面向深空探測的電磁帆推進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展

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

開展深空探測是人類揭示宇宙奧秘、探索宇宙起源最重要、最直接的技術(shù)手段，而深空探測要求推力器能夠?yàn)楹教炱魈峁O大的速度增量，此外載人深空探測還對任務(wù)周期具有嚴(yán)苛的要求。目前航天器受攜帶工質(zhì)質(zhì)量的制約越來越嚴(yán)重，若使用傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)開展深空探測任務(wù)，極大的速度增量要求其攜帶的工質(zhì)質(zhì)量將占到航天器總質(zhì)量的80%以上，發(fā)射難度以及成本成倍增加；若使用常規(guī)電推進(jìn)技術(shù)，盡管比沖高，但是推力較小，任務(wù)周期較長，且仍未擺脫需要工質(zhì)的束縛，航天器壽命仍然有限。

電磁帆是利用太陽風(fēng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生推力的一種新型推進(jìn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)少工質(zhì)甚至無工質(zhì)推進(jìn)，具有效率高、壽命極長和比沖超高等突出優(yōu)點(diǎn)，是開展深空探測任務(wù)極具發(fā)展?jié)摿Φ耐七M(jìn)方案之一。

1 電磁帆的基本概念及其特性

1.1 太陽風(fēng)

太陽除了發(fā)出太陽光，每天還可以拋射出重達(dá)1.5千億噸的物質(zhì)[1]，形成太陽風(fēng)并向空間持續(xù)擴(kuò)散，這是一種充滿太陽系內(nèi)的無碰撞、低密度、高速度的等離子體，主要由質(zhì)子和電子組成。典型的等離子體數(shù)密度和溫度分別為5 cm-3和10 eV，在1 AU 處(地球軌道)的速度約為300 ～ 900 km/s[2]，因而太陽風(fēng)也被稱為太陽風(fēng)等離子體。

與太陽帆[3]利用太陽光在帆板上產(chǎn)生的光壓獲得推力類似，電磁帆是利用其與太陽風(fēng)等離子體之間的相互作用實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。由于太陽風(fēng)中質(zhì)子的質(zhì)量遠(yuǎn)高于光子，因而同尺寸的電磁帆產(chǎn)生的推力遠(yuǎn)高于光帆。當(dāng)前發(fā)展的主流電磁帆主要有3類，分別為電帆、純磁帆及磁等離子體帆，如圖1所示，下面分別加以介紹。

1.2 電帆

電帆的概念最早是由芬蘭氣象研究所的Pekka Janhunen于2004年提出，最初設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示[4]。假設(shè)結(jié)構(gòu)由橫截面半徑為5 μm的銅構(gòu)成，銅絲長為10 km，間隔5 m，則電帆質(zhì)量約為250 kg。在1 AU處的太陽風(fēng)動(dòng)壓為2 nPa，則產(chǎn)生的推力為1.2 N，相應(yīng)的加速度為5 mm/s2。 2006年，Janhunen等人借鑒電動(dòng)力繩系技術(shù)進(jìn)一步對電帆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良[5]，使得電帆簡單化且易于工程實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。帆面由多根(50～100)呈放射狀分布且不斷旋轉(zhuǎn)的帶電金屬繩系和一個(gè)電子槍組成，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生推力大小F的線密度可由下式進(jìn)行估算：

圖1 利用太陽光和太陽風(fēng)的帆類推進(jìn)技術(shù)分類Fig.1 Classification of solar sail and solar wind sails propulsion technology

(1)

式中：V0為繩系電位，eV1=miv2/2為太陽風(fēng)等離子體中質(zhì)子的動(dòng)能，與V0相比往往可以忽略；Pdyn為太陽風(fēng)的動(dòng)壓；z為繩系長度。設(shè)V0=20 kV，則推力線密度約為532 nN/m，對于由100根20 km長的繩系組成的電帆，產(chǎn)生的推力可達(dá)1 N。若繩系材料為鋁，截面半徑為25 μm，則總質(zhì)量僅為11 kg左右，電子槍所需功率為400 W左右，因而推功比約為250 N/kW。2009年，為了避免繩系之間的相互碰撞，Janhunen等人又進(jìn)一步改進(jìn)了電帆結(jié)構(gòu)[6]，如圖2(c)所示。

