大功率射頻場反構(gòu)型等離子體電推進研究

孫新鋒，溫曉東，張?zhí)炱?，?寧，賈艷輝，吳辰宸

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理國防科技重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

在《中國航天》白皮書中，國內(nèi)目前將太陽系內(nèi)除地球之外的行星及其衛(wèi)星、小行星和彗星等的探測，以及太陽系以外的銀河系乃至整個宇宙的探測活動稱為深空探測。深空探測關(guān)注的是涉及人類社會發(fā)展的兩個永恒命題：創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展。

為了有效的探索、開發(fā)和利用空間資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，人類有必要開展深空探測任務(wù)，這要求空間飛行器能夠在較短的時間內(nèi)穿越任務(wù)空間，并且有能力攜帶足夠多的負載來有效的完成目標(biāo)探索任務(wù)。因此，高效航天推進動力技術(shù)是深空探測尤其是載入深空探測必需的關(guān)鍵技術(shù)之一。

大功率、大推力、長壽命和高比沖的電推進系統(tǒng)廣泛適用于未來大型空間探測任務(wù)，是未來我國實施深空探測及載人深空探測等空間任務(wù)迫切需求的高效航天動力裝置，也是最為核心的技術(shù)支撐之一。大功率電推進技術(shù)具有速度增量大、壽命長、推重比小及推功比大等優(yōu)點，且不受傳統(tǒng)離子、霍爾電推進電極腐蝕效應(yīng)的影響。

大功率、高比沖及大推力的電推進技術(shù)不僅可極大降低任務(wù)成本、縮短任務(wù)周期、提高有效載荷和保障宇航員人身安全，也可避免化學(xué)推進燃料超重導(dǎo)致運載火箭發(fā)射能力不足和發(fā)射任務(wù)成本較高的問題。因此，發(fā)展具有高比沖、高效率、大推力、低重量和高推功比等特點的大功率等離子體電推進系統(tǒng)已成為空間任務(wù)迫切的需要。

1 大功率推力器的發(fā)展現(xiàn)狀

大功率推力器因其良好的應(yīng)用前景而受到廣泛的關(guān)注，目前美國、歐洲、俄羅斯和中國都在開展不同類型大功率推力器的研發(fā)。當(dāng)前可應(yīng)用于MW級功率的推力器，主要有四種類型，分別為磁等離子體推力器(MPDT)、可變比沖磁等離子體火箭(VASMIR)、脈沖誘導(dǎo)等離子體推力器(PIT)和無電極場反構(gòu)型等離子體電磁推力器(ELF)[1-9]。

1.1 磁等離子體推力器

磁等離子體推力器是利用電磁能加速氣體工質(zhì)并高速排出而產(chǎn)生反推力，通過大電流陰極和陽極筒之間的電弧放電電離中性氣體，陰極和陽極之間的徑向電流和角向磁場產(chǎn)生洛倫茲力來加速等離子體(如圖1所示)。美國、歐洲和俄羅斯等國家在20世紀60年代就開啟MPDT的相關(guān)研究[1-2]。MPDT根據(jù)磁場來源不同分為AF-MPD (Applied Field MPD)和SF-MPD(Self-field MPD)兩種，現(xiàn)在AF-MPD是發(fā)展的主流。AF-MPD的研究主要分為兩個階段：第一個階段從1963年Ducati等人提出電磁加速概念開始到20世紀70年代中期截止。該階段AF-MPD的功率均相對較低(小于30 kW)，主要受制于航天器電源的功率。第二個階段從20世紀80年代晚期開始，這一階段主要集中于大功率(大于100 kW)、長壽命，適用于行星探測和環(huán)地軌道大載荷任務(wù)的AF-MPD研究。

圖1 MPD推力器剖面圖 Fig.1 Sectional view of MPD thruster

俄羅斯克爾得什研究中心20世紀70年代研制的鋰推進SF-MPD推力器性能為：功率0.5 MW，推力20 N，比沖8000 s，整機效率為50%[2]， 完成了0.5 MW的500 h點火壽命實驗和1 MW左右的短時間點火試驗。

