大功率無電極高密度等離子體電磁推進(jìn)概述

劉莉娟，溫曉東，孫新鋒，張?zhí)炱?，郭?/p>

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(diǎn)實驗室，蘭州 730000

未來幾十年，空間太陽能電站、載人登月計劃和載人航天飛船以及火星、木星和小行星等深空探測任務(wù)將成為國際上人類航天活動的重要方向，也將成為未來空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要領(lǐng)域，這對大推力、高比沖、長壽命、性能精準(zhǔn)控制等高性能先進(jìn)宇航動力系統(tǒng)提出了迫切的應(yīng)用需求[1-3]。

傳統(tǒng)的空間推進(jìn)技術(shù)，如化學(xué)推進(jìn)，雖可實現(xiàn)大推力，但比沖較低，且對推進(jìn)劑需求量較大[4-5]；而常規(guī)的電推進(jìn)，在面向大功率拓展時，由于電極的存在，不可避免地面臨嚴(yán)重的電極腐蝕和濺射問題，從而限制推力器的壽命和可靠性[5-6]。為滿足深空探測等日益頻繁的航天活動，完全無電極大功率高密度等離子體電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

完全無電極高密度等離子體電推進(jìn)利用電場或者磁場來產(chǎn)生和加速等離子體，不存在等離子體和電極之間的直接接觸，不受推力密度的限制，對推進(jìn)劑的純度也不敏感，同時也不需要中和器，且不受傳統(tǒng)離子推力器空間電荷效應(yīng)的影響，也避免了化學(xué)推進(jìn)燃料超重導(dǎo)致運(yùn)載火箭發(fā)射能力不足的問題，兼具高比沖、大推力、長壽命、大推功比等顯著優(yōu)勢，可以極大降低任務(wù)成本，縮短任務(wù)周期，提高有效載荷，成為開展空間探測任務(wù)中極具應(yīng)用前景的先進(jìn)航天動力技術(shù)之一[5-8]。

目前，國際上正積極展開無電極大功率高密度等離子體電磁推進(jìn)的技術(shù)論證和基礎(chǔ)研究，美國、俄羅斯、德國、日本、澳大利亞、西班牙以及意大利等國已開展功率50 kW級以上無電極電推進(jìn)技術(shù)研究，發(fā)展的主要無電極高密度等離子體電磁推進(jìn)類型包括可變比沖磁等離子體火箭(VASIMR)、脈沖感應(yīng)推力器(PIT)、場反構(gòu)型等離子體推力器(ELF)和螺旋波等離子體推力器(HPT)等[6-10]，并針對不同的推進(jìn)類型分別進(jìn)行了原理探究和樣機(jī)研制等工作。其中，VASIMR是基于基于螺旋波放電和磁噴管的強(qiáng)磁約束加速等離子體。PIT是利用脈沖誘導(dǎo)電流和線圈電流之間的排斥力加速等離子體；ELF是基于旋轉(zhuǎn)磁場加速機(jī)制產(chǎn)生的洛倫茲力加速等離子體；HPT的研制則是基于螺旋波放電內(nèi)部的雙電荷層加速機(jī)制。

本文論述了不同的無電極高密度等離子體電磁加速機(jī)制及其在大功率電磁推進(jìn)技術(shù)中的應(yīng)用，通過評估4種具有研制基礎(chǔ)的大功率無電極高密度等離子體電磁推進(jìn)技術(shù)，給出了200 kW功率下無電極大功率電磁推進(jìn)的優(yōu)選技術(shù)方案，并分析總結(jié)了該技術(shù)方案的發(fā)展所面臨的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，旨為中國高功率場反構(gòu)型電磁推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展提供理論支撐。

1 無電極電磁加速機(jī)制

無電極電推進(jìn)技術(shù)的電磁加速機(jī)制主要包括以下幾種：洛倫茲力加速，有質(zhì)動力加速、磁噴管加速、雙電荷層加速、拍頻靜電波加速等[10-17]，下面分別介紹這幾種加速機(jī)制。

1.1 洛倫茲力加速機(jī)制

洛倫茲力加速，即由于電子在旋轉(zhuǎn)場中的同步運(yùn)動產(chǎn)生一個較大的角向電流jθ，角向電流與徑向磁場Br耦合，從而產(chǎn)生軸向加速洛倫茲力：

fz=jθ×Br

(1)

