高功率等离子体电推进技术研究进展

孙新锋，温晓东，张天平

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

高功率等离子体电推进技术研究进展

孙新锋，温晓东，张天平

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

高功率场反构型等离子体推力器具有高比冲、长寿命、大推力、高功率和高效率的特点，是未来深空探测任务最具竞争力的推进方案之一。针对国内外当前高功率电推力器的技术研究现状，分析了场反构型等离子体推力器的优势。结合场反构型等离子体电推力器的结构和工作原理，梳理了高功率场反构型等离子体的产生、等离子体约束和控制、地面测试设备等关键技术，从性能提升的角度分析了场反构型等离子体推力器的发展趋势，为我国高功率等离子体推力器技术研发提供参考。

场反构型；电磁推力器；高功率

0 引言

高功率电推力器具有大推力、高比冲和高效率的特点。采用高功率电推力器动力装置可极大提升空间飞行器的任务载荷，缩短任务时间，降低任务成本并提高任务效率。此外，高功率电推进技术还具有比重小、推功比大、性能零活可调、任务适应能力强等显著优点，采用长时间连续工作的方式可以使航天器达到化学推进难以企及的飞行速度。因此，高功率推力器是极具发展前景的推进技术之一。

高功率电推进系统，由于其功率更高，在关键技术、能力水平和研究方案等方面均与中小功率推力器存在较大差别，难度也大幅度提升。尽管如此，美国于上世纪五六十年代已率先开展了高功率电推进技术的研究，经过几十年的发展，在高功率等离子体推进技术领域积累了丰厚的经验和基础，设计研发了多种不同类型的推力器，为空间高功率电推进的应用提供了良好的条件。国内目前也在广泛开展高功率推力器的研究工作，但技术水平与国外差距较大。通过梳理国内外高功率推力器的研究现状，着重介绍了一种新型高功率场反构型电推进系统的优势及其发展趋势，为我国高功率等离子体推力器的研发提供借鉴。

1 国内外高功率推力器的发展现状

具备大推力密度和高比冲的高功率电推力器，是开展空间探测任务所必需的先进航天动力装置，应用前景广阔。当前世界各航天大国都在开展高功率电推力器的研发工作，已经成功研制了多款不同工作原理的推力器样机。其中可应用于兆瓦级高功率的推力器主要有五种，分别为磁等离子体推力器（MPDT）、可变比冲磁等离子体火箭（VAS⁃MIR）、脉冲诱导等离子体推力器（PIT）、无电极场反构型洛伦兹力电磁推力器（ELF）和双阶-四栅离子推力器（DS4G）。其中MPDT、VASMIR、PIT和ELF均属于电磁推力器的范畴，DS4G属于静电类型的推力器，文章分别介绍其发展状况。

1.1 磁等离子体推力器

MPDT是利用大电流阴极放电电离工质气体产生高密度等离子体，并利用等离子体电流和磁场产生的洛伦兹力加速和排出等离子体而产生推力，如图1所示。上世纪60年代，美国就已经开始了MPDT的研发工作，随后欧洲、俄罗斯和日本等国家也相继启动了相关研究[1-2]。上世纪80年代后，随着AF-MPDT（Applied Field MPD Thruster）的优势凸显，AF-MP⁃DT逐渐成为国际上主流的研究对象，主要集中于高功率（大于100 kW）、长寿命、适用于行星探测和环地轨道大载荷任务的AF-MPDT研究。

图1 MPDT剖面图Fig.1 Cross-section of MPDT

2011年意大利比萨大学研制的0.17 MW AFMPDT以氩气作为推进剂的试验结果显示，性能可以达到推力3.5 N、比冲3 000 s、整机效率28%。意大利Alta公司研制的脉冲准稳态MPDT的性能为：功率0.1 MW、推力2.5 N、比冲2 500 s[2]。德国斯图加特空间系统组研制的AF-MPDT DT-6，选用氩气作为推进剂进行试验，结果表明：功耗为0.55 MW，推力高达27 N，整机效率为27%[3]。俄罗斯莫斯科航空学院分别研制了30 kW、130 kW和200 kW的AF-MPD推力器，电流高达3 kA，应用磁场强度为0.112 T，效率可达45%[2]。

美国普林斯顿大学研制的AF-MPD推力器性能为：功率0.25 MW、比冲6 200 s、整机效率为60%。美国NASA喷气推进实验室和普林斯顿大学建造了锂工质MPD推力器实验设施，NASA建造了适用于氢等气体的实验设施[2]。

