用于空间站的螺旋波等离子体推进研究进展

夏广庆，张军军，陈留伟，余水淋，刘 佳，杭观荣

(1.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连116024；2.大连理工大学辽宁省空天飞行器前沿技术重点实验室，大连116024；3.上海空间推进研究所，上海201112)

1 引言

长期驻守的空间站会产生大量的废弃物，包括航天员呼吸产生的二氧化碳、新陈代谢排泄物、食品残余及包装袋和空间站生保系统废气物等，为了充分利用这些废弃物，目前空间站上已逐步开展和应用废弃物处理技术[1]将固态废弃物转化成气态物质(如 H2、CO2、CH4、H2O 等气体)。若将这些气态物质作为电推力器的推进工质，进一步产生空间站姿轨控所需的动力，可有效提高空间站的物质利用率，减少天地往返所需携带的推进工质量，为空间站的长期运行产生巨大的经济效益。

针对空间站废弃物的推进技术研究，早期有电阻推力器[2-5]和电弧推力器[6-9]。电阻推力器由于受限于加热元件或加热室的温度(决定工作寿命)，比冲性能较低；电弧推力器可以获得较高的比冲，但由于产生电弧必需存在电极，因推力器工作时电极的不断烧蚀限制了推力器寿命，对推进工质的选择也受到限制，当推进工质中含有氧元素(如水蒸气等工质)，电极的腐蚀加剧，寿命迅速下降。

为了克服上述推力器的缺点，一种基于无电极、电离效率高的螺旋波等离子体源的电推进系统得到了迅速发展，称为螺旋波等离子体推力器(Helicon Plasma Thruster，HPT)或螺旋波双层推力器(Helicon Double Layer Thruster， HDLT)。

螺旋波是在径向约束磁化等离子体中传播的右旋圆极化电磁波(RCP)，能够产生很高的等离子体密度，对于典型的氩气螺旋波等离子体(HWP)放电，射频功率为1～2 kW时，等离子体密度能达1019m-3，峰值密度甚至能达到1020m-3，且具有很高的电离度[10-11]。

HPT工作原理示意图如图1所示。HPT主要由射频功率源和射频匹配器、螺旋波天线、石英管、磁路系统、喷管和气路构成。典型的磁路系统由一对Helmholtz线圈构成，提供较为均匀的轴向磁场，在石英管的末端磁力线呈发散状。缠绕在石英管外的天线与射频功率源相连，典型的频率为13.56 MHz。电流流过天线激发了随时间变化的磁场，进而产生电场，电场加速气体中的自由电子直至发生电离，形成等离子体，基于螺旋波等离子体在膨胀磁场中存在的无电流双层效应加速离子形成高速离子束射流，从而产生推力[12]。无电流双层存在于两不同等离子体间的交界处，交界处的一边具有较高的密度和较高的电子温度，而另一边具有较低的密度和较低的电子温度。在交界处存在等离子体电势的突降即为双层效应[13]。

HPT具有以下工作特点：

1)无电极烧蚀、长寿命。HPT作为一种新型推力器，采用螺旋波电离源，不需要内置电极，避免了烧蚀问题，且束流呈中性、不需要中和器部件，可大大延长推力器的寿命[12]。

图1 HPT工作原理示意图Fig.1 Diagram of HPT working principle

2)可使用推进工质种类广泛。推进工质范围宽，包括 Xe、Ar、Kr等单原子惰性气体，H2、N2等双原子分子气体，Hg、Na、Cs等碱金属蒸气，甚至是水蒸气和混合气体[14-19]。

3)高比冲。国外已有的研究表明：以Ar为工质，比冲最高可超过1300 s；以H2为工质，比冲最高可超过4000 s[20]。

4)功率和推力范围宽。HPT的推力随射频电源功率的增加而增大，推力范围具有良好的可升级特性，适合研制成大功率电推力器[21]。

本文对螺旋波等离子体推力器的最新研究进展以及复杂工质螺旋波等离子体推力器的关键技术和研究方法进行系统综述。

2 研究发展现状

2.1 国外研究现状

目前，国外主要有澳大利亚、美国、法国、荷兰、意大利和西班牙等国家正致力于HPT相关技术的研究，各研究机构正在对螺旋波等离子体的产生机理、双层加速机制、数理模型、不同工质开展理论研究，并已经设计出各式各样的推力器原理样机开展实验。

华盛顿大学利用高功率螺旋波等离子体推力器样机已开展 Xe、Kr、Ar、H2等单一推进工质的性能试验研究，对氢氮混合工质也进行了测试研究，以判断肼(联氨)使用的可行性。由于航天器上常贮有肼工质，该研究可为螺旋波等离子体推力器的空间应用提供相应的工质来源。在不改变输入功率大小的前提下，探寻利用不同混合推进工质达到可变比冲的可能性[22-23]。