等離子體在軸向洛倫茲力作用下被加速從末段噴出從而產(chǎn)生推力。

根據(jù)角向電流jθ激勵方式不同，洛倫茲力加速機(jī)制又可分為旋轉(zhuǎn)電場加速、旋轉(zhuǎn)磁場加速和脈沖誘導(dǎo)加速[12-13,18-24]。

(1)旋轉(zhuǎn)電場加速

旋轉(zhuǎn)電場(Rotating Electric Field, REF)加速基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[12-13,18-20]。

圖1 旋轉(zhuǎn)電場加速機(jī)制Fig.1 The schematic of REF acceleration mechanism

在正交放置的金屬板上施加正弦交變振蕩電壓，電壓相位差為90°，從而在等離子體中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)電場E，電場大小可通過電壓調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)電場的旋轉(zhuǎn)頻率比電子回旋頻率低，而比離子回旋頻率高，因此電子可以隨著旋轉(zhuǎn)電場旋轉(zhuǎn)，而離子基本不響應(yīng)。電子的橫截面運(yùn)動軌跡是由電子的兩個回旋運(yùn)動疊加而成：一個是拉莫爾回旋運(yùn)動，即電子在磁場B中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動f=qvB；一個是由E×B產(chǎn)生的漂移回旋運(yùn)動[12-13,18-20]。所有電子隨著E×B漂移回旋運(yùn)動的疊加導(dǎo)致角向電流jθ的產(chǎn)生。在磁場徑向分量Br的作用下，產(chǎn)生洛倫茲力，使等離子體沿軸向被加速。理論推力fz可以通過jθ×Br積分得到[8,10]：

(2)

式中：β為等離子體密度下降率；n0為初始電子密度；LA為軸向加速長度；rt為推力器半徑；rm為磁場線圈半徑；ωRMF為旋轉(zhuǎn)磁場角頻率；Bz為軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度；v⊥為等離子體垂直速度；me為電子質(zhì)量；Ep0為REF穿透至磁化等離子體中的電場強(qiáng)度。

在這種加速方式中，沿軸向觀察，電子密度的空間分布呈現(xiàn)Lissajous圖形，因而又稱作Lissajous加速。

旋轉(zhuǎn)電場加速機(jī)制的研究主要是由日本宇宙航空研究機(jī)構(gòu)JAXA聯(lián)合多所高校開展，旨在利用螺旋波等離子體源與REF加速機(jī)制相結(jié)合的方法研制新一代無電極、長壽命、高性能的電磁推力器[12-13,18-20]，如圖2所示。

圖2 REF推力器工作示意 Fig.2 Schematic diagram of the thruster with REF acceleration

旋轉(zhuǎn)電場加速機(jī)制的研究結(jié)果表明，輸入功率為450 W時，最大推力約為1～2 mN，最大比沖約390 s，最大的推力效率小于1%[18]。其后續(xù)試驗結(jié)果表明，即便增加等離子體源的尺寸以及天線輸入功率(約2 kW)，得到的最大推力也只有約11 mN，比沖約840 s，推力效率只有2%左右[19]。據(jù)目前研究結(jié)果表明，該種加速機(jī)制產(chǎn)生的推力微小，對實際的航天器的推動作用還有待更加深入的研究[10,18-19]。

(2)旋轉(zhuǎn)磁場加速

利用旋轉(zhuǎn)磁場(Rotating Magnetic Field, RMF)在等離子體中誘導(dǎo)驅(qū)動產(chǎn)生電流的研究始于1950年[21]，而真正將旋轉(zhuǎn)磁場加速等離子體團(tuán)的作用效果應(yīng)用于電磁推進(jìn)領(lǐng)域卻是在2008年[14]，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)磁場加速機(jī)制Fig.3 The schematic of RMF acceleration mechanism

完整的旋轉(zhuǎn)磁場天線包含兩組圍繞放電腔室正交對立放置的射頻(RF)天線，每組RF天線包含兩圈互相纏繞的并聯(lián)或者串聯(lián)的線圈。兩組天線的輸入電流相位差為90°，因此天線以LC電路的頻率振蕩，隨之產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場[22-23]。電子在旋轉(zhuǎn)磁場中同步運(yùn)動產(chǎn)生一個較大的角向電流，角向電流與徑向磁場耦合，從而產(chǎn)生軸向加速洛倫茲力加速等離子體[8,10,14,18-21]：

