面向火星探測(cè)的CO2工質(zhì)射頻離子推力器離子源性能研究

楊謹(jǐn)遠(yuǎn)，張思遠(yuǎn)，李 程，李昊霖，孫安邦

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710000）

0 引言

作為太陽(yáng)系的行星之一，火星是地球的近鄰，對(duì)火星的研究將有利于空間資源的開(kāi)發(fā)和利用，為此，各先進(jìn)國(guó)家都制定了火星探測(cè)計(jì)劃。人類(lèi)對(duì)火星的探測(cè)計(jì)劃可追溯至20世紀(jì)60年代，從蘇聯(lián)發(fā)射的“Mars 1960A”火星探測(cè)器（因運(yùn)載火箭出現(xiàn)故障，導(dǎo)致發(fā)射失?。╅_(kāi)始[1]，至2021年5月15日“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器成功著陸火星，全球已進(jìn)行了近50次火星探測(cè)任務(wù)，宣布了多項(xiàng)載人登陸火星計(jì)劃[2-3]。但是，火星地表極其苛刻的環(huán)境條件和地火之間的距離給火星探測(cè)與載人航天飛行任務(wù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)：火星地表過(guò)大的晝夜溫差[4]（白天28℃，夜晚-132℃）將導(dǎo)致固體、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)行；常規(guī)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)由于比沖較低，在進(jìn)行火星探測(cè)以及距離更長(zhǎng)的深空探測(cè)時(shí)將因?yàn)樾枰獢y帶大量燃料而使成本過(guò)大。因此有必要發(fā)展新型的推進(jìn)技術(shù)以突破火星環(huán)境以及長(zhǎng)距離航行對(duì)航天器動(dòng)力系統(tǒng)可靠性和成本方面的限制。電推進(jìn)技術(shù)的工作原理是將電能通過(guò)不同途徑轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的動(dòng)能，使其噴出，形成高速射流并產(chǎn)生推力[5]。相對(duì)于常規(guī)化學(xué)推進(jìn)技術(shù)，電推進(jìn)技術(shù)具有比沖高、壽命長(zhǎng)、推力易于控制等優(yōu)點(diǎn)，有利于航天器的長(zhǎng)距離深空飛行。

感性耦合等離子體是一種適用于低氣壓下的等離子體源，已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)、國(guó)防和航天領(lǐng)域[6]。其放電機(jī)制為：射頻能量由射頻天線（線圈）通過(guò)電磁場(chǎng)的方式饋入放電腔體內(nèi)形成等離子體。感性耦合等離子體存在兩種放電模式，即低輸入功率時(shí)的容性耦合模式（E模式）和高輸入功率時(shí)的感性耦合模式（H模式）。低輸入功率（E模式）時(shí)，等離子體由線圈間電勢(shì)差產(chǎn)生的軸向電場(chǎng)El激發(fā)；高輸入功率（H模式）時(shí)，等離子體由環(huán)向感生電場(chǎng)Eθ激發(fā)和維持[7]。相較于E模式，H模式下等離子體密度更高，發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng)。射頻離子推力器（RIT）作為一種以射頻感性耦合方式產(chǎn)生等離子體的靜電式電推力器，除去電推力器共有的優(yōu)點(diǎn)外還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耦合效率高、等離子體密度高、無(wú)電極燒蝕等特點(diǎn)，在火星探測(cè)及長(zhǎng)距離深空探測(cè)中擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

