基于ISRU應(yīng)用的電磁推進(jìn)技術(shù)

趙大年，張?zhí)炱剑瑢O新鋒（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

原位資源利用（ISRU）是指通過(guò)勘測(cè)、收集、加工和利用地外天體的在線天然資源以及回收利用空間廢棄資源，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)空間自給自足能力的技術(shù)[1]。

將ISRU技術(shù)應(yīng)用于空間推進(jìn)系統(tǒng)，利用小行星、月球和火星等處的資源，制造推進(jìn)劑供給推力器產(chǎn)生推力，可極大拓展航天任務(wù)的距離區(qū)間，減少科學(xué)載荷壓力。以火星探測(cè)任務(wù)為例，每減少1 kg運(yùn)輸?shù)交鹦巧系馁|(zhì)量，等價(jià)于減少5 kg運(yùn)輸?shù)降偷厍蜍壍郎系馁|(zhì)量或85 kg在地表發(fā)射時(shí)的質(zhì)量[2]。減少地表發(fā)射質(zhì)量意味著航天器可搭載更多實(shí)驗(yàn)和探測(cè)設(shè)備，減緩所攜帶燃料的消耗將很大程度上提升航天器長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)的能力，并提升任務(wù)靈活性。

在空間推進(jìn)系統(tǒng)上應(yīng)用ISRU技術(shù)的關(guān)鍵在于推力器的選擇，化學(xué)推力器比沖較低，推進(jìn)劑選擇面小、一般不太適用ISRU技術(shù)和執(zhí)行總沖量較大的深空探測(cè)任務(wù)[3]。

電推力器具有比沖高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，相比化學(xué)推力器最大的優(yōu)勢(shì)在于其高比沖和長(zhǎng)時(shí)間工作的能力，可以大幅減少推進(jìn)劑的消耗需求。實(shí)際上，使用ISRU技術(shù)為空間電推進(jìn)系統(tǒng)提供推進(jìn)工質(zhì)并不是一個(gè)新概念。2009年，在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出的探索火星設(shè)計(jì)參考任務(wù)架構(gòu)5.0中就有利用ISRU技術(shù)為熱核火箭提供燃料的設(shè)想[4]。2017年8月，美國(guó)普渡大學(xué)研制出以水為推進(jìn)劑的微型推力器—薄膜蒸發(fā)微機(jī)電系統(tǒng)可調(diào)陣列（FEMTA）[5]。FEMTA以安全易得的水為推進(jìn)劑，同樣適用于ISRU技術(shù)。以上兩個(gè)例子都是根據(jù)具體的任務(wù)需求選擇推力器的類(lèi)型，而未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)面臨的是復(fù)雜的空間環(huán)境和不同類(lèi)別的空間資源，需要的是普適性較強(qiáng)，可適用多種推進(jìn)劑的空間電推力器。

目前世界各國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的十幾種類(lèi)型的電推力器在原理、比沖、功率以及效率等方面是各相迥異的，需要根據(jù)ISRU技術(shù)的要求從中挑選較為適宜的推力器。技術(shù)較為成熟的電推力器[6]（如霍爾、離子推力器）在使用氙氣、氪氣等惰性氣體作為推進(jìn)劑時(shí)表現(xiàn)良好，但當(dāng)其使用氧化性或揮發(fā)性氣體作為推進(jìn)劑時(shí)，等離子體和電極以及等離子體和器壁的接觸將會(huì)不可避免的導(dǎo)致侵蝕現(xiàn)象和高溫化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，影響其壽命和工作效率。當(dāng)其使用含有碳原子的分子氣體作為推進(jìn)劑時(shí)還會(huì)對(duì)推力器造成碳沉積等不利影響。為此可選用基于無(wú)電極、電離效率高的空間電磁推進(jìn)系統(tǒng)作為ISRU技術(shù)應(yīng)用的載體。目前國(guó)際上此類(lèi)電磁推力器主要包括：螺旋波等離子體推力器[7]（HPT）、螺旋波無(wú)電極先進(jìn)推力器[8]（HEAT）、可變比沖磁等離子體推力器[9]（VASIMR）和無(wú)電極洛倫茲力（ELF）推力器[10]等。

