小功率ECR離子推力器技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

柯于俊，陳學康，孫新鋒，田立成

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000）

小功率ECR離子推力器技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

柯于俊，陳學康，孫新鋒，田立成

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000）

相比Kaufmann離子推力器，ECR（Electron Cyclotron Resonance）離子推力器具有無電極腐蝕、無污染、放電氣壓低、等離子體密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、中和器和放電室能快速起弧等優(yōu)點。ECR離子推力器因獨特的技術(shù)優(yōu)勢而使其在微小功率電推進領域受到國內(nèi)外的廣泛研究。國外（主要是日本）小功率ECR離子推力器口徑從1～10 cm都取得了小行星探測采樣返回的突出成果，國內(nèi)沒有針對應用需求的產(chǎn)品開發(fā)研制計劃，偏重基礎研究，性能也有很大差距，無論是技術(shù)還是產(chǎn)品距離微小衛(wèi)星應用需求還存在很大差距。建議研究的主要方向是磁場位形、變孔柵和碳-碳復合材料柵極。

小功率；ECR離子推力器；空間推進

0 引言

相比傳統(tǒng)的Kaufmann離子推力器，ECR離子推力器放電室采用微波電子回旋共振的方式產(chǎn)生等離子體，優(yōu)點是無內(nèi)電極放電、無污染、長壽命、等離子體密度高（1017～1019m-3）、能量轉(zhuǎn)換效率高、微波吸收率高（≥95%）、中和器和放電室能快速起弧、電源系統(tǒng)簡單等，雖然ECR離子推力器也有缺點，比如微波電源效率不如直流電源，ECR需要高出Kaufman離子推力器數(shù)十倍的靜磁場，但是總體上ECR離子推力器研究具有廣闊的應用前景[1-2]。

國內(nèi)當前的主流電推進產(chǎn)品類型為離子和霍爾電推進，產(chǎn)品研制和技術(shù)研究主要集中在500～5 000 W功率范圍內(nèi)。但隨著國內(nèi)微小衛(wèi)星領域?qū)π」β孰娡七M產(chǎn)品的應用需求，微小功率電推進技術(shù)研究和產(chǎn)品研制勢在必行。在微小功率電推進發(fā)展方面，國內(nèi)尚未針對應用需求的產(chǎn)品研制計劃，多偏重于基礎研究，同時缺少國際新技術(shù)發(fā)展方向的跟蹤研究。因此，無論是技術(shù)積累還是產(chǎn)品開發(fā)都與我國微小衛(wèi)星應用需求存在很大差距。因此亟需開展電子回旋共振ECR離子推力器的技術(shù)研究[3-4]。總結(jié)了小功率ECR推力器的研究現(xiàn)狀，對小功率ECR離子推力器的發(fā)展提出了建議。

1 小功率ECR離子推力器國外研究概況

1.1 口徑1 cm ECR離子推力器

日本北海道技術(shù)研究所開發(fā)研制了放電室直徑為1 cm的ECR離子推力器模型樣機（PM）和鑒定樣機（QT）。評估性能為功率26.6 W、比沖1 250 s、推力0.36 mN、推力器電效率10%。微波離子電推進系統(tǒng)組成如圖1所示[5]。

圖1 1 cm ECR離子電推進系統(tǒng)圖Fig.1 1 cm ECR ion electric propulsion system

1.2 口徑2 cm ECR離子推力器

為適應日益發(fā)展的小衛(wèi)星需求，日本宇宙科學研究所（ISAS）研制成功一種代號為μ1的微小功率ECR離子推力器，這種小推力的推進系統(tǒng)適用于小衛(wèi)星的精確定位和姿態(tài)控制，可用于空間望遠鏡或干涉儀系統(tǒng)的衛(wèi)星編隊飛行和微重力阻力實驗等任務[6]，結(jié)構(gòu)和實物如圖2、圖3所示。