射頻離子推力器受到多家研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。1962年，德國(guó)吉森大學(xué)的Loeb教授等[8]開(kāi)始了對(duì)射頻離子推力器的研究。他們針對(duì)不同空間任務(wù)的需求，研制了從“RIT-1”至“RIT-35”的一系列不同尺寸的推力器[9]。美國(guó)Busek公司針對(duì)立方星的需求，研制了“BIT”系列的射頻離子推力器，推力范圍覆蓋μN(yùn)至mN級(jí)別，可作為微納衛(wèi)星的主動(dòng)力系統(tǒng)[10-12]。法國(guó)ThrustMe公司基于無(wú)中和器的設(shè)計(jì)理念，先后研制了采用電負(fù)性工質(zhì)的“PEGASES”“PEGASES II”樣機(jī)和利用射頻自偏壓效應(yīng)的“Neptune”樣機(jī)[13-17]?！癙EGASES”系列樣機(jī)通過(guò)電離電負(fù)性工質(zhì)，使用磁體約束電子，在放電腔體中形成“離子-離子”等離子體，柵極系統(tǒng)可交替引出正負(fù)離子實(shí)現(xiàn)自中和；“Neptune”樣機(jī)向柵極施加射頻信號(hào)，利用屏柵、加速柵和等離子體接觸面積不等的特點(diǎn)，在柵極系統(tǒng)間形成自偏壓效應(yīng)，在持續(xù)引出正離子的同時(shí)脈沖式地噴出電子實(shí)現(xiàn)自中和。Loeb等[18-19]針對(duì)火星載人航天任務(wù)，提出了使用核能和大型射頻離子推力器相結(jié)合的核電推進(jìn)概念。

CO2是火星大氣的主要成分（約占95.32%體積分?jǐn)?shù)）[20]，研制以CO2為工質(zhì)的電推進(jìn)技術(shù)將對(duì)火星探測(cè)以及更遠(yuǎn)距離的深空探測(cè)具有重要意義。本文以CO2為工質(zhì)的射頻離子推力器離子源為研究對(duì)象，概述電推進(jìn)在火星深空探測(cè)的應(yīng)用背景和射頻離子推力器研究現(xiàn)狀；介紹射頻離子推力器的原理、本課題組所研制的射頻離子推力器離子源樣機(jī)和試驗(yàn)平臺(tái)；開(kāi)展射頻離子推力器離子源在CO2工質(zhì)下的點(diǎn)火試驗(yàn)；對(duì)比Ar工質(zhì)和CO2工質(zhì)下腔內(nèi)等離子體參數(shù)的診斷結(jié)果；研究射頻功率對(duì)CO2工質(zhì)下腔內(nèi)等離子體參數(shù)的影響；列舉對(duì)柵極施加直流電壓后的推力器離子源離子束流引出試驗(yàn)結(jié)果；分析屏柵電壓、射頻功率、進(jìn)氣流量和柵極透明度對(duì)推力器離子源柵極電流參數(shù)的影響，為火星探測(cè)提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 樣機(jī)與試驗(yàn)平臺(tái)介紹

射頻離子推力器一般包括：工質(zhì)供給、放電腔體、射頻天線、柵極系統(tǒng)、中和器和外結(jié)構(gòu)框架。以CO2工質(zhì)為例，其工作過(guò)程如圖1所示，工質(zhì)經(jīng)氣路供給至放電腔體，射頻能量由射頻天線耦合進(jìn)放電腔體，使中性粒子發(fā)生電離形成等離子體，在柵極系統(tǒng)作用下，正離子（主要為CO2+）從屏柵上游的等離子體鞘層中引出、聚焦并加速，形成準(zhǔn)直的離子束流被高速?lài)姵霾a(chǎn)生推力，中和器向離子束流發(fā)射電子以保證推力器整體呈電中性。

圖1 射頻離子推力器原理圖Fig.1 Schematic of the radio-frequency ion thruster

CO2是一種多原子分子，其放電過(guò)程較為復(fù)雜[21]，反應(yīng)體系中包含多種粒子（如CO2、CO、O2、O、O3、CO2+、O-、e、CO+、O2+、O+和C+等），存在多種碰撞過(guò)程（如彈性碰撞、電離碰撞、復(fù)合反應(yīng)、解離碰撞、振動(dòng)激發(fā)、附著碰撞等）。研究[22-24]表明，反應(yīng)體系中主要的帶電粒子為CO2+、e和 O-，因此，圖 1中以CO2+、e、O-三種主要帶電粒子來(lái)代表放電腔體內(nèi)形成的等離子體體系。