無(wú)電極推力器不存在工作電極與推進(jìn)劑兼容性問(wèn)題，不用改造就可很好的適用ISRU推進(jìn)劑。鑒于ISRU技術(shù)在空間推進(jìn)系統(tǒng)中廣闊的應(yīng)用前景和顯著的優(yōu)勢(shì)，以及未來(lái)大型深空探測(cè)任務(wù)對(duì)具有大功率、高比沖、長(zhǎng)壽命和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力推力器的需求，本文開(kāi)展了基于ISRU應(yīng)用的無(wú)電極洛倫茲力電磁推進(jìn)技術(shù)研究，梳理和分析了其中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)，為我國(guó)未來(lái)計(jì)劃開(kāi)展的火星采樣返回、小行星探測(cè)、木星及其他行星穿越探測(cè)等大型深空探測(cè)任務(wù)提供參考。

1 無(wú)電極電推力器

1.1 螺旋波等離子體推力器（HPT）

螺旋波的概念由Aigrain于1960年提出，直到2005年，澳大利亞國(guó)立大學(xué)將第一臺(tái)HPT樣機(jī)研制成功，作為一種新型的電磁式推力器，HPT具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比沖高的特點(diǎn)。推力器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由射頻功率源、射頻匹配器、螺旋波天線、石英管放電室、磁路系統(tǒng)以及推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)組成。

圖1 HPT結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of HPT

HPT的工作原理為：射頻功率源提供特定頻率的電磁波（13.56 MHz或27.12 MHz）并通過(guò)匹配器將能量傳遞至螺旋波天線產(chǎn)生螺旋波。螺旋波在放電室內(nèi)傳播使其中的粒子通過(guò)朗道阻尼效應(yīng)獲得能量，電子與中性氣體工質(zhì)發(fā)生碰撞并激發(fā)等離子體，等離子體受磁場(chǎng)約束，其中的電子又通過(guò)朗道阻尼獲得能量，激發(fā)更多氣體工質(zhì)成為等離子體。最終離子通過(guò)等離子體中的雙層電勢(shì)降加速并排出推力器[11]。由于其工作原理是利用雙層加速效應(yīng)加速推進(jìn)工質(zhì)，因此又被稱(chēng)為螺旋波雙層推力器（HDLT）[12]。

從國(guó)內(nèi)外HPT的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，僅基于雙層加速效應(yīng)加速等離子體獲得推力的效果并不理想，螺旋波源效率僅有30%左右，比沖小于800 s，雖然有廣闊的應(yīng)用前景但無(wú)法滿足深空探測(cè)任務(wù)的需求，需要額外的加速機(jī)制來(lái)加速等離子體以獲得更高的效率和比沖。因此，國(guó)內(nèi)外研究單位開(kāi)展多種采用附加方式對(duì)等離子體進(jìn)行加速的試驗(yàn)研究，得到了可適用于不同空間任務(wù)的螺旋波推力器衍生體。HPT衍生體產(chǎn)生等離子體的方式都為射頻放電，不存在電極，等離子體與壁面沒(méi)有直接接觸，可以適用多種不同推進(jìn)工質(zhì)，是ISRU技術(shù)應(yīng)用的良好載體。

1.2 螺旋波無(wú)電極先進(jìn)推力器（HEAT）

日本宇航開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）聯(lián)合日本多所高校提出了螺旋波無(wú)電極先進(jìn)推力器計(jì)劃[13]，旨在利用螺旋波等離子體源結(jié)合旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（RMF）、旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)（REF）和有質(zhì)動(dòng)力離子回旋共振（PA/ICR）電磁加速的方法研制新一代無(wú)電極、長(zhǎng)壽命、高性能的電磁推力器。

HEAT由兩部分組成，分別為螺旋波等離子體源和加速模塊。等離子體源由推進(jìn)劑輸入裝置、石英放電室、磁場(chǎng)線圈和射頻天線組成。加速模塊的結(jié)構(gòu)由不同的加速原理決定，如圖2所示。

圖2 REF、RMF和PA/ICR加速模塊示意圖Fig.2 Configurations of the REF、RMF and PA/ICR acceleration schemes

