國航空宇宙學會誌 Vol.39 No.12
기존의 홀추력기 개념 설계는 비용이 많이 소요되며 과거의 데이터에 기반한 실험적 방법에 근거하고 있다. 본 연구에서는 이러한 홀추력기의 설계 과정을 향상시키기 위해 최근 제안된 수치적 방법에 근거하여 설계 목적에 적합한 설계 공간을 설정하고 이에 대한 설계 공간 탐색을 수행하였다. 설계 공간 탐색의 결과를 통해 기본적으로 주어진 설계 공간에 대한 성능 범위를 결정하였으며 성능간의 관계를 분석하였다. 세부적인 결과 분석을 통해 홀추력기의 주요한 설계 변수로는 양극에서의 질량유량과 방전전압임을 도출하였다. Current design process for the Hall effect thruster has relied on expensive experimental method based on the limited historical data. In this study, a proper design space for the Hall effect thruster is chosen and associated design space exploration is conducted based on a recently proposed numerical method in order to improve current design process. According to the results of the design space exploration, performance envelope is determined for the given design space and the correlations between performance metrics are analyzed. Further analysis shows that main factors in performances for the Hall effect thruster are the anode mass flow rate and the discharge voltage.
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메타모델(Meta Model)을 활용한 시뮬레이터 구현충실도 향상 연구
조동현(Donghyurn Cho),권기범(Kybeom Kwon),설현주(Hyunju Seol),명현삼(Hyunsam Myung),장영찬(YoungChan Chang) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.10
비행 시뮬레이터에 사용되는 데이터베이스를 신경회로망을 이용한 메타모델로 대체함으로써 기존 시뮬레이터 대비 비행 한계점 부근 공력특성에 대한 구현충실도 및 실시간성을 향상시키고자 하였다. 임의의 비선형 데이터베이스에 대해 메타모델의 정확도가 기존 테이블 검색 방식에 비해 상대적으로 높음을 확인하였으며 특정 F-16 기동에 대한 시뮬레이션을 통해 계산속도도 향상됨을 확인하였다. 신경회로망을 이용한 메타모델에서 은닉노드 수의 증가는 데이터베이스에 대한 추정정확도를 향상시키지만 많은 계산 시간이 소요되는 지수함수 수의 증가로 인해 함수발생 속도가 지연되게 된다. 이를 보완하기 위해 빠른 지수함수 계산 방법을 적용하는 연구도 추가적으로 수행하였다. In this paper, a meta model using neural network substituting for the simulator aerodynamic database is proposed to improve simulation fidelity near the critical flight area and real-time performance. It is shown that the accuracy of the meta model is relatively higher than the existing table lookup methods for arbitrary nonlinear database and the calculation speed is also improved for a specific F-16 maneuver simulation. The increase in the number of hidden nodes in the meta model for better accuracy of database representations causes a delay in function generation due to increased time required for computing exponential functions. In order to make up this drawback, we additionaly study the fast exponential function method.
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