圖2 電帆結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structures of E-sails

電帆在工作時(shí)，通過電子槍向外發(fā)射電子使得帆面保持在一個(gè)較高的正電位，從而在空間產(chǎn)生一定范圍的電場，入射的太陽風(fēng)等離子體中的質(zhì)子被電場散射、偏轉(zhuǎn)甚至反彈回去，質(zhì)子的部分動(dòng)量傳遞給電帆從而產(chǎn)生推力。

1.3 純磁帆

純磁帆的概念最早由美國Boeing公司的D. G. Andrews和Martin Marietta航天研究所的R. M. Zubrin于1989年提出[7]，其基本工作原理如圖3所示[8]。太陽風(fēng)等離子體中的質(zhì)子在很寬的空間范圍內(nèi)被大型超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場反射，作用在線圈上的反作用力推動(dòng)航天器沿著太陽風(fēng)方向加速運(yùn)動(dòng)。

圖3 純磁帆推力產(chǎn)生過程示意Fig.3 Thrust generation progress of pure magnetic sails

太陽風(fēng)等離子體與空間磁場的作用邊界稱為磁頂層(magnetopause)，磁頂層內(nèi)部包圍的空間區(qū)域稱為磁腔 (magnetosphere)，施加在超導(dǎo)線圈上的力的大小F可由下式計(jì)算[8]：

(2)

Zubrin等人從理論上估算得到，產(chǎn)生10 N推力所需磁場作用區(qū)域的尺寸約為64 km，而20 N推力所需的磁場作用區(qū)域更是達(dá)到100 km[9]以上，相應(yīng)的超導(dǎo)線圈的直徑已超過幾十千米。如此巨大的超導(dǎo)線圈，無論是發(fā)射還是展開，在目前的工程技術(shù)條件下是無法實(shí)現(xiàn)的，因此在提出之初，這種推進(jìn)方案并未引起學(xué)術(shù)界的研究興趣。

1.4 磁等離子體帆

2000年，美國華盛頓大學(xué)的R. M. Winglee等人在純磁帆的基礎(chǔ)上發(fā)展了磁等離子體帆(Magneto Plasma Sail, MPS)概念[10]。該推進(jìn)概念的最大優(yōu)點(diǎn)在于從技術(shù)和材料上避免了使用大尺寸線圈的難題。MPS基本工作原理如圖4所示，小尺寸超導(dǎo)線圈(米量級)產(chǎn)生較小空間尺寸的磁腔，航天器自身攜帶的等離子體源通過向磁腔噴射等離子體使得磁場膨脹，形成相當(dāng)于幾十千米純磁帆產(chǎn)生的磁腔，從而產(chǎn)生可觀的推力。另外，MPS產(chǎn)生15～20 km大小的磁場作用區(qū)域每天所消耗的工質(zhì)僅約0.5 kg，同時(shí)功耗小于1 kW，是一種理想的少工質(zhì)推進(jìn)技術(shù)。在等離子體能量轉(zhuǎn)換為磁能的效率達(dá)到20%時(shí)，推功比可達(dá)250 mN/kW[11]。

圖4 磁等離子體帆工作原理示意Fig.4 Working principle of magnetic plasma sails

1.5 電磁帆與其他電推進(jìn)的比較

表1給出了新型電磁帆與常規(guī)離子、霍爾電推進(jìn)技術(shù)主要性能的指標(biāo)對比[12]。從中可以看出，電磁帆所需的輸入功率極小，使得電磁帆推進(jìn)的推功比普遍高于離子、霍爾電推進(jìn)，而電帆更是高出了4個(gè)數(shù)量級。然而，從工程應(yīng)用角度而言，電帆與純磁帆的空間尺寸過大，且帆面展開面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，使其空間應(yīng)用受到極大限制。相比而言，磁等離子體帆在具有高推功比的同時(shí)，能夠保證帆體尺寸與常規(guī)電推力器的尺寸相當(dāng)，因而具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