圖3 μ1實物圖Fig.3 Photo ofμ1

μ1的放電室是口徑為20 mm的圓柱形，兩塊環(huán)形永磁鐵置于放電室底部，磁場最強處磁場強度為0.3 T，磁場最弱處磁場強度為0.05 T，磁場形成一個“磁透鏡”的結(jié)構(gòu)可有效減小電子損失。μ1在1 W微波輸入功率下，微波工作頻率為4.2 GHz時，離子產(chǎn)生成本為250 W/A，氙氣質(zhì)量流率為0.15 mL/min（14.7μg/s），引出束流4.0 mA。μ1可以在兩種不同狀態(tài)下工作：一種稱為單極模式（unipolarmode）；另一種稱為雙極模式（bipolarmode），如圖4所示。

圖4 μ1兩種不同模式的電連接示意圖Fig.4 electric circuitof twoμ1 operationmodes

（1）單極工作模式。雙柵極系統(tǒng)置于μ1放電室下游末端，柵極是由金屬鉬通過化學腐蝕的辦法制成，在直徑16 mm區(qū)域內(nèi)形成了211個孔，這種柵極結(jié)構(gòu)是專為微小離子推力器設計的，柵極系統(tǒng)參數(shù)如表1所列，屏柵和加速柵電壓分別為1 500 V和-350 V。μ1離子推力器的電子發(fā)射器即中和器是通過將推力器的放電室安裝一個帶6個孔徑為1.8 mm的孔板而制成的，安裝孔板來代替單極的離子柵極，孔板由金屬鉬制造，厚度為0.8 mm，孔開向天線位置的上面等同于安置于方位角方向，該孔板在這里相當于“電子發(fā)射孔”。在單極工作模式的中和器上施加相對于離子推力器系統(tǒng)的負電壓為0～100 V，該偏置負電壓稱為“接觸電壓”，如圖5（a）所示。

表1 μ1改進型柵極參數(shù)變化Table1 Thegrid parametersofμ1 and its im proved type

試驗結(jié)果顯示，在低推力水平上，總的功率與比沖的關系幾乎是常數(shù)不變，降至低質(zhì)量流量5.1μg/s是可取的。在高推力水平，如287μN下，總的功率從17.0～20.5 W變化時，比沖變化范圍為1 000～1 500 s，推力器電效率變化范圍為8.27%～10.29%。

（2）雙極工作模式。雙極工作模式μ1離子推力器有特殊的柵極系統(tǒng)用來引出離子和發(fā)射電子。柵極系統(tǒng)是雙柵系統(tǒng)，由屏柵和加速柵組成，有兩種不同孔徑的尺寸?；谇捌诘脑囼灲Y(jié)果，孔徑對電子發(fā)射限制極小，發(fā)射電子的孔徑比引出離子的孔徑大得多。發(fā)射電子的為6個大孔，引出離子的為169個小孔，這種柵極結(jié)構(gòu)被稱為“變孔柵”，圖5（b）給出了雙極工作模式μ1離子推力器工作情況。

圖5 μ1工作情況圖Fig.5 μ1 in operation

屏柵和加速柵上的電壓設置1 500 V和-500 V，雙極等離子體源工作在離子推力器模式，加速電壓降低至-500 V是為了防止較大的加速孔徑導致的電子返流。當工作在中和器模式時，等離子體源上施加上負偏壓，與單極μ1離子推力器中和模式是一樣的。

試驗結(jié)果顯示，在低推力水平，雙極工作模式下性能較低，在高推力水平，雙極工作模式比在單極工作模式下功率隨著比沖的增加更明顯，如在287μN推力下，總的功率范圍為14.0～23.3 W，比沖變化范圍為380～1 000 s，推力器電效率變化范圍為3.82%～6.04%，如圖6所示。

圖6 雙極工作模式μ1總功率消耗與比沖的關系曲線Fig.6 The relationship of the totalpower consumption ofμ1 and specific impulse

