射频离子推力器研究进展

2021-08-02李嘉惠韩亚杰夏广庆刘旭辉孙安邦韩道满

空间控制技术与应用 2021年4期

李嘉惠, 韩亚杰, 李永, 夏广庆*, 刘旭辉, 孙安邦,孙斌, 韩道满, 鹿畅

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. 北京控制工程研究所, 北京 100094 4. 西安交通大学电气工程学院, 西安 710049

0 引言

卫星的姿态控制、位置保持、阻力补偿等任务离不开先进的推进系统，发展具有高比冲、长寿命、高效率等特点的电推进技术对我国航天领域的发展具有举足轻重的作用.射频离子推力器作为电推进技术重要的研究方向之一，具有体积小、寿命长、比冲高等特点.射频离子推力器的研究最早始于1960年，其典型结构如图1所示，主要包括放电室、射频线圈、离子光学系统、中和器等.射频线圈缠绕在放电室的绝缘壁面上，放电室与离子光学系统相连接.中和器为推力器提供初始的自由电子，在射频线圈上施加射频电压以产生射频电流，其在放电室内产生轴向的交变磁场，轴向磁场又进一步感应出角向电场，工质通过分配器进入放电室，在电场的作用下，自由电子激发电离工质产生等离子体.离子光学系统通常由两个或三个栅极组成，其主要作用为从放电室引出离子、加速离子、防止电子回流[1].离子通过栅极小孔被加速以形成离子束，从而产生推力.在射频离子推力器的研究进程中，工质的选择、中和器阴极、放电室及离子光学系统的设计等方面都对推力器的性能具有较大影响.

为了进一步减轻推进系统的整体质量、体积，减少系统复杂性，一些研究学者提出了无中和器射频离子推力器的概念，其中最具代表性的推力器主要包括：电负性气体等离子体推力器(离子-离子推力器)和基于自偏压效应的无中和器离子推力器(自中和射频离子推力器).离子-离子推力器通过使用电负性气体等离子体，交替加速正、负离子，最终使束流呈电中性，而自中和射频离子推力器则是通过在栅极之间施加射频电压，引出电子和离子，以达到自中和的目的.

图1 射频离子推力器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of RF ion thruster

本文首先总结了传统射频离子推力器的研究现状，分析了其应用的关键技术，然后介绍了无中和器射频离子推力器：离子-离子推力器、自中和射频离子推力器的原理和发展状况，最后给出了射频离子推力器的发展方向，从而为射频离子推力器的下一步发展提供参考.

1 传统射频离子推力器

1.1 研究发展现状

国外最先开始研究射频离子推力器的国家是德国.1960年，德国的吉森大学将射频离子源应用于推进技术中，并于1962年发表了放电室直径为8.6 cm实验装置的部分性能计算及结果.之后吉森大学开始研制放电室内径为10 cm，拥有三栅极系统的RIT-10，起初所用工质为汞，于1983年将工质改成氙并在1992年EURECA上进行了第一次空间试验[2].2001年，RITA-10成功完成了ARTEMIS卫星的救援任务[3].除RIT-10之外，1968年以来吉森大学还发展了RIT-4、RIT-15、RIT-20、RIT-35等射频离子推力器[4]，其放电室直径分别为4 cm、15 cm、20 cm和35 cm，推力分别为3.5 mN、45 mN、50 mN、250 mN.2004年，吉森大学根据比例定律和RIT-10的性能数据预测了RIT-4、RIT-3、RIT-2、RIT-1微牛级射频离子推力器的性能[5].为了覆盖50 μN到500 μN的推力范围，吉森大学又开发了μNRIT-2.5并进行了性能测试[6].近年来，吉森大学利用RIT-10开展了以碘和氙分别作为工质的对比实验研究[7].