隨著遠(yuǎn)離太陽，與電磁帆作用的太陽風(fēng)等離子體密度隨距離呈平方反比規(guī)律下降，因而電磁帆存在空間應(yīng)用的優(yōu)勢空間。從表1可以看出，在約2.2 AU處，電磁帆推功比降至與霍爾電推進(jìn)相當(dāng)，在約3.2 AU處，進(jìn)一步降低至離子電推進(jìn)水平。因此，從推功比角度來講，磁等離子體帆較適宜開展小行星帶(2.17～3.64 AU)內(nèi)側(cè)星際空間的探測。

表1 電磁帆與其他電推進(jìn)的對比

2 電磁帆研究進(jìn)展

2.1 電帆

國內(nèi)外對電帆繩系加工制造及其展開技術(shù)、電帆推力控制技術(shù)以及基于電帆推進(jìn)的軌道優(yōu)化技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。

(1)電帆繩系加工及其展開技術(shù)

2008年，芬蘭氣象研究所與赫爾辛基大學(xué)合作研制了一套電帆推力器模型，如圖5所示[13]。該模型主要是為電帆繩系的加工以及展開積累一定的前期經(jīng)驗(yàn)，并不具備飛行驗(yàn)證能力。2010年12月，歐盟啟動(dòng)了編號為ESAIL EU FP7 的“電帆推進(jìn)技術(shù)研究項(xiàng)目”，2013年完成了電帆推力器原理樣機(jī)的研制，繩系長15 m。該原理樣機(jī)搭載在愛沙尼亞塔爾圖大學(xué)和塔林大學(xué)研制的一顆重10 kg、邊長10 cm的立方衛(wèi)星ESTCube-1上，于2013年5月7日由阿利安太空公司的織女號火箭上發(fā)射升空。該衛(wèi)星的主要科學(xué)任務(wù)之一便是在LEO軌道對電帆進(jìn)行第一次飛行驗(yàn)證。然而，由于繩系卷筒故障，導(dǎo)致繩系自旋展開失敗，未能完成飛行驗(yàn)證任務(wù)。該衛(wèi)星在運(yùn)行了26個(gè)月之后，由于電能供應(yīng)不足，進(jìn)入負(fù)能量狀態(tài)，因而無法再進(jìn)行電帆的進(jìn)一步分析和驗(yàn)證工作。2014年中國空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室黃小琦等人開展了大型太陽帆薄膜折疊及展開過程的數(shù)值模擬，提出了一種適合空間應(yīng)用的太陽帆帆面折疊方式，為大型太陽帆選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[14]。電帆的帆面折疊與展開過程與太陽帆類似，可以借鑒參考。

圖5 電帆推力器模型Fig.5 Electric sail thruster model

(2) 電帆推力控制

電帆相對于傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)，具有結(jié)構(gòu)尺寸大等特點(diǎn)。通過對電帆不同位置的控制參數(shù)、入射角進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對電帆推力的控制。北京控制工程研究所的于洋等人針對電帆推進(jìn)技術(shù)，提出了一種基于導(dǎo)線電勢調(diào)節(jié)的電帆推力矢量控制方法。西北工業(yè)大學(xué)陳茂林等人分析了不同導(dǎo)線間距情況和斜入射情況下的導(dǎo)線鞘層分布及電動(dòng)帆推力特性，研究結(jié)果明確了電動(dòng)帆的推力矢量及其隨姿態(tài)的變化, 對電動(dòng)帆航天器軌道動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考[15]。

(3)基于電帆推進(jìn)的航天器姿態(tài)與軌道控制

作為一種新型推進(jìn)方式，研究電帆作用下的航天器的姿態(tài)與軌道控制是十分必要的。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的霍明英等人基于電帆推進(jìn)方式，對航天器姿態(tài)軌道耦合動(dòng)力學(xué)、 軌跡優(yōu)化、姿態(tài)跟蹤控制和日心懸浮軌道應(yīng)用開展了研究[16]；2015年，北京控制工程研究所以及通信衛(wèi)星事業(yè)部王昱等人用粒子群算法開展了利用電帆推進(jìn)的飛行器軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，算法收斂性好，魯棒性好[17]。