在文獻[7]中μ1得到大幅度改進，性能計算值比沖達5 500 s，推力250μN，推力器電效率32%。主要的改進包括柵極厚度加厚、屏柵極孔徑變小、加速柵極孔徑變大、柵極總體孔數(shù)減小、孔徑整體變大。

1.3 口徑3 cm ECR離子推力器

日本九州大學研制的微小功率ECR離子推力器，如圖7所示。功率30 W，內(nèi)部直徑21 mm，離子推力器尺寸為50 mm×50 mm×30 mm[8]，屏柵和加速柵施加電壓分別為1 500 V和-300 V[8]。

在給定的功率下推進劑利用率隨著氙氣質(zhì)量流量的增加而降低，這是因為隨著質(zhì)量流量的增加比能量減小。在質(zhì)量流量為0.02 mg/s、微波功率為8 W條件下，ECR離子推力器的推力性能，即推進劑利用率、離子產(chǎn)生成本、推力、比沖和推力器電效率分別為67%、660 W/A、0.73 mN、3 060 s和41%，如圖8所示。

圖7 3 cm ECR離子推力器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of 3 cm ECR ion thruster

圖8 3 cm ECR離子推力器推力性能曲線Fig.8 3 cm ECR ion thruster performance

1.4 口徑5 cm ECR離子推力器

日本Nishinippon Institute of Technology的Takao等[13]在2 cm和10 cm口徑ECR推力器的基礎又研制了口徑5 cm的ECR離子推力器，如圖9所示。相對于2 cm、3 cm口徑的推力器，由于尺寸增大磁場減弱，5 cm口徑的ECR離子推力器電效率不如2 cm、3 cm口徑的推力器。為了調(diào)節(jié)磁場，磁鋼被設計成可以被電機推動沿軸向前后移動。采用了碳-碳復合材料柵極和鉬柵極兩種，前者性能更優(yōu)，微波頻率有別于2 cm和10 cm口徑推力器的4.2 GHz，采用的是5.1 GHz。經(jīng)過試驗，在20 W的微波輸入功率1.5 mL/min氙氣、碳-碳復合材料柵極這些條件下，該推力器的最大束流為24 mA，放電損耗837 V，推進劑利用率為22%[9]。

圖9 口徑5 cm ECR離子推力器示意圖Fig.9 Schematic of 5 cm ECR ion thruster

1.5 口徑10 cm ECR離子推力器

在ECR離子推力器的研究和實踐領域，日本走在了世界的前列。日本從1965年開始研制此種推力器，基本上到1980年就完成了空間飛行前的一切準備工作。90年代，日本宇宙科學研究所（ISAS）為了滿足用于小行星采樣任務的MUSES-C航天器需要，研制了μ10（0.39 kW、9.1 mN、2 910 s、33%）ECR離子推力器和微波離子發(fā)動機系統(tǒng)（IES），如圖10所示，該系統(tǒng)包括4臺ECR離子推力器（推力器輸入功率0.31～1.16 kW、推力5.2～23.6 mN、比沖2 687～3 011 s）。其工程樣機于1999年進行了18 000 h的壽命試驗，2000年進行了初樣產(chǎn)品的壽命試驗，2003年5月發(fā)射。在飛往小行星長達4年的旅程中，探測器使用ECR微波離子推進系統(tǒng)調(diào)整飛行軌道，圖11為μ10在太空飛行圖。探測器攜帶了3臺推力器和1臺備份推力器，提供23.6 mN推力和1.2 kW功率。μ10電推進系統(tǒng)包含推力器、微波放大器、電源和貯供系統(tǒng)。技術(shù)特點是采用了圓形波導加喇叭形腔體結(jié)構(gòu)，ECR層大致呈凸向出口的弧形，柵極采用了三柵碳-碳復合材料柵極[10-14]。

圖10 μ10系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 μ10 system structure

