百千瓦級大功率磁等離子體動力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計研究 ①

叢云天，李 永，湯海濱，周 成，王寶軍，趙博強(qiáng)，王 戈

(1.北京控制工程研究所， 北京 100094；2.北京航空航天大學(xué)， 北京 100091)

0 引言

隨著人類在太空探索領(lǐng)域的不斷前行，航天任務(wù)對推進(jìn)技術(shù)提出了更高的要求?；瘜W(xué)推進(jìn)技術(shù)因?yàn)楸葲_低，難以滿足未來太空探索對動力系統(tǒng)的要求，因此需要一種高比沖的推進(jìn)技術(shù)來取代化學(xué)推進(jìn)。磁等離子體動力推力器(MPDT，Magnetoplasmadynamic Thruster)是大功率電推進(jìn)技術(shù)的典型代表，其特點(diǎn)是比沖高、推力密度大，且易于實(shí)現(xiàn)大功率[1-3]，是一種理想的替代技術(shù)。以火星探測任務(wù)為例，假設(shè)有效載荷為100 t，所需的速度增量為6.6 km/s，如果采用化學(xué)推進(jìn)(比沖450 s)，需要347 t推進(jìn)劑；采用MPDT的推進(jìn)系統(tǒng)(比沖8000 s)，僅需要8.78 t推進(jìn)劑。應(yīng)用大功率MPDT可大幅提高有效載荷比。相對于目前離子和霍爾電推進(jìn)，MPDT可提供相對較大的推力，極大縮短任務(wù)周期。

目前，美國、俄羅斯和歐洲等世界主要航天強(qiáng)國正制定和實(shí)施多項(xiàng)遠(yuǎn)距離深空探測計劃，所有計劃均將高性能空間推進(jìn)技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)也將逐漸開展載人登月、火星探測以及木星探測等深空探測任務(wù)，對推進(jìn)系統(tǒng)提出了新的更高要求。對推進(jìn)系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在三個方面：一是高推進(jìn)效率和高比沖，提高有效載荷質(zhì)量；二是大速度增量和大推力，縮短任務(wù)周期；三是長壽命，支持航天器在不同軌道之間反復(fù)轉(zhuǎn)移。大功率電推進(jìn)在節(jié)省航天器質(zhì)量、提高機(jī)動性等方面擁有傳統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)無可比擬的巨大優(yōu)勢，已經(jīng)成為航天器推進(jìn)技術(shù)的必然發(fā)展方向。從未來航天任務(wù)需求以及電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢出發(fā)，急需發(fā)展大功率電推進(jìn)技術(shù)以全面滿足航天器對推進(jìn)技術(shù)性能的新要求。從2013年開始，北京控制工程研究所聯(lián)合北京航空航天大學(xué)開展了百千瓦級附加場磁等離子體動力推力器的研制與試驗(yàn)，截止2019年，其功率已達(dá)114 kW，最大推力3 N，最高比沖5300 s，最高效率69%。限制MPDT空間應(yīng)用的方面主要包括效率、陰極壽命、磁線圈質(zhì)量等。在效率方面，根據(jù)德國IRS的最新研究結(jié)果，采用氬氣為推進(jìn)劑的MPDT可實(shí)現(xiàn)70%的效率，與采用堿金屬鋰Li為推進(jìn)劑的效率相當(dāng)，鋰推進(jìn)劑存在星上存貯和污染等問題。而磁線圈的質(zhì)量可通過采用超導(dǎo)磁體的方式大幅降低[4-7]。

針對上述技術(shù)難題，北京控制工程研究所聯(lián)合中科院物質(zhì)科學(xué)研究所進(jìn)一步開展了基于強(qiáng)磁磁場線圈的百千瓦級MPD系統(tǒng)方案設(shè)計，并進(jìn)行了初步優(yōu)化。