英国、俄罗斯、美国、法国等国家也开展了射频离子推力器的研究.针对阻力补偿、编队飞行等复杂空间任务，英国南安普顿大学研制了微型差分式射频离子推力器(MiDGIT)，MiDGIT具有两种控制方式：其一是高比冲、较高推力水平工作模式，初步证明可获得推力范围为200 μN～780 μN，比冲为400～1 100 s；另一种是较低推力水平工作模式，此时可获推力范围为1～125 μN，推力分辨率可达4 μN，但比冲很低，仅有5～220 s[8].2010年，俄罗斯莫斯科航空学院(MAI)成立了射频离子推力器实验室，2013年MAI开始研究低功率(300W)的射频离子推力器，推力和比冲分别可达8 mN和3 500 s[9].美国Busek公司主要面向立方星的应用热点，致力于低功率射频离子推力器的研究.2015年，Busek公司公布了首个BIT-3原型机的研制结果，BIT-3是世界上第一个使用碘工质的射频离子推力器[13].碘工质BIT-3推力范围为0.66～1.24 mN，比冲可达2 640 s，NASA的两个6U立方星任务：Lunar IceCube和LunaH-Map计划使用该推力器抵达目标轨道[11].为了降低激光干涉空间天线(LISA)任务的风险，Busek设计了一款1cm级的微射频离子推力器BIT-1，其可在30～150 μN工作范围内实现0.1 μN级的推力分辨率并且应用了一种新型的等离子体点火器[12].针对微纳卫星对推力装置小型化的需求，美国宾夕法尼亚州立大学研制了MRIT[13]，放电室采用圆锥形且以氩气为工质时，可获得的推力范围为1.45 μN～59.0 μN，比冲可达5 480 s[14].法国ThrustMe公司研制了NPT30，该推力器有两种尺寸类型，分别为1 U和1.5 U，可使用氙和碘作为工质[15].

国内对射频离子推力器的研究起步较晚，主要研究单位有中国科学院力学研究所、兰州空间技术物理研究所、西安航天动力研究所、中国科学院微电子研究所等.基于空间引力波探测计划—“空间太极计划”对微牛级推进装置的需求，中科院力学所贺建武、康琦等研制了微射频离子推力器μRIT-1并对其进行了结构优化[16].2019年8月31日，中科院发射了微重力技术实验卫星“太极一号”，首次实现了微牛级射频离子推进技术的在轨验证，迈出了我国空间引力波探测的第一步.针对未来地球场测量任务和空间引力波探测任务的阻力补偿和姿态控制，中科院力学所贺建武、康琦等设计了三种射频离子微推力器型号：μRIT-2、μRIT-2.5、μRIT-4并进行了实验研究[17].目前，μRIT-2.5已进行了飞行验证，推力可达500 ～1 200 μN，在1 200 μN推力情况下，比冲大于2 000 s[18].针对250～350 km轨道高度的空间任务，中科院力学所贺建武、康琦等研制了RIT-5，推力范围为0.6～5.6 mN[19].兰州空间技术物理研究所研制了LRIT-40，采用了流体模型和PIC-MCC模型对其进行仿真并开展了性能调节试验，验证了模型的正确性[20].此外还对11 cm的射频离子推力器进行了热特性仿真[21]，开展了多种工质的实验研究[22].西安航天动力研究所对放电室内径为25 mm，推力达1 mN的射频离子推力器建立了数值计算模型，根据模型研制了样机并成功点火[23].中科院微电子研究所研制了全固态射频离子微推力器IRIT4，所用工质为碘，推力范围为0.88～3.13 mN，比冲可达3 190 s[24].

1.2 关键技术

(1)工质的选择

在对工质进行选择时，需考虑推力器性能、成本、地面试验的条件、工质与航天器的兼容性等问题.起初，射频离子推力器使用的工质为汞(如吉森大学最初研制的RIT-10)，从表1可以看出，汞的相对原子质量很高而且电离能较低，但是汞的毒性非常大，后来人们将目光投向惰性气体，由于氙具有相对较高的原子质量、相对较低的电离能、不活跃的化学反应性和优异的放电性能等优点，被当作工质的首选.然而氙是稀有元素，在自然界的储备量很低，而且，氙还有照明、医学麻醉等其他用途，这使得氙的价格十分昂贵并将在未来几年持续上升，所以选取价格低廉且仍能满足推力器性能需求的工质很有必要.

