基于ISRU应用的电磁推进技术

赵大年，张天平，孙新锋（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）

0 引言

原位资源利用（ISRU）是指通过勘测、收集、加工和利用地外天体的在线天然资源以及回收利用空间废弃资源，以实现增强空间自给自足能力的技术[1]。

将ISRU技术应用于空间推进系统，利用小行星、月球和火星等处的资源，制造推进剂供给推力器产生推力，可极大拓展航天任务的距离区间，减少科学载荷压力。以火星探测任务为例，每减少1 kg运输到火星上的质量，等价于减少5 kg运输到低地球轨道上的质量或85 kg在地表发射时的质量[2]。减少地表发射质量意味着航天器可搭载更多实验和探测设备，减缓所携带燃料的消耗将很大程度上提升航天器长时间执行任务的能力，并提升任务灵活性。

在空间推进系统上应用ISRU技术的关键在于推力器的选择，化学推力器比冲较低，推进剂选择面小、一般不太适用ISRU技术和执行总冲量较大的深空探测任务[3]。

电推力器具有比冲高、寿命长等特点，相比化学推力器最大的优势在于其高比冲和长时间工作的能力，可以大幅减少推进剂的消耗需求。实际上，使用ISRU技术为空间电推进系统提供推进工质并不是一个新概念。2009年，在美国国家航空航天局（NASA）提出的探索火星设计参考任务架构5.0中就有利用ISRU技术为热核火箭提供燃料的设想[4]。2017年8月，美国普渡大学研制出以水为推进剂的微型推力器—薄膜蒸发微机电系统可调阵列（FEMTA）[5]。FEMTA以安全易得的水为推进剂，同样适用于ISRU技术。以上两个例子都是根据具体的任务需求选择推力器的类型，而未来深空探测任务面临的是复杂的空间环境和不同类别的空间资源，需要的是普适性较强，可适用多种推进剂的空间电推力器。

目前世界各国已经开发出的十几种类型的电推力器在原理、比冲、功率以及效率等方面是各相迥异的，需要根据ISRU技术的要求从中挑选较为适宜的推力器。技术较为成熟的电推力器[6]（如霍尔、离子推力器）在使用氙气、氪气等惰性气体作为推进剂时表现良好，但当其使用氧化性或挥发性气体作为推进剂时，等离子体和电极以及等离子体和器壁的接触将会不可避免的导致侵蚀现象和高温化学反应的发生，影响其寿命和工作效率。当其使用含有碳原子的分子气体作为推进剂时还会对推力器造成碳沉积等不利影响。为此可选用基于无电极、电离效率高的空间电磁推进系统作为ISRU技术应用的载体。目前国际上此类电磁推力器主要包括：螺旋波等离子体推力器[7]（HPT）、螺旋波无电极先进推力器[8]（HEAT）、可变比冲磁等离子体推力器[9]（VASIMR）和无电极洛伦兹力（ELF）推力器[10]等。

无电极推力器不存在工作电极与推进剂兼容性问题，不用改造就可很好的适用ISRU推进剂。鉴于ISRU技术在空间推进系统中广阔的应用前景和显著的优势，以及未来大型深空探测任务对具有大功率、高比冲、长寿命和复杂环境适应能力推力器的需求，本文开展了基于ISRU应用的无电极洛伦兹力电磁推进技术研究，梳理和分析了其中几个关键问题和难点，为我国未来计划开展的火星采样返回、小行星探测、木星及其他行星穿越探测等大型深空探测任务提供参考。

1 无电极电推力器

1.1 螺旋波等离子体推力器（HPT）

螺旋波的概念由Aigrain于1960年提出，直到2005年，澳大利亚国立大学将第一台HPT样机研制成功，作为一种新型的电磁式推力器，HPT具有结构简单，比冲高的特点。推力器结构如图1所示，主要由射频功率源、射频匹配器、螺旋波天线、石英管放电室、磁路系统以及推进剂供应系统组成。

图1 HPT结构图Fig.1 Schematic of HPT

HPT的工作原理为：射频功率源提供特定频率的电磁波（13.56 MHz或27.12 MHz）并通过匹配器将能量传递至螺旋波天线产生螺旋波。螺旋波在放电室内传播使其中的粒子通过朗道阻尼效应获得能量，电子与中性气体工质发生碰撞并激发等离子体，等离子体受磁场约束，其中的电子又通过朗道阻尼获得能量，激发更多气体工质成为等离子体。最终离子通过等离子体中的双层电势降加速并排出推力器[11]。由于其工作原理是利用双层加速效应加速推进工质，因此又被称为螺旋波双层推力器（HDLT）[12]。