德國斯圖加特空間系統(tǒng)研究所進行了SF-MPD和AF-MPD兩款推力器的技術(shù)研究，分別研制了ZT-3和DT-6兩款MPD推力器[3]。采用氬氣推進劑進行試驗的結(jié)果表明：ZT-3的功耗為0.35 MW，推力25 N，整機效率10%；DT-6的功耗為0.55 MW，推力27 N，整機效率為27%。

美國2007年研制了采用多通道空心陰極和伸長陽極結(jié)構(gòu)的MPDT，在半穩(wěn)定的運行模式下得到了推力器的伏安特性曲線。推力器工作功率范圍14～3.7 MW，質(zhì)量流率0.6～1.0 g/s。

在NASA支持下，美國噴氣推進實驗室(JPL)和普林斯頓大學(xué)搭建了鋰MPDT測試評價系統(tǒng)，NASA配套有適用于氫等工質(zhì)的實驗設(shè)施[2]。

意大利比薩大學(xué)2011研制了0.17 MW的AF-MPD，實驗測試結(jié)果表明：推力為3.5 N;比沖為3 000 s；整機效率為28%。此外，意大利Alta公司研制100 kW功率的脈沖準穩(wěn)態(tài)MPDT[2]，實驗測試性能為2.5 N推力和2 500 s比沖。

國內(nèi)北京控制工程研究所2017年完成了100 kW級MPDT原理樣機的研制，實驗結(jié)果顯示，86 kW功率下，推力最大可達2.1 N，比沖最高為5 160 s。

過去50多年來，MPD的技術(shù)研究已經(jīng)獲得了質(zhì)的突破，但是短期內(nèi)還有不少需要克服的難題。例如：大電流耐腐蝕濺射陰極、高效的推進劑電離率、大功率的等離子體不穩(wěn)定性控制技術(shù)、推進劑的優(yōu)化選擇和穩(wěn)定運行等問題。這些問題的存在，嚴重制約了MPD技術(shù)的發(fā)展。

1.2 可變比沖磁等離子體火箭

由于MPD電極燒蝕的問題，1979年美籍華人張福林提出了無電極的VASMIR推進概念，其首款原型樣機在20世紀90年代初研制成功，但直到2004年才實現(xiàn)放電，目前國外主要由美國Ad Astra Rocket公司(AARC)在開展研究。VASMIR無電極推力器包含三部分：螺旋波等離子體源、射頻離子回旋共振加熱系統(tǒng)和磁噴嘴。其工作原理為，螺旋波天線放電產(chǎn)生高密度等離子體，等離子體經(jīng)過離子回旋共振系統(tǒng)進行加熱和加速，最后磁噴嘴將等離子體能量轉(zhuǎn)化為定向的動能高速排出，從而提供反推力。

AARC公司已經(jīng)研制了多款不同功率的VASMIR技術(shù)驗證樣機[4-8]，隨著其功率的不斷提升，VASMIR推力器的性能也不斷提升。最新的VX-200樣機于2009年開展了200 kW功率的放電點火實驗(如圖2所示)，推進劑為氬氣，測得的推力為5.8 N,比沖超過5 500 s，效率優(yōu)于72%[8]。

西安航天動力研究所完成了30 kW級VASMIR推力器的研制[10]，并開展了點火放電實驗，針對50 kW功率的推力器正在開展系統(tǒng)設(shè)計。中國航天科技集團五院總裝與環(huán)境工程部所搭建有螺旋波電離試驗裝置，開展了氣體電離特性的研究。中國科學(xué)院等離子體研究所針對磁約束核聚變加熱，搭建有MW級的離子回旋加熱系統(tǒng)。

VASIMR推力器的優(yōu)勢和缺點均顯著突出：優(yōu)勢是無電極、長壽命、效率高、推力大及推進劑工質(zhì)多樣性；缺點是多級結(jié)構(gòu)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大，采用離子回旋加熱需要特斯拉量級的強磁場，而強磁導(dǎo)致附加的低溫冷卻系統(tǒng)。如果強磁技術(shù)能獲得突破，VASIMR將是極具競爭力的空間電推力器。但在當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)下，其復(fù)雜的系統(tǒng)、大的體積、重的質(zhì)量和強的磁場是其無法回避的短板。

