夏廣慶,徐宗琦,王鵬,朱雨,陳茂林

1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連116024 2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院,深圳518055 3.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710072

無(wú)中和器射頻離子推力器原理研究

夏廣慶1,*,徐宗琦1,王鵬1,朱雨2,陳茂林3

1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連116024 2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院,深圳518055 3.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710072

在電推力器的廣泛應(yīng)用中,大部分都采用加速正離子的方式產(chǎn)生推力,且需要安裝中和器發(fā)射電子對(duì)噴射出的正離子進(jìn)行中和,否則會(huì)導(dǎo)致航天器自充電,對(duì)其通信及電子器件造成損害。因此,中和器的性能成為制約電推力器工作狀態(tài)和壽命的重要因素。為了克服該缺點(diǎn),介紹了一種基于同時(shí)加速正、負(fù)離子的無(wú)中和器射頻離子推力器,闡述了其結(jié)構(gòu)組成及推進(jìn)原理,分析了離子-離子的產(chǎn)生、正負(fù)離子的加速過(guò)程,指出了關(guān)鍵技術(shù)包括電負(fù)性工質(zhì)氣體放電特性、磁場(chǎng)過(guò)濾電子束縛效能,以及可周期性交替加速正、負(fù)離子的柵極偏置電壓加載方式。分析表明,該推力器在低軌航天器及深空探測(cè)器中具有潛在的應(yīng)用前景。

電推進(jìn);負(fù)離子;射頻離子推力器;電負(fù)性氣體;離子-離子推力器;磁過(guò)濾;交變電壓

隨著電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展,電推力器已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于不同種類(lèi)的衛(wèi)星上。1998年以前,空間科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星上電推力器的應(yīng)用率約為3%,相應(yīng)的電推進(jìn)裝置有200種左右[1]。如今,約有20%的衛(wèi)星使用電推進(jìn)系統(tǒng),美國(guó)、俄羅斯及歐洲等國(guó)已將電推力器廣泛用于衛(wèi)星和空間飛行器,中國(guó)也已經(jīng)在實(shí)踐9號(hào)衛(wèi)星上成功驗(yàn)證和應(yīng)用霍爾推力器及離子推力器,未來(lái)將發(fā)展更大規(guī)模的電推進(jìn)應(yīng)用平臺(tái)。

通常認(rèn)為,按不同離子加速方式,電推力器主要分為三種:電熱式、靜電式和電磁式。

電熱式推力器主要有電阻加熱推力器和電弧加熱推力器,電阻加熱推力器是利用電能加熱工質(zhì),使其汽化分解,經(jīng)噴管膨脹,加速?lài)姵霎a(chǎn)生推力,工作方式與化學(xué)推進(jìn)基本相同。電弧加熱推力器是靠?jī)蓚€(gè)電極之間加電壓后形成的電弧加熱工質(zhì),經(jīng)擴(kuò)張噴管高速?lài)姵霎a(chǎn)生推力。電熱式推力器的特點(diǎn)是能夠獲得較大推力,但是比沖相對(duì)較低。

靜電式推力器除了傳統(tǒng)的考夫曼離子推力器外,還有微波離子推力器和射頻離子推力器,其主要是利用微波或射頻的能量使易于電離的工質(zhì)電離,形成電子和正離子,正離子在靜電場(chǎng)的作用下加速?lài)姵霎a(chǎn)生推力。由于需要柵極系統(tǒng)提供靜電場(chǎng),因此也可稱(chēng)柵極離子推力器。靜電式推力器的特點(diǎn)是比沖大、推力效率高。

電磁式推力器主要有霍爾推力器和磁等離子體推力器,其主要是利用電能使工質(zhì)形成等離子體,在洛侖茲力的作用下加速?lài)姵霎a(chǎn)生推力。電磁式推力器的特點(diǎn)是離子束集中、推力較大。