(3)

式中：Rcoil為軸向線圈半徑；rp為等離子體團(tuán)半徑，一般取Rcoil=rp=LA。

基于旋轉(zhuǎn)磁場加速機(jī)制，美國的MSNW公司和日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)JAXA聯(lián)合開展了大量研究，研制了出多款新型場反構(gòu)型洛倫茲力電磁推力器(ELF)原理樣機(jī)。ELF-300樣機(jī)輸入功率為50 kW時采用氮?dú)夤べ|(zhì)測試結(jié)果最高比沖可達(dá)6 000 s，元沖量約1 mN·s[26]，目前正在開展100 kW原理樣機(jī)的研制。

新型場反構(gòu)型洛倫茲力電磁推力器(ELF)是一種新型的電磁推進(jìn)技術(shù)，利用旋轉(zhuǎn)磁場來同時產(chǎn)生和加速等離子體從而產(chǎn)生推力，其工作原理衍生于磁約束核聚變等離子體裝置中反場箍縮位型產(chǎn)生場反構(gòu)型磁閉合等離子體團(tuán)的過程[10,22,24-25]，原理和結(jié)構(gòu)分別如圖4、圖5所示。

圖4 場反構(gòu)型洛倫茲力推力器原理Fig.4 The schematic of the field reversed electrodeless Lorentz force thruster with RMF acceleration

圖5 典型場反構(gòu)型結(jié)構(gòu)Fig.5 Typical field-reversed configuration

基于RMF加速機(jī)制的ELF推力器有兩個顯著的優(yōu)點(diǎn)[22-27]：

1)由于是閉合場磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，等離子體團(tuán)以整體的方式排出，不需要增加中和器，也不存在電子和離子與約束磁場的解耦問題；

2)場反構(gòu)型磁閉合結(jié)構(gòu)使得等離子體與壁不存在相互作用，極大減少了能量的對流和傳導(dǎo)損失，理論上僅存在輻射損失，能量利用率高。

(3)脈沖誘導(dǎo)加速

脈沖誘導(dǎo)加速的概念由Dailey和 Lovberg首先提出，是利用加速線圈的高壓脈沖電流放電擊穿工質(zhì)氣體產(chǎn)生等離子體，并在等離子體中誘導(dǎo)形成逆磁電流面，逆磁電流與線圈電流方向相反，等離子體被電流之間的電磁排斥力加速，從而產(chǎn)生反推力，如圖6所示[28]。

圖6 典型的脈沖誘導(dǎo)加速機(jī)制示意Fig.6 Schematic of a typical planar pulsed inductive thruster

脈沖誘導(dǎo)等離子體推力器(PIT)樣機(jī)，早期主要由美國TRW空間系統(tǒng)公司開展研究，代表當(dāng)前最高水平的PIT性能為：電壓15 kV，脈沖能量4 kJ，比沖為2 000～8 000 s，效率約50%[28]。

盡管脈沖誘導(dǎo)加速的研究積累了豐富的理論和實驗基礎(chǔ)，但是該種加速機(jī)制對脈沖電磁閥和電容壽命要求極高，關(guān)鍵組件壽命低，同時還存在射頻能量耦合效率和推進(jìn)劑電離率低等問題，許多關(guān)鍵技術(shù)瓶頸有待解決[29]。

1.2 有質(zhì)動力加速機(jī)制

有質(zhì)動力是指非均勻振蕩電磁場作用在等離子體上隨著負(fù)密度梯度的形成而產(chǎn)生的非線性電磁壓力。首先，離子通過回旋共振在垂直方向被加熱，此后在有質(zhì)動力的作用下，離子垂直方向的動能轉(zhuǎn)化為軸向動能，離子軸向速度不斷增大，完成離子加速過程。當(dāng)離子的回旋共振恰好落在波能量密度峰值時，離子可以通過電磁場有質(zhì)動力獲得平行加速[8,15,18-19,30]，有質(zhì)動力加速機(jī)制如圖7所示。