REF加速實(shí)驗(yàn)中，推力器在螺旋波等離子體源的基礎(chǔ)上增加了REF加速模塊。REF模塊是在等離子體源下游安裝兩對(duì)平板電極，并施加正弦交變電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)作用于高密度等離子體，使等離子體中大量電子做E×B的漂移運(yùn)動(dòng)并形成角向電流。角向電流與磁場(chǎng)徑向分量共同作用生成軸向洛倫茲力，沿軸向加速等離子體。

RMF加速實(shí)驗(yàn)與REF類(lèi)似，推力器在螺旋波等離子體源的基礎(chǔ)上增加了RMF模塊。RMF模塊是在等離子體源下游安裝銅線圈，并施加正弦交變電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用于高密度等離子體，在徑向壓力梯度影響下，電子將出現(xiàn)抗磁性漂移，生成感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與磁場(chǎng)分量共同作用產(chǎn)生洛倫茲力，加速等離子體。同時(shí)，徑向磁場(chǎng)與等離子體相互作用在局部形成軸向電勢(shì)差，沿軸向加速等離子體。

PA/ICR加速實(shí)驗(yàn)是在等離子體源的基礎(chǔ)上增加了PA/ICR模塊。其中有質(zhì)動(dòng)力是在等離子體局部區(qū)域形成高強(qiáng)電磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的電磁壓力。在這種加速方式中，磁場(chǎng)呈梯度分布，離子先通過(guò)回旋共振在垂直方向上獲得動(dòng)能，然后受到有質(zhì)動(dòng)力的影響，向場(chǎng)強(qiáng)減小的方向運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)過(guò)程中，離子垂直方向的動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)化為水平方向的動(dòng)能，即沿軸向加速等離子體。

HEAT推力器的加速射頻天線都置于放電室外部，不與等離子體直接接觸，因此是一種可以很好適用ISRU技術(shù)的無(wú)電極推力器。但JAXA開(kāi)展的加速效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想[14]，在采用氬氣作為推進(jìn)工質(zhì)時(shí)，加速模塊末端等離子體速度僅提升了500～800 m/s，真正實(shí)用仍需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

1.3 可變比沖磁等離子體推力器（VASIMR）

VASIMR的概念最初由美籍華人張福林于20世紀(jì)80年代初提出。在1994年，主要的研究工作由美國(guó)麻省理工學(xué)院轉(zhuǎn)移到美國(guó)宇航局約翰遜空間中心（NASA JSC）的先進(jìn)空間推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，其核心實(shí)驗(yàn)裝置為VX系列樣機(jī)[15]。

VASIMR推力器主要由三個(gè)部分構(gòu)成，第一部分為螺旋波等離子體源，用于中性氣體工質(zhì)的電離；第二部分為離子回旋共振加熱（ICRH）裝置，用于加速等離子體；第三部分為磁噴嘴，將等離子體能量轉(zhuǎn)化為軸向的動(dòng)能并高速排出。圖3為VASIMR推力器的結(jié)構(gòu)圖[16]。

圖3 VASIMR推力器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic of VASIMR

VASIMR的特點(diǎn)是比沖可調(diào)，其電源功率主要分為三個(gè)部分，一部分輸入螺旋波等離子體源制造等離子體；另一部分輸入（ICRH）裝置，用于加速等離子體，還有一小部分供給磁噴嘴。在電源功率一定的情況下，調(diào)節(jié)電源功率輸入的比例，即可調(diào)節(jié)推力器比沖（推力），獲得高比沖則推力較小或得到大推力則比沖較小。根據(jù)VASIMR這一特點(diǎn)，可依任務(wù)需求，靈活調(diào)節(jié)推力器比沖。

VASIMR效率高、推力大，在200 kW輸入功率下，比沖可達(dá)5 000 s。但VASIMR相比其他螺旋波等離子體推力器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大的缺點(diǎn)。

VASIMR無(wú)電極且ICRH天線不與等離子體直接接觸，同樣是一種可適用ISRU技術(shù)的磁等離子體推力器。

1.4 無(wú)電極洛倫茲力推力器（ELF）

ELF推力器是美國(guó)MSNW公司于2008年研制的一款基于場(chǎng)反構(gòu)型（FRC）的無(wú)電極洛倫茲力推力器[17]。ELF在兼具大功率、高比沖和大推力優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可以運(yùn)行在十千瓦至兆瓦水平，且不受限于功率密度[18]，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗姶磐屏ζ?。由于ELF的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，MSNW公司還進(jìn)行了小功率ELF推力器EMPT的研制工作[19]。美國(guó)華盛頓大學(xué)、美國(guó)空軍研發(fā)實(shí)驗(yàn)室（AFRL）、日本東京大學(xué)以及新加坡南洋理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)也先后開(kāi)展了多項(xiàng)相關(guān)研發(fā)工作。