本課題組研制的射頻離子推力器離子源如圖2（a）所示。其中，放電腔體為石英玻璃制成的圓柱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑60 mm，長(zhǎng)100 mm，壁厚5 mm，表面燒制了內(nèi)徑4 mm，壁厚2 mm的進(jìn)氣管，該進(jìn)氣管通過(guò)卡扣與氣路連接，內(nèi)有橡膠圈保證氣密性。柵極由不銹鋼制成，為保證裝配的便捷性，采用雙柵極平面型結(jié)構(gòu)，使用云母片保證柵極間絕緣、控制柵極間距。柵極參數(shù)為：屏柵孔直徑1.9 mm、加速柵孔直徑1.2 mm、屏柵厚度0.5 mm、加速柵厚度1 mm、柵極間距1 mm、引出孔圓心距2.4 mm。射頻天線采用柱面耦合的方式，由截面外徑6 mm，內(nèi)徑4 mm的空心紫銅管繞制而成。為屏蔽射頻天線向真空室輻射的能量，防止室內(nèi)氣體輝光放電和電弧放電，制作了如圖2（b）所示的屏蔽罩，其外殼接地。

圖2 射頻離子推力器離子源整體結(jié)構(gòu)及部件Fig.2 Overall structure and components of the radio-frequen‐cy ion thruster’s ion source

地面試驗(yàn)平臺(tái)由真空室、供氣系統(tǒng)、射頻電源及匹配系統(tǒng)、柵極直流電源等組成，如圖3所示。真空室采用機(jī)械泵-羅茨泵-分子泵三級(jí)系統(tǒng)抽氣，空載下極限壓力可達(dá)6×10-4Pa。平臺(tái)供氣系統(tǒng)包括氣瓶、流量計(jì)、軟管及針閥等，氣瓶中工質(zhì)氣體經(jīng)過(guò)電子流量計(jì)和針閥控制，經(jīng)進(jìn)氣軟管進(jìn)入放電腔體。使用朗繆爾雙探針（圖4）進(jìn)行等離子體參數(shù)診斷，通過(guò)真空室外的探針驅(qū)動(dòng)裝置移動(dòng)探針，以測(cè)量不同位置的等離子體參數(shù)。

圖3 地面試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic of the ground experiment platform

圖4 朗繆爾雙探針實(shí)物圖Fig.4 Langmuir double probe

圖5為朗繆爾雙探針測(cè)得的伏安特性曲線。通過(guò)分析該曲線可得到等離子體離子密度和電子溫度信息，計(jì)算原理如下[25]：

設(shè)雙探針收集到的離子電流和電子電流分別為I1i、I2i、I1e、I2e，由于整個(gè)系統(tǒng)是懸浮的，有：

回路中的電流I可寫(xiě)為：

電子電流I1e、I2e可寫(xiě)為：

式中：I1e*、I2e*為電子飽和電流；V1、V2為探針電位；e為電子電荷；定義U=V2-V1。綜合式（1）至式（4），有：

令I(lǐng)i=I1i=I2i，式（2）可化簡(jiǎn)為：

圖5 朗繆爾雙探針測(cè)得的伏安特性曲線Fig.5 The V-I curve measured by Langmuir double probe

通過(guò)對(duì)朗繆爾探針I(yè)-V特性曲線線性擬合，對(duì)斜率進(jìn)行計(jì)算即可得到電子溫度Te，例如，圖6中所示結(jié)果為T(mén)e=1÷0.3751=2.67 eV。