當(dāng)離子經(jīng)過有質(zhì)動力電勢區(qū)時，產(chǎn)生的有質(zhì)動力可表示為[8,32]：

Fpond=-Ф=-

(4)

式中：q，m，ERF，ω，Ωci分別為離子電荷量、離子質(zhì)量、射頻電場強(qiáng)度、射頻電場的角頻率以及離子回旋角頻率。由式(4)可以看出，當(dāng)射頻場的角頻率接近離子的回旋角頻率時，有質(zhì)動力最大。

有質(zhì)動力加速和離子回旋共振(ICR)缺一不可，可以分為3個過程：1)由ICR引起的離子的垂直加熱；2)有質(zhì)動力產(chǎn)生的平行加速；3)利用磁鏡效應(yīng)將垂直能量向平行能量的轉(zhuǎn)化[8,10,15, 30]。

近年來，F(xiàn)umiko Otsuka等在He和Ar氣體中分別開展了有質(zhì)動力加速相關(guān)模擬驗證，認(rèn)為有質(zhì)動力加速在He中加速效果最佳：外加射頻電場強(qiáng)度為320 V/m時，得到的理論推力可達(dá)15 mN,比沖達(dá)到4 800 s[31-32]。實際上有質(zhì)動力加速過程中，由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，有質(zhì)動力沿著磁場線加速的主要是電子，若要產(chǎn)生推力，對離子而言，雙極加速是必不可少的。但是，一方面，雙極加速限制了推進(jìn)劑的排出速度；另一方面，推進(jìn)劑在發(fā)散磁場中面臨著分離問題，因此該加速機(jī)制的推力效率較低[10]。有質(zhì)動力加速在電推進(jìn)中的應(yīng)用研究還不夠成熟，大量的理論和試驗工作有待開展。

1.3 磁噴管加速機(jī)制

磁噴管加速屬于“非接觸式”加速部件，將熱能或者無規(guī)則的非直接能量轉(zhuǎn)化為特定方向的動能而獲得推力。

磁噴管并不單純指放電室尾部的噴口幾何結(jié)構(gòu)，而是包含通道區(qū)、喉部加速區(qū)和工質(zhì)排出區(qū)三部分，如圖8所示。通過在喉部區(qū)域和排出區(qū)域合理布置外部電磁線圈，使其產(chǎn)生相對推力器軸對稱的磁力線，并沿噴口向外發(fā)散。束流由等離子體源在放電區(qū)域產(chǎn)生之后沿磁力線被加速經(jīng)過通道區(qū)到達(dá)喉部，等離子體束流在喉部完成亞聲速到超聲速的轉(zhuǎn)變，最后在排出區(qū)高速噴出[33]。

圖8 磁噴嘴加速機(jī)制Fig.8 Schematic of the magnetic nozzle acceleration

若等離子體與磁場在空間軸對稱分布，則磁噴管產(chǎn)生的推力可以表示為[8]：

(5)

式中：Iθ為等離子體中的極化電流；Bz為軸向磁場分量；Pe為電子壓強(qiáng)。

磁噴管加速的內(nèi)在物理過程是復(fù)雜的，可通過多個機(jī)制共同作用來加速等離子體[6, 27]，磁噴管產(chǎn)生推力需要解決3個主要問題：1)將磁等離子體的能量轉(zhuǎn)化為直接的動能；2)等離子體與磁場的有效分離；3)等離子體動能有效轉(zhuǎn)化為飛行器動能[33-34]。

可變比沖磁等離子體火箭(VASIMR)主要采用螺旋波產(chǎn)生等離子體源產(chǎn)生高密度等離子體，通過離子回旋共振加熱等離子體，最后在磁噴管的強(qiáng)磁約束下，將高溫和高速等離子體徑向能量轉(zhuǎn)化為軸向的等離子體的動能噴出而產(chǎn)生推力，如圖9所示。

圖9 VASIMR原理及概念圖Fig.9 The schematic of VASIMR and the conceptual structure

2009年最新研制的可變比沖磁等離子體火箭樣機(jī)VX-200，功率為0.21 MW時，可產(chǎn)生推力5.8 N，比沖達(dá)5 500 s，效率約55%[35-36]。