从国内外HPT的样机实验数据可知，仅基于双层加速效应加速等离子体获得推力的效果并不理想，螺旋波源效率仅有30%左右，比冲小于800 s，虽然有广阔的应用前景但无法满足深空探测任务的需求，需要额外的加速机制来加速等离子体以获得更高的效率和比冲。因此，国内外研究单位开展多种采用附加方式对等离子体进行加速的试验研究，得到了可适用于不同空间任务的螺旋波推力器衍生体。HPT衍生体产生等离子体的方式都为射频放电，不存在电极，等离子体与壁面没有直接接触，可以适用多种不同推进工质，是ISRU技术应用的良好载体。

1.2 螺旋波无电极先进推力器（HEAT）

日本宇航开发机构（JAXA）联合日本多所高校提出了螺旋波无电极先进推力器计划[13]，旨在利用螺旋波等离子体源结合旋转磁场（RMF）、旋转电场（REF）和有质动力离子回旋共振（PA/ICR）电磁加速的方法研制新一代无电极、长寿命、高性能的电磁推力器。

HEAT由两部分组成，分别为螺旋波等离子体源和加速模块。等离子体源由推进剂输入装置、石英放电室、磁场线圈和射频天线组成。加速模块的结构由不同的加速原理决定，如图2所示。

图2 REF、RMF和PA/ICR加速模块示意图Fig.2 Configurations of the REF、RMF and PA/ICR acceleration schemes

REF加速实验中，推力器在螺旋波等离子体源的基础上增加了REF加速模块。REF模块是在等离子体源下游安装两对平板电极，并施加正弦交变电流产生旋转电场。旋转电场作用于高密度等离子体，使等离子体中大量电子做E×B的漂移运动并形成角向电流。角向电流与磁场径向分量共同作用生成轴向洛伦兹力，沿轴向加速等离子体。

RMF加速实验与REF类似，推力器在螺旋波等离子体源的基础上增加了RMF模块。RMF模块是在等离子体源下游安装铜线圈，并施加正弦交变电流产生旋转磁场。旋转磁场作用于高密度等离子体，在径向压力梯度影响下，电子将出现抗磁性漂移，生成感应电流。感应电流与磁场分量共同作用产生洛伦兹力，加速等离子体。同时，径向磁场与等离子体相互作用在局部形成轴向电势差，沿轴向加速等离子体。

PA/ICR加速实验是在等离子体源的基础上增加了PA/ICR模块。其中有质动力是在等离子体局部区域形成高强电磁场时产生的电磁压力。在这种加速方式中，磁场呈梯度分布，离子先通过回旋共振在垂直方向上获得动能，然后受到有质动力的影响，向场强减小的方向运动。在整个过程中，离子垂直方向的动能不断转化为水平方向的动能，即沿轴向加速等离子体。

HEAT推力器的加速射频天线都置于放电室外部，不与等离子体直接接触，因此是一种可以很好适用ISRU技术的无电极推力器。但JAXA开展的加速效果验证实验结果并不理想[14]，在采用氩气作为推进工质时，加速模块末端等离子体速度仅提升了500～800 m/s，真正实用仍需要进一步研究和改进。

1.3 可变比冲磁等离子体推力器（VASIMR）

VASIMR的概念最初由美籍华人张福林于20世纪80年代初提出。在1994年，主要的研究工作由美国麻省理工学院转移到美国宇航局约翰逊空间中心（NASA JSC）的先进空间推进实验室进行，其核心实验装置为VX系列样机[15]。

VASIMR推力器主要由三个部分构成，第一部分为螺旋波等离子体源，用于中性气体工质的电离；第二部分为离子回旋共振加热（ICRH）装置，用于加速等离子体；第三部分为磁喷嘴，将等离子体能量转化为轴向的动能并高速排出。图3为VASIMR推力器的结构图[16]。