ELF主要由高性能快速反應(yīng)注氣閥、射頻預(yù)電離系統(tǒng)（PI）、射頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)天線、軸向場(chǎng)分段電磁線圈和石英錐腔體組成，組成剖面如圖4所示。

圖4 ELF推力器剖面圖Fig.4 Cross-section of ELF thruster

其工作過(guò)程主要分為三個(gè)階段：（1）等離子體預(yù)電離階段；（2）FRC形成階段；（3）等離子體團(tuán)加速階段。其中軸向場(chǎng)線圈通電、注氣閥開(kāi)啟以及預(yù)電離系統(tǒng)通電都屬于等離子體預(yù)電離階段；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逆磁感應(yīng)電流的出現(xiàn)和持續(xù)過(guò)程屬于FRC形成階段；在最后一個(gè)階段中，等離子體團(tuán)經(jīng)轉(zhuǎn)移、擴(kuò)張、加速后排出推力器腔體。FRC結(jié)構(gòu)如圖5所示，分界線內(nèi)為受磁場(chǎng)約束的FRC等離子體團(tuán)。

圖5 FRC結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Schematic of the field reversed configuration

ELF推力器屬于脈沖等離子體推力器范疇，該推力器在單脈沖作業(yè)模式下具體的工作過(guò)程為：

（1）軸向場(chǎng)線圈通電。因?yàn)檩S向偏壓場(chǎng)強(qiáng)度的增長(zhǎng)有一個(gè)短暫的過(guò)程，為了能夠在形成和發(fā)射階段達(dá)到理想的數(shù)值，軸向場(chǎng)線圈最先通電。

（2）注氣閥開(kāi)啟并持續(xù)數(shù)百毫秒。在軸向場(chǎng)線圈通電幾毫秒后，注氣閥開(kāi)始工作，持續(xù)注入氣態(tài)推進(jìn)劑。

（3）預(yù)電離系統(tǒng)通電。預(yù)電離系統(tǒng)工作持續(xù)數(shù)百微秒，將形成的少量種子等離子體注入中性推進(jìn)劑中。

（4）射頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)天線通電。在預(yù)電離系統(tǒng)工作數(shù)十微秒后，射頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)天線通電。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)振幅持續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)其增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)束縛電子使其沿磁力線角向方向旋轉(zhuǎn)形成逆磁驅(qū)動(dòng)電流。

（5）FRC形成。在逆磁驅(qū)動(dòng)電流形成后，推進(jìn)劑被進(jìn)一步電離。逆磁驅(qū)動(dòng)電流生成與軸向偏壓場(chǎng)方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，隨著電流的持續(xù)增大，外加軸向偏壓磁場(chǎng)被抵消并形成反向磁場(chǎng)，至此FRC形成。

（6）壓力徑向平衡。隨著FRC等離子體團(tuán)的擴(kuò)張，分界線外的軸向偏壓場(chǎng)向著器壁方向壓縮，分界線上壓力逐漸增加至平衡狀態(tài)，磁場(chǎng)徑向壓力起到了約束等離子體團(tuán)的作用。

（7）等離子體團(tuán)的加速和排出。在磁場(chǎng)的平衡和約束下，驅(qū)動(dòng)電流和軸向磁場(chǎng)的徑向分量共同作用產(chǎn)生的洛倫茲力軸向加速等離子體團(tuán)使其擴(kuò)張并向外排出。

在ELF推力器的整個(gè)工作過(guò)程中，器壁和天線都不與等離子體發(fā)生直接接觸，排出的呈電中性的高速FRC等離子體團(tuán)也消除了羽流污染的問(wèn)題。推力器比沖可達(dá)1 000～8 000 s，等離子體密度高達(dá)1018～1020m-3，是一種高性能無(wú)電極新型推力器。