圖2 VASIMR推力器樣機圖Fig.2 Prototype of VASIMR thruster

1.3 脈沖誘導(dǎo)等離子體推力器

脈沖誘導(dǎo)等離子體推力器(PIT)的概念首先由美國的C.L.Dailey博士和R.H.Lovberg博士于1962首先提出[14]，并在美國TRW公司空間系統(tǒng)部開始研究實施，總目標(biāo)是發(fā)展一個高效率和高比沖的電磁誘導(dǎo)推力器[11]。PIT工作原理為中性推進劑注入加速線圈表面，預(yù)充電高壓的電容器通過誘導(dǎo)加速線圈放電，加速線圈產(chǎn)生的高壓脈沖大電流擊穿電離氣體產(chǎn)生等離子體，并感應(yīng)形成與加速線圈電流反向的電流面，加速線圈通過電磁斥力加速電流面使其沿軸向方向加速遠離線圈，從而產(chǎn)生反推力。

TRW公司在20世紀70年代末到20世紀90年代初，分別研發(fā)了多款PIT原理樣機，其中以MKVa(如圖3所示)[11]最具代表性，是20世紀末期PIT的巔峰之作[11]，最高比沖為8 000 s，脈沖放電能量高達4 kJ。2004年，在NASA先進電推進技術(shù)計劃推動下，JPL實驗室和美國格魯曼太空技術(shù)公司(NGST)聯(lián)合開展核電脈沖誘導(dǎo)等離子體推力器的研制，目標(biāo)是通過功率的增加，實現(xiàn)PIT效率和比沖等性能的提升，設(shè)計指標(biāo)為200 kW功率，10 000 s比沖和不低于70%的效率[12]。

圖3 脈沖誘導(dǎo)等離子體推力器樣機Fig.3 Prototype of PIT thruster

PIT同樣是無電極電磁推力器，在長壽命、大推力和推進劑多樣性方面與VASMIR差別不大，但是其突出的優(yōu)點是推力連續(xù)可調(diào)且效率恒定。雖然PIT在研制過程中已經(jīng)形成了完善的理論體系和扎實的實驗基礎(chǔ)，但其低的效率(<50%)、大的線圈面積(直徑1 m)、高的放電電壓導(dǎo)致其開關(guān)、電容器和脈沖注氣閥的壽命遲遲無法解決，限制了其進一步發(fā)展。

國內(nèi)開展PIT推力器研制的單位主要為中國人民解放軍國防科技大學(xué)，目前已經(jīng)完成脈沖注氣閥的數(shù)值仿真與工程設(shè)計、PIT感應(yīng)加速放電線圈放電實驗、RLC回路的優(yōu)化設(shè)計及高壓電容器的研制等工作[13]。

1.4 新型場反等離子體電磁推力器

新型場反構(gòu)型等離子體電磁推力器(以下簡稱場反推力器)是美國MSNW公司在NASA項目支持下于2008年研發(fā)的一款新型電磁推力器，鑒于其獨特的優(yōu)勢，隨后美國華盛頓大學(xué)和AFRL實驗室也開啟了研發(fā)工作。場反推力器相對于PIT的顯著優(yōu)勢是其采用小電流射頻天線產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(RMF)來驅(qū)動等離子體電流，進而誘發(fā)平衡態(tài)FRC等離子體的產(chǎn)生，通過等離子體電流和RMF相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力加速并排出等離子體產(chǎn)生反推力，避免了高壓和低效率[14]。

