面向空間運(yùn)輸任務(wù)的液體/固體工質(zhì)電推進(jìn)技術(shù)展望1)

于達(dá)仁 湯 堯 劉 輝

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

引言

空間運(yùn)輸是指利用航天器作運(yùn)載工具在太空中進(jìn)行人員和物資運(yùn)輸?shù)慕y(tǒng)稱.在未來,占據(jù)主體的將是長任務(wù)周期、大有效載荷的物資運(yùn)輸,它不追求較高的時(shí)效性,而是追求良好的經(jīng)濟(jì)效益.

涉及此類空間運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)主要有地月貨運(yùn)、地火貨運(yùn)、行星際探測、大型深空探測和大規(guī)模采樣返回等.目前我國與歐美都提出了自己的空間運(yùn)輸戰(zhàn)略任務(wù).我國將開展月球探測,建設(shè)國際科研站,運(yùn)輸建材,同時(shí)發(fā)射小行星探測器,攻關(guān)火星樣品運(yùn)輸[1];歐空局則在“2030+”戰(zhàn)略任務(wù)中表示將為月球探索運(yùn)輸設(shè)施、物資,并做好火星航行的準(zhǔn)備[2];美國同樣有自己的重返月球、登陸火星目標(biāo),同時(shí)NASA 討論了多種推進(jìn)成為大型貨運(yùn)主力推進(jìn)的可能[3-4].

電推進(jìn)技術(shù)是一種通過電能的引入,來獲取更高的工質(zhì)噴氣速度的技術(shù).電推進(jìn)概念起源于20 世紀(jì)初俄國齊奧爾科夫斯基的構(gòu)想和美國人Robert Goddard 的兩個(gè)專利[5],電推力器的工程應(yīng)用則開始于20 世紀(jì)50 年代,經(jīng)過70 年發(fā)展,電推進(jìn)新技術(shù)不斷擴(kuò)展,從最初的電熱式推力器到如今各類推力器百花齊放,空間電推進(jìn)取得長足進(jìn)步[6-11].與之對(duì)應(yīng)的,電推進(jìn)工質(zhì)種類和數(shù)量也在不斷增加[12].化學(xué)推進(jìn)受化學(xué)能和壁面溫度的限制,噴氣速度通常只能達(dá)到3 km/s 數(shù)量級(jí).對(duì)于利用將電能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)機(jī)械能的電推進(jìn)而言,經(jīng)過加速后從推力器中噴出的工質(zhì)速度比化學(xué)推進(jìn)噴氣速度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上.電推進(jìn)具有比沖高、壽命長的優(yōu)勢,采用電推進(jìn)能夠大幅提高有效載荷占比,降低運(yùn)輸成本.

隨著電推進(jìn)技術(shù)成熟度的不斷提高和相關(guān)應(yīng)用的不斷增加[13],以及核能發(fā)電技術(shù)與太陽能發(fā)電技術(shù)的大力發(fā)展[14],大功率電推進(jìn)成為目前最適配空間運(yùn)輸任務(wù)的推進(jìn)技術(shù).

目前,國外大功率電推進(jìn)研究主要集中在離子推力器(IT)、霍爾推力器(HT)、磁等離子體(magnetoplasmadynamic,MPD)推力器、可變比沖磁等離子體火箭(variable specific impulse magnetoplasma rocket,VASIMR)這4 種類型上,開展相關(guān)研究的地區(qū)和國家主要為美國、俄羅斯和歐洲.

大功率離子推力器著名的型號(hào)有美國的NEXIS,俄羅斯的IT-500,意大利和英國聯(lián)合研制的HiPER DS3G.NEXIS 由美國噴氣實(shí)驗(yàn)室(JPL)牽頭研制,樣機(jī)功率27 kW,加速電壓6500 V,推力0.5 N,比沖8700 s,效率達(dá)到78%[15].IT-500 由俄羅斯Keldysh 研究中心研制,已完成上百小時(shí)磨損試驗(yàn)[16].HiPER DS3G 由意大利Alta 公司和英國南安普頓大學(xué)共同研制,功率25 kW,推力0.25 N,比沖8400 s,效率84%[17].

美國提出了普羅米修斯計(jì)劃(2003 年)等多個(gè)大型項(xiàng)目,支持大功率霍爾電推進(jìn)研究.NASA 格林研究中心(GRC)研制了NASA-300M,NASA-400M,NASA-457M 等多款幾十kW 量級(jí)推力器[18],之后又研制了嵌套式霍爾推力器X3[19],功率可達(dá)百千瓦量級(jí).俄羅斯大功率霍爾推力器除了著名的SPT-290(功率30 kW)外,另一款是VHTITAL-160 陽極層霍爾推力器,功率25～ 36 kW,推力527～ 618 mN,比沖5375～ 7667 s,效率40%～ 70%[6].

美國與俄羅斯于20 世紀(jì)50 年代開始研究MPD,NASA 研制的MPD 推力器功率達(dá)到了4 MW,推力50 N,比沖6500 s,效率35%.俄羅斯的Li-MPD 功率130～ 200 kW,推力2.5～ 3.6 N,比沖3050～ 5610 s[20].德國DT 系列的DT-6 采用氬工質(zhì),在550 kW 功率下推力27 N,效率27%[21].

VASIMR 概念由美國于20 世紀(jì)70 年代提出,隨后開展相關(guān)研究,公開資料很少.目前最著名的型號(hào)為美國的VX-200,其空間樣機(jī)于2009 年問世,被美國AIAA 列為年度十大航天新興項(xiàng)目之一,200 kW滿功率下,性能參數(shù)大致為推力5.7 N,比沖5000 s,效率70%[22].

國內(nèi)開展大功率電推進(jìn)技術(shù)研究集中在相關(guān)的航天科研院所,主要有上海空間推進(jìn)研究所和蘭州物理研究所均開展了50 kW 霍爾推力器研制,北京工程控制研究所開展了100 kW 超導(dǎo)MPDT 試驗(yàn)樣機(jī)研制,西安航天動(dòng)力研究所開展了30 kW VASIMR的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)等.國內(nèi)大功率電推進(jìn)技術(shù)研究起步晚于國外,在功率等級(jí)、技術(shù)成熟度等方面還存在較大差距[23].

隨著空間運(yùn)輸任務(wù)數(shù)量和規(guī)模的增加,大功率電推進(jìn)在這方面的應(yīng)用將受到來自工質(zhì)的限制.離子、霍爾推力器的傳統(tǒng)主流工質(zhì)氙資源稀少、價(jià)格高昂,儲(chǔ)供難度大,MPD 和VASIMR 采用較多的氬、鋰等工質(zhì)也存在各自的問題.為了擺脫這些難以逾越的難題的限制,基于各種推進(jìn)技術(shù)的物理原理,為它們挑選合適新型工質(zhì)的必要性日益提升.