表1 各工质的性质比较Tab.1 Comparison of the properties of various propellants

首先考虑其他稀有气体作为工质，如氩和氪，其成本均低于氙.然而由表1可知，与氙相比，其原子质量较低，电离能较高，若选择氩和氪作为工质，推力器的性能将会受到影响.其次再考虑选择金属作为工质，例如铋、镉和铯等，这三种金属都有较高的原子质量和较低的电离能，推力器性能可以达到要求.然而它们也有很多缺点，比如金属的熔点和沸点普遍高，这会增加推力器供应系统的复杂性；此外，金属若沉积在航天器上很可能造成短路，引起推力器的故障；早在2000年，国外就开始探究碘作为工质的可行性.近年来，碘工质射频离子推力器迅速发展.虽然碘是以分子形式储存，但其解离能仅为1.54 eV，而且碘的原子质量与氙接近，电离能也较低，可以保证推力器的性能.与氙相比，碘在自然界中储量丰富，提纯技术也较为简单，所以价格低廉.碘的贮存密度约为氙的三倍，而且在标准大气压和常温条件下碘为固体，储存压力是氙的千分之一，更有利于推力器尺寸的缩减.碘作为工质同样也有很多缺点：如碘具有较强的化学活性、在低温下易凝结、具有毒性等，但这些问题随着研究的深入基本获得解决.美国科罗拉多州立大学经实验研究发现，C12A7作为阴极材料与碘工质有较好的相容性[25]，Busek公司对碘工质在航天器上的沉积、对铁和镍的影响等问题进行了研究[26].

(2)放电室设计

放电室设计主要包括放电室形状设计以及材料选择.最初射频离子推力器放电室使用石英玻璃作为材料，形状采用圆柱形.随着研究的深入，研究人员发现氧化铝陶瓷也可作为放电室材料，并且它具有更好的机械性能，可以满足灵活的放电室设计[27].吉森大学针对RIT-15LP最早开展了射频离子推力器放电室形状的研究，放电室形状从圆柱形发展到半球形，在不降低电离率的情况下，减少了壁复合的面积.研究发现采用半球形放电室会使离子产生成本降低23%，而且只有在低束流的情况下，放电室形状的影响才会较低[28].吉森大学研制RIT XT时采用了圆锥形放电室，该形状有利于降低离子产生成本、提高工质利用率，此外，圆锥形放电室具有更好的机械性能，同时减少了推力器的质量[29].

(3)离子光学系统设计

离子光学系统(也称为栅极系统)极大地影响着推力器的运行状态，对其进行设计时需考虑推力器的推力和比冲等性能要求、尺寸大小、寿命、可靠性等诸多因素.栅极将放电室产生的离子引出、加速、聚焦，但在整个过程中，无法保证所有离子都顺利通过栅极小孔，换言之，有一部分离子加速轰击栅极，这会造成栅极腐蚀.为了减轻这种腐蚀，在加速栅极上游置有屏栅极，这就是双栅极系统.有的射频离子推力器包含三个栅极，即在加速栅极下游置有一个栅极，称“减速栅极”.减速栅极的主要作用是防止加速栅极被回流离子轰击.虽然三栅极系统比双栅极系统的寿命更长，但增加了整个推进系统复杂性.值得一提的是除了双栅极和三栅极系统外，还有双级四栅极系统[30]，旨在改善推力器的比冲、推力密度等性能.

(4)中和器阴极

中和器阴极主要作用是用来发射电子以保持羽流的准中性，传统中和器阴极由一个空心的阴极管组成，其下游端有一个带孔的阴极顶板，在阴极管内部有发射体，发射体一端靠在阴极顶板上，阴极管被加热器包裹，触持极放置在距阴极顶板一段距离处，如图2[32]所示.

图2 传统中和器阴极结构示意图Fig.2 Schematic diagram of traditional neutralizer structure

除了传统的中和器阴极外，还有无发射体的中和器，如射频中和器、微波放电中和器等.Busek公司研制的BRFC-1就是射频中和器，如图3所示.其结构与BIT-1类似，采用双栅极设计，其中加速栅极起到了触持极的作用.BIT-1使用的是碳纳米管场发射阴极，具有体积小、重量轻、无需工质、不用预热等优点[12].

图3 BRFC-1射频中和器(左)和碳纳米管场发射阴极(右)Fig.3 BRFC-1 RF neutralizer (left) and carbon nanotube field emission cathode (right)

2 无中和器射频离子推力器

在传统射频离子推进技术中，中和器阴极至关重要.经过多年的研究和发展，中和器阴极技术如今已非常成熟，但中和器不仅需要额外的电源，有些甚至需要单独的贮供系统，这些因素大大增加了推进系统的整体质量、体积、系统复杂性以及低成本化的难度.此外，其还会增加推进系统的操作风险，若中和器发生故障，推力器可能无法正常工作.例如，日本航空宇航局(JAXA)的隼鸟号在2007～2010年从近地小行星返回时曾遭遇该问题.