第一代的場反推力器電壓相對較低(300 V)，放電室為錐形(錐角為8°)；長度為4.2 m；口徑為0.26 m；單脈沖元沖量為0.3 mN·s。工質(zhì)為空氣時，測得的比沖為1 500 s；效率為30%[14]。第二代場反等離子體電磁推力器2012年研制成功，相較于第一代推力器顯著特點是長度極大縮短為2 m；口徑為0.2 m；比沖超過5 000 s；輸入電壓為2.8 kV。2015年MSNW公司研制了功率為30 kW的ELF-160A推力器，放電腔采用厚度3 mm的石英玻璃，半錐角為12°，半徑為0.08 m，長度為0.2 m。主要用途是驗證H2O，CO2及CH4等推進劑的可行性，目標(biāo)是實現(xiàn)火星或者小行星探測的原位資源利用(IRSU)[15]。

EMPT推力器是MSNW公司發(fā)展的1～5 kW功率推力器(如圖4所示)，在單脈沖模式運行時，測得的元沖量為0.02 mN·s，排出速度為10～40 km/s，最新的測試結(jié)果顯示采用氙氣工質(zhì)其比沖優(yōu)于7 000 s。EMPT推力器每脈沖注入能量為1 J，口徑0.022 m，長度0.1m，是目前相對較為成熟的場反推力器[16]。

圖4 無電極洛倫茲力EMPT推力器放電 Fig.4 Discharging of EMPT electrodeless Lorenz force thruster

ELF-300(如圖5所示)是MSNW當(dāng)前研發(fā)的最大功率推力器，其大半徑為14 cm，長度為42 cm，比沖為6 000 s，元沖量1 mN-s@50 J(1 N@50 kW)，推力效率超過50%，等離子體最大溫度12 eV[17]。

RP3-X是美國空軍研究實驗室研制的場反推力器(如圖6所示)，實驗流率40 sccm，每脈沖能量5 J，脈沖頻率10 kHz，RMF天線相位差90°，天線相位延遲5°，預(yù)電離源和RMF的時間延遲10 μs，軸向場300 Gs。

圖5 ELF-300無電極洛倫茲力推力器 Fig.5 ELF-300 electrodeless Lorenz force thruster

綜上所述，針對深空探測任務(wù)的需求，美、歐、俄等國都在積極開展大功率等離子體推力器的研發(fā)工作，相繼研制成功了MPD，VASMIR，PIT和ELF四種主流的MW級推力器原理樣機，掌握了多種大功率推力器的關(guān)鍵核心技術(shù)，為未來空間探測任務(wù)提供了技術(shù)支撐。

圖6 RP3-X無電極洛倫茲力推力器 Fig.6 RP3-X electrodeless Lorenz force thruster

表1給出了四種不同推力器在功率相同時的性能參數(shù)[4-9，12，18]，從對比結(jié)果不難看出，場反推力器在推功比、效率、推重比和推力器尺寸等方面均占有顯著的優(yōu)勢，推力器效率的理論計算值優(yōu)于85%，要遠高于其他推力器。

表1 各種推力器的參數(shù)及性能對比[4-9，12，18]Tab.1 Comparison of parameters and performances of each kinds of thrusters

2 ELF推力器的優(yōu)勢及其工作原理

2.1 ELF推力器的優(yōu)勢

圖7中給出了ELF的加速和排出工作示意圖[17]，圖7中的①～③分別表示等離子體團的產(chǎn)生、加速和排出過程[17]，MSNW公司測得的ELF推力器FRC的形成時間為3 μs，加速時間為20 μs。在加速過程中，其顯著特點是FRC在徑向不斷擴展，好處是大部分熱能被轉(zhuǎn)換為軸向動能。

圖7 ELF等離子體團加速排出示意圖Fig.7 Diagram of ELF plasmoid accelerating ejectment

ELF推力器中FRC構(gòu)型的產(chǎn)生不是通過加速線圈的脈沖誘導(dǎo)技術(shù)，而是通過RMF射頻驅(qū)動產(chǎn)生。RMF線圈結(jié)構(gòu)如圖8所示[17]，兩組(紅色和蘭色)模式分別為m=1鞍形線圈通入相位相差90°的電流，誘導(dǎo)電子產(chǎn)生同步的大電流jθ，進而形成FRC結(jié)構(gòu)。盡管驅(qū)動產(chǎn)生的電流主要來源于電子的貢獻的，但是在等離子體內(nèi)部由于極化電場對稱而不會產(chǎn)生電荷分離的現(xiàn)象。