本文基于空間運(yùn)輸任務(wù)的動(dòng)力需求,指出了大功率電推進(jìn)技術(shù)面對(duì)此類任務(wù)的適配性,探討了大功率電推進(jìn)中最有前景的4 種技術(shù),并結(jié)合不同推進(jìn)技術(shù)的功率特征、基本原理和現(xiàn)有工質(zhì)局限性,根據(jù)工質(zhì)多元化發(fā)展邏輯,提出了相應(yīng)的固、液工質(zhì)選擇方案,對(duì)未來這4 種電推進(jìn)技術(shù)在工質(zhì)方面的發(fā)展做出了展望.

1 空間運(yùn)輸任務(wù)的動(dòng)力需求

1.1 大功率電推進(jìn)對(duì)空間運(yùn)輸任務(wù)的適配性

基于空間運(yùn)輸?shù)奶卣?高有效載荷占比成為了重要的考慮因素.化學(xué)推進(jìn)優(yōu)勢在于推力大,任務(wù)周期短,而電推進(jìn)則優(yōu)勢在于比沖高,有效載荷占比高,因此更適合此類任務(wù).兩類推進(jìn)技術(shù)典型代表的對(duì)比情況如圖1 和圖2 所示[24-26].在實(shí)現(xiàn)相同速度增量的前提下,電推進(jìn)消耗的燃料質(zhì)量遠(yuǎn)低于化學(xué)推進(jìn),并且隨著運(yùn)輸距離的增加,這項(xiàng)特征帶給電推進(jìn)的優(yōu)勢將被進(jìn)一步放大.例如,就地月轉(zhuǎn)移而言,采用不同推進(jìn)方式的貨運(yùn)飛船各項(xiàng)質(zhì)量占比存在很大差異,圖3[27]表明電推進(jìn)貨運(yùn)飛船在有效載荷占比上預(yù)計(jì)達(dá)到61%,在5 t 有效載荷的情況下,采用霍爾電推進(jìn)所需燃料預(yù)計(jì)為0.7～ 1.8 t,而著名的化學(xué)推進(jìn)“進(jìn)步”號(hào)系列地球軌道空間站物資運(yùn)輸飛船只能實(shí)現(xiàn)37%的有效載荷占比[28],且如果同樣用于地月間的運(yùn)輸,化學(xué)推進(jìn)在同樣情況下所需燃料將達(dá)到23 t,有效載荷占比還會(huì)大幅度降低

圖1 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)“天鵲”,推力836 kN,比沖300 s[24-25]Fig.1 Liquid oxygen methane engine "Tianque",thrust 836 kN,specific impulse 300 s[24-25]

圖2 X3 嵌套式霍爾推力器,推力5.4 N,比沖2650 s[19,26]Fig.2 X3 nested hall thruster,thrust 5.4 N,specific impulse 2650 s[19,26]

圖3 電推進(jìn)地月轉(zhuǎn)運(yùn)飛船質(zhì)量分布[27]Fig.3 Mass distribution of electric propulsion earth moon transfer spacecraft[27]

從式(1)中可以看出,采用電推進(jìn)想要進(jìn)一步提高推力F和比沖Isp,就需要提高電推進(jìn)的功率P(η為效率,g為重力加速度).因此,大功率電推進(jìn)成為國際先進(jìn)空間運(yùn)輸推進(jìn)領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略發(fā)展方向.

1.2 適合的大功率電推進(jìn)技術(shù)種類

在眾多電推進(jìn)技術(shù)中,離子、霍爾、MPD 和VASIMR 脫穎而出[29-30],它們的性能參數(shù)參考表1.離子電推進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,推力較小,比沖較高;霍爾電推進(jìn)結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,推功比大,相同功率下推力高于離子電推進(jìn),而比沖略低.二者技術(shù)成熟度高,在中功率電推進(jìn)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用,雖然受不同因素影響,功率擴(kuò)展空間有限,但卻是僅有的兩種得到過應(yīng)用并向大功率方向發(fā)展的電推進(jìn)技術(shù).MPD 和VASIMR 由于電磁式電推進(jìn)的工作原理,不受空間電荷飽和和離子磁化特征尺寸的限制,可實(shí)驗(yàn)更大的功率與推力密度,達(dá)到MW 量級(jí),但是這兩種推進(jìn)技術(shù)成熟度較低,尚未實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用.

表1 4 類電推力典型性能參數(shù)[23,31]Table 1 Typical performance parameters of four types of electric thrust[23,31]

其他大功率電推進(jìn)技術(shù)存在各類相關(guān)問題,短時(shí)間內(nèi)暫時(shí)無法投入應(yīng)用.如脈沖等離子體團(tuán)場反構(gòu)型(FRPT)推力器采用了脈沖工作,對(duì)電源和開關(guān)性能要求高,同時(shí)對(duì)其機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不明晰,樣機(jī)實(shí)驗(yàn)性能與設(shè)計(jì)參數(shù)存在差距[32];脈沖誘導(dǎo)等離子體電磁推進(jìn)(PIT)推力器效率隨放電線圈尺寸增大而提升,導(dǎo)致其尺寸和質(zhì)量過大,同時(shí)其性能一般,技術(shù)成熟度低[33].

2 4 種電推進(jìn)功率特征與工質(zhì)分析

2.1 離子、霍爾推力器功率特征與工質(zhì)需求

離子推進(jìn)是電推進(jìn)的一種,常見結(jié)構(gòu)如圖4 所示[34].它利用工質(zhì)電離生成離子,在柵極靜電場的作用下加速噴出,產(chǎn)生推力,所以又被稱為靜電推進(jìn)[35].離子推進(jìn)的加速原理比較簡單,從理論上講,在加速過程中能量損失很少,因此效率較高.在1 kV 的加速電壓下,就可以獲得數(shù)ks 的比沖.離子推進(jìn)是開發(fā)時(shí)間最早、地面和空間飛行試驗(yàn)都比較充分的一種電推進(jìn).

圖4 離子推力器結(jié)構(gòu): 1.放電室,2.柵極,3.放電陰極,4.中和器,5.推力器[34]Fig.4 Structure of ion thruster: 1.discharge chamber,2.grid,3.discharge cathode,4.neutralizer,5.thruster[34]

離子推力器功率上的限制在于受空間電荷飽和效應(yīng)的影響,且柵極上柴爾德-朗繆爾鞘層的抽吸能力有限,而真空擊穿電壓、中性氣體透過率和柵極厚度等方面的限制使束流密度不可能無限提高[35],最終使得束流離子密度存在上限.如圖5 所示,特殊形狀的柵極與小孔使得離子束流在柵極間聚焦,達(dá)到了很高的離子密度,彼此間的庫倫斥力較強(qiáng),如果再增大離子密度,束流聚焦特征將遭到破壞[36].柵極面積也受航天器尺寸和材料強(qiáng)度約束,大功率下柵極由于熱應(yīng)力等因素會(huì)產(chǎn)生翹曲變形、侵蝕加劇等問題[37-39].因此,離子推力器的功率上限大約在幾十千瓦左右.