图3 VASIMR推力器结构图Fig.3 Schematic of VASIMR

VASIMR的特点是比冲可调，其电源功率主要分为三个部分，一部分输入螺旋波等离子体源制造等离子体；另一部分输入（ICRH）装置，用于加速等离子体，还有一小部分供给磁喷嘴。在电源功率一定的情况下，调节电源功率输入的比例，即可调节推力器比冲（推力），获得高比冲则推力较小或得到大推力则比冲较小。根据VASIMR这一特点，可依任务需求，灵活调节推力器比冲。

VASIMR效率高、推力大，在200 kW输入功率下，比冲可达5 000 s。但VASIMR相比其他螺旋波等离子体推力器存在结构复杂，体积庞大的缺点。

VASIMR无电极且ICRH天线不与等离子体直接接触，同样是一种可适用ISRU技术的磁等离子体推力器。

1.4 无电极洛伦兹力推力器（ELF）

ELF推力器是美国MSNW公司于2008年研制的一款基于场反构型（FRC）的无电极洛伦兹力推力器[17]。ELF在兼具大功率、高比冲和大推力优点的同时，可以运行在十千瓦至兆瓦水平，且不受限于功率密度[18]，是一种极具发展潜力的新型电磁推力器。由于ELF的独特优势，MSNW公司还进行了小功率ELF推力器EMPT的研制工作[19]。美国华盛顿大学、美国空军研发实验室（AFRL）、日本东京大学以及新加坡南洋理工大学等机构也先后开展了多项相关研发工作。

ELF主要由高性能快速反应注气阀、射频预电离系统（PI）、射频旋转磁场天线、轴向场分段电磁线圈和石英锥腔体组成，组成剖面如图4所示。

图4 ELF推力器剖面图Fig.4 Cross-section of ELF thruster

其工作过程主要分为三个阶段：（1）等离子体预电离阶段；（2）FRC形成阶段；（3）等离子体团加速阶段。其中轴向场线圈通电、注气阀开启以及预电离系统通电都属于等离子体预电离阶段；旋转磁场逆磁感应电流的出现和持续过程属于FRC形成阶段；在最后一个阶段中，等离子体团经转移、扩张、加速后排出推力器腔体。FRC结构如图5所示，分界线内为受磁场约束的FRC等离子体团。

图5 FRC结构图Fig.5 Schematic of the field reversed configuration

ELF推力器属于脉冲等离子体推力器范畴，该推力器在单脉冲作业模式下具体的工作过程为：

（1）轴向场线圈通电。因为轴向偏压场强度的增长有一个短暂的过程，为了能够在形成和发射阶段达到理想的数值，轴向场线圈最先通电。

（2）注气阀开启并持续数百毫秒。在轴向场线圈通电几毫秒后，注气阀开始工作，持续注入气态推进剂。

（3）预电离系统通电。预电离系统工作持续数百微秒，将形成的少量种子等离子体注入中性推进剂中。

（4）射频旋转磁场天线通电。在预电离系统工作数十微秒后，射频旋转磁场天线通电。旋转磁场振幅持续增长，当其增长到一定程度时，旋转磁场束缚电子使其沿磁力线角向方向旋转形成逆磁驱动电流。

（5）FRC形成。在逆磁驱动电流形成后，推进剂被进一步电离。逆磁驱动电流生成与轴向偏压场方向相反的感应磁场，随着电流的持续增大，外加轴向偏压磁场被抵消并形成反向磁场，至此FRC形成。

（6）压力径向平衡。随着FRC等离子体团的扩张，分界线外的轴向偏压场向着器壁方向压缩，分界线上压力逐渐增加至平衡状态，磁场径向压力起到了约束等离子体团的作用。

（7）等离子体团的加速和排出。在磁场的平衡和约束下，驱动电流和轴向磁场的径向分量共同作用产生的洛伦兹力轴向加速等离子体团使其扩张并向外排出。

在ELF推力器的整个工作过程中，器壁和天线都不与等离子体发生直接接触，排出的呈电中性的高速FRC等离子体团也消除了羽流污染的问题。推力器比冲可达1 000～8 000 s，等离子体密度高达1018～1020m-3，是一种高性能无电极新型推力器。