北京航空航天大学研制了20 kW的AF-MPDT，并进行了地面试验。在18.7 kW功率时，推力器正常点火放电超过15 min[4]。目前，北京航空航天大学与北京控制工程研究所正在联合开展50 kW级MPDT的原理样机研制，预计2017年下半年点火。

尽管MPD的研究取得了长足的进展，但短期内还存在难以克服的困难。特别是“Onset”等离子体不稳定问题和大电流阴极的腐蚀问题，成为制约高功率MPD实现应用的主要因素。

1.2 可变比冲磁等离子体火箭

VASIMR推力器是利用射频螺旋波放电产生高密度等离子体，通过离子回旋波共振加热（ICRH）和加速等离子体，最后在磁喷管的约束下，将高速和高温等离子体径向能量转化为轴向的等离子体动能喷出从而产生反推力[5]。VASIMR的概念是1979年由美籍华人张福林首次提出，当前国际上主要的研制单位为美国Ad Astra Rocket公司（AARC）[6]。美国先后研发了 VX-10[7]、VX-50[8]、VX-100[9]、VX-200[10]等多款VASIMR原理样机（如图2所示）。2009年最新研制的VX-200采用氩气工质的性能指标为：功率0.21 MW、推力5.8 N、比冲5 500 s、效率72%[11]。

图2 VASIMR推力器样机图[11]Fig.2 Prototype of VASIMR

西安航天动力研究所完成了4 kW螺旋波源、离子回旋共振系统、磁喷管试验和关键技术的验证，以及50 kW的HiMPE发动机系统集成设计[12]。已开展30 kW发动机系统点火试验和性能测试[13]。

VASIMR的突出特点是比冲连续可调，能够运行在大推力、低比冲或小推力、高比冲两种模式。此外，还具有推进工质多元化、推力效率相对较高和寿命长等显著特色。但是系统结构复杂、尺寸庞大、磁场强度高，存在由于使用超导线圈需要配备专用的低温冷却系统等问题。因此，VASIMR的复杂性、大尺寸和大质量极大制约其发展。

1.3 脉冲诱导等离子体推力器

PIT的概念由Dailey等[14]首先提出，是利用加速线圈的高压脉冲电流放电击穿工质气体产生等离子体，加速线圈诱导等离子体形成逆磁电流面，与线圈电流反向的等离子体电流面通过电磁相互作用被排斥并加速，从而产生反推力。

图3为PIT样机，其性能为：比冲2 000～8 000 s，效率约50%；基本参数为：加速线圈直径1 m，电压15 kV，脉冲能量4 kJ[14]。2004年NASA联合美国诺斯洛普格鲁曼太空技术公司（NGST）和喷气推进实验室（JPL）等，开展核电脉冲诱导等离子体推力器（NUPIT）的研发[15]，NUPIT的功率为200 kW、比冲3 000～10 000 s、效率70%。PIT的优点是无电极溅射腐蚀、推进剂多样、推力和比冲稳定可调。尽管PIT的研究积累了丰富的理论基础和实践经验，但还存在许多技术瓶颈没有解决，如开关、电源和注气系统的寿命、推进剂电离率和加速效率偏低等问题[15]。

栅格数据处理库（Geospatial Data Abstraction Library，GDAL）是一个在X／MIT许可协议下的开源栅格空间数据转换库。它利用抽象数据模型来表达所支持的各种文件格式。它还有一系列命令工具来进行数据转换和处理。

图3 脉冲诱导等离子体推力器样机图[14]Fig.3 Prototype of PIT[14]

国内仅有国防科技大学在开展PIT的研发工作，已经完成了脉冲气体注气供应阀电-机械转换器、推力器感应线圈及放电回路的一体化设计、脉冲开关和电容器等方面的研究[17]。

1.4 新型无电极电磁推力器

ELF推力器是由美国MSNW公司发展的一款新型电磁推力器，如图4所示，采用非感应射频旋转磁场（RMF）驱动等离子体电流（jθ）产生场反构型（FRC）等离子体，等离子体电流和径向磁场（Br）产生的洛伦兹力（jθBr）加速并排出等离子体而产生反推力[18]。

图4 ELF推力器点火放电图Fig.4 The discharging of ELF Thruster.