2 無(wú)電極電推力器對(duì)ISRU技術(shù)適用性的比較

2.1 適用ISRU技術(shù)的比較

無(wú)電極推力器因?yàn)椴淮嬖陔姌O和推進(jìn)劑兼容性約束，原則上可以適用幾乎所有的推進(jìn)工質(zhì)。由于不同推力器工作原理和技術(shù)要求的不同，對(duì)ISRU技術(shù)的應(yīng)用也存在不同的限制。

在VASIMR推力器的ICRH系統(tǒng)中，根據(jù)f=eB/m，離子回旋頻率由軸向磁場(chǎng)大小和平均分子質(zhì)量共同決定，在離子回旋共振頻率相同的條件下，推進(jìn)工質(zhì)的平均分子質(zhì)量越大，所需施加滿足離子回旋波回旋共振加熱和加速重離子的磁場(chǎng)也越大?？臻g強(qiáng)磁場(chǎng)存在兩個(gè)問(wèn)題：一是強(qiáng)磁場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)難度極大（T量級(jí)，不現(xiàn)實(shí)）；二是強(qiáng)磁對(duì)其他設(shè)備造成電磁干擾。因此，對(duì)于分子質(zhì)量較大的推進(jìn)工質(zhì)，推力器應(yīng)用實(shí)現(xiàn)難度較大。

HPT的雙層加速效應(yīng)，實(shí)際上是通過(guò)等離子體中正、負(fù)電荷分離形成的電勢(shì)降對(duì)離子進(jìn)行加速。推進(jìn)工質(zhì)越重，加速效果越差，所得到的比沖也就越低。目前采用Ar作為推進(jìn)工質(zhì)時(shí)，HPT所能達(dá)到的比沖僅有1 500 s，難以滿足使用需求。

由于HEAT加速模塊特殊的工作原理限制，離子約束性能較差，能量轉(zhuǎn)換效率低。HEAT和ELF的原理近似，而ELF的比沖更高，效率也更高。表1為四種推力器的參數(shù)對(duì)比。

綜上所述，HPT、HEAT、VASIMR、ELF四種無(wú)電極推力器都滿足ISRU應(yīng)用的基本要求，但HPT和HEAT在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中離子加速效果不理想，得到的比沖較低。VASIMR結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，不適用于平均分子質(zhì)量大的推進(jìn)劑。同時(shí)從表1數(shù)據(jù)可知，ELF在比沖、推功比和效率方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)，且推力器尺寸較小?；贔RC形成原理，ELF較容易將功率提升至兆瓦級(jí)，在未來(lái)大型深空探測(cè)任務(wù)中有著廣闊的應(yīng)用前景。其等離子體團(tuán)形成和排出的整個(gè)過(guò)程都有磁場(chǎng)約束，不與器壁和天線直接接觸，可以適用幾乎所有的推進(jìn)劑，并且不存在濺射和羽流污染問(wèn)題[20]。因此，ELF推力器相比螺旋波類(lèi)電磁式推力器，更適用于ISRU技術(shù)。

表1 四種推力器參數(shù)對(duì)比Tab.1 Parameters comparison of four thrusters

2.2 ISRU無(wú)電極電推力器的關(guān)鍵技術(shù)分析

雖然從ELF推力器的結(jié)構(gòu)和工作原理來(lái)看，符合ISRU技術(shù)應(yīng)用要求，但若要將其應(yīng)用于實(shí)際，還存在著許多細(xì)節(jié)問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)，需要對(duì)推力器的多個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。

（1）預(yù)電離系統(tǒng)

與HPT和以螺旋波等離子體源為核心的衍生推力器不同，無(wú)電極洛倫茲力推力器（ELF、EMPT等）正常運(yùn)行還需要依靠預(yù)電離系統(tǒng)[21]。預(yù)電離系統(tǒng)不僅僅提供種子等離子體，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(jìn)而影響旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電離率、角向電流的大小和FRC的形成。若要應(yīng)用多種推進(jìn)工質(zhì)，需要挑選一個(gè)性能優(yōu)越且避免電極腐蝕的預(yù)電離系統(tǒng)。