2 无电极电推力器对ISRU技术适用性的比较

2.1 适用ISRU技术的比较

无电极推力器因为不存在电极和推进剂兼容性约束，原则上可以适用几乎所有的推进工质。由于不同推力器工作原理和技术要求的不同，对ISRU技术的应用也存在不同的限制。

在VASIMR推力器的ICRH系统中，根据f=eB/m，离子回旋频率由轴向磁场大小和平均分子质量共同决定，在离子回旋共振频率相同的条件下，推进工质的平均分子质量越大，所需施加满足离子回旋波回旋共振加热和加速重离子的磁场也越大。空间强磁场存在两个问题：一是强磁场的实现难度极大（T量级，不现实）；二是强磁对其他设备造成电磁干扰。因此，对于分子质量较大的推进工质，推力器应用实现难度较大。

HPT的双层加速效应，实际上是通过等离子体中正、负电荷分离形成的电势降对离子进行加速。推进工质越重，加速效果越差，所得到的比冲也就越低。目前采用Ar作为推进工质时，HPT所能达到的比冲仅有1 500 s，难以满足使用需求。

由于HEAT加速模块特殊的工作原理限制，离子约束性能较差，能量转换效率低。HEAT和ELF的原理近似，而ELF的比冲更高，效率也更高。表1为四种推力器的参数对比。

综上所述，HPT、HEAT、VASIMR、ELF四种无电极推力器都满足ISRU应用的基本要求，但HPT和HEAT在样机实验中离子加速效果不理想，得到的比冲较低。VASIMR结构复杂、尺寸较大，不适用于平均分子质量大的推进剂。同时从表1数据可知，ELF在比冲、推功比和效率方面都有显著的优势，且推力器尺寸较小。基于FRC形成原理，ELF较容易将功率提升至兆瓦级，在未来大型深空探测任务中有着广阔的应用前景。其等离子体团形成和排出的整个过程都有磁场约束，不与器壁和天线直接接触，可以适用几乎所有的推进剂，并且不存在溅射和羽流污染问题[20]。因此，ELF推力器相比螺旋波类电磁式推力器，更适用于ISRU技术。

表1 四种推力器参数对比Tab.1 Parameters comparison of four thrusters

2.2 ISRU无电极电推力器的关键技术分析

虽然从ELF推力器的结构和工作原理来看，符合ISRU技术应用要求，但若要将其应用于实际，还存在着许多细节问题和技术难点，需要对推力器的多个关键部分进行分析和优化。

（1）预电离系统

与HPT和以螺旋波等离子体源为核心的衍生推力器不同，无电极洛伦兹力推力器（ELF、EMPT等）正常运行还需要依靠预电离系统[21]。预电离系统不仅仅提供种子等离子体，还决定了放电室气体的轴向和径向分布、气压、放电频率等参数，进而影响旋转磁场的电离率、角向电流的大小和FRC的形成。若要应用多种推进工质，需要挑选一个性能优越且避免电极腐蚀的预电离系统。

MSNW公司研制的频率为13.56 MHz的射频预电离装置[22]由6～10匝天线缠绕在12 mm的氧化铝管上组成，不存在传统意义上的电极，理论上可以电离多种推进剂。通过改变推进剂种类来测试射频预电离装置的工作能力。测试分为两组，第一组使用惰性气体氩气作为推进剂，工质流量为2.9 mg/s，射频天线功率为20 W，测试时长6 h。预电离系统在通电10 min后到达平衡温度94℃，等离子体的亮度和颜色没有明显变化，可知此系统适用于惰性气体。

第二组使用分子气体二氧化碳作为推进剂，二氧化碳气体中碳原子易沉积在器壁表面，氧原子化学性质活跃，易与其他成分反应，是一种测试预电离系统性能的优异选择。放电实验以10 W的功率和1.6 mg/s的流量持续了8 h，实验结果如图6所示，放电通道和腔体无损伤。由此可以看出，射频预电离系统适用于气体推进剂的预电离。

（2）液体推进剂注入装置

由于液体推进剂具有易储存、易采集等优势，应当将液体推进剂纳入选用范围。普通的注气阀可以注入多种不同的气体推进剂，由于不同液体的黏度、蒸气压、相变温度差距较大，液体注入装置需要按液体种类分别设计。对于来源广泛的液态水，MSNW公司设计了可装载在ELF-160上的注入装置[23]。ELF-160是美国MSNW公司于2015年研制的功率为30 kW的FRC推力器，比冲5 000 s，效率60%。液态水注入装置为T形管状结构，下端是液态水进水口，上端的一边与40 W加热器相接，另一边通过焊接在Φ9.5 mm不锈钢管上的Φ32 mm不锈钢圆盘与ELF预电离装置上的玻璃腔体和O型密封圈相连。