圖5 柵極聚焦離子束流使得孔間離子達(dá)到空間飽和[36]Fig.5 Grid focused ion beam current reaches spatial saturation of ions in holes[36]

霍爾推力器的工作原理如圖6[40]所示,分別將兩個(gè)半徑不同的陶瓷套管固定在同一軸線上組成了具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的等離子放電通道.磁線圈、磁極將在通道內(nèi)產(chǎn)生正常工作狀態(tài)下主要沿通道半徑方向的磁場.在徑向磁場的條件下,陽極和陰極之間的放電等離子體在通道內(nèi)將產(chǎn)生自洽的軸向電場,這樣,環(huán)形通道內(nèi)將形成正交的電磁場.發(fā)射于陰極的電子進(jìn)入通道后,在正交電磁場作用下做周向漂移,即霍爾漂移.推進(jìn)劑從氣體分配器注入推進(jìn)器通道,中性原子同做漂移運(yùn)動(dòng)的電子發(fā)生碰撞電離成為離子.離子在霍爾推力器的電離區(qū)中產(chǎn)生,在電場的作用下加速,從通道噴出后產(chǎn)生推力[40].

圖6 霍爾推力器HET 工作原理[40]Fig.6 Working principle of hall thruster[40]

霍爾推力器的比沖稍低于離子推力器,但是等離子體束流呈準(zhǔn)中性,因而束流密度不受空間電荷飽和效應(yīng)的限制,獲得1 個(gè)數(shù)量級(jí)的提升,功率密度可以達(dá)到更高的上限.

但是霍爾推力器的電離加速過程要受到霍爾等離子體條件(電子磁化而離子不磁化)的限制,對(duì)通道的尺寸上限提出了約束.實(shí)際通道中,電子做霍爾漂移的前提條件是,通道軸向尺寸L遠(yuǎn)大于電子的拉莫爾回旋半徑re.對(duì)于離子則希望其能夠經(jīng)電場加速噴出,而不是同電子一樣留在通道中做霍爾漂移.這要求離子的拉莫爾回旋半徑ri遠(yuǎn)大于通道軸向尺寸L[41].re和ri由下式給出

其中q為粒子電荷量,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,m和v為粒子質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度,以下角標(biāo)e,i區(qū)分電子與離子.霍爾推力器出口區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度約為200 G,離子速度約為20000 m/s,由式(2),可以大致估算出霍爾推力器中氙離子的回旋半徑為米量級(jí).如圖7 所示,在霍爾推力器尺寸接近或超過這一量級(jí)時(shí),離子運(yùn)動(dòng)軌跡不再近似為直線,加速過程受到破壞.因此霍爾推力器的尺寸存在上限,其功率做到百kW 量級(jí)已趨近極限.

圖7 HET 通道尺寸過大時(shí)離子出射無法視為直線運(yùn)動(dòng)Fig.7 When the HET channel size is too large,ion emission cannot be considered as linear motion

離子、霍爾推進(jìn)的推力、工質(zhì)利用率和總效率分別由下式給出

其中γ為推力修正系數(shù),與工質(zhì)的多價(jià)電離和羽流的發(fā)散情況有關(guān),M為工質(zhì)的原子質(zhì)量,e為電子電荷量,Ib和Vb為離子電流和加速電壓,為工質(zhì)流量,ηe為電效率.從式中可以看出,靜電加速要求用大原子量的工質(zhì)實(shí)現(xiàn)大推力,同時(shí)大原子量的工質(zhì)具有更高的效率.推力與效率同時(shí)還與Ib呈正相關(guān),為了增大離子電流,選擇更容易電離(電離能更低)的工質(zhì)更加合適.

由式(2),電子質(zhì)量已知,則L的量級(jí)可以確定,那么采用的工質(zhì)的原子質(zhì)量的量級(jí)也就可以確定了.不難發(fā)現(xiàn),這同樣要求工質(zhì)具有較大的原子質(zhì)量,以滿足前述條件,拓展霍爾推力器尺寸上限.原子量大帶來的另一個(gè)好處是可以將離子在通道中的運(yùn)動(dòng)視作直線運(yùn)動(dòng),羽流發(fā)散角也會(huì)相應(yīng)地減小.

因此,離子、霍爾推力器以往主要采用了稀有氣體氙作為推進(jìn)工質(zhì),便是利用了它第一電離能低和原子量大的主要特點(diǎn).但是氙在價(jià)格與儲(chǔ)供方面存在較大問題,不利于其在大總沖空間運(yùn)輸任務(wù)中的應(yīng)用,成為了相應(yīng)推進(jìn)技術(shù)規(guī)模化、商業(yè)化的重大限制因素.受包括俄烏沖突、半導(dǎo)體領(lǐng)域需求和自身豐度等因素影響,氙氣的價(jià)格持續(xù)上漲,且隨著供需關(guān)系的變化還會(huì)繼續(xù)上漲,不能滿足空間運(yùn)輸降低成本的需求.氙作為氣體工質(zhì),圖8[42]為其供給系統(tǒng)組成圖.氙儲(chǔ)存密度較低,需要使用高壓氣瓶實(shí)現(xiàn)超臨界儲(chǔ)存,使用前則需經(jīng)過復(fù)雜的多級(jí)減壓設(shè)備,這增加了整個(gè)航天器的質(zhì)量、體積,使得有效比沖下降,同時(shí)技術(shù)難度較高.

圖8 氙氣供給系統(tǒng)組成圖[42]Fig.8 Composition diagram of xenon gas system[42]

2.2 MPD 推力器功率特征與工質(zhì)需求

MPD 推力器原理如圖9 所示,它源自電弧加熱推力器,當(dāng)電弧電流大至一定程度后,產(chǎn)生的磁場便可以用于加速帶電粒子,氣動(dòng)加速變?yōu)殡姶偶铀?成為自場型MPD(SF-MPDT),后來又因?yàn)槌蠊β蔒PD 研究的困難性發(fā)展為輔助勵(lì)磁的MPD(AFMPDT),可在幾十千瓦的較低功率下運(yùn)行.MPD 推力器不同區(qū)域的加速情況不同,中心為氣動(dòng)加速,等離子體速度平行于推力器中軸,霍爾參數(shù) ωeτe?1,再外面一層等離子體同時(shí)受壓力和洛倫茲力加速,霍爾參數(shù)較低.再往外為主要的電磁加速區(qū)域,在沿電極的長度方向,電流密度的徑向分量幾乎恒定,霍爾參數(shù)在2～3 之間,陽極輪廓貼合磁力線形貌以使電流分布更均勻.最外面的近陽極層厚度大致為電子在此處的拉莫爾半徑,電荷于此處從等離子體中轉(zhuǎn)移到陽極表面[20,43-45].

圖9 MPD 電推進(jìn)原理圖Fig.9 Schematic diagram of MPD electric propulsion

MPD 推力器特征如表2 所示,自場和附加場型兩者在電磁加速原理上存在差異.自感應(yīng)磁場產(chǎn)生軸向作用力和徑向作用力,前者直接產(chǎn)生推力,后者使離子徑向發(fā)散變?nèi)?間接增加推力.附加磁場作用下,推力器中還將存在渦旋-磁噴管加速和霍爾加速.對(duì)于AF-MPDT,渦旋力最大,霍爾力次之,氣動(dòng)力再次之,自場力反而是最小的,主要原因是電弧電流比SF-MPDT 低兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右[46].