2.2 純磁帆及磁等離子體帆

由于純磁帆與磁等離子體帆之間的高度關(guān)聯(lián)性，國內(nèi)外往往將這兩種磁帆結(jié)合在一起研究。國外對磁帆的研究起步早，機(jī)理研究相對深入，地面驗(yàn)證相對全面，但尚未開展空間飛行驗(yàn)證。目前正在開展或已開展過相關(guān)研究的國家主要是美國和日本，特別是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)對電磁帆推進(jìn)技術(shù)非常重視，聯(lián)合多所本土高校開展了大量的仿真模擬和試驗(yàn)研究，水平和成果已位居世界前列。

目前對磁帆相關(guān)技術(shù)的研究主要采用數(shù)值仿真和地面試驗(yàn)的方法，而其中又以數(shù)值仿真為主，下面分別介紹國外在這兩方面的研究進(jìn)展。

(1)數(shù)值仿真研究進(jìn)展

在數(shù)值仿真方面，由于磁腔尺寸(或磁頂層厚度)的變化范圍很大，因此在數(shù)值模擬中使用的模型及考慮的因素也隨之不同，圖6給出了不同磁腔尺寸下太陽風(fēng)等離子體應(yīng)采取的處理方式[18]。

在數(shù)值模擬過程中，主要分3種情況分別對等離子體進(jìn)行近似處理，其判斷依據(jù)分別是磁頂層與線圈中心之間的距離L、離子的拉莫爾回旋半徑rLi和電子的拉莫爾回旋半徑rLe的相對大小。

1)L?rLi，離子和電子的粒子效應(yīng)可以忽略，可以將太陽風(fēng)等離子體處理為單流體模型，在模擬過程中可以采用磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)方法；

2)L≈rLi，L?rLe，離子的粒子效應(yīng)不可忽略，電子仍然可以處理為無質(zhì)量的流體，在模擬過程中需要在MHD的基礎(chǔ)上引入處理離子動(dòng)理效應(yīng)的網(wǎng)格質(zhì)點(diǎn)(Particle in Cell, PIC)方法，即混合PIC法(Hybrid-PIC)；

3)LrLe，離子和電子的粒子效應(yīng)均不可忽略，電子和離子都必須處理為粒子，在模擬過程中應(yīng)采用全網(wǎng)格質(zhì)點(diǎn)法(Full-PIC)。

截止目前，世界范圍內(nèi)對磁帆開展的仿真模擬工作如表2所示[10, 18-32]。無論是針對大尺寸磁場采用的MHD方法，還是針對中小尺寸磁腔采用的PIC方法，模擬結(jié)果均表明，利用空間磁場與太陽風(fēng)等離子體的相互作用，可以為航天器提供可觀的推力。

對于1 km大小的磁腔，產(chǎn)生的推力大約在1 mN量級；磁腔尺寸增大到30 km時(shí)，相應(yīng)的推力可以提升到牛級；磁腔進(jìn)一步增大到500 km左右時(shí)，產(chǎn)生的推力可達(dá)1 000 N以上。

通過注入速度、密度等參數(shù)合適的等離子體，驗(yàn)證了磁場碰撞的可行性，并從定量結(jié)果分析來看，相較于純磁帆，磁等離子體帆可將推力提升40～300倍。

(2)地面試驗(yàn)研究進(jìn)展

日本在磁帆地面試驗(yàn)驗(yàn)證方面開展了最全面、最詳細(xì)的研究。

2006年，JAXA的Ikkoh Funaki等人對純磁帆開展了地面試驗(yàn)研究[34]，采用小型磁等離子體推力器的羽流模擬太陽風(fēng)等離子體，對真實(shí)磁帆成功進(jìn)行了縮比驗(yàn)證，在磁帆周圍觀察到了磁腔的存在。

2014年，JAXA的Yuya Oshio等人對高β等離子體注入的磁等離子體帆推力進(jìn)行了試驗(yàn)研究[35]，試驗(yàn)中得到的典型的磁場膨脹結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)了隨著注入等離子體的增多，推力出現(xiàn)一定程度的上升，最大推力增益約為4.1。

表2 磁帆仿真模擬研究匯總

2015年，為了進(jìn)一步提高磁等離子體帆的推力，日本明石工業(yè)研究所的Tatsumasa Hagiwara等人提出了一種磁噴嘴型磁等離子體帆推進(jìn)方案，如圖8所示，并對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[36]，試驗(yàn)裝置如圖9所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，純磁帆模式的推力約為0.5 N，注入等離子體源單獨(dú)工作時(shí)產(chǎn)生的推力約為2.7 N，兩者推力之和為3.2 N；而磁噴嘴型磁等離子體帆的推力約為5.6 N，約為純磁帆的12倍，是純磁帆與等離子體源各自單獨(dú)工作時(shí)推力之和的2倍，試驗(yàn)結(jié)果成功驗(yàn)證了磁噴嘴型磁等離子體帆的可行性。