圖11 μ10在太空飛行圖Fig.11 μ10 in flight

2 小功率ECR離子推力器國內(nèi)研究概況

國內(nèi)從事ECR離子推力器技術(shù)研究的單位主要是西北工業(yè)大學和哈爾濱工業(yè)大學。

圖12為西北工業(yè)大學開發(fā)的ECR離子推力器實驗樣機。放電室的工作條件為微波源輸出頻率4.2 GHz，輸出功率在5～50 W范圍內(nèi)可調(diào)；工質(zhì)氣體為氬氣，流量變化范圍為1～10 mL/min；真空實驗艙極限真空度為5.0×10-4Pa，10 mL/min氬氣流量條件下的工作真空度為1.0×10-2Pa[15]。

圖12 西北工業(yè)大學ECR離子推力器實驗樣機Fig.12 ECR ion thrusterexperimentalmodelof Northwestern Polytechnic University

西北工業(yè)大學楊涓等[15]還開發(fā)了小尺寸的中和器，工作工質(zhì)為氬氣、流量為0.8 mL/min、電子束流引出偏壓為88.6 V時，引出電子流103.8 mA、電子損耗為194.573 W·A-1。從圖13結(jié)構(gòu)看，該中和器的磁場是呈發(fā)散狀的[16]，柵極采用鉬柵極。

哈爾濱工業(yè)大學的張紅軍等[17]研制了實驗樣機，如圖14所示。其直徑為50 mm，在微波功率為30 W，加速電壓1.2 kV，減速電壓0.2 kV，工質(zhì)氣體為氬氣的條件下，等離子體的電子密度達到了4.6×1016m-3，推進器的離子束流也達到6 mA。柵極采用的是三柵極結(jié)構(gòu)，但腔體結(jié)構(gòu)可能由于未采用天線結(jié)構(gòu)，耦合效率并不高。

圖13 西北工業(yè)大學ECR中和器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.13 ECR neutralizerof Northwestern Polytechnic University

圖14 哈爾濱工業(yè)大學ECR推力器結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Schemeof ECR thrusterof Harbin Instituteof Technology

3 結(jié)論

國外目前主要是日本在研制500 W以下ECR離子推力器。包括1 cm、2 cm、3 cm、5 cm、10 cm 5種規(guī)格。唯一進行過飛行驗證的ECR離子推力器只有μ10（0.39 kW、9.1 mN、2 910 s、33.3%）。但尺寸、推力和比沖等指標綜合起來看，3 cm口徑（30 W、0.73 mN、3 060 s、36.4%）的推力器性能最好。這說明ECR離子推力器主要還是適合小尺寸、小功率的應用場合。研究的重點主要是兩方面：一方面是磁場位形，5 cm口徑的ECR推力器采用可以移動的磁鋼來優(yōu)化調(diào)節(jié)磁場；另一方面是柵極。比如μ1采用了變孔柵技術(shù)，5 cm口徑的推力器則采用了碳-碳復合材料柵極技術(shù)，都取得了顯著的成效。

國內(nèi)也有數(shù)十瓦級的ECR離子推力器，但是沒有針對應用需求的產(chǎn)品開發(fā)研制計劃，偏重基礎研究，性能也有很大差距，無論是技術(shù)還是產(chǎn)品距離我國微小衛(wèi)星應用需求還存在很大差距。因此，在小功率ECR微波推力器方面針對發(fā)展的新形勢亟需加大投入、進行更深入的研究。建議研究的主要方向是磁場位形、變孔柵和碳-碳復合材料柵極。

[1]丁俊章，趙玉彬，劉占穩(wěn)，等.2.45 GHz單電荷態(tài)電子回旋共振離子源[J].核技術(shù)，2001，24（1）：6-12

[2]Kuninaka H.Developmentand Demonstration of a Cathodeless Electron Cyclotron Resonance Ion Thruster[J].Journalof Propulsionand Power，1998，14（6）：1022-1026.

[3]KatoM，Takayama S，Nakamura U，etal.Roadmap of small satellitein JAXA[C]//56thInternationalAstronauticsCongress，IAC，F(xiàn)ukuoka，2005.

