원자력 전기추진을 이용한 화성탐사 궤도설계 현황

저자정보: 최수진 (한국기술교육대학교), 최모건 (과학기술연합대학원대학교)
저널정보: 한국추진공학회 2025년도 제64회 춘계학술대회 논문집
발행연도: 2025.5

1. 서론
   최근 화성 탐사를 위한 원자력 추진 시스템(NTP와 NEP)의 가능성이 논의되고 있다. 따라서 LEO에서 화상임무궤도(MMO)까지 NEP만으로 최소 시간 내 도달 가능한 지 분석해보고, 전체 비행경로를 포함한 설계를 해보았다.
   
2. 전기 추진 시스템 현황
   이온 및 홀 추력기는 높은 추력 대비 입력 전력을 자랑하지만, 이온 추력기보다 비추력(Isp)가 낮다. NASA가 개발한 XR-100 홀 추력기는 100kW의 전력으로 5N의 추력을 내며, 67%의 높은 효율과 2만 시간의 긴 수명, 낮은 질량 대비 전력(<5.0kg/kW) 등 우수성을 보인다. 홀 추력기는 고추력/고비추력이며, 간단한 구조와 열 관리가 용이해 화상 탐사에 최적으로 평가된다.
   
3. 지구-화성 전이궤적 설계
   KSLV-III가 화성 궤도에 보낼 수 있는 화물은 수백kg에 불과하다. 이를 해결하기 위한 고추력 NEP(핵전기추진)을 활용한 2차원 동역학 모델은 다음과 같다:
   

극좌표계 기반의 운동방정식을 활용해 계산한 궤적은 다음과 같다:

화성진입궤적은 지구탈출궤적과 다를게 없어서 생략.

4. 결론
   결론적으로 NEP 만으로도 LEO에서 MMO로 4N의 추력으로 약 295일 만에 도달가능하며, 이때 질량비는 46.45%이다.