圖7 磁場膨脹試驗(yàn)Fig.7 Magnetic field expansion experiment

圖8 磁噴嘴型磁等離子體帆概念Fig.8 The schematic illustration of magneto plasma sail with a magnetic nozzle

國內(nèi)對電磁帆的研究相對較少，進(jìn)展緩慢，主要集中在概念研究和數(shù)值仿真分析方面。

2007年，北京航空航天大學(xué)對磁場膨脹機(jī)理和磁通守恒進(jìn)行了仿真研究[22, 36-37]，分析了注入等離子體參數(shù)對磁場膨脹效果的影響，但之后未見到更進(jìn)一步的研究報(bào)道。2015年，上海衛(wèi)星工程研究所對電磁帆推進(jìn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢開展了調(diào)研與分析，作者認(rèn)為此種推進(jìn)技術(shù)可以縮小航天器規(guī)模，降低運(yùn)行成本，具有廣闊的空間應(yīng)用前景[39]，但目前該項(xiàng)技術(shù)成熟度較低，很多技術(shù)難點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。2017年上海衛(wèi)星工程研究所提出了電磁槳推力器的概念，但沒考慮的因素較多，還需進(jìn)一步研究[40]。

圖9 磁噴嘴型磁等離子體帆試驗(yàn)驗(yàn)證裝置Fig.9 Experiment device of magneto plasma sail with a magnetic nozzle

2.3 等離子體磁罩

得益于磁等離子體帆的概念，2013年美國MSNW LLC公司的David Kirtley提出了利用磁化等離子體與行星大氣相互作用產(chǎn)生拖拽力的等離子體磁罩概念[41](Plasma Magnetoshell)，如圖10(a)所示，與目前主流的大氣剎車(aerobraking)和大氣捕獲(aerocapture)技術(shù)相似，該概念主要用于軌道航天器在擁有大氣的地外行星表面降落過程中的減速。等離子體磁減速罩技術(shù)的基本工作原理為：等離子體注入由螺線管產(chǎn)生的磁場中并被其俘獲，在空間形成10 m量級的磁化等離子體區(qū)域。航天器通過繩系與螺線管相連，在航天器下落過程中，大氣中的中性粒子與等離子體離子發(fā)生電荷交換作用，中性粒子變成帶電離子后在磁場的作用下向線圈上施加一個(gè)作用力，該作用力可以實(shí)現(xiàn)對航天器的減速。

目前，NASA和MSNW已經(jīng)設(shè)計(jì)了針對海王星和火星任務(wù)的一整套減速系統(tǒng)。分析表明，一個(gè)200 kg、直徑為9 m的磁減速罩可以提供150 N的拖拽力，實(shí)現(xiàn)軌道速度為21 km/s的航天器著陸海王星；對于火星任務(wù)，直徑為21 m的磁減速罩可以實(shí)現(xiàn)60 t載荷的安全著陸。目前正在發(fā)展1 kW量級的磁減速罩，原理驗(yàn)證試驗(yàn)如圖10(b)所示，其核心技術(shù)是利用旋轉(zhuǎn)磁場線圈激勵(lì)法產(chǎn)生全電離、高溫度(10 eV)的磁化等離子體。目前該概念的技術(shù)成熟度為2級，仍處于原理研究與驗(yàn)證階段。

圖10 磁減速罩概念及實(shí)驗(yàn)室初步試驗(yàn)Fig.10 Plasma magnetoshell aerocapture concept and its primary experiment

3 電磁帆關(guān)鍵技術(shù)

針對目前電磁帆的研究現(xiàn)狀，面向未來電磁帆空間在軌應(yīng)用，需要解決和突破的技術(shù)難點(diǎn)主要有以下6個(gè)方面。

(1) 電帆繩系加工制造技術(shù)