柵極離子推力器和霍爾推力器的共同點(diǎn)是都能夠獲得較高比沖[2-3],且為了使噴射到空間中的羽流呈電中性,都必須安裝中和器發(fā)出電子與正離子中和。因此,中和器的穩(wěn)定性、使用壽命及功率損耗成為制約衛(wèi)星總體工作性能的重要因素。另外,中和器占據(jù)推力器結(jié)構(gòu)空間,增大推力器總體質(zhì)量,從而增加發(fā)射成本。因此,人們普遍認(rèn)為中和器是電推力器的一個(gè)軟肋[3-4],同時(shí)也在考慮研制一種基于可以分別加速正離子和負(fù)離子并最終使其中和為中性粒子的無(wú)中和器射頻離子推力器。

1 推力器研究現(xiàn)狀

關(guān)于無(wú)中和器射頻離子推力器的理論研究及相關(guān)試驗(yàn)工作已在國(guó)外開(kāi)展,美國(guó)喬治亞理工學(xué)院設(shè)計(jì)出一種名為馬歇爾離子-離子推力器(Marshall’s Ion-io N Thruster,MINT),以電負(fù)性氣體作為工質(zhì)氣體,交替加速正負(fù)離子產(chǎn)生推力,并通過(guò)試驗(yàn),獲得了理想的結(jié)果[5]。法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心也根據(jù)無(wú)需中和器這一目標(biāo)研究出一種電負(fù)性離子推力器,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電負(fù)性工質(zhì)氣體具有較高的電離度,可以獲得較高的等離子體密度。當(dāng)柵極加速電壓為500 V時(shí),可以達(dá)到與傳統(tǒng)柵極推力器相近的推力及比沖[6]。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了在柵極板上加載正弦偏置電壓能夠從離子-離子等離子體中引出正負(fù)離子[7]。美國(guó)休斯頓大學(xué)研究學(xué)者建立了時(shí)變流體模型用以研究射頻電壓與直流電壓對(duì)離子-離子等離子體動(dòng)力學(xué)特征的影響并發(fā)現(xiàn)其鞘層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的柵極離子推力器相比具有很大不同,但是對(duì)鞘層的空間尺度及預(yù)鞘層是否存在影響尚未進(jìn)行詳細(xì)的研究[8-9]。

電負(fù)性等離子體是一種含有正離子、負(fù)離子及電子的等離子體,其電負(fù)性程度可以通過(guò)負(fù)離子密度與電子密度的比值α衡量,即α= n-/ne。電子溫度與負(fù)離子溫度的比值γ也是描述電負(fù)性等離子體性質(zhì)的重要參數(shù)之一,即γ=Te/T-。由于負(fù)離子比正離子質(zhì)量大,因此電負(fù)性等離子體有很多特征參數(shù)不同于電正性等離子體,比如玻姆速度、鞘層厚度及懸浮電位等[10-11]。

有研究表明,無(wú)中和器射頻離子推力器能量傳輸效率高達(dá)90%,推力可達(dá)20 m N/k W,比沖在30 000 m/s左右。但是,為實(shí)現(xiàn)激發(fā)后產(chǎn)生電負(fù)性等離子體,該射頻離子推力器需要使用電負(fù)性氣體作為工質(zhì)氣體。

2 推力器工作性能及原理

2.1 推力器的推力和比沖

對(duì)于航天推力器,其推力可表示為

式中:vex為離子噴出速度;dm/dt為推力器工質(zhì)總質(zhì)量的變化率,推力大小可以根據(jù)任務(wù)需要控制。

對(duì)式(1)進(jìn)行積分,得

式中:Δv為航天器速度變化增量;m0和mf分別為航天器初始質(zhì)量和最終質(zhì)量。因此,Δm= m0-mf為推力器工質(zhì)質(zhì)量變化量。式(2)為火箭理想速度公式,又稱(chēng)為齊奧爾科夫斯基公式。

比沖可表示為

式中:g0為重力加速度常數(shù)。從式(2)和式(3)中可以看出,比沖影響推進(jìn)工質(zhì)消耗:速度增量相同情況下,比沖越大,推進(jìn)工質(zhì)消耗越少。電推力器具有較高比沖,因此可以使用較少推進(jìn)工質(zhì),節(jié)約發(fā)射成本。

無(wú)中和器射頻離子推力器與傳統(tǒng)的柵極離子推力器推力和比沖產(chǎn)生方式相同。柵極離子推力器主要依靠引出由電離室產(chǎn)生的離子進(jìn)行靜電加速來(lái)工作,通過(guò)在多個(gè)柵極之間施加電偏壓實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的加速,并產(chǎn)生推力。對(duì)于離子束,離子噴出速度vex與離子運(yùn)動(dòng)速度vb相等,離子總質(zhì)量隨時(shí)間的變化率dm/dt可表示為離子流量Γi。