[4]張?zhí)炱?，周昊澄，孫小菁，等.小衛(wèi)星領域應用電推進技術(shù)的評述[J].真空與低溫，2014，20（4）：187-192.

[5]張?zhí)炱?空間電推進技術(shù)及應用新進展[J].真空與低溫，2013，19（4）：187-193.

[6]Myers R.Overview ofmajor US industrialelectric propulsion programs[C]//40thAIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conferenceand Exhibit，2004：3331.

[7]Satori S，Okamoto H，Sugiki T M，et al.New electrostatic thruster forsmallsatelliteapplication[R].AIAA，2000.

[8]Koizumi H，Kuninaka H.Performance of the Miniature and Low PowerMicrowaveDischarge Ion Engineμ1[C]//JointPro?pulsion Conference，AIAAPaper，2010.

[9]LubeyDP，Bilén SG，MicciMM，etal.Designoftheminiature microwave-frequency ion thruster[C]//Proc 32nd Int Electr PropulsConf，2011：1-8.

[10]YamamotoN，Chikaoka T，KondoS，etal.Magnetic Field De?sign in Miniature Microwave Discharge Ion Engines[C]// 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference &Exhibit，2006：5177.

[11]Takao Y，Yamamoto N，Nakashima H.Developmentof5 cm Size Microwave Discharge Ion Thruster[C]//Proceedings of the 28th International Symposium on Space Technology and Science，2011.

[12]Miyamoto T，YamamotoN，IjiriH，etal.DevelopmentofaMi?crowave Discharge Ion Engine by UsingMonopole Antennas [C]//Procofthe24th InternationalSymposium on SpaceTech?nology and Science，Japan Society for Aeronautical and Space Sciencesand OrganizingCommitteeof the24th ISTS，Tokyo，2004：137-142.

[13]Takao Y，KataharadaH，Miyamoto T，etal.Performance test ofmicro ion thrusterusingmicrowavedischarge[J].Vacuum，2006，80（11）：1239-1243.

[14]TakaoY，KandaY，HashimotoH，etal.MeasurementofPro?ton-Induced Helium Production Cross Sections for Alumi?num and Nickelbelow 16MeV[J].JournalofNuclearScience &Technology，1997，34（2）:109-115.

[15]楊涓，馮冰冰，羅立濤，等.氬氣和氪氣作為ECR中和器工質(zhì)的性能比較[J].高電壓技術(shù)，2015，41（9）：2850-2855.

[16]楊鐵鏈，楊涓，譚小群，等.電子回旋共振推力器中和器內(nèi)磁場與微波電磁場計算分析[J].固體火箭技術(shù)，2009，32（4）：404-408.

[17]張紅軍，王萍萍，邱景輝.小型化電子回旋諧振微波離子推進器研究[J].宇航學報，2007，28（4）：138-143.

RESEARCH AND DEVELOPMENTOF LOW POWER ECR ION THRUSTER TECHNOLOGY

KEYu-jun，CHEN Xue-kang，SUN Xin-feng，TIAN Li-cheng
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Comparing w ith Kaufmann ion thrusters，ECR（Electron Cyclotron Resonance）ion thrusters have neither electrode erosion nor pollution，aswellas low discharge pressure，high plasma density，and high energy transferefficiency. ECR ion thruster has drawnmuch attention in low power electric propulsion.Foreign countries（mainly Japan）have great progress in low power ECR ion thrusters in diameter from 1 cm to 10 cm，and gotamazing achievement，such as getting samplesback from aasteroid.However，chinese ECR ion thrustersare still some labmodels，whose performanceand engineeringmature level are lower than foreign ones.It is advised thatmore research focus onmagnetic field topology，grids w ith variable-holes in carbon-carbon compositematerial.

low power；ECR ion thruster；space propulsion

V439+.1

：A

：1006-7086（2017）04-0187-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.001

2017-04-20

柯于?。?985-），男，湖北黃石人，博士研究生，主要從事空間電推進技術(shù)方面工作。E-mail：keyujin2003@163.com。