表2 兩種MPDT 參數(shù)特征Table 2 Parameters of two MPDT

由于MPD 電磁式電推進(jìn)的原理,它不受空間電荷飽和、推力器尺寸和等離子體密度方面的限制,電離加速充分,推力、比沖高,功率沒有理論上限,在百kW 和MW 量級(jí)的基礎(chǔ)上,仍有望做得更高.

對(duì)于MPDT,基于上述原理,其推力和效率存在如下關(guān)系[47]

MPDT 一般工作在恒流模式,即電流I一定.則對(duì)于不同種類的推進(jìn)劑,在電流I和磁場B一定的條件下,推力T是相同的.然而,產(chǎn)生相同電流I所需的質(zhì)量流量和推進(jìn)劑分子或原子質(zhì)量M成正比,因此,輕質(zhì)推進(jìn)劑一般效率更高.此外,電離能越小,陽極與陰極之間的放電電壓Ud越小,效率一般也越高.

因此,高性能推進(jìn)劑的選取原則是分子或原子質(zhì)量小,電離能小.目前使用的推進(jìn)劑大致分為4 大類: 惰性氣體,堿金屬,H2及含H 分子,含N,O 類分子[48].

目前MPD 推力器主要采用的工質(zhì)有稀有氣體氬氣和堿金屬鋰.氬的第一電離能為15.76 eV,略高于氙和氪,原子量40.0,較小,此外氬價(jià)格較低.盡管具備這些優(yōu)點(diǎn),但是氬作為氣體工質(zhì),在儲(chǔ)供方面的固有缺陷依舊存在.而鋰雖然是固體工質(zhì),第一電離能和原子量更低,但是它沸點(diǎn)高達(dá)1317 °C,儲(chǔ)供存在較大的加熱需求,并且會(huì)對(duì)航天器造成污染.因此,MPD 的主流工質(zhì)存在改進(jìn)空間.

2.3 VASIMR 功率特征與工質(zhì)需求

VASIMR 具有3 個(gè)相連但不同的磁腔室,進(jìn)行不同的過程,如圖10 所示[49].第1 個(gè)腔室為電離室,從中性氣體來流中產(chǎn)生低溫等離子體,最常用的方式為通過螺旋波注入能量進(jìn)行電離[50-53].第2 個(gè)腔室為“射頻加熱器”,將電離級(jí)提供的等離子體進(jìn)行離子回旋共振加熱達(dá)到非常高的溫度[54-55].最后一個(gè)腔室為加速級(jí)——磁噴管,熱等離子體加速方式分為兩種,一是在不斷膨脹的磁場中由于磁矩守恒,在擴(kuò)張形磁場中帶電粒子的徑向動(dòng)量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向動(dòng)量,二是電子擴(kuò)散速度高于離子,在磁噴管下游形成雙極電場,離子被雙極電場加速,最后離子和電子以相同速度噴出,在兩種作用下離子離開裝置產(chǎn)生推力.

圖10 VASIMR 結(jié)構(gòu)示意圖[49]Fig.10 Structural schematic diagram of VASIMR[49]

這樣的設(shè)計(jì)帶來了在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定功率的情況下,改變出氣速度和推力的能力.當(dāng)需要更大的推力時(shí),更多的功率就會(huì)分配給電離室,射頻加熱器得到功率減小.相對(duì)應(yīng)地,分配更多功率給射頻加熱器,電離室得到的功率就會(huì)減小,推力將會(huì)減小,但是噴出的氣體速度會(huì)更快,對(duì)工質(zhì)的利用也會(huì)更加高效[49].

總體而言,VASIMR 比沖、效率都較高,同樣采用電磁加速的形式使得VASIMR 與MPD 一樣,沒有理論上的功率上限,同時(shí)它性能連續(xù)可調(diào),當(dāng)進(jìn)入廣闊星際空間中引力場不斷變化的地方時(shí),這種可調(diào)節(jié)性對(duì)于高功率火箭十分重要.它是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇蠊β孰娡七M(jìn)技術(shù),是未來面向火星探測的兆瓦級(jí)電推進(jìn)技術(shù)方案之一[30].

VASIMR 電離中性氣體的方式有好幾種,需要的氣壓與產(chǎn)生的等離子體密度不同,參見表3[56].效果最好的方式為螺旋波電離[57].在螺旋波等離子體源中,射頻電源將能量通過匹配器傳遞給射頻激發(fā)天線產(chǎn)生螺旋波,螺旋波在放電室中傳播,使得其中的粒子通過朗道阻尼獲得能量.電子的質(zhì)量小,所需加速時(shí)間短.工質(zhì)氣體分子進(jìn)入放電室后,與獲得能量的電子發(fā)生碰撞,被激發(fā)為等離子體,產(chǎn)生的等離子體被磁場約束,而極化電場可以進(jìn)一步加速等離子體[58].等離子體中的電子又可以繼續(xù)通過朗道阻尼作用獲得能量,激發(fā)中性氣體分子產(chǎn)生更多等離子體.這個(gè)不斷激發(fā)、不斷電離的過程就是螺旋波等離子體源能夠獲得非常高的等離子體密度的原因[57].

表3 VASIMR 不同電離方式等離子體密度[56]Table 3 Plasma density of VASIMR with different ionization methods[56]

僅靠螺旋波電離,離子獲得的能量很低,推進(jìn)效果并不明顯,因此有了第2 段的射頻加熱器,進(jìn)行有質(zhì)動(dòng)力離子回旋共振(PA/ICR)加速.有質(zhì)動(dòng)力是指等離子體局部區(qū)域形成高強(qiáng)電磁場時(shí)產(chǎn)生的電磁壓力.在這種加速方式中,磁場強(qiáng)度具有梯度[59].離子的有質(zhì)動(dòng)力勢可以表示為

式中,ω 和 Ω 分別為外加電場的角頻率和離子回旋角頻率,E為外加射頻電場強(qiáng)度.離子受力即為該勢能的負(fù)梯度,加速過程分為以下3 步: 離子通過離子回旋共振獲得垂直方向上的動(dòng)能;離子受到有質(zhì)動(dòng)力作用于軸向被加速;磁鏡效應(yīng)使離子垂直動(dòng)能變?yōu)檩S向動(dòng)能[60-61].通過調(diào)節(jié)RF 頻率可以使波能量密度峰值與離子共振點(diǎn)位置一致,為了滿足離子回旋共振的約束條件,磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)滿足

結(jié)合表4 列出的具體結(jié)果而言,以氬離子為例,kHz 級(jí)的回旋頻率就需要1 T 量級(jí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,因此VASIMR 更適合原子(分子)質(zhì)量小的工質(zhì).這樣的強(qiáng)磁場需要超導(dǎo)線圈提供,設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大、沉重,能耗高.磁場的嚴(yán)格要求同時(shí)也限制了電離產(chǎn)物質(zhì)量相差較大的一類工質(zhì)的應(yīng)用.因此,需要為VASIMR 找尋合適的固液工質(zhì),來滿足離子回旋共振苛刻的要求,同時(shí)做到低成本和高豐度.目前VASIMR 實(shí)驗(yàn)多采用氬工質(zhì),同樣不是工質(zhì)上的最優(yōu)解,其他輕質(zhì)單質(zhì)和化合物具有發(fā)展?jié)摿?