马里兰大学分别用Ar和水蒸气作为螺旋波等离子体推力器的推进工质，以少量氦气作为种子气体，进行了对比实验，实验装置示意图如图2所示，结果显示推进工质中种子气体的有无对推力器的性能影响不大[20]。美国斯坦福大学研究人员也开展了以氩气和水蒸气为工质的螺旋波等离子体推力器试验，其中，以水蒸气作为推进工质的试验情况如图3所示，可以看出：水蒸气羽流呈现白色，且完全沿着磁场方向，羽流中心具有明显的等离子体束流；羽流呈现出复杂的结构，且中心处等离子体束流被浓密的羽流和发散的羽流所环绕；内部的束流和浓密的羽流沿着磁力线方向，而发散的羽流未沿着磁力线方向。通过光谱分析及计算，给出了特定HPT结构的H2O+、OH+、H+的离子密度与电子温度的函数关系，如图4所示[24]。

图2 螺旋波推力器实验装置示意图[20]Fig.2 Experimental setup of HPT[20]

图3 水蒸气螺旋波等离子体推力器羽流[24]Fig.3 HPT plume using water vapor[24]

图4 不同离子密度与电子温度的关系[24]Fig.4 Relationship between electron temperature and ion density[24]

美国密歇根大学电推进实验室利用双螺旋天线开展了轴向磁场中CO2放电研究，发现其主要分解产物是CO和O2[25]；另外，该研究机构还验证了以空气作为HPT推进工质的可行性。澳大利亚国立大学对CO2作为HPT推进工质开展了研究，发现沿发散的磁场线，离子密度约为7×1015m-3[26]；并且其也以 CH4为推进工质，对HPT进行了性能测试，测得其离子喷气速度范围为21～27 km/s[27]。

2014年，欧空局基于HPH.com项目建立了“针对空间任务的螺旋波等离子体推力器”工程计划，为了研究不同工质下(主要针对的是H2、O2、N2和N2O)的螺旋波等离子体推力器的性能，建立了零维数值模型，包含大量的等离子体-化学反应机理、简化的带电粒子和中性粒子扩散方程，并应用粒子网格法对等离子体羽流进行了模拟，获得了螺旋波等离子体推力器的性能参数，其优化的数值结果如表1所示[28]。

表1 优化数值结果[28]Table 1 Optimal numerical results[28]

2.2 国内研究现状

目前，国内对HPT的研究大多以氩气为推进工质，而对于复杂工质气体成分，国内主要是材料处理或其他方面进行了少量的螺旋波放电实验。

国内中科院物理所、南开大学、河北大学等单位早期报道了螺旋波等离子体放电及其在薄膜沉积及刻蚀方面的工作[29-31]。近些年，苏州大学吴雪梅团队利用螺旋波等离子体系统对托卡马克石墨壁材料清洗开展了实验研究[32]，北京印刷学院陈强团队采用射频补偿朗缪尔单探针测量了螺旋波等离子体的放电特性[33-34]，中国工程物理研究院吴卫东采用Langmuir探针和发射光谱法研究了螺旋波诱导氢等离子体的密度跳跃现象[35]。北京航空航天大学针对VASIMR设计了一套螺旋波等离子体源，开展了电子数密度的实验测量[36]。国防科学技术大学杨雄等开展了磁场对螺旋波等离子体波和能量吸收影响的数值研究[37]。西安航天动力研究所对螺旋波等离子体开展了相关研究工作，使用阻滞能量分析仪测量了螺旋波等离子体源的离子能量分布，使用射频双探针测量了螺旋波等离子体喷出羽流的电子数密度。北京卫星环境工程研究所为了验证螺旋波电推进的合理性和工程可行性，研制了HPT原理样机，进行了射频电源的设计与分析、磁场位型的三维仿真以及小功率下的推力测量等工作。大连理工大学空间电推进技术实验室初步完成了螺旋波等离子体推力器地面实验原理样机的设计并对螺旋波等离子体推力器工作原理开展了较深入的研究，搭建了HPT地面样机，以Ar作为工质气体进行了放电试验[38-39]。

3 关键技术及研究方法

3.1 关键技术

从目前的研究深度和广度来看，对于复杂气体工质螺旋波等离子体推力器的研究国内外未见公开报道，现有的理论和实验还很有限，迫切需要深入开展复杂气体工质螺旋波等离子体推力器性能及放电特性的基础研究。其关键技术包括以下几个方面：