磁噴管加速機(jī)制避免了高溫等離子體和壁的相互作用，利用等離子體和軸對稱的發(fā)散磁場的耦合作用產(chǎn)生推力，從而可極大提升推力器的效率。磁噴管因其特殊的結(jié)構(gòu)特征以及它明顯的優(yōu)勢,已被廣泛應(yīng)用于電推進(jìn)等離子體加速。但是磁噴管對等離子體的約束和分離是相互矛盾的，這是磁噴管加速機(jī)制所面臨的挑戰(zhàn)[37]。

1.4 雙電荷層加速機(jī)制

在等離子體中帶電粒子的加速還包括雙電荷層加速，即兩種相反極性帶電電荷層之間產(chǎn)生的電場。在一定的空間尺度內(nèi)，等離子體局部準(zhǔn)中性平衡失效，正負(fù)電荷分離，形成電勢降，離子在雙層電荷形成的電場中被加速，然后高速噴出，產(chǎn)生推力，其基本原理如圖10所示。雙電荷層加速可以是由發(fā)散磁場中的離子和電子之間形成的角度上的各項異性引起，也可是由膨脹等離子體中溫度效應(yīng)對電子和離子速度的影響而引起的[10,38-39]。

圖10 雙電荷層加速機(jī)制示意Fig.10 The structure of double layer acceleration

電荷層之間的分離是通過靜電力和慣性力的動態(tài)平衡來維持的，當(dāng)電荷層之間的電勢滿足下式時，可以有效加速離子[38,39-40]：

(6)

雙電荷層加速機(jī)制可以利用鞘層理論來解釋。但是在雙層加速機(jī)制中，力作用在離子上，同樣也會對電子起作用，產(chǎn)生一個反向的力，由于發(fā)散磁場的存在，會存在一個凈的加速力，但是由于雙層加速寬度較窄，這個力相對很小。

螺旋波等離子體推力器(HPT)正是基于雙電荷層加速機(jī)制而研制的，其又被稱為螺旋波雙層推進(jìn)器(HDLT)。HPT的工作原理如圖11所示，利用螺旋波(頻率1～27 MHz)電離Ar、Xe、He等推進(jìn)劑，形成密度為1018～1020m-3的高密度等離子體，然后利用螺旋波等離子體在膨脹磁場中的雙電荷層效應(yīng)加速離子并高速噴出，形成推力，理論上比沖可達(dá)數(shù)百至1 300～4 000 s[8,10,38]。

圖11 HPT工作機(jī)制Fig.11 The mechanism of HPT

目前，性能最好的是2005年華盛頓大學(xué)研制的HPHT樣機(jī)，輸入功率30 kW，推力1～2 N，比沖2 000～5 000 s，推力器效率可達(dá)55%[38]。

相關(guān)試驗研究表明，僅在氣壓為0.026 7～0.267 Pa之間能夠形成雙電荷層，在此氣壓范圍之外雙電荷層將會消失。在氣壓為0.026 7 Pa 條件時，雙電荷層電勢降為25 V左右[42]。最近的一項研究工作表明，在氬氣螺旋波等離子體中存在類似的雙電荷層加速結(jié)構(gòu)，雙電荷層之間的電勢約為80 V，其中77%的離子可被加速。但是，目前對雙電荷層加速機(jī)制的研究相對較少，雙電荷層加速效果仍有待深入驗證[43]。同時即使雙電荷層加速存在于磁化等離子體中，但是否是唯一的或者主要的等離子體加速機(jī)制，也有待進(jìn)一步的研究[38-39]。

1.5 拍頻靜電波加速

1970年研究意外發(fā)現(xiàn)電離層中離子可以被加速，揭示了離子可以被與磁場正交傳播的靜電波加速，從而證明頻率為離子回旋角頻率整數(shù)倍的波的存在。后續(xù)持續(xù)研究表明[44]，磁化等離子體可以被兩束拍頻靜電波(BEW)有效加速，前提是這兩束靜電波的頻率ω1，ω2滿足以下關(guān)系：

ω1-ω2=Ωci

(8)

式中：Ωci是離子回旋角頻率。

普林斯頓大學(xué)電推進(jìn)與等離子體動力實驗室通過試驗得出，BEW加熱離子的效率達(dá)到近90%[45]。BEW可有效加速低能離子，將其與磁噴管結(jié)合有望形成有效的無電極等離子體加速效果，但是目前此方面的研究基礎(chǔ)較為薄弱，不足以支撐推力器的研制。該加速機(jī)制，也有待進(jìn)一步的研究[38-39]。

