電子回旋共振離子推力器的研究進(jìn)展

石 峰，王 昊

（河南理工大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，河南 焦作 454000）

電子回旋共振離子推力器的研究進(jìn)展

石 峰，王 昊

（河南理工大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，河南 焦作 454000）

電子回旋共振離子推力器是一種靜電式離子推力器，具有無(wú)電極燒蝕、比沖高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的深空探測(cè)上具有廣泛的應(yīng)用前景。概述了電子回旋共振離子推力器的系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)、工作原理、性能和壽命實(shí)驗(yàn)狀況。介紹了國(guó)內(nèi)外該推力器的研究進(jìn)展及發(fā)展現(xiàn)狀，并根據(jù)實(shí)際情況，指出了國(guó)內(nèi)該推力器的研究思路和發(fā)展方向。

電推進(jìn)；離子推力器；電子回旋共振；微波；靜電柵極

0 引言

電推進(jìn)系統(tǒng)具有比沖高、壽命長(zhǎng)、推力低和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持、深空探測(cè)和星際航行等任務(wù)[1]。而電子回旋共振離子推力器（ECRIT）則是靜電式離子推力器，不僅具有一般電推進(jìn)推力器所具有的特點(diǎn)，還具有無(wú)電極燒蝕和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[2]，這些特點(diǎn)使該裝置應(yīng)用于深空探測(cè)具有很大的吸引力。

ECRIT是日本宇宙科學(xué)研究所（ISAS）研制的，成功應(yīng)用于HAYABUSA（隼鳥(niǎo)）號(hào)探測(cè)器上，該探測(cè)器于2003年5月發(fā)射，于2006年9月到達(dá)小行星ITOKAWA[3]，其攜帶的微型車(chē)在小行星上發(fā)射和著陸，2010年6月13日，該小行星探測(cè)器降落在澳大利亞，在太空中飛行長(zhǎng)達(dá)7年的時(shí)間，其攜帶的4個(gè)ECRIT離子推力器[4]，累計(jì)工作16 000 h，成為日本電推進(jìn)研制的一個(gè)亮點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)有西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了這方面的研究，設(shè)計(jì)研制出10 cm ECRIT實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5]，開(kāi)展了離子源內(nèi)離子束流和中和器內(nèi)電子束流的引出實(shí)驗(yàn)[6]，采用探針和發(fā)射光譜診斷法研究了離子源內(nèi)部等離子體的分布規(guī)律。采用漂移擴(kuò)散模型對(duì)離子源內(nèi)等離子體進(jìn)行了數(shù)值模擬，并開(kāi)展了氣體放電和離子束流引出實(shí)驗(yàn)研究[7]。

ECRIT具有比沖高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展比較快速和廣泛。在調(diào)研了國(guó)內(nèi)外ECRIT的技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，分別介紹了ECRIT的系統(tǒng)組成和工作原理，重點(diǎn)介紹了該推力器的研究進(jìn)展、現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了國(guó)外的幾種典型的推力器結(jié)構(gòu)，并展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

1 ECRIT系統(tǒng)組成及工作原理

圖1為微波放電離子推力器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要包括放電室、柵極系統(tǒng)、中和器、微波源、電源系統(tǒng)和推進(jìn)劑單元。放電室和中和器是ECRIT的關(guān)鍵部件[8]。

圖1 微波放電離子推力器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematics of microwave discharge ion thruster system

（1）放電室由微波輸入系統(tǒng)、喇叭形放電室、磁鐵和柵極系統(tǒng)組成。磁鐵嵌在喇叭形放電室內(nèi)壁上，用以生成一個(gè)較強(qiáng)的磁場(chǎng)區(qū)域，即ECR諧振區(qū)，電子在ECR諧振區(qū)圍繞磁力線做回旋運(yùn)動(dòng)，微波從柱形波導(dǎo)進(jìn)入[9]，通過(guò)反饋窗進(jìn)入喇叭形放電室。當(dāng)輸入的微波頻率和電子回旋共振頻率相等時(shí)，微波與電子之間產(chǎn)生共振，高能電子與工質(zhì)粒子發(fā)生非彈性碰撞從而使工質(zhì)被電離，而形成等離子體[10]。

（2）柵極系統(tǒng)由3個(gè)孔柵極組成，分別為屏柵、加速柵和減速柵。其中屏柵與放電室直接相連，帶高于千伏的正電位，加速柵上加負(fù)電位用于產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電場(chǎng)以抽取離子束流[11]，引出的離子加速?gòu)亩a(chǎn)生推力。減速柵通常為零電位，與加速柵形成電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)離子束流的聚焦。