1 國內(nèi)外MPDT技術(shù)研究進(jìn)展

國內(nèi)外MPDT技術(shù)研究對比分析如表1。

表1 國內(nèi)外MPDT技術(shù)研究對比

區(qū)別于常規(guī)的分類方式，這里將國內(nèi)外的MPDT技術(shù)分為4種類型：

(1)Arcjet型。研究開展于20世紀(jì)60年代初至70年代中期，主要集中于電磁加速效應(yīng)的驗(yàn)證與原理研究，其研究機(jī)構(gòu)包括Electro-Optical System,AVCO 研究實(shí)驗(yàn)室,McDonnell Douglas Corporation以及German Aerospace Centre (DLR,前身為DFVLR)。

(2)Self-field型。研究開展于20世紀(jì)80年代末，且至今仍有機(jī)構(gòu)研究，主要集中于高功率(100 kW～MW級)試驗(yàn)及材料研究，其中較為重要的美國NASA-Glenn的Myers團(tuán)隊、俄羅斯MAI、德國斯圖加特大學(xué)IRS以及日本Osaka大學(xué)。

(3)傳統(tǒng)Applied-field型。從20世紀(jì)90年代末開始，傳統(tǒng)附加場MPDT(即采取傳統(tǒng)銅螺線管或銅帶繞制的磁線圈并采取水冷冷卻方式)在國內(nèi)外被廣泛研究，如美國NASA JPL/普林斯頓大學(xué)、俄羅斯MAI、德國斯圖加特大學(xué)、意大利Alta S.p.A以及中國北京控制工程研究所和北京航空航天大學(xué)。值得一提的是德國SX3型MPD推力器近年來取得了極大的突破，尤其是在性能上，在附加磁場強(qiáng)度400 mT下，SX3采用氬氣為推進(jìn)劑，可實(shí)現(xiàn)62%的推進(jìn)效率和5097 s的比沖，功率達(dá)到114 kW(放電電流可達(dá)750 A)[13-14]。

(4)超導(dǎo)Applied-field型。近年來，各國相繼提出了將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用到AF-MPDT的研究中，可提供高磁場強(qiáng)度以獲得更高的工作電壓，從而降低放電電流以及空心陰極的研制難度。最早提出超導(dǎo)型MPDT概念的是NASA于20世紀(jì)70年代初期，擬采取低溫液氦，如圖1所示[15]。然而，在當(dāng)時的推力器構(gòu)型上，通過提升一個數(shù)量級的磁場并未能實(shí)現(xiàn)功率的較大提升，且未進(jìn)行相應(yīng)推力測量。直到2017年，隨著AF-MPDT技術(shù)研究的進(jìn)步，采用超導(dǎo)磁體代替?zhèn)鹘y(tǒng)線圈的方案重新被德國Pi Integral Solutions[13,16]提出。

圖1 25 kW輻射冷卻型MPD推力器(采用低溫超導(dǎo)線圈)

2 大功率MPDT推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵問題

由于MPD使用相對原子質(zhì)量較輕的推進(jìn)劑效率比價高，但相對原子質(zhì)量小帶來的不利因素是推進(jìn)劑密度小，因此在攜帶上占用的體積非常大，額外的質(zhì)量很大。目前，氙工質(zhì)儲存密度可達(dá)1600 kg/m3，而同樣條件下，氬工質(zhì)僅為210 kg/m3。因此，推進(jìn)劑工質(zhì)選擇和高密度存儲還需要進(jìn)一步研究。由于陰極處于等離子體中心位置，需要承受高溫等離子體轟擊，陰極燒蝕非常嚴(yán)重。圖2是不同材料的陰極在試驗(yàn)中的燒蝕情況。陰極結(jié)構(gòu)和材料需要進(jìn)一步的研究。

圖2 MPDT陰極燒蝕情況

MPDT利用外加線圈產(chǎn)生磁場，由于需要的磁場非常強(qiáng)，常規(guī)線圈功耗大、質(zhì)量大，目前比較成熟的低溫超導(dǎo)線圈制冷保溫條件比較苛刻，都無法滿足目前空間應(yīng)用，需研究適合空間應(yīng)用輕質(zhì)線圈。

