2편. 전기추진 시스템, 연료를 적게 쓰는 기술보다 ‘오래 작동하는 기술’이 중요한 이유

위성의 추진 시스템이라고 하면 강한 화염을 내뿜는 화학식 로켓엔진부터 떠올리기 쉽다. 그러나 궤도에 진입한 위성이 장기간 위치를 유지하고 충돌을 회피하거나 궤도를 변경할 때는 큰 추력보다 연료 효율이 더 중요하다.

이때 활용되는 대표 기술이 전기추진 시스템이다.

전기추진은 전기에너지를 이용해 추진제를 이온화한 뒤 전기장이나 자기장으로 가속해 추력을 발생시킨다. 순간 추력은 화학추진보다 작지만, 추진제 사용 효율이 높아 장기간 운용에 유리하다. 저궤도 군집위성, 초저궤도 위성, 심우주 탐사선, 궤도수송선 등에 적용할 수 있으며 화학추진 대비 5~10배 수준의 높은 비추력을 기대할 수 있다.

전기추진 시스템의 네 가지 핵심 구성

전기추진 시스템은 추력기 하나로 완성되지 않는다.

먼저 이온추력기는 방전챔버 안에서 추진제를 이온화하고 가속그리드를 통해 방출한다. 높은 비추력을 확보하기 좋지만, 그리드 침식과 수명 관리가 중요하다.

홀추력기는 서로 직교하는 전기장과 자기장을 이용해 추진제를 이온화하고 가속한다. 구조와 추력 특성의 균형이 좋아 상용 위성 적용이 확대되는 분야다.

음극 장치는 플라즈마 점화와 유지에 필요한 전자를 공급한다. 작은 구성품처럼 보이지만 전기추진 시스템의 점화 안정성과 전체 수명을 좌우할 수 있다.

마지막으로 전력처리장치인 PPU는 위성 버스에서 공급받은 전력을 추력기가 사용할 수 있는 고전압으로 변환한다. 추력기 효율이 높더라도 PPU에서 손실과 발열이 크게 발생하면 시스템 경쟁력이 떨어진다.

2026~2028년 개발 방향에는 약 3,000초 수준의 이온추력기 비추력, 5,000시간 이상의 수명, 300~1,500V급 고전압 변환, 92% 이상의 전력변환 효율과 같은 목표가 포함되어 있다.

성능 수치보다 수명시험이 어려운 이유

전기추진 과제를 검토할 때 흔히 최고 추력이나 비추력 수치가 앞에 나온다. 하지만 사업화 관점에서 더 중요한 것은 그 성능을 얼마나 오랫동안 안정적으로 유지하느냐다.

전기추진기는 플라즈마와 고전압을 사용하기 때문에 운용 시간이 누적되면서 전극, 그리드, 채널 벽면, 음극재 등이 서서히 열화된다. 초기 시험에서 정상 작동했다고 해서 수천 시간 뒤에도 같은 성능이 유지된다는 보장은 없다.

따라서 개발계획에는 단시간 성능시험뿐 아니라 누적 운전시험, 점화 반복시험, 열진공시험, 방사선 환경에서의 전력전자 신뢰성 검증이 포함되어야 한다.

제가 기술개발계획서를 볼 때도 ‘최대 성능을 달성했다’는 문장보다 성능 열화율, 고장모드, 수명시험 중간 데이터를 더 중요하게 본다. 우주 제품은 한 번의 최고 기록보다 반복 가능한 안정성이 가치가 크기 때문이다.

중소기업이 진입하기 좋은 분야

전기추진 시스템 전체를 독자 개발하려면 플라즈마 물리, 진공장비, 고전압 전력전자, 열설계, 정밀가공 역량이 모두 필요하다. 중소기업 입장에서는 처음부터 전체 시스템보다 핵심 구성품으로 접근하는 편이 현실적이다.

예를 들어 음극재, 고전압 전원모듈, 절연부품, 열제어 구조물, 유량제어기, 플라즈마 진단장비처럼 특정 성능을 전문화할 수 있다.

특히 PPU는 국내 전력전자 기업이 보유한 고효율 변환, 소형화, 열관리 기술을 우주 환경에 맞게 전환할 수 있는 분야다. 다만 일반 산업용 전원장치와 달리 방사선에 의한 오동작, 진공에서의 방전, 부품 수명과 중복 설계를 함께 해결해야 한다.

사업화의 마지막 관문은 비행검증이다

전기추진은 지상 진공시험만으로 상용 신뢰성을 모두 증명하기 어렵다.

실제 궤도에서는 플라즈마 거동, 위성 전력계통과의 간섭, 열 방출, 통신장비에 미치는 전자기적 영향이 복합적으로 나타날 수 있다. 결국 기술개발 이후 소형 위성에 탑재해 우주검증 실적을 확보하는 과정이 필요하다.

국내 공급망은 아직 해외 의존도가 높고, 해외 기업은 이미 다수의 우주검증 실적을 기반으로 시장을 선점하고 있다. 개발 속도뿐 아니라 비행검증 기회를 얼마나 빨리 확보하느냐가 경쟁력의 격차를 결정한다.

전기추진 시스템은 연료를 적게 쓰는 기술이 맞다. 그러나 실제 시장에서는 ‘적은 연료로 얼마나 오래, 고장 없이 작동했는가’를 증명하는 기업이 살아남는다.