離子密度ni可通過(guò)式（9）進(jìn)行計(jì)算：

使用朗繆爾探針診斷感性耦合等離子體時(shí)，診斷設(shè)備在射頻頻率下相當(dāng)于一個(gè)低阻抗負(fù)載，探針電勢(shì)將被地電位所鉗制，導(dǎo)致探針無(wú)法得到準(zhǔn)確的伏安特性曲線。為避免射頻信號(hào)對(duì)朗繆爾探針的影響，可采用在朗繆爾探針外添置如圖4所示的射頻補(bǔ)償電極的方法[26]。補(bǔ)償電極內(nèi)部與探針連在一起，保證探針與電極間同電位。補(bǔ)償電極外表面涂有薄的氧化層，用于提高探針針尖與等離子體的耦合電容，保證探針能實(shí)時(shí)響應(yīng)等離子體電勢(shì)的變化。

圖6 對(duì)朗繆爾雙探針I(yè)-V特性曲線進(jìn)行線性擬合Fig.6 Linearization of the Langmuir double probe IV characteristic

2 推力器離子源點(diǎn)火及腔內(nèi)等離子體參數(shù)診斷

2.1 CO2工質(zhì)點(diǎn)火試驗(yàn)

采用脈沖氣流配合適當(dāng)射頻功率的方式點(diǎn)火，操作流程為：首先打開(kāi)射頻電源調(diào)至點(diǎn)火功率；再打開(kāi)流量計(jì)，調(diào)至工況流量，同時(shí)關(guān)閉真空室上連接流量計(jì)和推力器離子源的針閥，使從流量計(jì)到真空室壁的氣管內(nèi)儲(chǔ)存大量氣體；隨后瞬間打開(kāi)針閥，使氣管內(nèi)儲(chǔ)存的高壓氣體涌入放電腔體內(nèi)，提高放電腔體內(nèi)的瞬時(shí)氣壓形成放電等離子體，待氣流穩(wěn)定后即可形成穩(wěn)定的自持放電，此種點(diǎn)火方式要求流量計(jì)為后置式閥門(mén)。圖7為CO2工質(zhì)點(diǎn)火圖，圖中放電腔體區(qū)域發(fā)出明亮白光，表明離子源工作在H模式，通過(guò)點(diǎn)火驗(yàn)證了CO2工質(zhì)的射頻離子推力器離子源的工作可行性。

圖7 CO2工質(zhì)H模式點(diǎn)火圖Fig.7 Ignition image of CO2working under H mode

2.2 不同工質(zhì)下腔內(nèi)等離子體參數(shù)診斷

實(shí)現(xiàn)H模式下的點(diǎn)火后，使用朗繆爾探針對(duì)CO2工質(zhì)下的腔內(nèi)等離子體參數(shù)進(jìn)行診斷。為了清晰地認(rèn)識(shí)CO2工質(zhì)下推力器離子源的放電情況與性能表現(xiàn)，進(jìn)行了以地面試驗(yàn)中的常用工質(zhì)Ar為工質(zhì)的腔內(nèi)等離子體參數(shù)診斷，并將其與CO2工質(zhì)下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)中使用中間開(kāi)有圓孔的聚四氟乙烯（PTFE）圓板代替推力器離子源的柵極區(qū)域，以便朗繆爾探針伸入腔體內(nèi)部，同時(shí)在推力器離子源尾部安裝屏蔽銅網(wǎng)以防止真空室內(nèi)輝光放電干擾等離子體參數(shù)的診斷。

試驗(yàn)中控制射頻功率在100 W，頻率在13.56 MHz。設(shè)放電腔體進(jìn)氣口處為0點(diǎn)，PTFE圓板（原柵極）處為10 cm，得到Ar和CO2工質(zhì)下在沿中軸線的腔內(nèi)等離子體參數(shù)診斷結(jié)果，如圖8所示。

從圖8（a）（b）可發(fā)現(xiàn)，在腔內(nèi)軸向2～4 cm內(nèi)，Ar工質(zhì)離子密度逐漸增大，在4～10 cm的區(qū)域內(nèi)，離子密度逐漸減小，并隨著氣體工質(zhì)流量的增加而明顯增大。電子溫度在2～4 cm內(nèi)略微下降，在4～8 cm內(nèi)先增大后略減小，在8～10 cm處明顯增大；工質(zhì)流量越大，在2～8 cm處電子溫度整體越低，8～10 cm處電子溫度增加得越明顯。