图6 预电离装置放电实验和长时间持续放电前后对比（CO2气体）图Fig.6 An RF inductive pre-ionizer operating on CO2gas and before and after photos of the long duration operation

实际样机测试过程中，整个装置在25 W的功率和2.5 mg/s的流量下正常工作。液体注入装置是ISRU应用中必不可少的一部分，装置需要根据不同推力器的结构尺寸和特性分别设计，通过改变尺寸和材料，液态水注入装置可以适用于大部分需要应用液体推进剂的推力器。综合气体和液体推进剂的测试结果，可以确定射频预电离系统适用ISRU技术。

（3）能量耦合效率和重复频率

脉冲诱导类洛伦兹力推力器的重复频率决定了能量耦合的效率[24]。不同推进剂的最佳重复频率不同，为了提升推力器性能，需要确定不同推进剂的最佳重复频率。理论上最佳的重复周期是指中性气体通过整个推力器的时间长度，也可用等效长度表示（声速/重复频率），理论最佳重复频率如表2所列。

分子质量较低的气体因为能量吸收受到振动模式和壁面平衡的影响，传输时间较长。理论上，可以用推进剂的平均分子速度来估计分子气体推进工质的最佳重复频率。在实际条件下，推进剂的最终产物是等离子体和推进剂的混合物，最佳重复频率仍然需要通过试验测试进行验证。

表2 不同气体理论重复周期Tab.2 The measured scaling of ideal thruster repetition rate

MSNW公司以ELF-160为测试样机，开展了多种推进剂对推力器性能影响的测试试验。二氧化碳、火星大气和水蒸气的测试结果都比纯氙气要差。合理的猜测认为这是由于分子气体需要较高的分解和电离能量，使得其相比惰性气体需要获得更多的能量却仅能形成压力较低且速度较慢的场反构型等离子体团。虽然分子推进剂在平均分子质量较低的情况下仍保持了较高的比冲和推力器效率，但功率调节单元（PPU）能量与等离子体耦合效率较差，这个猜测也在后期试验中得到了验证。纯氙气的PPU能量效率高达80%以上，而分子气体的效率仅有20%～50%。耦合效率的低下是由于理论的最佳重复频率和实际测试的重复频率不同所导致的。在ELF和EMPT推力器设计时，重复频率依据经验而定，完全取决于不同重复频率下推力器的试验结果。因此，对一个可适用ISRU技术的推力器，需要一个可变频率的脉冲电源来动态改变重复频率，以满足不同推进剂、不同重复频率的需求。未来需要进行更多仿真和试验研究，以确定不同种类推进剂不同的最佳重复频率，提高耦合效率。

（4）功率调节单元（PPU）热负荷

适用于ISRU任务的电推进系统对PPU提出了很多新的要求[25]。由于推进剂物理性质的区别，所需重复频率和单次脉冲能量也不同，这些都将影响PPU的工作模式和工作效率。在推力器高电压稳定运行过程中，还需保证PPU开关部件与推力器热负载关键部分的隔离，需要完善热管理系统以吸收热量防止PPU出现故障。在加入PPU开关和液态水注入装置等脆弱部件的情况下，推力器的热管理变得更加复杂，高温天线的散热和与脆弱部件的隔离效果直接影响推力器的性能和可靠性。未来需要进行更多的热负荷仿真和试验测试，以获得推力器热管理系统的最优方案设计。

3 结论

无电极电推力器在使用不同种类、不同物理形态的推进剂时，需要对推进剂储存、控制和注入装置单独进行设计，避免沉积、侵蚀和堵塞等现象的发生。同时，推进剂种类的不同，其最佳重复频率的确定是提升PPU能量耦合效率的有效途径，依赖于重复性样机试验。在ELF样机试验中，因推进剂原子种类相异造成的分离效果并不明显，这与仿真结果有较大出入，后续需要进一步开展复杂气体在推力器中的运动机理仿真分析，确保不缺失关键的物理过程。旋转磁场射频天线工作时，长时间处于高温状态，需要一种可行的方法进行降温和隔热，目前最有效的方法是在射频天线表面镀一层可以承受高温的绝缘涂层，涂层需满足在高强度热循环下不开裂，以防止射频天线电弧放电，并避免过高温度造成推力器故障和损坏。