圖8 兩組模式為m=1的RMF鞍形線圈Fig.8 Two sets of RMF saddle coils with a mode of m=1

圖9給出了PIT和ELF推力器軸向洛倫茲力與加速線圈距離的變化曲線關(guān)系[17]，不難看出ELF推力器軸向的洛倫茲力不受距離的影響，而PIT推力器的軸向洛倫茲力與推進劑的加速距離有顯著的依賴關(guān)系，隨著距離的增大，洛倫茲力呈指數(shù)的下降。因此，ELF推力器的能量耦合效果要更好一些，也即是說ELF推力器的效率更高。

圖9 PIT和ELF軸向洛倫茲力加速距離Fig.9 Acceleration distance of PIT and ELF axial Lorenz force

圖10中顯示的是場反電磁推力器對多種推進劑的放電測試結(jié)果[19]，驗證了多種推進工質(zhì)的可行性。場反電磁推力器的另一個顯著特點是驗證了流體作為推進劑的可行性，在圖10中包含了水作為工質(zhì)的放電狀態(tài)。和一般氣體推進劑不同的是流體需要增加一個加熱裝置，將流體氣化后注入放電室。

圖10 ELF推力器的多工質(zhì)測試Fig.10 Multi-propellant test of ELF thruster

2.2 ELF推力器的組成和工作原理

場反推力器的整體組成結(jié)構(gòu)剖面如圖11所示，主要組成分為六部分：石英錐腔體、高性能快速反應(yīng)脈沖注氣閥、高效射頻預(yù)電離系統(tǒng)、水平和垂直的兩組正交射頻RMF天線、軸向場分段電磁線圈。整個系統(tǒng)還應(yīng)包括高壓氣路絕緣器、高頻長壽命脈沖開關(guān)、大功率脈沖射頻電源以及高靈敏度控制系統(tǒng)等。

圖11 場反推力器的剖面結(jié)構(gòu) Fig.11 Section structure of FRC thruster

場反推力器的工作原理：1)脈沖閥開啟，中性氣體工質(zhì)進入預(yù)電離源放電室，小功率的射頻預(yù)電離源電離部分氣體產(chǎn)生少量原初等離子體，并將氣體工質(zhì)送入推力器主放電室；2)軸向場線圈工作，約束等離子體并使其沿軸向分布更加均勻；3)RMF天線在原初等離子體基礎(chǔ)上進一步電離工質(zhì)氣體產(chǎn)生高密等離子體，而RMF產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場則束縛電子使其沿磁力線角向旋轉(zhuǎn)形成逆磁電流；4)逆磁電流產(chǎn)生與外加軸向場反向的磁場，隨著電流逐漸增大外加軸向場被抵消并形成反向磁場，從而產(chǎn)生FRC等離子體；5)在FRC平衡和約束下，逆磁電流和旋轉(zhuǎn)場的徑向分量產(chǎn)生的洛倫茲力在軸向加速等離子體，在加速過程中等離子體的擴展使部分熱能轉(zhuǎn)換軸向動能，從而產(chǎn)生更高的排出速度。

3 大功率場反構(gòu)型等離子體電推進關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢

大功率場反電推進作為一種新型的推進技術(shù)，與傳統(tǒng)的離子、霍爾等中小功率以及MPD，VASMIR等大功率電推力器相比，場反推力器在工作原理、技術(shù)方案和測試手段等方面均存在較大差別。參照國外研究情況，初步分析了大功率場反電推進的關(guān)鍵技術(shù)，并梳理了其未來的可能發(fā)展趨勢[19-20]。

3.1 大功率場反推力器磁拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

場反推力器等離子體是一個FRC的平衡構(gòu)型，盡管放電過程中等離子體的平衡是動態(tài)變化的。但近似FRC的平衡通過推力器徑向磁場(B)和氣壓(p)來實現(xiàn)，磁場和氣壓滿足關(guān)系式：