表4 常用工質(zhì)在不同頻率下發(fā)生離子回旋共振需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位: T)Table 4 Magnetic flux density required for ion cyclotron resonance of common propellants at different frequencies (unit: T)

2.4 小結(jié)

針對(duì)大總沖航天任務(wù)對(duì)體積重量、工質(zhì)價(jià)格敏感的特性,要在未來的空間運(yùn)輸任務(wù)中充分發(fā)揮電推進(jìn)的優(yōu)勢,就必須解決工質(zhì)在工程方面的問題,更多地基于工程應(yīng)用視角選擇合適的工質(zhì)并迭代和改進(jìn)電推進(jìn)技術(shù).未來的工質(zhì)要性能良好、儲(chǔ)供代價(jià)低而且價(jià)格便宜、儲(chǔ)量豐富.

離子、霍爾推進(jìn)由于靜電加速的工作原理和空間電荷飽和、通道特征尺約束條件等方面的限制,需要大原子量工質(zhì),適合承擔(dān)幾十kW 到百kW 中高功率電推進(jìn)需求,技術(shù)成熟度高.MPD,VASIMR由于工作原理的不同,能夠滿足更高的功率需求.兩種技術(shù)分別基于更高效和更易實(shí)現(xiàn)方面的考量,皆需求輕質(zhì)工質(zhì),面向未來且發(fā)展空間大,雖然目前技術(shù)成熟度低但潛力十足.對(duì)于基本原理不同、技術(shù)成熟度不同的大功率電推進(jìn)技術(shù),固液工質(zhì)無論是單質(zhì)還是化合物,都有用武之地.因此,在新型工質(zhì)選擇方面,應(yīng)當(dāng)遵循各取所需與多元化發(fā)展的原則.

3 電推進(jìn)工質(zhì)的多元化發(fā)展邏輯

3.1 4 種推進(jìn)技術(shù)工質(zhì)發(fā)展史簡述

通過現(xiàn)有電推進(jìn)技術(shù)的特征分析發(fā)現(xiàn),推力器性能受基本物理原理方面的限制很難有顯著突破,因此離子、霍爾、MPD 和VASIMR 推力器的推進(jìn)工質(zhì)優(yōu)化選擇是達(dá)到空間運(yùn)輸任務(wù)成本要求的關(guān)鍵.表5[62]例舉了部分工質(zhì)的相關(guān)特性.

表5 不同工質(zhì)特性[62]Table 5 Characteristics of different propellants[62]

對(duì)于離子推力器,如圖11[63].所示,早期采用了汞作為工質(zhì),后來因?yàn)楣亩拘該Q為了氙,最近則用到了碘作為工質(zhì).這些元素共同的特點(diǎn)在于原子量大,第一電離能低,滿足前述離子推力器對(duì)工質(zhì)的需要.霍爾推力器類似,起初使用氙,后來由于價(jià)格原因用到了氪,近年來又進(jìn)一步開展了對(duì)固體工質(zhì)的研究,如金屬鋅、鎂、鉍,非金屬碘,尤其是碘工質(zhì)霍爾,是近年的一大研究熱點(diǎn)[63-68],圖12 和圖13 給出了一些具體的推力器與放電效果[69-70].而早期的MPD 則使用了金屬鋰,但它存在存儲(chǔ)密度低、熔點(diǎn)高等問題[20],之后MPD 對(duì)工質(zhì)的關(guān)注點(diǎn)則轉(zhuǎn)向了惰性氣體、含H 分子和混合氣體.惰性氣體易于儲(chǔ)存,容易產(chǎn)生離子,且較大的相對(duì)原子質(zhì)量有助于延長陰極壽命;堿金屬性能高,但需要額外的加熱裝置增加推進(jìn)系統(tǒng)重量,并可能污染航天器;含H 分子比沖高,但是又伴隨著比較嚴(yán)重的陰極燒蝕現(xiàn)象,制約推力器壽命;混合氣體能以犧牲比沖為代價(jià),提高推力器的效率.具體推進(jìn)劑的性質(zhì)參見表6[71-72].VASIMR工質(zhì)選擇的歷史并不長,該推力器理論上可以選用氫、氖、氬、氪、氙等惰性氣體,圖14 為著名的VX-200 的點(diǎn)火情況[73].由于存儲(chǔ)密度、成本、等離子體阻抗和磁場技術(shù)成熟度等因素限制,氬成為當(dāng)前主要研究的推進(jìn)劑.

表6 MPD 具體推進(jìn)劑的特性[71-72]Table 6 Characteristics of specific MPD propellants[71-72]

圖11 SRIT-2 汞離子推力器[63]Fig.11 SRIT-2 mercury ion thruster[63]

圖12 JPL 的鉍工質(zhì)D160 霍爾推力器[69]Fig.12 Bismuth D160 Hall thruster of JPL[69]

圖13 NASA 格林航天中心的碘工質(zhì)BHT-600[70]Fig.13 Iodine BHT-600 of NASA GCR[70]

圖14 VX-200 點(diǎn)火測試[73]Fig.14 VX-200 ignition test[73]

3.2 工質(zhì)篩選標(biāo)準(zhǔn)

縱觀電推進(jìn)工質(zhì)的發(fā)展史,可以發(fā)現(xiàn)工質(zhì)的選擇應(yīng)當(dāng)從3 個(gè)大方面去考量.

(1) 電推進(jìn)工作原理,涉及電推進(jìn)的儲(chǔ)供系統(tǒng)與推力器兩個(gè)部分.存儲(chǔ)工質(zhì)時(shí)希望實(shí)現(xiàn)低壓常溫高密度存貯,這樣一來在供給時(shí)不需復(fù)雜的多級(jí)減壓,還能夠縮小儲(chǔ)箱體積,固體/液體工質(zhì)在這方面勝過傳統(tǒng)的稀有氣體工質(zhì).而推力器受物理原理的限制,對(duì)于工質(zhì)的電離能、電離截面和原子質(zhì)量等有著各自不同的要求,這一點(diǎn)無法改變,在選擇替代工質(zhì)時(shí)只能選擇物性相似的物質(zhì),以保持原來的優(yōu)良性能.

(2) 電推進(jìn)的壽命要求,關(guān)鍵在于選擇的工質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不活潑,或者有特殊方式解決材料相容性的問題和羽流凝結(jié)、附著、腐蝕的問題.

(3) 電推進(jìn)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效應(yīng).隨著電推進(jìn)的蓬勃發(fā)展和相關(guān)需求的日益增加,工質(zhì)的價(jià)格受到了自然豐度和儲(chǔ)量、商業(yè)用途和供應(yīng)鏈兩個(gè)方面的影響,其上漲之后對(duì)電推進(jìn)的規(guī)?；a(chǎn)生了限制,而未來的空間運(yùn)輸任務(wù)需要不存在這類限制的工質(zhì).另一個(gè)需要考量的因素是環(huán)保,部分工質(zhì)帶有毒性,或者會(huì)產(chǎn)生污染物,能否消除或者包容它們這方面的負(fù)面影響將決定其是否能夠被采用.