MSNW公司研制的頻率為13.56 MHz的射頻預(yù)電離裝置[22]由6～10匝天線纏繞在12 mm的氧化鋁管上組成，不存在傳統(tǒng)意義上的電極，理論上可以電離多種推進(jìn)劑。通過(guò)改變推進(jìn)劑種類(lèi)來(lái)測(cè)試射頻預(yù)電離裝置的工作能力。測(cè)試分為兩組，第一組使用惰性氣體氬氣作為推進(jìn)劑，工質(zhì)流量為2.9 mg/s，射頻天線功率為20 W，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)6 h。預(yù)電離系統(tǒng)在通電10 min后到達(dá)平衡溫度94℃，等離子體的亮度和顏色沒(méi)有明顯變化，可知此系統(tǒng)適用于惰性氣體。

第二組使用分子氣體二氧化碳作為推進(jìn)劑，二氧化碳?xì)怏w中碳原子易沉積在器壁表面，氧原子化學(xué)性質(zhì)活躍，易與其他成分反應(yīng)，是一種測(cè)試預(yù)電離系統(tǒng)性能的優(yōu)異選擇。放電實(shí)驗(yàn)以10 W的功率和1.6 mg/s的流量持續(xù)了8 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，放電通道和腔體無(wú)損傷。由此可以看出，射頻預(yù)電離系統(tǒng)適用于氣體推進(jìn)劑的預(yù)電離。

（2）液體推進(jìn)劑注入裝置

由于液體推進(jìn)劑具有易儲(chǔ)存、易采集等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)當(dāng)將液體推進(jìn)劑納入選用范圍。普通的注氣閥可以注入多種不同的氣體推進(jìn)劑，由于不同液體的黏度、蒸氣壓、相變溫度差距較大，液體注入裝置需要按液體種類(lèi)分別設(shè)計(jì)。對(duì)于來(lái)源廣泛的液態(tài)水，MSNW公司設(shè)計(jì)了可裝載在ELF-160上的注入裝置[23]。ELF-160是美國(guó)MSNW公司于2015年研制的功率為30 kW的FRC推力器，比沖5 000 s，效率60%。液態(tài)水注入裝置為T(mén)形管狀結(jié)構(gòu)，下端是液態(tài)水進(jìn)水口，上端的一邊與40 W加熱器相接，另一邊通過(guò)焊接在Φ9.5 mm不銹鋼管上的Φ32 mm不銹鋼圓盤(pán)與ELF預(yù)電離裝置上的玻璃腔體和O型密封圈相連。

圖6 預(yù)電離裝置放電實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)放電前后對(duì)比（CO2氣體）圖Fig.6 An RF inductive pre-ionizer operating on CO2gas and before and after photos of the long duration operation

實(shí)際樣機(jī)測(cè)試過(guò)程中，整個(gè)裝置在25 W的功率和2.5 mg/s的流量下正常工作。液體注入裝置是ISRU應(yīng)用中必不可少的一部分，裝置需要根據(jù)不同推力器的結(jié)構(gòu)尺寸和特性分別設(shè)計(jì)，通過(guò)改變尺寸和材料，液態(tài)水注入裝置可以適用于大部分需要應(yīng)用液體推進(jìn)劑的推力器。綜合氣體和液體推進(jìn)劑的測(cè)試結(jié)果，可以確定射頻預(yù)電離系統(tǒng)適用ISRU技術(shù)。

（3）能量耦合效率和重復(fù)頻率

脈沖誘導(dǎo)類(lèi)洛倫茲力推力器的重復(fù)頻率決定了能量耦合的效率[24]。不同推進(jìn)劑的最佳重復(fù)頻率不同，為了提升推力器性能，需要確定不同推進(jìn)劑的最佳重復(fù)頻率。理論上最佳的重復(fù)周期是指中性氣體通過(guò)整個(gè)推力器的時(shí)間長(zhǎng)度，也可用等效長(zhǎng)度表示（聲速/重復(fù)頻率），理論最佳重復(fù)頻率如表2所列。

分子質(zhì)量較低的氣體因?yàn)槟芰课帐艿秸駝?dòng)模式和壁面平衡的影響，傳輸時(shí)間較長(zhǎng)。理論上，可以用推進(jìn)劑的平均分子速度來(lái)估計(jì)分子氣體推進(jìn)工質(zhì)的最佳重復(fù)頻率。在實(shí)際條件下，推進(jìn)劑的最終產(chǎn)物是等離子體和推進(jìn)劑的混合物，最佳重復(fù)頻率仍然需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 不同氣體理論重復(fù)周期Tab.2 The measured scaling of ideal thruster repetition rate