2 大功率無電極電磁推進(jìn)研究現(xiàn)狀

基于不同的無電極電磁加速機(jī)制，目前美、歐、俄、日等國家均在積極開展大功率電磁推進(jìn)技術(shù)的研制工作，掌握了多種大功率無電極電磁推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，研制了多款成熟度較高的實驗樣機(jī)，為未來深空探測任務(wù)的開展奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1 VASIMR

VASIMR的主要研制單位是美國Ad Astra Rocket 公司(AARC)，先后研發(fā)了VX-10[46]、VX-50[47]、VX-100[48]、VX-200[49]等多款VASIMR原理樣機(jī)，功率由10 kW逐漸增大至200 kW，目前正在開展熱平衡狀態(tài)下100 kW級以上功率、連續(xù)點(diǎn)火超過100 h為目標(biāo)的VX-200SS項目。中國的西安航天動力研究所完成了VASIMR第1級4 kW螺旋波源、第2級離子回旋共振單元、第3級磁噴管試驗和關(guān)鍵技術(shù)驗證，完成了50 kW的HiMPE發(fā)動機(jī)系統(tǒng)集成設(shè)計以及30 kW發(fā)動機(jī)系統(tǒng)點(diǎn)火試驗和性能測試[50-51]。性能對比如表1所示。

表1 不同型號大功率VASIMR性能對比

VASIMR推力器的顯著優(yōu)勢是比沖連續(xù)可調(diào)，可以運(yùn)行在大推力/低比沖或小推力/高比沖兩種模式。此外，推進(jìn)工質(zhì)無限制、推力效率相對較高、無電極燒蝕、壽命長等也是其顯著特色。但是VASIMR推力器的缺點(diǎn)也相當(dāng)突出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)笨重復(fù)雜、尺寸龐大，以及由于使用超導(dǎo)線圈需要配備專用的低溫冷卻系統(tǒng)等問題。因此，VASIMR的復(fù)雜性、大尺寸和大質(zhì)量極大制約其發(fā)展。國際上，目前僅有阿斯特拉公司在開展持續(xù)的研究工作，近10年來研究工作進(jìn)展緩慢，發(fā)展基本處于停滯狀態(tài)。

2.2 PIT

國外對PIT推力器的研制自20世紀(jì)90年代中期就已開始，到目前為止已研制了多款推力器樣機(jī)，包括無源平板PIT、有源PIT(FARAD)、錐形PIT等[52-54]。近年來開展了多工質(zhì)推進(jìn)劑推進(jìn)的可能性相關(guān)實驗，主要是火星氣體的主要成分[55]。2004年NASA聯(lián)合美國諾斯洛普格魯曼太空技術(shù)公司(NGST)和NASA的噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)等，開展核電脈沖誘導(dǎo)等離子體推力器(NUPIT)研制，研制目標(biāo)是功率運(yùn)行在200 kW、比沖在3 000～10 000 s、效率在70%以上[28-29]。國內(nèi)僅國防科技大學(xué)在開展PIT的研發(fā)工作，已經(jīng)完成了脈沖氣體注氣供應(yīng)閥電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、推力器感應(yīng)線圈及放電回路的一體化設(shè)計、脈沖開關(guān)和電容器等方面的研究[56]。性能對比如表2所示。

表2 大功率PIT性能對比

PIT推力器無電極燒蝕問題、推進(jìn)劑不受限、推力和比沖穩(wěn)定可調(diào)，早期得到了廣泛的研究，但是PIT推力器的效率相對較低(<50%)，高脈沖電壓和大電流對開關(guān)和電容壽命要求極高(次數(shù)>109)，推力器尺寸較大，線圈直徑大于1 m。早期型的PIT發(fā)展已陷入停滯階段。