（3）中和器用于中和離子束流，避免離子束對(duì)衛(wèi)星表面產(chǎn)生影響。由永磁體、L型天線與磁軛組成。微波由天線輸入，天線尖端深入靜磁場(chǎng)區(qū)，中和器內(nèi)等離子體產(chǎn)生機(jī)理和放電室相同[12]。

2 研究與發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外美國(guó)和日本從80年代開(kāi)始ECRIT的研究，其中主要是日本進(jìn)行這方面的研究，并于2003年成功地應(yīng)用于返回式MUSES-C小行星探測(cè)器（如圖2）的主推進(jìn)中[13]，該探測(cè)器上攜帶的4臺(tái)離子發(fā)動(dòng)機(jī)如圖3所示。

圖2 MUSES-C號(hào)探測(cè)器Fig.2 MUSES-C spacecraft

圖3 MUSES-C上攜帶的ECRITFig.3 ECRIT mounted on MUSES-C

國(guó)外對(duì)ECRIT的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）中低功率ECRIT的研究

日本的研究集中在直徑10 cm、比沖3 000 s、功率262 W、比沖3 100 s、功率770 W和直徑10 cm、比沖10 000 s、功率2 500 W的ECRIT研究上[11]。10 cm、3 000 s ECRIT是最早開(kāi)始研究的裝置，并且研究和應(yīng)用最成功。初期的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閳A柱型結(jié)構(gòu)，放電室采用環(huán)尖磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，但是實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證明是這種結(jié)構(gòu)并不適合于10 cm推力器等離子體的產(chǎn)生[14]。

圖4 放電腔的幾何結(jié)構(gòu)Fig.4 Discharge chamber geometries

通過(guò)對(duì)更多結(jié)構(gòu)形式的放電室內(nèi)電磁場(chǎng)分布規(guī)律、靜磁場(chǎng)位形以及ECR等離子體流場(chǎng)規(guī)律的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，最后確定最佳的放電室結(jié)構(gòu)為圓喇叭波導(dǎo)，柵極系統(tǒng)由C/C復(fù)合材料（如圖5）三柵極組成，以氙氣為工質(zhì)，流量為2 mL/min。實(shí)驗(yàn)證明該結(jié)構(gòu)推力器具有最佳的性能。

圖5 應(yīng)用于μ10（左）和μ20（右）上的碳復(fù)合材料柵極組件Fig.5 Carbon/carbon composite grid assemblies for theμ10 thruster（left）andμ20thruster（right）

為了提高微波離子源的性能，又設(shè)計(jì)了20 cm直徑的ECRIT，20 cm直徑的推力器將有4倍的束流面積相比10 cm直徑的推力器，并且推力是其4倍[15]，或者更加高效。離子光學(xué)系統(tǒng)仍然采用三柵極系統(tǒng)，但是復(fù)合材料比10 cm直徑有更高的彈性模量。柵極的厚度是1 mm，為了提高柵極的性能應(yīng)該采用更薄和機(jī)械性能更高的柵極[16]。

20 cm ECRIT以氙氣為工質(zhì)，流量20 mL/min，柵極面積是10 cm ECRIT面積的4倍，柵極系統(tǒng)采用的C/C復(fù)合材料彈性模量遠(yuǎn)高于10 cm推力器[17]，但中和器的結(jié)構(gòu)尺寸與10 cm ECRIT相同。由于放電室直徑增大，其內(nèi)的磁場(chǎng)位形設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。為了獲得最優(yōu)的推力器結(jié)構(gòu)[18]，針對(duì)單環(huán)型（a）、環(huán)狀尖端型（b）、多環(huán)型（c）和無(wú)活塞多環(huán)型（d）四種放電室結(jié)構(gòu)（圖6所示）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并配合磁場(chǎng)位形、電磁場(chǎng)和等離子體流場(chǎng)的計(jì)算分析，最后確定了無(wú)活塞多環(huán)型放電室結(jié)構(gòu)為最優(yōu)[19]。接著又設(shè)計(jì)了20 cm直徑，20 mN推力的ECRIT，新的推力器的功率為100 W，離子束電流為200 mA，初始的性能測(cè)試為500 W，推力為16 mN，并且表明在電功率為1 kW時(shí)，推力可能會(huì)達(dá)到20 mN[20]。

10 cm、比沖10 000 s、功率2 500 W的ECRIT研究是為2003年ISAS提出的一項(xiàng)電推進(jìn)和太陽(yáng)帆聯(lián)合推進(jìn)的星際航行飛行計(jì)劃而開(kāi)展，目的是驗(yàn)證50 m太陽(yáng)帆推進(jìn)和10 000 s高比沖ECRIT聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)用于深空探測(cè)的可行性。飛船計(jì)劃于2009年發(fā)射，首先飛躍特洛伊行星[21]，再駛向木星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)活動(dòng)。為此在10 cm、比沖3 000 s ECRIT的基礎(chǔ)上，研究10 000 s高比沖ECRIT。裝置以氙氣為工質(zhì)，流量2 mL/min。目前已經(jīng)研制出實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，得到了9 000 s的比沖[22]。