篩選的工質(zhì)可以分為單質(zhì)與化合物兩大類.單質(zhì)的具有電離加速上的優(yōu)勢,相比化合物,電離產(chǎn)物種類少,尋找合適的工質(zhì)時(shí)應(yīng)當(dāng)以元素原子半徑和電離能隨原子序數(shù)的周期性變化規(guī)律為主線遍歷周期表.化合物則具有組合種類多樣的優(yōu)勢,盡管電離產(chǎn)物復(fù)雜,但是發(fā)展?jié)摿^大,尋找合適的工質(zhì)時(shí)應(yīng)當(dāng)依據(jù)已有應(yīng)用總結(jié)歸納適宜工質(zhì)關(guān)鍵特性,基于關(guān)鍵特性結(jié)合先進(jìn)化合物合成技術(shù)探尋未來替代工質(zhì).

單質(zhì)的物性變化規(guī)律即元素周期律,宏觀上是同一周期元素隨著原子序數(shù)增加,金屬性減弱,非金屬性增強(qiáng),直到化學(xué)性質(zhì)不活潑的稀有氣體.常溫常壓下大多數(shù)單質(zhì)呈固態(tài),少部分呈氣態(tài),僅汞和溴呈液態(tài).過渡元素則具有熔沸點(diǎn)高、硬度大的特點(diǎn).微觀上則是同一周期,隨原子序數(shù)增加,原子半徑通常減小(稀有氣體有特殊性,不能直接參與比較),而電離能逐漸增大,而同族元素,隨原子序數(shù)增加,原子半徑通常增大,而電離能逐漸減小.深入而言,同一周期內(nèi)元素的第一電離能并非一直呈逐步增大的態(tài)勢.當(dāng)外圍電子在能量相等的軌道上形成全空(p0,d0,f0)、半滿(p3,d5,f7) 或全滿(p6,d10,f14)結(jié)構(gòu)時(shí),原子的能量較低,元素的第一電離能較大.例如,Be 第一電離能高于B 而低于C,N 第一電離能高于O 而低于F,如圖15 所示.

圖15 原子第一電離能隨原子序數(shù)變化情況Fig.15 The first ionization energy of atom changes with atomic number

化合物工質(zhì)雖然電離會(huì)產(chǎn)生多種碎片,損耗能量,部分含F(xiàn),Cl 元素的工質(zhì)會(huì)產(chǎn)生污染,部分工質(zhì)具備不同程度的毒性、腐蝕性、易爆特性,但是排列組合多,值得深入研究.既有高分子量的化合物,也有低分子量的化合物,能夠針對(duì)不同推力器加以選用.有些化合物則具備低熔沸點(diǎn),低電離能的特點(diǎn),具有較大潛力.不同化合物性質(zhì)見表7[74].

表7 不同化合物工質(zhì)的性質(zhì)[74]Table 7 Properties of different compound propellant[74]

承接上述,篩選標(biāo)準(zhǔn)可以分為物理原理、工程技術(shù)和商業(yè)化3 方面.以往在選擇工質(zhì)時(shí)側(cè)重于第一點(diǎn),而對(duì)電推進(jìn)的工程化、商業(yè)化需求考量是需要逐步加強(qiáng)的.當(dāng)電推進(jìn)的技術(shù)成熟度還不夠高,相關(guān)進(jìn)展還停留在科研層面時(shí),可以不計(jì)人力、物力和財(cái)力的投入,選擇性能最好的工質(zhì),比如氙,盡管氙成本高昂,儲(chǔ)供技術(shù)復(fù)雜、難度大.前一階段是基于已有的推力器與技術(shù)選擇最好的工質(zhì)的階段,而現(xiàn)在到了基于航天需求大規(guī)模增長的現(xiàn)狀重新選擇新工質(zhì)的階段.工質(zhì)的選定將影響未來數(shù)十年航天推進(jìn)領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展.

對(duì)于空間運(yùn)輸這種大總沖航天任務(wù),需要在兼顧性能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮工質(zhì)儲(chǔ)量大、價(jià)格低、常壓高密度儲(chǔ)存和低技術(shù)難度等需求,不斷完善新工質(zhì)伴隨的電推進(jìn)相關(guān)技術(shù),提高性能,使之更符合大功率、高比沖和高推功比的要求.

4 液固工質(zhì)電推進(jìn)技術(shù)展望

4.1 離子、霍爾推進(jìn)工質(zhì)展望

目前研究表明,對(duì)于離子和霍爾推力器,碘是最優(yōu)的替代工質(zhì),它的物理性質(zhì)如表8 所示,這樣的性質(zhì)決定了其放電效果與傳統(tǒng)主流工質(zhì)氙相近,并且作為固體,對(duì)儲(chǔ)供系統(tǒng)要求低,無需高壓存儲(chǔ)與多級(jí)減壓,存儲(chǔ)密度大,可以大幅提高總沖和密度比沖,見圖16[65].碘成本遠(yuǎn)低于氙,碘推力器性能與氙幾乎一樣,碘和氙的性能實(shí)驗(yàn)可以相互表征,為研制帶來方便.

表8 碘與氙對(duì)比情況Table 8 Comparison of iodine and xenon

圖16 不同工質(zhì)密度比沖與總速度增量(1 U)[65]Fig.16 Specific impulse density and deltaV capacity of different propellants (1 U) [65]

Busek 公司在2010 年提出了碘工質(zhì)電推進(jìn)的相關(guān)專利,并在霍爾推力器BHT-200 上開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果如圖17～圖19 所示[68],標(biāo)稱條件下,碘BHT-200 推力器推力在13～14 mN,比沖約為1500 s,陽極效率為48%[75].之后在其他大功率霍爾推力器上同樣開展了碘工質(zhì)實(shí)驗(yàn),同樣取得了較好的結(jié)果,證明了碘與氙相似的放電性能.

圖17 BHT-200-I 推力器性能特性曲線[68]Fig.17 Performance characteristic curve of BHT-200-I thruster [68]

圖18 BHT-200 推力器與碘供給系統(tǒng)[68]Fig.18 BHT-200 thruster with iodine supply system[68]

圖19 BHT-200-I 羽流[68]Fig.19 BHT-200-I plume [68]

而對(duì)于碘儲(chǔ)供的研究也在走向成熟,各種儲(chǔ)供系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來,不同的儲(chǔ)供方式得到了論證,并實(shí)現(xiàn)了碘工質(zhì)儲(chǔ)供與離子推力器的一體化設(shè)計(jì).

2020 年法國ThrustMe 公司首次就碘工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行空間實(shí)驗(yàn),并根據(jù)在軌數(shù)據(jù)于Nature發(fā)文[76].如圖20 所示,整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)是高度熱耦合的,并且采用集成化設(shè)計(jì)使得體積很小.該公司在電推進(jìn)系統(tǒng)增加了熱量回收結(jié)構(gòu),使推力器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量返回到儲(chǔ)供系統(tǒng)進(jìn)行加熱,從而大大減少了加熱功率的需求,整體效率得以提升.