2.3 ELF

目前ELF推力器的主要研制單位是美國MSNW公司，該公司正在發(fā)展的幾款推力器主要有1 kW的電磁等離子體團(tuán)推力器(Electromagnetic Plasmoid Thruster, EMPT)、30 kW的ELF-v1和ELF-160推力器以及100 kW的ELF-250推力器[21-22,24-27]。EMPT-III的試驗結(jié)果顯示，采用氙氣推進(jìn)劑，功率1 kW時，推力器比沖最大可達(dá)到7 000 s[27]。日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)JAXA聯(lián)合日本多所高校提出了HEAT(Helicon Electrodeless Advanced Thruster)計劃，旨在利用螺旋波等離子體源與RMF/REF的方法研制新一代無電極、長壽命、高性能的電磁推力器[23]。除了美國和日本之外，新加坡南洋理工大學(xué)基于前期在核聚變Rotamak裝置上的研究，提出了GER(Gradually Expanded Rotamak-like Plasma)推力器概念，其本質(zhì)上也是基于FRC的ELF推力器，目前正在開展對稱結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)放電研究。性能對比如表3所示。

表3 大功率ELF性能對比

ELF推力器的優(yōu)點(diǎn)是功率在10～1 000 kW范圍內(nèi)變化時，推力器的效率恒定，比沖在2 000～8 000 s；工質(zhì)電離率高，等離子體密度可達(dá)1018～1020m-3，壽命長、無侵蝕、濺射和羽流污染問題，且推進(jìn)劑使用范圍廣，效率高(85%)[57]；推進(jìn)劑使用范圍廣，已經(jīng)試驗驗證了火星大氣、水、甲烷和二氧化碳等工質(zhì)的可行性；磁閉合等離子體結(jié)構(gòu)使得等離子體與壁不存在相互作用，極大減少了能量的對流和傳導(dǎo)損失小，能量利用率高，具有較大的研究潛力。

2.4 HPT

目前，螺旋波等離子體推力器處于原理性探索就階段，最高研制功率只有30 kW，大多數(shù)樣機(jī)研制集中于小功率(幾百瓦)研制階段，且由于參數(shù)匹配不佳，存在推進(jìn)劑利用效率低等問題，效率偏低。2013年最新研制的一款2 kW功率的推力器，比沖為2 000 s，推力為15 mN，效率只有7.5%[58]。

3 200 kW大功率無電極電推進(jìn)技術(shù)研究

電推進(jìn)技術(shù)根據(jù)其具體工作原理不同，優(yōu)劣俱存，可針對實際任務(wù)需求，對電推進(jìn)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)選。因此針對未來深空探測、載人航天貨運(yùn)以及太陽能電站等運(yùn)行周期長、安全系數(shù)和可靠性要求高的航天任務(wù)，必須開展大功率條件下，推力、比沖、效率、比重、壽命等參數(shù)的對比研究，從而對大功率電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行方案優(yōu)選，儲備技術(shù)基礎(chǔ)。

由于HPT的比沖相對較低，研究不夠成熟，因此在同等功率(200 kW)條件下，僅對VASIMR、PIT和ELF三種相對成熟的無電極電磁推進(jìn)技術(shù)在該功率條件下最優(yōu)性能指標(biāo)進(jìn)行綜合對比分析。3種典型的大功率無電極電磁推力器在200 kW功率，最佳推進(jìn)劑工質(zhì)環(huán)境下得到的最優(yōu)性能指標(biāo)，包括比沖、推力、效率、比重、和外形尺寸等，如表4所示。其中，功率選定為200 kW主要是考慮原因有二：其一，目前VASIMR正針對200 kW功率級開展相關(guān)試驗研究，200 kW功率設(shè)定具備試驗研究依據(jù)；其次，考慮到大功率未來10年的發(fā)展目標(biāo)以及空間太陽能電站的發(fā)展[60]，國內(nèi)有望實現(xiàn)200 kW功率的推力器研制，該功率設(shè)定具備理論研究前景。

綜合對比分析，ELF在推力、效率、比重以及尺寸方面具有顯著地優(yōu)勢。ELF的推力可高達(dá)十幾牛，比重僅為VASIMR的1/6，理論計算效率可高達(dá)85%，在大功率推進(jìn)領(lǐng)域優(yōu)勢明顯，更具有發(fā)展?jié)摿?。目前，場反?gòu)型電磁推力器(ELF)已被列入美國未來MW級電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略中。