3 100 kW級附加場MPD推進(jìn)系統(tǒng)

為滿足MPD推進(jìn)系統(tǒng)在空間任務(wù)的應(yīng)用要求，北京控制工程研究所研制了大功率MPD推進(jìn)系統(tǒng)，由MPD推力器、電源處理單元組成。如圖3所示，大功率MPD推進(jìn)系統(tǒng)基于MAT-100推力器開展設(shè)計，MAT-100為采取傳統(tǒng)銅線圈的100 kW級AF-MPDT樣機(jī)(圖4)。本文完成了與推力器的初步聯(lián)試工作，這里稱為100 kW級附加場MPD推進(jìn)系統(tǒng)，簡稱MAT-100S(100 kW Applied-field magnetoplasmadynamic thruster system)[17]。

圖3 MAT-100S系統(tǒng)組成

圖4 MPDT外加線圈

MAT-100S由4種主要的子系統(tǒng)組成：(1)附加場模塊，包含強(qiáng)磁場線圈和冷卻系統(tǒng)；(2)推力器，由陽極、陰極以及熱和電絕緣連接組成；(3)電源處理單元，控制電流供給及高電壓放電；(4)推進(jìn)劑供給系統(tǒng)，包含推進(jìn)劑貯箱、壓力調(diào)節(jié)模塊和流量控制系統(tǒng)。后續(xù)將熱控子系統(tǒng)和與航天器接口包含在內(nèi)。

3.1 附加場組件

通過北京控制工程研究所和北航的磁場仿真及流場優(yōu)化研究，降低近陽極區(qū)域的磁場強(qiáng)度，可減少陽極功率沉降。結(jié)果顯示，電流達(dá)到240 A時，線圈中心軸向的磁場強(qiáng)度可達(dá)到0.4 T，磁場位型滿足MPD推力器的工作需求。

目前，為后續(xù)空間應(yīng)用發(fā)展，北京控制工程研究所正在開展空間磁線圈應(yīng)用的研制工作。制冷系統(tǒng)采取具有在軌飛行經(jīng)驗(yàn)的成熟產(chǎn)品，如布雷頓或斯特林循環(huán)，冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊且功耗相對較低。

3.2 MPD推力器

為適配工程應(yīng)用，北京控制工程研究所聯(lián)合北京航空航天大學(xué)研制了一種100 kW級水冷附加場MPD推力器MAT-100(圖5)。其設(shè)計目標(biāo)為高性能、高可靠連續(xù)工作，采取如下設(shè)計方案。

圖5 100 kW級水冷型附加場磁等離子體動力推力器

(1)多孔空心陰極。陰極為推力器的核心組件之一，是限制MPD壽命的主要因素。陰極材料采用鎢基材料，鎢基材具有熔點(diǎn)高、耐燒蝕、電子發(fā)射性能高的特點(diǎn)。陰極前端具備多個通道，基座外側(cè)通過水冷銅座夾持，帶走推力器工作時沉降在陰極上的熱量。

(2)擴(kuò)張型陽極。根據(jù)前期試驗(yàn)研究，相比直筒型或收縮-擴(kuò)張型陽極，擴(kuò)張型陽極的性能更好。

(3)純陰極供氣。研究發(fā)現(xiàn)，提高陰極區(qū)域供氣流量，可提高推力器性能。為獲得更好的性能并優(yōu)化MPDT結(jié)構(gòu)，并未采取傳統(tǒng)陽極供氣方式，而是從多孔空心陰極內(nèi)部信道內(nèi)供氣。