圖8 100 W下腔內(nèi)Ar和CO2等離子體參數(shù)診斷結(jié)果Fig.8 Diagnostic results of the Ar and CO2plasma parameters at 100 W

分析原因?yàn)?，離子密度的變化是進(jìn)氣口位置導(dǎo)致的氣壓梯度和射頻天線在空間內(nèi)輻射的能量梯度的共同作用：越靠近0（進(jìn)氣口）區(qū)域，氣壓越大，電子與中性粒子間的碰撞越頻繁；但射頻天線位于4～8 cm處時(shí)，離進(jìn)氣口太近的電子不能獲得較多的能量，形成足夠的有效電離碰撞；4 cm位置距離射頻天線較近，同時(shí)離進(jìn)氣口不太遠(yuǎn)，因此該位置的電子既能和中性粒子發(fā)生足夠多的碰撞，又能接收到足夠多的天線輻射的能量，因此該位置上的有效電離碰撞次數(shù)最高，形成了離子密度峰值；8～10 cm區(qū)域因靠近出口，氣壓較低，離子密度一直呈下降趨勢(shì)，10 cm位置處的離子密度僅有1015個(gè)/m3量級(jí)。在電子溫度變化方面，4 cm位置處由于發(fā)生的電離碰撞次數(shù)最多，電子溫度損失最大，因此形成了一個(gè)極小值。同時(shí)，離射頻天線中央越近的區(qū)域內(nèi)電子獲得的能量最高，因而在4～8 cm區(qū)域內(nèi)電子溫度呈先增后降趨勢(shì)。由于8～10 cm區(qū)域距出口太近，氣壓較低，電子平均自由程較大，能量損失小，因此該區(qū)域內(nèi)的電子溫度較高。

從圖8可看出，CO2工質(zhì)下離子密度和電子溫度的變化趨勢(shì)與Ar工質(zhì)下大致相同。但對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CO2離子密度比Ar的離子密度變化平穩(wěn)，相同的工況下，以Ar為工質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的離子密度遠(yuǎn)大于以CO2為工質(zhì)的離子密度；以CO2為工質(zhì)時(shí)的電子溫度比以Ar為工質(zhì)時(shí)的電子溫度高且受氣體工質(zhì)流量的影響更大。這是由于在以CO2為工質(zhì)的等離子體中發(fā)生了較多反應(yīng)，放電腔體內(nèi)存在少量CO、O2等不易參與后續(xù)反應(yīng)的氣體[27]，影響了CO2的電離，進(jìn)而影響了腔體中的離子密度。圖9為CO2和Ar在與電子發(fā)生電離碰撞時(shí)各自的電離碰撞截面與電子能量的關(guān)系，該圖的數(shù)據(jù)來(lái)源于Biagi數(shù)據(jù)庫(kù)[28]中電子溫度在10～85 eV區(qū)間內(nèi)的碰撞截面數(shù)據(jù)。

由圖9可知，CO2與電子的電離碰撞截面比Ar與電子的電離碰撞截面小，即相同流量下，電子與CO2之間的有效電離碰撞不如電子與Ar間的有效電離碰撞頻繁，所以CO2工質(zhì)放電腔體內(nèi)的離子密度較小。

圖9 Ar和CO2的電離碰撞截面對(duì)比Fig.9 Comparison of the ionization collisions’scattering cross sections for Ar and CO2

2.3 不同功率下腔內(nèi)等離子體參數(shù)診斷

試驗(yàn)中控制射頻功率為150 W，保持其余參數(shù)與2.2一致，得到CO2工質(zhì)下放電腔體中軸線上等離子體參數(shù)診斷結(jié)果，如圖10所示。