為了盡可能地減輕電帆本身的質(zhì)量，目前單根鋁材繩系的橫截面直徑約為25 μm，長度可達(dá)10 km，同時(shí)采用四疊的Hoytether結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提升強(qiáng)度，如圖11所示。為了保證在如此長的長度上完成電帆繩系的精確加工制造，難度極大。目前，赫爾辛基大學(xué)研制了一套半自動(dòng)超聲波焊接生產(chǎn)線，來確保繩系焊接點(diǎn)的準(zhǔn)確，但制造過程仍然十分繁瑣。未來，電帆繩系的發(fā)展重點(diǎn)主要為研發(fā)新型繩系材料、簡化繩系結(jié)構(gòu)、發(fā)展新型加工方法。

圖11 四疊Hoytether結(jié)構(gòu)的電帆繩系放大圖Fig.11 Four-wire Hoytether

(2)電帆繩系在軌展開技術(shù)

電帆的繩系通過在旋轉(zhuǎn)過程中利用離心力自旋展開，除了對繩系的機(jī)械強(qiáng)度有所要求外，還對繩系的展開系統(tǒng)提出了較高的要求。Janhunen等人計(jì)劃在主繩系和輔助繩系的每個(gè)交點(diǎn)處安置一臺(tái)小型推力器，如圖12所示，通過推力器向外拖拉與電帆自旋相配合，確保電帆繩系的成功展開，避免ESTCube-1上自旋展開失敗故障的再次發(fā)生。

圖12 配置小型推力器的電帆繩系展開系統(tǒng)Fig.12 Schematic top view of the electric sail with one remote unit

(3)空間低溫超導(dǎo)技術(shù)

不論是磁帆還是磁等離子體帆，為了使其產(chǎn)生足夠大的推力，就必須設(shè)法使得線圈攜帶盡可能大的電流，進(jìn)而產(chǎn)生足夠大的磁場。如采用常溫銅線圈，一方面，線圈發(fā)熱將會(huì)非常嚴(yán)重，既降低了推力的效率，也不利于在空間進(jìn)行熱量的管控；另一方面，笨重巨大的線圈也會(huì)降低磁帆的有效載荷，因此使用超導(dǎo)線圈是唯一可行的方案。然而，在空間實(shí)現(xiàn)低溫冷卻是超導(dǎo)線圈面臨的首要問題，雖然星際空間的背景溫度很低，但是由于處于真空狀態(tài)，熱量難以傳遞，因此一旦線圈局部發(fā)熱嚴(yán)重，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)超導(dǎo)線圈失超。

2015年，日本京都大學(xué)的Yoh Nagasaki和JAXA的Ikkoh Funaki等人利用釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)材料設(shè)計(jì)了一件輕質(zhì)量的電磁線圈，同時(shí)對線圈在線調(diào)節(jié)的可行性進(jìn)行了調(diào)研和分析[42]，但距離在軌應(yīng)用仍然較為遙遠(yuǎn)。

(4) 地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

任何類型的推力器在進(jìn)行飛行驗(yàn)證之前，都必須在地面進(jìn)行原理驗(yàn)證以及長時(shí)間穩(wěn)定性測試，但對于電帆和磁帆而言，在地面上直接進(jìn)行推力器的驗(yàn)證是不現(xiàn)實(shí)的，主要原因在于磁帆幾十到上百千米的磁腔、電帆幾十千米長的繩系均無法在地面真空艙中進(jìn)行試驗(yàn)。另外，真實(shí)空間中的太陽風(fēng)等離子體的密度和速度分別為5 cm-3和500 km/s左右，這與實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的等離子體的參數(shù)具有很大的差異。雖然國際上很多實(shí)驗(yàn)室采用了縮比模型的方式來驗(yàn)證磁帆的性能，但縮比過程是否合理，各種影響因素是否考慮適當(dāng)，以及試驗(yàn)得到的推力能否外推至真實(shí)空間，目前均有待更進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。

(5) 數(shù)值仿真模擬技術(shù)