MSNW公司2008年研制了第一代FRC等离子体构型的ELF电磁推力器，测试结果为单脉冲元冲量0.3 mN·s，采用空气作为推进剂的效率为30%，比冲为1 500 s[19]。ELF-v2是第二代推力器，2012年研制成功，长度2 m，锥角12°，直径20 cm，电压2 800 V，比冲5 000 s，ELF-v2验证了水作为推进剂的可行性[19]。ELF-300是另一款ELF推力器，锥厚5 mm，锥角8°，半径14 cm，长度42 cm，采用氮气工质的比冲为6 000 s，元冲量1 mN·s，效率50%。ELF-160是ELF-v2的改进产品，锥厚3 mm，锥角12°，半径8 cm，长度20 cm，功率30 kW，验证了H2O、CO2、CH4和火星大气作为推进剂的可行性。

MSNW公司还研发了尺寸更小的电磁等离子体团推力器（EMPT），如图5所示。EMPT馈入能量1 J/每脉冲，直径44 mm，长度0.1 m，推力器功率5 kW时比冲4 000 s，元冲量为0.02 mN·s[20]。

图5 无电极洛伦兹力EMPT推力器放电图Fig.5 The discharging of electrodeless Lorenz force EMPT

1.5 双阶-四栅极离子推力器（DS4G）

2005年Fearn提出双阶-四栅（DS4G）离子推力器的原始构想[21]，四栅结构如图6所示，通过将离子的提取和加速阶段分离，保持提取离子密度不变的前提下通过增加电压而获得高电流密度，进而提高推力密度，从而提升推力和比冲。理论上最大加速电压可达80 kV。因此，DS4G在现有离子推力器的基础上可以极大提升推力和比冲，是高功率推力器备受关注的发展方向。

澳大利亚大学ESA-ESTEC推进实验室2005年11月和2006年5月分别完成了5 cm直径圆柱放电室双阶-四栅系统两阶段的试验[21]，验证了DS4G的实际可行性。试验加速电压30 kV，工质为氙气，束流发散角2～4°，比冲14 000～15 000 s，推力密度8.4 mN/cm2，功率密度740 W/cm2，总效率70%。

图6 双阶-四栅结构示意图Fig.6 The structure sketch map of DS4G

DS4G的优点十分显著，但高电压对栅极的要求更加苛刻，能在超高功率下耐高压和耐热形变，这对栅极材料和工艺提出了极高的要求，短期内是一个难以解决的工程难题。国内兰州空间技术物理研究所和哈尔滨工业大学在开展DS4G的研究。

综上所述，当前世界各航天强国都在积极开展高功率等离子体推力器的研发，研制了MPD、VAS⁃MIR、PIT、ELF和DS4G等五种兆瓦级的推力器原理样机，掌握了多种高功率推力器的关键核心技术，为未来深空探测任务的应用提供了技术支撑。

2 ELF推力器的工作原理及其优势

2.1 ELF推力器的组成和工作原理

ELF推力器的结构剖面如图7所示，主要由石英锥形腔体、脉冲注气阀、射频预电离系统、水平和垂直的两组RMF天线、分段轴向场线圈以及增强径向磁场的流通量环组成。石英腔为主放电室，注气阀控制工质气体的流率，预电离系统提供种子等离子体，RMF进一步电离工质气体并诱导径向磁场约束和加速等离子体，轴向场线圈和流通量环用于等离子体的控制和约束。

图7 ELF推力器的剖面结构图Fig.7 Cross-section of ELF thruster

ELF的工作原理：中性工质气体经过射频预电离系统放电产生原初等离子体，RMF射频天线进一步电离中性气体产生高密度等离子体，并通过环向旋转磁场驱动电子形成环向逆磁电流；旋转磁场、轴向磁场和逆磁电流经过非线性耦合相互作用，磁力线局部被撕裂并重联产生FRC等离子体团，实现等离子体的高效约束。逆磁电流和径向的梯度磁场产生轴向的洛伦兹力加速等离子体团，使其向下游加速和扩展并快速排出产生反推力。ELF推力器推力产生主要是通过不断快速形成和排出的高速FRC等离子体团实现。

2.2 ELF推力器的优势

表1给出了四种不同电磁推力器在200 kW功率时的性能参数，从比冲、推力、效率、比重和外形尺寸方面进行对比，ELF均占有显著的优势，更具发展潜力。尽管MPD的参数与ELF相近，但因寿命较短，严重制约了MPD的应用。从表1中可以看到ELF的最大推力可达18 N，理论效率高达85%，比重为0.25 kg/kW，直径为0.38 m，长度为0.5 m。需要说明的是，DS4G因电极腐蚀问题，寿命有限，且缺乏相关实验数据，因此表1中没有进行对比。