针对上述问题，有研究人员提出了无中和器射频离子推力器，目前最具代表性的推力器主要包括巴黎综合理工大学的Chabert教授于2007年提出的电负性气体等离子体推力器，即离子-离子推力器，以及法国学者Aanesland和Rafalskyi博士于2014年提出的基于射频自偏压效应的无中和器离子推力器，即自中和射频离子推力器.无中和器射频离子推力器的发展有利于整个推进装置进一步小型化，文章将在本节详细叙述无中和器射频离子推力器的原理及研究进展.

2.1 离子-离子推力器

2007年，巴黎综合理工大学的Chabert教授基于电负性气体提出了电负性气体等离子体推力器，并命名为PEGASES (plasma propulsion with electronegative gases)[33-34]，后通常称为离子-离子推力器.离子-离子推力器的工作可以分为3个部分：1)电负性工质离子化；2)正、负离子等离子体的形成；3)正、负离子加速.如图4所示，首先，通过射频耦合的方式传递能量，使工质离子化，在放电室内产生电负性等离子体，其中除了中性粒子外，仅包含正、负离子及少量电子，通过磁过滤装置过滤掉电子，使得正、负离子在离子光学系统的作用下加速、周期性喷出，产生推力，最后，正、负离子复合使羽流呈电中性.

图4 离子-离子推力器工作原理图Fig.4 The PEGASES concept

Chabert研究组根据这一概念设计了相应的原理测试系统，其中第一代系统PEGASES I中等离子体主要通过感应耦合的方式在一个圆柱形放电腔体内产生，腔体长度为20 cm，直径为4 cm，输入功率为50 W～2 kW，频率为13.56 MHz，主要采用氩气(非电负性气体)作为工质验证了其质量效能并校准其诊断设备，当时尚没有安装下游栅极加速系统[34].

2013年，美国乔治华盛顿大学提供了电负性气体等离子体推力器加速的相关数据：在等离子体中使用10 kHz的电压对正、负离子进行交替加速，得到了相关的等离子体数密度与离子电流并预计其能够与商业化推力器相媲美，该推力器推力大约为17 mN·kW-1·kV-1[35].

2014年法国巴黎综合理工大学对早先提出的原理样机开展了进一步改进并给出了实验数据[36].第二代测试系统PEGASES II同样采用感应耦合的方式产生等离子体，激励频率为4 MHz，但腔体改为矩形结构，尺寸为12 cm×10 cm×8 cm，并在下游安装了完整的栅极系统，采用SF6作为工质气体.在实验中通过控制和减小各种不理想的影响，获得了较好的离子-离子等离子体，并在±350 V的加速电压范围内和射频功率为100 W以及无优化的提取系统中测量得到正离子和负离子电流大约为10 mA.研究还发现对于施加在加速电压上的正、负离子能量峰值在某些区域和对称位置结果相似.改进后的实验样机原理三维结构如图5所示[37].

图5 PEGASES II三维结构图Fig.5 PEGASES II three-dimensional structure diagram

2015年，AANESLAND等[35]对PEGASES的性能进行了深入测试，结果表明，在200 W的射频输入功率条件下，栅极附近的电流密度为1 mA/cm2，粒子密度为2×1017m-3，根据栅极的尺寸预测推力可达5.5 mN.实验表明，可以30 kHz的加速周期将其加速到±400 V，并顺利从推力器中交替引出正负离子.但PEGASES II的推力与推进效率较传统栅极离子推力器还有一定差距.而且PEGASES结构较为复杂，其小型化也较为困难.2016年OUDINI等对交替提取和加速产生的正负离子束流开展仿真研究.结果表明，屏栅偏置应在较低的MHz范围内(通常为1 MHz).此外，偏压方波的上升时间应大于通过屏栅前部形成鞘层的离子传输时间(通常为0.1 μs)，以避免等离子电势强烈振荡.在接近系统上限频率的偏置频率下进行交替加速可以实现高离子喷出速度，类似于传统栅极离子推力器，并且束发散角较低[38].但是，当前的屏栅电源可能无法达到该性能水平，其制造是一项技术难题.此外，使用这种高频率(即接近离子通过栅极系统的时间)来偏置栅极会降低电流密度和提取离子的能量[39]，从而限制了推力范围.