(4)水冷結(jié)構(gòu)。為確保推力器連續(xù)可靠工作，需要高效換熱水冷結(jié)構(gòu)?？紤]到推力器設(shè)計功率為100 kW，會有可觀的功率沉降在陽極和陰極上，因此陽極和陰極均設(shè)有水冷結(jié)構(gòu)。為保證傳熱效率足夠保持陽極和陰極在可接受的溫度范圍，對推力器的熱交換進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析。

3.3 其他子系統(tǒng)

根據(jù)MAT-100S系統(tǒng)構(gòu)型，PPU組件由3種不同的部分組成，包括推力器放電單元、線圈控制單元及制冷系統(tǒng)供電和控制單元。第一部分，高功率供電單元已經(jīng)開展研制，目前已完成10 kW模塊集成和初步電性能測試(見圖6)，后續(xù)將與推力器開展聯(lián)合試驗(yàn)工作；第二部分，線圈的控制電源模塊已完成地面測試；第三部分，MAT-100S的空間用制冷系統(tǒng)目前正在開展系統(tǒng)設(shè)計工作。

圖6 10 kW電源模塊

3.4 推力器特性

2019年7月，北京控制工程研究所開展了0.4 T級強(qiáng)磁場線圈與MAT-100推力器的聯(lián)合試驗(yàn)。真空艙尺寸為φ3 m×5 m，配有多部低溫泵和分子泵，極限真空度為1×10-5Pa，在使用氬氣作為推進(jìn)劑，流量不超過40 mg/s時，可維持0.01 Pa的真空度。推力器和強(qiáng)磁場線圈放置于真空艙(圖7)中心的支撐平臺上，其特性通過靶推力測量裝置測定。截至目前，強(qiáng)磁場線圈下的MAT-100性能僅完成部分工況下的測定。

圖7 真空艙示意圖

自2019年7月，在0.4 T級強(qiáng)磁場線圈穩(wěn)定性長穩(wěn)態(tài)初步測試后，聯(lián)合試驗(yàn)已完成啟動、穩(wěn)態(tài)和低功率初步推力測量3個階段的測試。試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符，即強(qiáng)磁場對MPDT特性具有較大影響。對于穩(wěn)態(tài)階段，圖8所示的常規(guī)線圈下MAT-100在同一磁場不同電流(240、400 A)的羽流狀態(tài)。

(a)240 A (b)400 A

由圖8可見，隨著電流的升高，羽流亮度提高且更加集中，但上下區(qū)域并非完全對稱。因此，磁場對羽流特性的影響有待進(jìn)一步研究[18]。

4 大功率AF-MPD推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用需求和分析

MPD推力器具有高比沖、大推力密度和較寬的功率范圍(從kW級到MW級)等特性，尤其是與核電推進(jìn)相結(jié)合，一直以來被認(rèn)為是未來空間大推力任務(wù)的最佳選擇之一，如無人行星際探測和貨運(yùn)飛船、地外行星載人飛船任務(wù)等。總之，MPD推力器適用于高速度增量的航天任務(wù)，即可實(shí)現(xiàn)大型航天器的快速軌道轉(zhuǎn)移等。

根據(jù)不同任務(wù)需求和功率，基于北京控制工程研究所在MPDT領(lǐng)域的研制進(jìn)展，研制出多種型譜的MAT，其性能預(yù)測與上述任務(wù)相適配。表2為多種MAT與其他同級電推進(jìn)的性能對比。

目前，航天市場主要集中于小衛(wèi)星和星座，而大功率任務(wù)也一直備受關(guān)注，無論是21世紀(jì)初提出的JIMO航天器，還是近年來提出的ESA火星采樣返回(Mars Sample Return)任務(wù)[19]和月球軌道門廊(Lunar Orbital Gateway Power & Propulsion Element)任務(wù)[20]。另一方面，在未來高功率GEO軌道通訊衛(wèi)星，或者在軌軌道轉(zhuǎn)移和加注衛(wèi)星，也是大功率電推進(jìn)的應(yīng)用領(lǐng)域。