圖10 150 W下腔內(nèi)CO2等離子體參數(shù)診斷結(jié)果Fig.10 Diagnostic results of the CO2plasma parameters at 150 W

對(duì)比圖8（c）（d）和圖10可以發(fā)現(xiàn)：射頻功率增大可明顯提高等離子體密度。150 W功率下，離子密度在軸向位置2～3 cm處（靠近進(jìn)氣口）和5～8 cm處（靠近射頻天線）出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，原因可從氣壓梯度和射頻能量輻射強(qiáng)弱兩個(gè)角度分別進(jìn)行解釋?zhuān)瓷漕l功率越大，離子密度沿軸向分布受氣壓梯度和能量輻射強(qiáng)弱的影響越顯著；射頻功率增大能提高電子溫度在遠(yuǎn)離出氣口處沿軸向分布的穩(wěn)定程度。

3 離子束流引出試驗(yàn)

以柵極電流參數(shù)反映推力器離子源離子束流引出情況，試驗(yàn)電路圖如圖3所示。柵極電流參數(shù)包括屏柵電流Isg、加速柵電流Iag和收集柵電流Icg。分別改變屏柵電壓、射頻功率、工質(zhì)流量和柵極透明度測(cè)量柵極電流參數(shù)。

3.1 屏柵電壓對(duì)柵極電流參數(shù)的影響

控制屏柵電壓Vsg由+100 V以100 V步長(zhǎng)上升至+2 000 V，其余參數(shù)為：工質(zhì)CO2，進(jìn)氣流量10 cm3/min，射頻功率150 W，射頻頻率13.56 MHz，加速柵電壓-200 V，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

由圖11（a）可知，隨著屏柵電壓Vsg的增大，屏柵電流Isg和收集柵電流Icg均近似線性增大，加速柵電流Iag逐漸減小。表明在本試驗(yàn)條件下，屏柵電壓增大有助于提高柵極系統(tǒng)引出離子的能力并改善柵極對(duì)離子束流的聚焦效果。綜合圖11（a）和（c）可以看出，在屏柵電壓+100 V至+1 200 V區(qū)域內(nèi)，加速柵電流Iag減小幅度較大，收集柵電流和屏柵電流比值Icg/Isg增幅明顯；在屏柵電壓+1 200 V至+2 000 V區(qū)域內(nèi)，Iag的減小幅度和Icg/Isg的增長(zhǎng)幅度均放緩。從圖11（b）發(fā)現(xiàn)，屏柵電流與加速柵電流的差值Isg-Iag和收集柵電流Icg近似相等。

圖11 屏柵電壓對(duì)柵極電流參數(shù)的影響Fig.11 Influence of the screen grid voltage on the grid’s current

3.2 射頻功率對(duì)柵極電流參數(shù)的影響

試驗(yàn)中控制屏柵電壓Vsg由+100 V以100 V步長(zhǎng)上升至+800 V，射頻功率為150 W、200 W、250 W和300 W，其余參數(shù)保持不變。試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，射頻功率的增大能顯著提高Isg、Iag、Icg。這是因?yàn)樯漕l功率增大使腔體內(nèi)的電子獲得更多的能量，腔體內(nèi)的等離子體密度提高，使柵極系統(tǒng)能引出更多的離子。從圖12（d）可以看出，射頻功率增大會(huì)略微降低Icg/Isg，表明在本試驗(yàn)條件下，等離子體密度提高會(huì)略微降低柵極系統(tǒng)的聚焦性能。

3.3 工質(zhì)流量對(duì)柵極電流參數(shù)的影響

控制屏柵電壓Vsg由+100 V以100 V步長(zhǎng)上升至+1 200 V，工質(zhì)流量為5 cm3/min、10 cm3/min和15 cm3/min，其余參數(shù)保持不變。試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖12 射頻功率對(duì)柵極電流參數(shù)的影響Fig.12 Influence of the radio-frequency power on the grid’s current