2017年MAZOUFFRE等针对推力器放电腔室内用于约束电子的磁过滤装置开展了研究，发现推力器腔室内的等离子体分布存在明显的不对称性，并采用类似于霍尔推力器的磁性装置，提出一种新型的环形离子-离子推力器(annular ion-ion plasma engine，AIPE)[40].该设计消除了不对称性，因此潜在地提高了性能.与原始概念的主要区别在于，磁过滤装置的几何形状是带有内磁极和外磁极的环形，而在仅带有外磁极的PEGASES中是矩形结构.

国内对离子-离子推力器的研究正处于起步阶段，大连理工大学夏广庆等总结了离子-离子推力器的研究现状及关键技术[41-42].

2.2 自中和射频离子推力器

在文献[43]中首次提出使用射频代替直流偏压来使栅极引出的束流离子自中和.在该系统中，一个栅极置于放电室最外端，另一个栅极浸入等离子体内部，或沿某一个放电室壁面放置.在两个栅极之间施加射频电压会产生一个高压射频等离子体鞘层(位于外端栅极前面)，充当虚拟电极.若射频频率合适，该射频鞘层允许从等离子体源中引出电子和离子.然而，这种设计相当于只使用了一个栅极，离子不能被较好的聚焦，而且当电压高于100V时，会发生显著的栅极腐蚀.

2014至2015年，RAFALSKYI和AANESLAND提出一种改进的射频自偏压方案，该方案将浸入等离子体的栅极替换成第二个栅极[44].此时，等离子体源本身与传统的直流偏压系统基本相同，并且离子聚焦得到了显著改善.图6所示为射频偏置栅极等离子体源的示意图.

随后，RAFALSKYI和AANESLAND研制了自中和射频离子推力器样机Neptune[45]，如图7所示.Neptune整体为8 cm×12 cm×12 cm长方体，射频放电电源频率为4 MHz、功率约200 W，栅极系统为由屏栅和加速栅构成的双栅极系统.栅极尺寸为65 mm×105 mm，透明度60%，孔径2.5 mm.该栅极系统同样使用射频电源，射频电压在0～600 V之间.屏栅极与放电室内的等离子体直接接触，通过隔直电容与射频电源相连，加速栅极接地.

图6 自中和射频离子推力器Fig.6 Self-neutralizing RF ion thruster designed

图7 Neptune推力器实验平台结构及放电Fig.7 Neptune thruster experimental platform structure diagram and discharge diagram

AANESLAND和RAFALSKYI等以氩气和氮气为工质开展了自中和射频离子推力器的实验研究[46].研究取得巨大成功，所有实验工况下上述双栅极系统均产生了射频自偏压.同时，实验结果表明，基于射频自偏压的离子加速效果(比冲、效率、推力等)与传统直流偏压加速效果基本一致.而且，离子能量测量结果显示，通过这种自中和加速方式产生的束流能量分布函数更宽，羽流的悬浮电位较之前更低，因此可以认为自中和方式的中和效率更高.

2017年，AANESLAND和RAFALSKYI在国际电推进会议(IEPC)上报道了其研制的自中和射频离子推力器性能[47-48].实验中分别使用氙气和碘作为工质，实验测量结果如表2所示.

对比表2所示的传统射频离子推进技术可以看出，在相同功率下，ThrustMe研制的自中和射频离子推力器性能与传统射频离子推力器性能基本一致，展现出了巨大的应用潜力.由于技术先进性，此后该技术被ThrustMe公司高度保密，无相关具体技术资料.

表2 自中和射频离子推力器性能Tab.2 Self-neutralizing RF ion thruster performance

3 射频离子推力器发展方向展望

3.1 传统射频离子推力器

经过几十年发展，传统射频离子推进技术已经较为成熟.对于传统射频离子推力器来讲，工质的选择、放电室、离子光学系统及中和器阴极的设计等均对推力器的性能具有很大影响.

依据国内外调研，传统射频离子推力器主要向小型化的方向发展.小型化的关键在于高比冲、推力在μN至mN内连续可调、极低的推力分辨率和快速的响应速度等.射频离子推力器由于没有永磁体和空心阴极，所以易于小型化.目前，射频离子推力器的小型化正处于迅速发展阶段，但同时也存在诸多挑战，例如PPU的小型化、流量控制、点火问题、高精度极小推力测试技术[18]等.目前，以碘为工质是射频离子推力器小型化发展中的主要趋势.