表4 3種典型的大功率無電極推力器性能對比

旋轉(zhuǎn)磁場加速機(jī)制決定了ELF推力器推力，比沖，效率等關(guān)鍵性能，因此深入研究新型場反構(gòu)型電磁推力器中RMF加速機(jī)制可以從根本上提高推力器加速效果和推力器的基本性能，從而為未來我國場反構(gòu)型洛倫茲力推力器的研制提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。歸納RMF加速機(jī)制在場反構(gòu)型電磁推力器的應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題如下：

(1)射頻場與等離子體高效耦合

在射頻放電中，能量吸收功率很強(qiáng)的依賴于能量的耦合方式，即能量如何從外界電源中耦合電子中對電子進(jìn)行加速。射頻能量與等離子體的高效耦合，決定了射頻能量在等離子體中的穿透、等離子體的電離效率、等離子體團(tuán)的形成和約束，制約著推力器的性能表現(xiàn)等后續(xù)一系列過程。因此如何從旋轉(zhuǎn)磁場天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(包括天線的構(gòu)型、材質(zhì)、驅(qū)動頻率和功率以及磁通量環(huán)等的優(yōu)化設(shè)計)，原初等離子體的密度分布特性，以及天線與電路的阻抗匹配特性等因素考慮，提高射頻能量與等離子體的耦合效率是面臨的關(guān)鍵問題之一。

(2)微秒尺度等離子體團(tuán)高效電磁加速

微秒尺度等離子體團(tuán)高效電磁加速是等離子體團(tuán)與復(fù)雜的多物理場動態(tài)耦合作用的過程，直接決定了推力器的加速效果。該過程涉及熱能、磁能和動能之間的能量轉(zhuǎn)化，內(nèi)部粒子碰撞/激發(fā)/輸運(yùn)特性，電子-離子之間的相互作用等復(fù)雜的微觀物理機(jī)制。同時，介于旋轉(zhuǎn)磁場的射頻驅(qū)動特性，其與軸向磁場之間的耦合也是一個動態(tài)的演化過程，這無疑增加了等離子體團(tuán)與磁場之間耦合作用的復(fù)雜性。因此，明晰等離子體團(tuán)微秒尺度高效電磁加速機(jī)理是開展場反構(gòu)型電磁推進(jìn)技術(shù)需解決的關(guān)鍵問題。

(3)磁閉合等離子體團(tuán)(FRC)的穩(wěn)態(tài)約束

旋轉(zhuǎn)磁場加速的實現(xiàn)依賴于磁閉合等離子體(FRC)內(nèi)部磁壓和熱壓的平衡來維持其穩(wěn)態(tài)約束和控制。磁場對磁閉合等離子體團(tuán)的約束是一個動態(tài)平衡的過程，一旦動態(tài)平衡被不穩(wěn)定因素破壞，約束將難以維持。當(dāng)前磁場對FRC的約束時間相對較短(只有約幾微秒)，不利于維持FRC的加速。因此，研究旋轉(zhuǎn)磁場與氣壓、流率，偏置磁場以及預(yù)電離源等關(guān)鍵因素之間的動態(tài)耦合匹配尤為重要。

4 結(jié)束語

深空探測任務(wù)、大范圍軌道轉(zhuǎn)移、載人航天和貨運(yùn)對航天器先進(jìn)動力系統(tǒng)繼而對高功率推力器提出了迫切的應(yīng)用需求，國內(nèi)外都已展開了廣泛的研究,并針對大功率電推進(jìn)的發(fā)展紛紛提出了相應(yīng)的發(fā)展計劃，NASA計劃于2020年實現(xiàn)100kW大功率電推進(jìn)在軌應(yīng)用。無電極電磁推進(jìn)技術(shù)在電極和加速機(jī)制方面的優(yōu)勢使其在大功率拓展中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用態(tài)勢，其中尤以旋轉(zhuǎn)磁場加速機(jī)制為研制基礎(chǔ)的場反構(gòu)型無電極洛倫茲力推力器，在無電極推力系統(tǒng)中具有相對廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用潛力，NASA的Next-STEP計劃已經(jīng)將其列為未來深空探測任務(wù)的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一。在該方面的研究國外剛起步，國內(nèi)發(fā)展基本處于空白，亟需從理論研究入手全方位對其展開基礎(chǔ)研究，儲備技術(shù)基礎(chǔ)，支撐我國未來航天活動的多元化發(fā)展。