根據(jù)動(dòng)能定理,忽略離子能量損失,則

式中:e為基本電荷,U0為柵極之間的電勢(shì)差,Mi為離子質(zhì)量。于是,推力可表示為

式中:Ai為柵極有效面積,忽略等離子體發(fā)散及能量損失;ns為邊界處等離子體密度;Te為等離子體溫度。當(dāng)推力達(dá)到最大值時(shí),根據(jù)離子電流密度的連續(xù)性方程和能量方程,求解泊松方程可得電極最大電流[12]式中:ε0為真空介電常數(shù);d為柵極板間距離。假設(shè)等離子體密度均勻,當(dāng)?shù)入x子體流達(dá)到最大值時(shí),有Γi=JCL/e,則最大推力

從式(7)中可以看出,柵極離子推力器的最大推力與柵極有效面積、柵極間距離及加速電壓有關(guān),柵極有效面積越大,柵極板間距離越小,加速電壓越大,推力器產(chǎn)生的推力越大。同時(shí),也可以看出離子質(zhì)量對(duì)推力沒(méi)有影響,但會(huì)影響推力器的比沖及工質(zhì)氣體的損耗。

2.2 推力器的工作原理

無(wú)中和器射頻離子推力器是一種根據(jù)電負(fù)性等離子體推進(jìn)(Plasma propulsion with Electronegative GASES,PEGASES)原理探索研究的新型靜電式電推力器,故也稱(chēng)為電負(fù)性氣體等離子體推力器。它的主要特點(diǎn)是基于射頻耦合激勵(lì)的方式,使用電負(fù)性氣體和常規(guī)電推進(jìn)氣體的混合工質(zhì)放電,在推力器放電室內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生正離子、負(fù)離子和電子,通過(guò)徑向磁場(chǎng)的磁障屏蔽效應(yīng)過(guò)濾電子,使得正、負(fù)離子均可到達(dá)柵極加速系統(tǒng)。在柵極系統(tǒng)交變加速電壓的作用下,正離子與負(fù)離子周期性噴出,進(jìn)而產(chǎn)生推力,最后二者復(fù)合為中性粒子,保證羽流宏觀上呈電中性,因此不需要中和器,從而可以大大減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高壽命和穩(wěn)定性,并且可減少帶電離子的回流和對(duì)航天器的濺射作用。圖1所示為推力器工作過(guò)程簡(jiǎn)圖。

圖1 無(wú)中和器射頻離子推力器工作過(guò)程簡(jiǎn)圖Fig.1 Working process of the RIT without neutralizer

無(wú)中和器射頻離子推力器工作過(guò)程主要分為三步:1)等離子體的產(chǎn)生;2)離子-離子的形成;3)正負(fù)離子的加速。

(1)等離子體的產(chǎn)生

等離子體主要是由射頻功率源通過(guò)匹配器將能量耦合給天線(xiàn),天線(xiàn)激發(fā)電離中性工質(zhì)氣體而產(chǎn)生放電,有關(guān)射頻放電理論在此不詳細(xì)闡述[5]。該過(guò)程關(guān)鍵在于射頻功率源的能量能否最大程度地傳遞給中性工質(zhì)氣體,即產(chǎn)生高密度的等離子體。通過(guò)電磁場(chǎng)的作用將能量最終耦合給等離子體主要有3種方式:容性耦合(CCP)、感應(yīng)耦合(ICP)和波耦合。在容性耦合模式中,通過(guò)隨射頻電壓變化而改變的振蕩鞘層使電子獲得能量并激發(fā)放電。在感應(yīng)耦合模式中,通過(guò)射頻天線(xiàn)的電流在等離子體中產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng),電子從電場(chǎng)中獲得能量并激發(fā)放電,電場(chǎng)向等離子體內(nèi)部傳播一段距離直至場(chǎng)強(qiáng)衰減為零,這段距離就是所謂的趨膚深度。在波耦合模式中,外加磁場(chǎng)使電磁波通過(guò)朗道阻尼作用將能量傳給電子,然后激發(fā)放電。