场反构型ELF推力器是一种新型电磁推进系统，兼具高功率、高比冲和大推力等优点的同时，可运行在10 kW～MW功率水平、性能优异。ELF比冲在1 000～8 000 s，等离子体密度高达1018～1020m-3，推进剂电离率高、寿命长、无侵蚀、溅射和羽流污染问题，推进剂使用范围广，效率高（85%），比重小（0.25 kg/kW），已成为国际上开展深空探测任务极具发展潜力的推进方案之一。ELF的这些特点使其能够完全满足我国深空任务对高功率电推进系统的需求。

图8是MSNW公司测量得到的ELF推力器磁场拓扑结构，其强度小于0.1 T，相较于VASIMR推力器的特斯拉量级磁场，ELF的磁场较容易实现。

表1 四种不同推力器的性能参数比较[15，18，22]Table1 The performance comparisons of four different electric thrusters

图8 ELF推力器的背景磁场拓扑结构图[10]Fig.8 The background magnetic field distribution of ELF thruster

3 高功率场反构型等离子体推力器发展趋势

高功率场反构型等离子体电推进作为一种新型的推进技术，与传统的离子、霍尔等中小功率以及MPD、PIT和VASMIR等高功率电推力器相比，ELF推力器在工作原理、技术方案和测试手段等方面均存在较大差别。通过调研国外研究情况，初步分析了高功率ELF的关键技术，并梳理了其未来的发展趋势。

3.1 高功率场反构型等离子体的产生

高功率场反构型ELF推力器严格意义上来讲也属于脉冲等离子体推力器的一种，通过RMF驱动电流不断快速形成和排出FRC等离子体而产生反推力，ELF和PIT的区别是等离子体电流的产生方式，ELF是通过RMF射频诱导驱动，而PIT是通过脉冲感应的方式（∝ΔФ）。FRC构型的优劣对于工质气体的电离率和等离子体的约束效果存在直接影响，因此场反构型等离子体高效的产生是ELF推力器工作的基础和前提，是首要解决的关键技术。

ELF的FRC等离子体构型是通过轴向磁场、RMF射频旋转磁场和等离子体三者之间非线性相互耦合作用从而到达的一种动态平衡结构，要求三者之间高度匹配。但ELF是脉冲工作模式，轴向场和RMF均存在一个短暂的电流爬升时间，且脉冲注气和预电离系统也存在一个短暂的响应时间，这对控制和电源技术提出了很高要求，特别是FRC的产生时间在微秒量级，控制技术是必须要考虑的因素。

3.2 高功率场反构型等离子体约束和控制

ELF等离子体主要通过FRC等离子体磁压和热压的平衡而实现其稳态约束和控制，因此ELF推力器的磁场位形和大小决定了FRC构型等离子体的约束性能和控制效果。同时轴向磁场的磁梯度场对等离子体的扩展、加速和排出也具有重要的作用，决定了等离子体热能向轴向动能的转换（相当于磁喷嘴）效率。所以，高功率ELF等离子体约束和控制也即磁拓扑结构优化设计是ELF的一个重要关键技术。

磁场对等离子的约束和控制是一个动态平衡的过程，一旦局部平衡被打破、约束和控制将难以维持。当前的理论和试验研究已经证明，在磁化等离子体内部存在着许多本征不稳定性，且这些不稳定性均存在一定的阈值功率，当输入功率超过其阈值时，不稳定在时间和空间上以指数形式快速增长，从而导致局部失衡进而诱导等离子体破裂。破裂的危害一方面是推力器难以正常工作，另一方面是产生的高能粒子会对飞行器关键部组件造成损伤。高功率等离子体的不稳定性是ELF推力器等离子体约束和控制必须考虑的一个因素。