圖6 計(jì)劃用于20 cm直徑離子推力器的放電室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)Fig.6 Discharge chamber geometries considered as candidates for the 20 cm diam ion thruster

隼鳥(niǎo)2號(hào)任務(wù)于2011年啟動(dòng)，采用4個(gè)ECRIT離子發(fā)動(dòng)機(jī)作為主推進(jìn)，推力為10 mN。同時(shí)采用磁場(chǎng)增強(qiáng)型的中和器，并且從2012年8月開(kāi)始?jí)勖鼫y(cè)試，截止到2014年12月，累計(jì)工作時(shí)間為20 000 h，大于任務(wù)需要的14 000 h。整個(gè)系統(tǒng)在種子島發(fā)射中心組裝，并于2014年12月3號(hào)發(fā)射，將于2018年到達(dá)1999JU3，并將于2020年返回地球[23]。

圖7為隼鳥(niǎo)號(hào)和隼鳥(niǎo)2號(hào)探測(cè)器的離子發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比，從發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)看的圖。隼鳥(niǎo)2號(hào)很多技術(shù)沿用了隼鳥(niǎo)號(hào)，已驗(yàn)證的技術(shù)更具有可靠性，動(dòng)力方面，采用4臺(tái)電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，大約只需要化學(xué)燃料推進(jìn)的1/10的耗電量[24]。

中低功率ECRIT理論與數(shù)值模擬研究情況未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。

圖7 隼鳥(niǎo)號(hào)（左）和隼鳥(niǎo)2號(hào)（右）探測(cè)器的離子發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比圖Fig.7 The ion engine contrast diagram of the Hayabusa（left）and Hayabusa2（right）

（2）高功率ECRIT研究

2003年，NASA格蘭研究中心針對(duì)深空探測(cè)器DS-1成功應(yīng)用的30 cm離子推力器[25]，瞄準(zhǔn)木衛(wèi)二號(hào)行星登陸器、土星環(huán)觀察器和海王星返回式采樣器的主動(dòng)力裝置，制訂了新一代5～10年長(zhǎng)壽命電推進(jìn)研究計(jì)劃，其中包括40 cm、5 kW、2.45 GHz ECRIT的研制計(jì)劃[26]。

2005年NASA格蘭研究中心根據(jù)40 cm、5 kW ECRIT的研究情況，在高功率離子推力器研究項(xiàng)目（The High Power Electric Propulsion（HiPEP）thrust?er）的支持下，研制了15 kW、2.45 GHz矩形ECRIT，論證高功率微波放電ECR等離子體產(chǎn)生推力的可行性。在2.45 GHz推力器成功的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上[27]，然后提高頻率到5.85 GHz以降低推力器體積，研制了小型化的推力器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒㈤_(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)[28]。高功率ECRIT的理論研究與數(shù)值模擬情況未見(jiàn)報(bào)道。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)只有西北工業(yè)大學(xué)在開(kāi)展ECRIT的相關(guān)研究。針對(duì)10 cm ECRIT，研究了過(guò)載和振動(dòng)環(huán)境對(duì)柵極帶來(lái)的影響[29]，采用有限元分析軟件建立10 cm C/C復(fù)合材料柵極的有限元分析模型，計(jì)算分析了不同C/C復(fù)合材料性能柵極的力學(xué)新性能、頻率響應(yīng)和振動(dòng)模態(tài)[30]；采用ANSYS有限元分析軟件建立了三種磁路模型，計(jì)算了放電室內(nèi)的磁場(chǎng)分布，得出三種方案中電子回旋共振面的位置[31]，分析放電室材料不同時(shí)磁場(chǎng)分布的變化；計(jì)算了放電室內(nèi)和中和器內(nèi)的電磁場(chǎng)分布[32]；得出了方案中電子回旋共振面的位置。針對(duì)中和器的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多種天線方案，計(jì)算了其對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)分布[33]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

雖然ECRIT已經(jīng)實(shí)際的應(yīng)用，但是目前來(lái)看，對(duì)于該對(duì)推力器的發(fā)展還有一些關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題需要解決：