根據(jù)近期的市場愿景，提出GEO衛(wèi)星大范圍軌道轉(zhuǎn)移的任務(wù)；根據(jù)中期的市場愿景，提出了小天體探測和捕獲的需求；根據(jù)長期的規(guī)劃，主要研究集中于火星任務(wù)。

4.1 GEO衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移

大型航天器采取雙組元執(zhí)行軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)會消耗大量的推進(jìn)劑，而采用大功率電推進(jìn)，可有效提升載荷質(zhì)量。假設(shè)衛(wèi)星初始質(zhì)量為6 t，從GTO入射軌道變軌至GEO軌道所需的速度增量約為2175 m/s以及多次相位和傾角調(diào)整，任務(wù)總共所需的速度增量達(dá)到11 000 m/s。則采用化學(xué)推進(jìn)、傳統(tǒng)低功率電推進(jìn)(霍爾/離子)以及大功率MPD推進(jìn)(MAT-100)三種推進(jìn)方式所需的推進(jìn)劑消耗量可根據(jù)火箭公式計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 GEO軌道轉(zhuǎn)移和機(jī)動任務(wù)推進(jìn)劑消耗

GEO衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)需要在轉(zhuǎn)移時間限制和推進(jìn)劑消耗量之間取得平衡。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，大功率MPD推進(jìn)具備較大的優(yōu)勢執(zhí)行該種任務(wù)，所需推進(jìn)劑大幅減少，僅為化推的1/10，且可在1個月內(nèi)完成轉(zhuǎn)移。

4.2 地外行星探測

對于太陽系內(nèi)星體的遠(yuǎn)距離無人深空探測，尤其是地外行星探測，采用化學(xué)推進(jìn)方案，將提高燃料攜帶，并主要借助彈弓效應(yīng)實(shí)現(xiàn)加速，致使載荷質(zhì)量和機(jī)動能力受限。采用核電源和大功率電推進(jìn)的系統(tǒng)，可滿足任務(wù)需求，既減少了推進(jìn)劑消耗，又不受限于發(fā)射窗口。例如，NASA提出的JIMO任務(wù)采用100 kW電推進(jìn)，可將發(fā)射質(zhì)量由3625 kg降低至1950 kg，并大幅縮短地木轉(zhuǎn)移時間，由2266 d縮短至700 d。

4.3 火星探測

若采用化學(xué)推進(jìn)實(shí)現(xiàn)載人火星探測任務(wù)，航天器總質(zhì)量將超過1000 t，且任務(wù)周期將超過3 a，實(shí)際上不能實(shí)現(xiàn)。采用核電源和大功率電推進(jìn)組合可實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。

根據(jù)分析計算，假設(shè)從800 km高度的LEO軌道轉(zhuǎn)移至距火星表面500 km的LMO軌道，并在火星停留28 d，到達(dá)目的地的載荷質(zhì)量95 t，可采用15 MW的電推進(jìn)實(shí)現(xiàn)，同時可在全程400 d內(nèi)完成任務(wù)。根據(jù)NASA評估，如電推進(jìn)功率量級達(dá)到200 MW，全程所需時間可進(jìn)一步縮短至39 d。

5 結(jié)束語

大功率MPD推力器在未來大型航天器軌道轉(zhuǎn)移、無人深空探測以及載人探火等任務(wù)應(yīng)用中具有極大的優(yōu)勢。目前，北京控制工程研究所正在研發(fā)MAT-100系統(tǒng)并開展工程化設(shè)計，初步地面性能測試已完成，驗(yàn)證了采用強(qiáng)磁場技術(shù)的大功率MPD推力器的穩(wěn)定工作，并進(jìn)行了改進(jìn)。通過對比分析，強(qiáng)磁場技術(shù)可有效提高推力器的性能，尤其是推力和羽流特性。受限于地面設(shè)施和條件，推力器性能測試僅在部分工況下進(jìn)行，后續(xù)將對推力特性和強(qiáng)磁影響進(jìn)一步研究。