3.3 高功率场反构型推力器地面测试设备

高功率ELF推力器的地面试验和测试是推力器研发必不可少的环节，根据推力计算式（1）：

可以看到在工质出口速度（u）有限的情况下，推力器的推力随质量流率（M˙）的增大而增大。而当前国内外高功率（＜50 kW）的离子推力器，其质量流率最大也在10 mg/s左右[23]。从表1中给出的200 kW功率ELF推力器的推进剂流率可知，氙气的最小流率为140 mg/s，这是离子推力器的14倍，如果ELF功率超过兆瓦，其工质流率会成百倍的增加。这对地面真空试验测试设备提出了更高的考验，要求抽气能力也相应呈十倍甚至百倍的增加。此外，高功率推力器的羽流强度较主流的离子推力器也有极大的提升，要求地面真空设备的尺寸也大幅提升，这对高真空设备同样提出了巨大挑战。

3.4 高功率场反构型推力器发展趋势

高功率场反构型推力器的研发还处在起步阶段，主要的发展方向仍以其性能和效率的提升为目的，归纳可分为六个方面：

（1）等离子体约束时间提升。当前采用RMF射频驱动的ELF推力器，等离子体约束时间相对较短（≤3 μs），严重影响其加速效果和推力器性能。通过优化FRC等离子体的约束性能提升等离子体约束时间，可显著提升ELF的比冲和推力[19]；

（2）中性气体夹带。在任务确定、比冲完全满足的情况下，高功率ELF通过在FRC等离子体团下游注入中性气体，利用动量守恒适当减少推力器比冲，可以极大提升ELF的推力，同时中性气体夹带还可以起到热转移缓解和推力效率提升的作用[24]；

（3）径向磁场增强。ELF推力器主要通过角向电流和径向磁场耦合产生的洛伦兹力来加速和排出等离子体产生反推力。通过采用永磁体外加磁场的方式，能够显著增大ELF径向磁场的强度，从而增大洛伦兹力，进而提高ELF推力器的性能[25]；

（4）ELF的高重复频率脉冲稳态运行。ELF推力器的寿命受制于高频脉冲注气阀，研制超高寿命脉冲注气阀是一条可行的解决途径，但是难度极大。若能实现ELF推力器的脉冲重复频率准稳态运行，采用连续注气方式，可消除ELF对脉冲注气阀的依赖，实现超长寿命[26]；

（5）推进剂共用技术实现。ELF对推进剂的适用范围广，但是存在不同推进剂的共用管理问题。解决ELF固态、液态和气体推进剂的贮存、控制和管理共用技术，可极大拓宽ELF的任务区间[27]；

（6）RLC回路优化。通过增加回路电感而增加RMF峰值电流和电流爬升与等离子体反转时间，进而提升FRC电路驱动效率和约束效果。通过控制脉冲电源电压和电容来实现RLC电路的阻抗和调谐匹配，从而增大电流驱动效率，进而提升ELF推力器性能。

4 总结

在调研国内外高功率等离子体电推力器研究现状的基础上，着重介绍了一种新型高功率ELF场反构型电磁推力器的研究进展、组成结构和工作原理，对比分析了ELF的显著性能优势和发展潜力，初步梳理了ELF的关键技术难点及其潜在的发展趋势，丰富了我国高功率电推力器的发展途径，为推动我国高功率电推进系统的研发提供参考。

相较于其他类型的高功率推力器，ELF场反构型等离子体推力器的提出和发展时间均较短，我国与国外差距虽然明显但并不突出。通过进行深入的技术研究和开展广泛的合作，有望在短期内追赶和比肩国外技术水平，促进我国高功率电推进技术的进步，为深空探测任务打下坚实的基础。

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THE STUDY OF HIGH POWER PLASMA ELECTRIC PRPULSION TECHNOLOGY

SUN Xin-feng，WEN Xiao-dong，ZHANG Tian-ping
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Field Reversed Configuration（FRC）plasma thruster with high specific impulse，long lifetime，large thrust，high power and high efficiency is the best choice for space exploration.The significant advantages of FRC plasma thruster has been shown according to the comparisons of the main high power thrusters in the world at present.On the basis of the structure and working principle of FRC，the key technologies such as the production of FRC plasma with high power，the confinement and control of the plasma，the test system on ground are extracted.The development trend of the FRC plasma thruster is predicted by the view of the advancement of its performance，and which provides a reference for the research of the high power plasma thruster.

field reversed configuration；electromagnetic propulsion；high power thruster

V439+.2

A

1006-7086（2017）06-0311-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.06.001

2017-08-02

装备预研重点实验室基金（61422070306）、国家自然科学基金（61702209）

孙新峰（1988-），男，河南洛阳人，博士研究生，主要从事空间推进物理与技术研究。E-mail：xinfenghappy@126.com。