（1）放電室內(nèi)壓力控制。一般來(lái)說(shuō)，增加工質(zhì)流率，即提高放電室內(nèi)壓力，亦可提高推力器性能，然而對(duì)應(yīng)特定的放電室，在特定工質(zhì)流率下存在最佳的工作點(diǎn)，同時(shí)放電室存在最佳工質(zhì)利用率。因此，對(duì)于不同的微波功率，對(duì)于不同的工作壓力，需要一個(gè)質(zhì)量流率控制器的積極調(diào)節(jié)。

（2）微波輸入功率。影響推力器性能的主要因素為輸入的微波功率，一般來(lái)說(shuō)，加大輸入微波功率，可提高推力器性能，然而目前微波發(fā)生器效率有限，再加上微波傳輸過(guò)程中能量損失，限制了推力器的性能。微波在輸入放電室之前，要經(jīng)過(guò)調(diào)諧系統(tǒng)以增強(qiáng)等離子體對(duì)微波的吸收狀況，采用圓形波導(dǎo)裝置以避免駐波損失。中和器內(nèi)等離子體密度較高，采用天線將微波導(dǎo)入以增強(qiáng)微波吸收效率。

（3）放電室內(nèi)磁場(chǎng)位形設(shè)計(jì)。磁場(chǎng)設(shè)計(jì)要合理，避免等離子體的離子復(fù)合與對(duì)柵極系統(tǒng)的沖刷。同時(shí)要避免等離子體貼壁損失，放電室內(nèi)ECR區(qū)離子壁面較近，容易產(chǎn)生等離子體貼壁損失，這就需要一個(gè)較強(qiáng)的磁場(chǎng)約束等離子體電子，進(jìn)而在放電室中形成穩(wěn)定的電場(chǎng)分布，達(dá)到約束等離子體的目的。

4 結(jié)論與展望

ECRIT離子推力器作為空間推進(jìn)系統(tǒng)的主推進(jìn)是很有前景的，目前已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，長(zhǎng)壽命、高比沖的ECRIT離子發(fā)動(dòng)機(jī)在深空探測(cè)任務(wù)方面有廣闊的前景。

國(guó)外ECRIT經(jīng)過(guò)30年的探索、研究、研制與開(kāi)發(fā)，得了較大的進(jìn)展和較為豐碩的成果。國(guó)內(nèi)僅有西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了這方面的研究，設(shè)計(jì)了ECRIT的樣機(jī)，并且進(jìn)行了離子源的診斷實(shí)驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)和國(guó)外的差距很大，通過(guò)對(duì)比研究現(xiàn)狀，應(yīng)該從以下幾方面去努力：

（1）對(duì)于長(zhǎng)期任務(wù)，需要長(zhǎng)期的評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，然而實(shí)時(shí)的評(píng)估隨著時(shí)間的增加變得越來(lái)越困難。因此這就需要建立數(shù)值模型，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)其性能和壽命。目前對(duì)其進(jìn)行的數(shù)值模擬工作較少，下一步應(yīng)該開(kāi)展這方面的數(shù)值模擬工作，以便為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

（2）同時(shí)應(yīng)該優(yōu)化現(xiàn)有的放電腔的長(zhǎng)度，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和推進(jìn)劑注入方式，同時(shí)提高微波功率轉(zhuǎn)換效率，以便使其更輕，結(jié)構(gòu)更加緊湊并且能夠適應(yīng)更高的功率發(fā)射。同時(shí)應(yīng)該提高微波輸入功率及適宜的磁場(chǎng)，以便能提高推力器的性能。

（3）開(kāi)展真空環(huán)境下的長(zhǎng)壽命實(shí)驗(yàn)，預(yù)估推力器的壽命，同時(shí)借助于小推力測(cè)量系統(tǒng)，精確測(cè)量其推力。同時(shí)應(yīng)該組織國(guó)內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢(shì)單位，有針對(duì)性地開(kāi)展該推力器的相關(guān)研究，加快關(guān)鍵技術(shù)的突破。

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PROGRESS ON THE RESEARCH OF ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE ION THRUSTER

SHI Feng，WANG Hao
（School of Physics and Electronic Information Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000，China）

The electron cyclotron ion thruster（ECRIT）is a type of static electric thruster，and has the advantages of high specific impulse，electrodeless and high durability，which make the thruster competitive in the applications on deep space probe and long life satellite.The working principle，development status and research progress of ECRIT were discussed and its typical structure was summarized.According to the actual situation，the research and development direction of the thruster are given.

electric propulsion；ion thruster；electron cyclotron resonance；microwave；electrostatic grid

V439

A

1006-7086（2017）05-0254-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.002

2017-07-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（61501175）、河南理工大學(xué)博士基金（B2017-56）

石峰（1984-），男，河南人，博士，講師，主要從事電推進(jìn)技術(shù)。E-mail：shf19841009@163.com。