圖20 法國ThrustMe 碘電推進(jìn)系統(tǒng)剖視圖[76]Fig.20 Sectional view of ThrustMe (France) iodine propulsion system[76]

2023 年4 月,挪威航天局的NorSat-TD 衛(wèi)星通過獵鷹 9 號(hào)火箭成功發(fā)射.該衛(wèi)星配備了ThrustMe公司的NPT30-I2 碘工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng),可用于衛(wèi)星防碰撞、延壽和離軌等操作.NPT30-I2 是前述在軌驗(yàn)證的實(shí)際應(yīng)用,是一個(gè)基于離子推力器技術(shù)的全集成推進(jìn)系統(tǒng).它有1 U 和1.5 U 兩種規(guī)格,采用模塊化設(shè)計(jì),包括離子推力器、PPU、貯箱、供應(yīng)系統(tǒng)以及被動(dòng)熱管理和智能運(yùn)行控制系統(tǒng).推力器功率在百瓦以下,推力0.3～1.1 mN,其1.5 U 版本如圖21 所示[77].

圖21 NPT30-I2-1.5 U[77]Fig.21 NPT30-I2-1.5 U[77]

工質(zhì)碘目前主要的問題是材料相容性問題.單質(zhì)碘作為鹵族元素,具有氧化性,使得很多材料都能與之反應(yīng),造成結(jié)構(gòu)破壞、功能失效等問題.同時(shí)為了使碘升華,提供的熱量也會(huì)加劇反應(yīng)的發(fā)生.而溫度最高的陰極部分,碘的腐蝕問題最為嚴(yán)重.目前碘對(duì)陰極發(fā)射體材料隨時(shí)間的影響尚不明確,碘空心陰極未能取得滿意的性能.奧地利維也納大學(xué)研究了主要材料為石墨和不銹鋼的碘空心陰極,各種情況下陰極使用壽命都較短,最長的也僅為72 h,如圖22 所示,各支陰極存在不同程度的腐蝕[78].對(duì)于不同的發(fā)射體材料,均未取得良好結(jié)果.對(duì)于LaB6和Y2O3,無法成功點(diǎn)火,只能在高流量和觸持極電壓下產(chǎn)生電弧,且無法穩(wěn)定,為了抑制電弧,觸持電路中加入一個(gè)10 Ω 的鎮(zhèn)流器電阻,但依舊無法穩(wěn)定放電.而對(duì)于W-2%La2O3,總共實(shí)現(xiàn)了5 次點(diǎn)火,只在第一次放電時(shí)暫時(shí)穩(wěn)定,增大流量可以持續(xù)工作[79].這樣的結(jié)果遠(yuǎn)達(dá)不到電推技術(shù)對(duì)陰極的要求.

解決碘的材料相容性問題主要有尋找耐腐蝕材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)兩種途徑.不同材料對(duì)于碘的耐腐蝕性如表9 所示[80],傳統(tǒng)金屬材料都容易與碘蒸氣發(fā)生反應(yīng),因而不能用于推力器和陰極的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造.目前最有前景、關(guān)注較多的耐碘腐蝕材料為哈氏合金,它既能很好地抵御碘的腐蝕,又是由常見金屬元素組成的合金.在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,針對(duì)碘陰極的限制,碘射頻離子推力器是較好的選擇.這種構(gòu)型的離子推力器通過射頻天線向電離室中注入能量,電離中性原子.不同于傳統(tǒng)的電子轟擊式離子推力器,放電室中不存在陰極,因此避免了碘腐蝕陰極的問題.

表9 常見金屬材料與碘反應(yīng)強(qiáng)度[80]Table 9 Reaction strength of common metal materials with iodine[80]

固體工質(zhì)除了碘以外,霍爾推力器還采用金屬工質(zhì)作為氙的替代,比如鉍、鋅、鎂等.參見表10[81]與圖23[65],金屬鉍在放電性能上同樣能做到與氙相當(dāng),甚至略勝一籌[81].鋅、鎂第一電離能更低,不過原子量相對(duì)較小.它們最大的優(yōu)勢在于儲(chǔ)存密度和比沖密度,以及作為常見金屬,價(jià)格便宜、供應(yīng)充足.鋅和鎂目前在放電實(shí)驗(yàn)上也取得了良好的結(jié)果,具備開展深入研究的潛力[65].

表10 氙與鉍放電性能對(duì)比[81]Table 10 Comparison of discharge performance between xenon and bismuth[81]

圖23 鉍霍爾推力器放電情況[65]Fig.23 Discharge situation of bismuth Hall thruster[65]

這些金屬固體工質(zhì)問題在于較高的熔沸點(diǎn)和較大的相變潛熱,升溫和相變都需要吸收大量的熱,因此整體潛力低于碘工質(zhì).對(duì)于這些固體工質(zhì),常用外部加熱提高其穩(wěn)定性,比如防止工質(zhì)蒸氣在管路中重新凝結(jié)為固體.對(duì)于蒸發(fā)壓高的金屬工質(zhì),利用推力器自身的產(chǎn)熱比碘更為關(guān)鍵.目前的儲(chǔ)供也就分為加熱式、半自熱式和自熱式3 種,加熱式穩(wěn)定性最好而效率最低,后兩者降低了穩(wěn)定性,提高了效率[82].

對(duì)于液體工質(zhì),目前最有潛力的還是液氪,雖然氪也是稀有氣體,但是其價(jià)格僅為氙的1/10 左右.同時(shí)氪的放電性能良好,在軌應(yīng)用可靠,面對(duì)未來空間運(yùn)輸任務(wù),具備一定的前景[83].就氪的液化存儲(chǔ)問題而言,合理利用太空環(huán)境,從中獲取冷量不失為一種降低儲(chǔ)存時(shí)制冷難度的方法.同時(shí)氪在使用時(shí),本身的蒸發(fā)也會(huì)帶走一定的熱量.因此,液氪方案應(yīng)得到大力重視.

4.2 MPD 推進(jìn)工質(zhì)展望

由于MPD 更適合使用小分子質(zhì)量的工質(zhì),而且包容化合物,因此其工質(zhì)具有低電離能、低離解能、低升華溫度即可,選擇面廣泛,可以優(yōu)先考慮液態(tài)、固態(tài)工質(zhì).常見MPD 工質(zhì)的放電特性如圖24所示,更輕、更易電離的工質(zhì)表現(xiàn)更好[71].

圖24 MPD 常規(guī)工質(zhì)(a)放電電壓與(b)效率 [71]Fig.24 (a) Discharge voltage and (b) efficiency of conventional propellants of MPD[71]

新型工質(zhì)選擇上,第1 類具有潛力的工質(zhì)是塑料.在800 kW 超大功率的自身場MPD 中對(duì)多種塑料進(jìn)行了性能測試,將常規(guī)氣體推進(jìn)劑與高分子含能聚合物推進(jìn)劑進(jìn)行了對(duì)比,得到了圖25 中的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)這類聚合物在相對(duì)更高電流(7000～ 11000 A)和更低電壓(75～ 100 V)下工作,能夠獲得更大的推力(10～ 30 N),但效率(低于20%)較低[84].總體而言,塑料工質(zhì)電離能低,離解能低,升華溫度低,放電性能與主流工質(zhì)相差不大,同時(shí)及其廉價(jià)易獲取,儲(chǔ)供簡單,是一種較好的MPD 推力器替代工質(zhì).各種塑料中,聚四氟乙烯最優(yōu).不過塑料工質(zhì)一大問題在于碳元素的沉積,這是含C 分子的共性問題.沉積在推力器或者航天器上的碳元素可能造成污染等方面的問題,嚴(yán)重制約其應(yīng)用的可行性.