(1)

平衡的FRC形成是推力器工作的基礎(chǔ)?？臻g電推進領(lǐng)域?qū)RC的形成過程具有一些特殊的限制，最重要的限制是必須滿足FRC可以從產(chǎn)生的一端能夠排出，同時必須采用輕量和有效的硬件，且能滿足在一個相對較短的時間尺度內(nèi)完成整個過程以減低輻射損失。這就意味著除了在結(jié)構(gòu)材料選擇上進行優(yōu)化之外，還要求磁場強度能夠隨氣壓和不同種類的工質(zhì)氣體的變化而變化，且磁場在軸向必須存在一定的梯度以滿足加速需求。

磁場拓撲結(jié)構(gòu)與ELF推力器的整體效率也密切相關(guān)，軸向磁場和RMF射頻場的比值決定著旋轉(zhuǎn)場的穿透深度(趨膚效應(yīng))，從而影響等離子體的電離率、角向電流大小和徑向磁場大小，最終制約FRC的形成和加速性能以及推力器的整體效率。此外，在大功率條件下，磁化等離子體中存在的不穩(wěn)定性也是磁拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮的問題。因此，大功率場反推力器磁拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2 大功率脈沖電源系統(tǒng)和控制技術(shù)

場反推力器雖然采用射頻RMF非感應(yīng)的方式來驅(qū)動電流形成FRC等離子體，但在本質(zhì)上仍屬于脈沖等離子體推力器的范疇。因此，場反推力器電源系統(tǒng)除了要滿足輕量化、小體積化外，還必須滿足大功率、高脈沖頻率、高效率和長壽命工作的需求，這對當(dāng)前的電源技術(shù)本身就是一種挑戰(zhàn)。而且場反推力器工作時，由于其瞬間高壓，要求電源和推力器主體間必須具有極佳的電絕緣，避免脈沖電弧放電而發(fā)生短路。同時，在場反推力器高頻工作時，電源的熱負載也是無法避免的問題。熱負載不僅影響場反推力器的高重復(fù)率連續(xù)工作，而且對電源壽命也產(chǎn)生較大的危害。

電源系統(tǒng)除了電源本身，還包含開關(guān)和控制系統(tǒng)等組件。開關(guān)和控制系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了場反推力器電源的最大工作頻率，也即是決定了場反推力器的性能。控制技術(shù)的難點在于控制指令和開關(guān)觸發(fā)的有效結(jié)合，因為FRC等離子體的約束和加速品質(zhì)對軸向磁場、推進劑注入、預(yù)電離和RMF施加時機有苛刻的要求。因此，控制系統(tǒng)在兼顧推力器高重復(fù)頻率工作的同時還必須考慮FRC等離子體的產(chǎn)生品質(zhì)。

3.3 大功率場反等離子體電磁推力器地面試驗驗證技術(shù)

場反電推進主要應(yīng)用于空間推進，為了驗證其可行和可靠性，必須經(jīng)過地面仿空間高真空環(huán)境的檢驗，通常采用帶有抽氣設(shè)備的地面密封真空艙來實現(xiàn)。但是根據(jù)推力計算方程：

(2)

可知在速度恒定的情況下，推力隨著工質(zhì)流率的增大而增大。表1中給出的ELF推力器最小流率為140 mg/s，較國內(nèi)最大功率(10 kW)的柵極離子推力器工質(zhì)氣體流率增加數(shù)十倍之多。如果功率持續(xù)提升到兆瓦甚至數(shù)十兆瓦，推進劑流率還會呈數(shù)十甚至數(shù)百倍的增加，這要求地面實驗真空艙的抽真空能力也相應(yīng)的增強，對抽真空設(shè)備提出更大的考驗。

