KAIST, 우주용 전기추력기 ‘성능예측 모델’ 개발

 

 

 

▲ 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 만든 우주전기추력기(일명 홀추력기)의 동작 모습. 연구진은 홀추력기 성능을 예상할 수 있는 인공지능(AI) 예측모델을 개발하고, 자체 제작한 홀추력기 실제 모델을 통해 성능을 검증했다. (사진=KAIST)

 

우주발사체나 인공위성, 우주탐사 로봇 등이 우주공간에서 자세를 제어하고 추진력을 얻기 위해선 지금까지 ‘로켓’을 이용해야 했다. 효과적이지만 연료를 우주에 싣고 올라가야 한다는 단점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 전기에너지에서 추진력을 얻는 ‘홀 전기 추력기(홀추력기, Hall thruster)’ 개발이 진행 중이다. 전기로 플라스마를 발생시킨 다음, 여기서 튀어나오는 입자에서 추진력을 얻는 방식이다. 지금까지 스페이스X의 스타링크(Starlink) 군집위성이나 미국항공우주국(NASA)의 사이키(Psyche) 소행성 탐사선 등과 같은 여러 고난이도 우주 임무에 제한적으로 활용되고 있다.

 

이런 가운데 기존 홀추진기의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 국내 연구진이 개발했다. 한국과학기술원(KAIST) 원자력및양자공학과 최원호 교수팀은 인공지능(AI) 기법을 사용해 추력 성능을 높은 정확도로 예측할 수 있는 방법을 개발했다고 3일 밝혔다.

 

연구진은 이 기술로 제작한 홀추력기를 실제로 제작, 큐브위성(초소형 정육면체형 인공위성) K-HERO(케이-히어로)에 탑재해 오는 11월 4차 발사 예정인 한국형 우주 발사체 누리호에 실어 우주로 내보내 성능 검증을 진행할 예정이다.

 

홀추력기는 전기만 있으면 추진력을 얻을 수 있는 것이 큰 장점이다. 연료에 불을 붙여 가스를 내 뿜는 기존 로켓 추진 방식은 내장된 연료와 산소가 모두 소진되면 인공위성이나 우주탐사선, 우주로봇 등의 통제가 불가능해진다. 값비싼 우주 자원의 수명이 제한되는 것이다. 그러나 홀추력기를 동시에 사용하면 이런 문제를 최소화할 수 있어 최근 크게 주목받고 있다. 우주 환경에서 군집위성의 편대비행 유지, 우주쓰레기 감축을 위한 궤도이탈 기동, 우주탐사 로봇의 자세 제어, 먼 우주 탐사를 나가는 탐사선의 추진력 제공 등 다양한 임무에 폭넓게 쓰일 것으로 보인다.

 

홀추력기 성능을 극대화하고, 임무에 필요한 모델을 신속하게 개발하기 위해서는 설계단계에서부터 추력기의 성능을 정확하게 예측할 필요가 있다. 그러나 기존의 방식들은 홀추력기 내에서 복잡하게 일어나는 플라스마 현상을 정밀하게 다루지 못하거나, 특정 조건에 한정돼, 필요한 성능을 정확하게 구현하는 데 어려움이 있었다.

 

이에 KAIST 연구팀은 홀추력기의 설계, 제작, 시험의 반복 작업에 걸리는 시간과 비용을 획기적으로 줄이면서도 정확도를 크게 높일 수 있는 AI 기반 추력기 성능 예측기법을 개발했다.

 

최원호 교수팀은 2003년부터 국내에서 홀추력기 개발 연구를 처음으로 시작했으며, 이번 연구에선 자체적으로 개발한 AI 전기추력기 전산 해석 도구를 활용, 1만 8000개의 홀추력기 학습데이터를 인공신경망을 도입해 추력 성능 예측에 적용했다. ‘디지털 트윈(가상현실 실험모델)’ 형식으로 작동하며 수초 내로 짧은 시간 안에 추력기 성능을 예측할 수 있다.

 

연구팀은 10개의 홀추력기를 자체적으로 개발, 제작해 새로운 예측모델로 동작 정확도를 예측해 봤다. 그 결과 평균오차가 기존 기술에 비해 정확도가 한결 높은 것으로 나타났다. 자체 제작한 700W(와트)급 및 1kW(킬로와트)급 홀추력기에선 5% 이내의 평균오차를 보였으며, 미군연구소에서 개발한 5kW급 고전력 홀추력기에 대해선 평균오차 9% 이내의 정확도를 보였다. AI 예측기술이 다양한 전력 크기의 홀추력기에 폭넓게 적용할 수 있는 것을 입증한 것이다. 기존 수학분석 방식으로 알기 어려웠던, 자기장 등의 설계 변수에 따른 추력과 방전전류 변화 등의 성능 지표를 상세히 분석할 수 있는 것도 큰 장점으로 보인다.

 

최원호 교수는 “새롭게 개발한 AI 기반 성능 예측기법은 정확도가 높아 인공위성과 우주선의 엔진인 홀추력기의 추력성능 분석과 고효율 저전력 홀추력기 개발에 이미 활용하고 있다”며 “이 기술은 앞으로 홀추력기 뿐만 아니라 반도체, 표면 처리 및 코팅 등 다양한 산업에서 활용되는 이온빔 소스의 연구개발에도 접목될 수 있을 것”이라고 발했다.

 

이 연구성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 인텔리전트 시스템(Advanced Intelligent Systems)’ 2024년 12월 25일에 온라인판에 게재됐으며, 이후 저널 표지논문(front cover)으로도 채택됐다. 연구 제1 저자는박재홍 KAIST 원자력및양자공학과(우주탐사공학학제전공) 박사과정생이 맡았다. 한국연구재단 스페이스파이오니어사업(200mN급 고추력 전기추진시스템 개발)의 지원을 받았다.

 

 

 

▲ 우주전기추력기(일명 홀추력기) 관련 기술을 개발한 한국과학기술원(KAIST) 원자력및양자공학과 연구진. 왼쪽부터 김영호 박사과정생, 최원호 교수, 박재홍 박사과정생(사진=KAIST)

 

전승민 기자 enhanced@irobotnews.com

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