世界范圍內(nèi)對電帆的仿真模擬方法目前還比較匱乏，相對而言，數(shù)值仿真技術(shù)在磁帆研究中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用并發(fā)揮了重大作用。然而，由于磁帆的磁腔尺寸變化范圍非常大(幾百米到幾百千米)，空間環(huán)境復(fù)雜，因此目前難以利用一種模型或方法來描述所有可能的磁腔尺寸。以流體近似為主的MHD方法雖然可以比較快速地給出模擬計(jì)算結(jié)果，但由于沒有考慮離子和電子的粒子效應(yīng)，因此并不能處理與離子拉莫爾回旋半徑相當(dāng)尺寸的磁腔；H-PIC方法在MHD方法的基礎(chǔ)上考慮了離子的粒子效應(yīng)，可以處理大部分的磁帆模擬問題，但對于小尺寸的磁腔，電子的粒子效應(yīng)將大大影響磁帆的性能，也應(yīng)當(dāng)給予考慮。F-PIC方法原則上可以處理所有的磁帆問題，但在如此大的尺度上采用網(wǎng)格質(zhì)點(diǎn)的粒子方法，使得F-PIC的計(jì)算時(shí)間非常漫長(如 024核CPU需要連續(xù)計(jì)算4天)。因此，發(fā)展計(jì)算快速、模型準(zhǔn)確、結(jié)果可靠的數(shù)值仿真方法，也是目前電磁帆研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(6) 在線推力控制技術(shù)

由于太陽風(fēng)在空間的速度和密度往往是變化的，因此需要一套調(diào)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對電磁帆推力的在線調(diào)節(jié)，包括推力的大小和方向。對于電帆，推力的大小可以通過改變繩系電壓來實(shí)現(xiàn)，即需要對電子槍發(fā)射電子速率進(jìn)行調(diào)控；對于磁帆，可以通過調(diào)節(jié)超導(dǎo)線圈電流和注入等離子體參數(shù)來實(shí)現(xiàn)推力大小的控制。相對而言，實(shí)現(xiàn)推力方向的調(diào)節(jié)難度更大，電帆可以通過分別控制每條繩系上的電勢，使得電帆帆面上不同位置處獲得的作用力不同，從而實(shí)現(xiàn)方向控制；同樣地，磁帆通過改變超導(dǎo)線圈朝向或等離子體的注入方向，也可以實(shí)現(xiàn)推力方向的調(diào)節(jié)。然而，以上對電磁帆推力的調(diào)節(jié)和控制，往往會(huì)影響推力器的性能，同時(shí)從工程實(shí)現(xiàn)角度還存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。

4 結(jié)束語

電磁帆作為一種新型的無工質(zhì)或少工質(zhì)推進(jìn)技術(shù)，具有比沖高、壽命長、系統(tǒng)功耗小、可多模式工作等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中，電帆功耗小，結(jié)構(gòu)尺寸大，國外開展了空間飛行試驗(yàn)，但尚未取得成功；純磁帆由于工程難度大，僅停留在概念研究階段。作為純磁帆的改進(jìn)概念，磁等離子體帆能夠用較小的結(jié)構(gòu)行成相當(dāng)于幾十千米純磁帆產(chǎn)生的磁腔。國內(nèi)外在數(shù)值仿真、地面試驗(yàn)方面開展了磁等離子體帆的相關(guān)研究，但尚未開展空間飛行試驗(yàn)。此外作為磁等離子體帆的擴(kuò)展，磁等離子體罩也在飛行器的天體捕獲方面得到了研究。幾種電磁帆中，最具發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景的當(dāng)屬工程可實(shí)現(xiàn)性較高的磁等離子體帆：磁等離子體帆較其他電推進(jìn)具有較高的推功比且特征尺寸相當(dāng)。電磁帆在未來深空探測、長時(shí)間在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)、行星減速登陸等任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景，對高性能電推力器研制、空間新概念推進(jìn)技術(shù)發(fā)展等具有深遠(yuǎn)的意義。為提高電磁帆的工作性能和工程可實(shí)現(xiàn)性，需要進(jìn)一步系統(tǒng)地開展電磁帆相關(guān)技術(shù)突破，結(jié)合我國未來需求建議對以下問題重點(diǎn)關(guān)注：1)電帆繩系的加工制造以及在軌展開技術(shù)；2)磁等離子體帆線圈的低溫超導(dǎo)技術(shù)；3)在線推力控制技術(shù)；4)仿真和地面試驗(yàn)方法的創(chuàng)新性進(jìn)展。