1)HPT基于复杂工质的放电机理：采用PIC/MCC 联合仿真方法分别对 H2、CO2、CH4、H2O 作为HPT推进工质，研究等离子体的产生和输运过程，初步预示每种工质气体用作HPT中射频功率产生等离子体的能量转换效率，并寻求每种工质气体放电过程中的最佳工况。

2)HPT基于复杂工质的双层加速机理研究：采用混合PIC方法(离子采用经典PIC方法描述，电子采用Boltzmann分布假设描述)，得出H2、CO2、CH4、H2O分别作为推进工质的螺旋波等离子体推力器双层中的电势、电场和电荷密度分布情况，并分析每种工质环境下形成并维持双层需要的外部参数条件。

3)基于复杂工质的HPT样机设计与性能测试：不同工质气体的 HPT最优工况点不同，对HPT试验样机的磁路系统、射频传输系统进行各自优化设计，增大其可调性，便于调节获得不同工质气体的HPT最优工况；设计多路工质供应系统，同时对 H2、CO2、CH4、H2O 的气体流量进行控制，既可混合通气，也可单独通气，进行HPT试验研究，明晰射频输入功率、磁场、推力、效率之间的关系，确定最佳工况点。

3.2 研究方法

3.2.1 复杂气体工质的HPT设计方法

复杂气体工质HPT样机设计类似于单一气体工质，理论分析与数值模拟相结合，对各部件进行单独或耦合设计，详细内容可参考文献[12]、[38]、[39]和[40]；工质供应系统需根据工质主要成分，设计多组气路输送管路，由数个气瓶供气，每组气路由单独的质量流量控制器调控，并增加混气装置，便于进行多种工况下的HPT试验研究。

3.2.2 复杂气体工质的HPT性能测试方法

性能参数中推力可直接通过推力测量装置获得，并推算比冲；等离子羽流特性参数包括离子束电流、离子束平均动能及喷气羽流发散角等参数，可通过Langmuir探针、阻滞能量分析仪、发射光谱仪等诊断装置和方法获得。如下简要介绍适用于复杂气体工质的HPT性能测试方法。

1)推力测量方法。基于复杂气体工质的HPT属于连续工作型电推力器，其输出的推力较为稳定，与传统电推力器推力测量一致，测量方法相对简单，有直接法和间接法。直接法通过力传感器测得推力大小；而间接法用位移传感器测量台架的位移响应，然后标定静态推力与台架位移之间的线性关系，用已知砝码的重量作为已知力逐步记录台架的位移量，计算得出推力值。目前国内外常用的小推力测量装置类型为悬摆法、弹性元件法、天平法和新型力传感器法[39]。

2)等离子体羽流特性诊断方法。因HPT属于电磁式推力器，且用作工质气体的复杂气体成分均属于分子气体，Langmuir探针法具有一定的局限性，羽流特性诊断方法主要有光谱法和阻滞能量分析仪法。光谱仪通过对测得光谱谱线及强度分析可获得等离子体密度、电子温度及能量输运特性等，但对于具体使用的推进工质，需建立合适的碰撞辐射模型进行数据分析；阻滞能量分析仪是一种用于探测低能带电粒子的仪器，可获得离子分布函数，同样，根据复杂工质成分，需对原有的数据处理模型进行相应修订。

4 结论

空间站固态废弃物转化成气态物质中，主要包括 H2、CO2、CH4、H2O。 从当前国内外研究现状和结果分析可知，将废气物用作HPT的推进工质极具可行性和应用前景。但是，复杂气体工质螺旋波等离子体推力器中等离子体的形成以及离子加速受诸多因素的影响和制约，并且包括采用工质气体种类和比例、推力器放电室结构、天线构型、磁感应强度位形和大小等，目前公开的研究成果尚未对空间站固废转化成的气体主要成分单独或混合用作HPT推进工质的放电条件给出具体参数。因此，针对复杂气体工质螺旋波等离子体推力器，如何确保产生稳定的高密度等离子体并最大化的转化为推力器动能是推力器性能和优化设计的关键问题和难点所在，故以此为出发点开展理论分析、数值模拟与实验研究，具体包括复杂气体中每种单一气体的螺旋波放电特性，复杂气体中每种气体不同比例条件下的螺旋波放电特性，研究不同质量离子的输运及其对螺旋波场结构(径向和轴向的电磁场幅值及相位)的影响，不同天线构型对点火启动的影响，不同磁场位形和磁感应强度对推力器性能的影响等。

综合来看，螺旋波等离子体推力器高比冲、长寿命、工质宽泛、推力与功率范围广等优点将在推进技术中占有举足轻重的地位，因此具有较大研究价值与探索意义。