圖13 工質(zhì)流量對(duì)柵極電流參數(shù)的影響Fig.13 Influence of the working gas flow on the grid’s current

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工質(zhì)流量從5 cm3/min上升至10 cm3/min時(shí)，柵極電流參數(shù)明顯提高，這是因?yàn)樵龃蠊べ|(zhì)流量，可以明顯提高推力器離子源放電腔體內(nèi)的氣壓，提高腔體內(nèi)電子與中性粒子間的有效電離碰撞次數(shù)，增大腔體內(nèi)等離子體密度，從而增大Isg、Iag和Icg。但是，當(dāng)進(jìn)氣流量從10 cm3/min上升至15 cm3/min時(shí)，加速柵截獲電流Iag雖有上升，但收集柵上檢測(cè)到的電流Icg沒(méi)有明顯上升。

3.4 柵極透明度對(duì)柵極電流參數(shù)的影響

加工了不同引出孔圓心距（孔間距）的柵極系統(tǒng)，孔間距分別為2.4 mm、2.8 mm和4 mm（柵極開(kāi)孔數(shù)分別為511、397和295個(gè)，屏柵透明度分別為51.2%、39.8%和29.6%，加速柵透明度分別為20.4%、15.9%和11.8%），試驗(yàn)中控制屏柵電壓Vsg由+100 V以100 V步長(zhǎng)上升至+1 600 V，其余參數(shù)保持不變，試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。從圖14可以看出，柵極透明度對(duì)柵極系統(tǒng)的引出能力影響顯著，過(guò)低的柵極透明度會(huì)明顯降低引出束流的大小，并影響柵極系統(tǒng)的聚焦效果。

圖14 柵極透明度對(duì)柵極電流參數(shù)的影響Fig.14 Influence of the grid’s transparency on the grid’s current

4 結(jié)論

CO2是火星大氣的主要成分，本文以CO2工質(zhì)的射頻離子推力器離子源為研究對(duì)象進(jìn)行了地面試驗(yàn)，包括點(diǎn)火試驗(yàn)、腔內(nèi)等離子體參數(shù)診斷試驗(yàn)和離子束流引出試驗(yàn)，驗(yàn)證了CO2工質(zhì)的射頻離子推力器離子源的工作可行性。主要結(jié)論有：

（1）在等離子體參數(shù)方面：試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，離子密度軸向分布受氣壓梯度和能量輻射強(qiáng)弱兩個(gè)方面的影響；電子溫度在射頻天線附近略高，原因是出氣口處氣壓較低，電子平均自由程較大，電子缺少碰撞而具有較高的電子溫度。

（2）對(duì)比CO2和Ar工質(zhì)下的診斷結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以CO2為工質(zhì)時(shí)腔內(nèi)離子密度比Ar為工質(zhì)時(shí)低，原因來(lái)自于兩方面：一方面是CO2電離產(chǎn)物包括CO、O2等不易參與后續(xù)反應(yīng)的物質(zhì)，影響了CO2的電離進(jìn)而降低了離子密度；另一方面是CO2與電子的電離碰撞截面比Ar與電子的電離碰撞截面小，導(dǎo)致電子與CO2碰撞的次數(shù)比電子與Ar的碰撞次數(shù)少。

（3）射頻功率增大可顯著增大CO2為工質(zhì)時(shí)腔內(nèi)離子密度，功率越大，離子密度沿軸向的分布受氣壓梯度和能量輻射強(qiáng)弱的影響越顯著，遠(yuǎn)離出氣口處電子溫度沿軸向分布越穩(wěn)定。

（4）離子束流引出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，等離子體密度提高會(huì)略微降低柵極系統(tǒng)的聚焦性能；工質(zhì)流量在一定范圍內(nèi)增大可提高引出束流；柵極透明度提高能較明顯地提高柵極系統(tǒng)的引出能力和聚焦效果。