圖25 4 種塑料工質(zhì)參數(shù)性能[84]Fig.25 Performances of four plastic propellants[84]

第2 類具有潛力的替代工質(zhì)是水.日本宮崎大學(xué)設(shè)計(jì)并開展了水工質(zhì)MPD 的相關(guān)研究,圖26 和圖27 得到了不同質(zhì)量流量下的放電參數(shù)[85].水工質(zhì)最大的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)易得,甚至能在特殊的太空環(huán)境中獲得補(bǔ)充,工質(zhì)攜帶量有望進(jìn)一步降低.就儲(chǔ)供系統(tǒng)而言,水的儲(chǔ)供簡單,存儲(chǔ)密度大,同時(shí)與其他系統(tǒng)的復(fù)用度高,依靠其他重要航天器設(shè)備就可能解決對(duì)水的工質(zhì)需求.不過目前水MPD 還需要進(jìn)一步研究,盡管放電特征參數(shù)與一般MPD 接近,但性能參數(shù)還有待驗(yàn)證.同時(shí)含O 分子工質(zhì)有一共性問題,那就是電離產(chǎn)物的氧化性,可能會(huì)侵蝕、破壞相關(guān)結(jié)構(gòu).

圖26 日本宮崎大學(xué)水工質(zhì)MPDT 示意圖[85]Fig.26 Schematic diagram of water MPDT of Miyazaki University in Japan[85]

圖27 不同質(zhì)量流量下水MPDT 的放電參數(shù)Fig.27 Discharge parameters of MPDT under different mass flow rates

而目前最有潛力的替代工質(zhì)則是液氨和肼.含H 氣體的質(zhì)量要明顯小于惰性氣體和除Li 以外的堿金屬原子,其解離產(chǎn)物的電離能與惰性氣體相當(dāng),可以認(rèn)為含H 推進(jìn)劑有著良好的性能表現(xiàn).從圖26反應(yīng)的實(shí)際測試結(jié)果來看,NH3在性能上僅次于CH4和H2,比一般含H 分子還要好.同時(shí)制氨技術(shù)成熟,氨價(jià)格便宜,獲取容易,儲(chǔ)供難度低而存儲(chǔ)密度高,因此是最具前景的MPD 工質(zhì).而肼(N2H4)同屬含N、含H 分子,儲(chǔ)供上除具有與氨相似的特點(diǎn)外,還有另一優(yōu)勢.肼本就是火箭推進(jìn)劑之一,如果作為MPD 的推進(jìn)劑,則可以復(fù)用一部分火箭燃料供應(yīng)系統(tǒng),進(jìn)而降低整個(gè)航天器的發(fā)射成本.

4.3 VASIMR 推進(jìn)工質(zhì)展望

VASIMR 雖然可以通過螺旋波外部注能,實(shí)現(xiàn)對(duì)工質(zhì)的充分電離,因而降低了對(duì)工質(zhì)電離能的要求,但是由于離子回旋共振約束條件的存在,如前述所言,對(duì)磁場要求較高,導(dǎo)致單質(zhì)工質(zhì)中只有那些特定的小原子量工質(zhì)能滿足條件.其主流工質(zhì)氬,存在氣體工質(zhì)的固有儲(chǔ)供問題,因而難以滿足空間運(yùn)輸任務(wù)需求.因此,應(yīng)當(dāng)深入探索VASIMR 化合物工質(zhì)的可能性.

化合物種類繁多,不少由輕質(zhì)離子、官能團(tuán)組成,這些成分都具有展現(xiàn)出良好放電性能的潛力.但是由于離子回旋共振加熱目前只能加熱單一成分,因此改進(jìn)相關(guān)技術(shù),提高化合物工質(zhì)的利用率,消除其應(yīng)用限制成為一個(gè)可以探索的方向.

這其中一個(gè)可能發(fā)展的方案是進(jìn)行雙頻回旋共振加熱設(shè)計(jì).化合物電離后不同組分質(zhì)量不同,在射頻加熱器這一部分如果能將多種電離組分都進(jìn)行加熱,無疑能使VASIMR 發(fā)揮出更好的性能.可能的途徑是采用雙頻電源,磁場不變,高頻加熱較輕的離子、官能團(tuán),低頻加熱較重的離子、官能團(tuán),使得各組分均可產(chǎn)生推力,提高工質(zhì)的利用率.這種雙頻射頻加熱技術(shù)在等離子體技術(shù)中存在成功的先例,借鑒應(yīng)用到VASIMR 具備理論上的合理性與可行性.

而另一種可能的思路則是選擇具備好的價(jià)格屬性和儲(chǔ)存屬性的含H 化合物,射頻加速不針對(duì)電離后產(chǎn)生的H+,而是只加速該化合物分解后較重的官能團(tuán),保證最主要的質(zhì)量組分可以得到加熱,也能實(shí)現(xiàn)較高的工質(zhì)利用率.第2 和第3 周期高電負(fù)性元素的氫化物存在研究的價(jià)值.

5 結(jié)論

本文基于太空運(yùn)輸任務(wù)的實(shí)際情況,分析了面向空間運(yùn)輸任務(wù)的大功率電推進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)及采用固液工質(zhì)電推進(jìn)的可行性.對(duì)于未來的月球基地、火星探測等航天任務(wù),物資的運(yùn)輸將成為空間運(yùn)輸?shù)闹黧w.不同于載人任務(wù),這類任務(wù)時(shí)間緊迫性低,追求大有效載荷和良好的經(jīng)濟(jì)效益.高比沖、長壽命的大功率電推進(jìn)技術(shù)是這類任務(wù)最適配的動(dòng)力方案.在電推進(jìn)技術(shù)成熟度不斷提高和相關(guān)航天產(chǎn)業(yè)不斷趨于規(guī)?；?、商業(yè)化的大背景下,大功率電推的關(guān)鍵破局點(diǎn)在于新型固液工質(zhì)的選擇.

最具前景的4 種大功率電推進(jìn)技術(shù)為離子推進(jìn)、霍爾推進(jìn)、MPD 與VASIMR,為它們尋找價(jià)格更低廉、儲(chǔ)量更豐富、儲(chǔ)供更簡單的合適工質(zhì)尤為重要.技術(shù)原理上離子和霍爾電推進(jìn)需要原子質(zhì)量較大的工質(zhì),MPD 和VASIMR 則更適配原子、分子質(zhì)量較小的工質(zhì).基于技術(shù)原理進(jìn)行合理推測,離子、霍爾推進(jìn)目前最可能采用固體碘、液化氪作為新工質(zhì),而MPD 則是液氨與肼為可能最佳的工質(zhì),至于VASIMR,則應(yīng)當(dāng)開展研究含H 化合物工質(zhì),并探索雙頻回旋共振射頻加熱技術(shù).