大功率場反推力器相比于國內(nèi)主流的10 kW功率以內(nèi)推力器，無論是羽流強度還是羽流面積均成倍的增加，要更加有效的驗證推力器的可靠性，地面真空艙的尺寸也必須大幅提升，這對大尺度高真空設(shè)備是一個挑戰(zhàn)。此外，大功率推力器的地面壽命考核也是必須要考慮的問題，在這個過程中僅推進劑和電能消耗就是難以承受的，必須另辟蹊徑，通過短周期可靠驗證實現(xiàn)推力器全壽命周期的評估。

3.4 大功率場反構(gòu)型推力器發(fā)展趨勢

國外場反構(gòu)型等離子體推力器已經(jīng)進行了近十年的研究，取得了顯著的成果，但仍存在部分技術(shù)難題短期內(nèi)難以克服。因此，場反推力器的發(fā)展主要以性能的提升為首要任務(wù)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

3.4.1 高效FRC等離子體的產(chǎn)生

美國MSNW公司EMPT推力器的實驗結(jié)果顯示，在2 800 Hz脈沖重復(fù)放電頻率下，僅能產(chǎn)生400個FRC等離子體，嚴重制約推力器的性能和效率[14]。優(yōu)化場反推力器的設(shè)計，提升FRC產(chǎn)生的比例，可顯著提升推力器的推力和效率。

3.4.2 預(yù)電離源技術(shù)

預(yù)電離源不僅僅是提供原初等離子體，還決定了放電室氣體的軸向和徑向分布、氣壓、放電頻率等參數(shù)，進而影響RMF的電離率、角向電流的大小和FRC的形成[21]。提升預(yù)電離技術(shù)，可顯著提升推力器的性能。

3.4.3 效率的提升

ELF推力器的理論計算效率高達85%，但是目前實驗測量結(jié)果普遍小于60%，因此其效率提升還存在較大空間，這需要對推力器進行3D多尺度深入的理論和數(shù)值分析，掌握其關(guān)鍵工作機制，從而達到性能提升的目的。

3.4.4 場反推力器的脈沖準穩(wěn)態(tài)運行

推力器單脈沖的運行依賴高速脈沖閥，但是脈沖閥存在嚴重的壽命問題(MSNW公司已進行了驗證)。即便不考慮壽命問題，現(xiàn)今最高速的脈沖閥(響應(yīng)時間在80微妙)實現(xiàn)氣體注入也需要毫秒的時間，這極大制約推力器性能和效率。若采用高頻脈沖準穩(wěn)態(tài)的運行方式，放電期間連續(xù)供氣，可解決脈沖閥的壽命和時間響應(yīng)問題，提升推力器效率。

3.4.5 推進劑的優(yōu)化

推進劑氣體的電離能、原子質(zhì)量和電離截面是三個重要的參數(shù)，決定了場反推力器推進劑的利用率。當(dāng)前的試驗已經(jīng)驗證了多工質(zhì)推進劑的可行性，解決多種不同固、氣、液及金屬推進劑的供給、存儲和多區(qū)間與多參數(shù)的放電運行可顯著拓寬推力器的適用范圍和任務(wù)靈活性[19]，能顯著提升其性能。

4 結(jié)束語

大功率電推進是未來深空探測任務(wù)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，國內(nèi)外都已廣泛開展了大功率等離子體電推進技術(shù)的研究。與國外先進技術(shù)相比，無論是理論研究還是工程應(yīng)用，目前我國還與國外存在較大差距，主要原因：一是我國大功率電推進研究起步較晚；二是大功率電推進技術(shù)難度極大，短期內(nèi)難以取得突破。

本文通過調(diào)研國內(nèi)外大功率電推進研究現(xiàn)狀，介紹了4種國內(nèi)外大功率電推進技術(shù)的發(fā)展情況，根據(jù)性能參數(shù)的對比研究，重點分析了大功率場反構(gòu)型等離子體電磁推力器的顯著優(yōu)勢，結(jié)合其工作原理和組成結(jié)構(gòu)，對場反構(gòu)型電磁推力器研制所需克服的關(guān)鍵技術(shù)進行初步探討，對其發(fā)展趨勢進行了展望，有助于我國大功率場反構(gòu)型電磁推力器的研發(fā)。

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