MSNW公司以ELF-160為測(cè)試樣機(jī)，開(kāi)展了多種推進(jìn)劑對(duì)推力器性能影響的測(cè)試試驗(yàn)。二氧化碳、火星大氣和水蒸氣的測(cè)試結(jié)果都比純氙氣要差。合理的猜測(cè)認(rèn)為這是由于分子氣體需要較高的分解和電離能量，使得其相比惰性氣體需要獲得更多的能量卻僅能形成壓力較低且速度較慢的場(chǎng)反構(gòu)型等離子體團(tuán)。雖然分子推進(jìn)劑在平均分子質(zhì)量較低的情況下仍保持了較高的比沖和推力器效率，但功率調(diào)節(jié)單元（PPU）能量與等離子體耦合效率較差，這個(gè)猜測(cè)也在后期試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。純氙氣的PPU能量效率高達(dá)80%以上，而分子氣體的效率僅有20%～50%。耦合效率的低下是由于理論的最佳重復(fù)頻率和實(shí)際測(cè)試的重復(fù)頻率不同所導(dǎo)致的。在ELF和EMPT推力器設(shè)計(jì)時(shí)，重復(fù)頻率依據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定，完全取決于不同重復(fù)頻率下推力器的試驗(yàn)結(jié)果。因此，對(duì)一個(gè)可適用ISRU技術(shù)的推力器，需要一個(gè)可變頻率的脈沖電源來(lái)動(dòng)態(tài)改變重復(fù)頻率，以滿足不同推進(jìn)劑、不同重復(fù)頻率的需求。未來(lái)需要進(jìn)行更多仿真和試驗(yàn)研究，以確定不同種類(lèi)推進(jìn)劑不同的最佳重復(fù)頻率，提高耦合效率。

（4）功率調(diào)節(jié)單元（PPU）熱負(fù)荷

適用于ISRU任務(wù)的電推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)PPU提出了很多新的要求[25]。由于推進(jìn)劑物理性質(zhì)的區(qū)別，所需重復(fù)頻率和單次脈沖能量也不同，這些都將影響PPU的工作模式和工作效率。在推力器高電壓穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，還需保證PPU開(kāi)關(guān)部件與推力器熱負(fù)載關(guān)鍵部分的隔離，需要完善熱管理系統(tǒng)以吸收熱量防止PPU出現(xiàn)故障。在加入PPU開(kāi)關(guān)和液態(tài)水注入裝置等脆弱部件的情況下，推力器的熱管理變得更加復(fù)雜，高溫天線的散熱和與脆弱部件的隔離效果直接影響推力器的性能和可靠性。未來(lái)需要進(jìn)行更多的熱負(fù)荷仿真和試驗(yàn)測(cè)試，以獲得推力器熱管理系統(tǒng)的最優(yōu)方案設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

無(wú)電極電推力器在使用不同種類(lèi)、不同物理形態(tài)的推進(jìn)劑時(shí)，需要對(duì)推進(jìn)劑儲(chǔ)存、控制和注入裝置單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免沉積、侵蝕和堵塞等現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，推進(jìn)劑種類(lèi)的不同，其最佳重復(fù)頻率的確定是提升PPU能量耦合效率的有效途徑，依賴(lài)于重復(fù)性樣機(jī)試驗(yàn)。在ELF樣機(jī)試驗(yàn)中，因推進(jìn)劑原子種類(lèi)相異造成的分離效果并不明顯，這與仿真結(jié)果有較大出入，后續(xù)需要進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)雜氣體在推力器中的運(yùn)動(dòng)機(jī)理仿真分析，確保不缺失關(guān)鍵的物理過(guò)程。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)射頻天線工作時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，需要一種可行的方法進(jìn)行降溫和隔熱，目前最有效的方法是在射頻天線表面鍍一層可以承受高溫的絕緣涂層，涂層需滿足在高強(qiáng)度熱循環(huán)下不開(kāi)裂，以防止射頻天線電弧放電，并避免過(guò)高溫度造成推力器故障和損壞。