無(wú)中和器射頻離子推力器采用的等離子源是感應(yīng)耦合等離子體源,射頻頻率為4 MHz,射頻功率為200 W,兩個(gè)柵極板放在等離子體出口處,柵極板由不銹鋼制成且厚度為0.8 mm,離子通過(guò)率為60%,柵極孔直徑為2 mm,柵極板間距為2 mm。磁過(guò)濾裝置提供徑向變化范圍為0～0.034 T的磁場(chǎng),天線(xiàn)纏繞在石英放電室外并集成封裝,這樣能夠減少功率損失,增大ICP耦合效率[13-14],圖2為其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。首先使用傳輸線(xiàn)將射頻功率源與匹配器連接,然后能量通過(guò)匹配器傳輸?shù)缴漕l天線(xiàn),射頻天線(xiàn)通過(guò)感應(yīng)耦合作用加熱放電室中等離子體使其溫度不斷升高,直至發(fā)生電離。ICP放電實(shí)際上削弱了CCP放電,從而可以忽略等離子體射頻電勢(shì)能。在這個(gè)系統(tǒng)中,功率效率能夠達(dá)到90%以上,因此可以有效地應(yīng)用于空間推進(jìn)系統(tǒng)。

圖2 無(wú)中和器射頻離子推力器整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure of the RIT without neutralizer

電負(fù)性工質(zhì)氣體轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)離子通常需要兩個(gè)過(guò)程:電離和復(fù)合。中性氣體分子首先被電離為正離子和電子,然后電子與未被電離的中性粒子復(fù)合成負(fù)離子,這個(gè)過(guò)程必須使用電負(fù)性氣體作為工質(zhì)氣體才能實(shí)現(xiàn),且在等離子體內(nèi)部及低逸出功金屬表面均能夠發(fā)生。例如,負(fù)氫離子能夠在金屬銫表面產(chǎn)生[15-16]。

在電負(fù)性氣體試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),負(fù)離子能夠通過(guò)電子的離解俘獲碰撞產(chǎn)生。在這個(gè)過(guò)程中,電子能量過(guò)高而不能直接吸附于中性粒子,因此電子與中性粒子碰撞后會(huì)使其電離,或者通過(guò)自身的振動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)消耗能量,然后與中性粒子復(fù)合形成負(fù)離子。對(duì)于大部分電負(fù)性氣體,高溫電子與中性氣體分子碰撞使其電離為正離子,低溫電子與中性氣體結(jié)合為負(fù)離子。負(fù)離子的密度與電子密度有關(guān),被束縛的電子越多,負(fù)離子密度越高,電負(fù)性程度越大,因此使用磁場(chǎng)過(guò)濾裝置使電子被束縛在放電室中可有效地產(chǎn)生負(fù)離子。

(2)離子-離子的形成

這個(gè)工作過(guò)程的主要目的是將等離子體分成兩個(gè)區(qū)域:1)等離子體中心區(qū)域;2)下游離子-離子等離子體區(qū)域。在等離子體中心區(qū)域,電子溫度很高,熱運(yùn)動(dòng)劇烈,與中性氣體分子碰撞后會(huì)使其有效地電離。在下游離子-離子等離子體區(qū)域,電子密度幾乎可以忽略,等離子體的能量主要指的是離子能量。綜上所述,為了能使這兩個(gè)區(qū)域形成,需要控制等離子體中電子的溫度。通常情況下,在低溫等離子體中,電子溫度Te與電離平衡 (電子產(chǎn)生和消失)、工質(zhì)氣體種類(lèi)及氣體壓強(qiáng)p與離子有效擴(kuò)散特征尺寸L乘積有關(guān)[11]。電子加熱的3種射頻耦合方式如前文所述,放電功率的值對(duì)電子溫度影響較小。在負(fù)離子源中,電子通過(guò)安裝在離子引出孔前邊的磁過(guò)濾裝置 (局部橫向磁場(chǎng))后被冷卻,能量降低而更易與中性粒子結(jié)合。這項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于PEGASES推力器,其中的磁過(guò)濾裝置由磁場(chǎng)方向垂直于放電室軸向的永磁體構(gòu)成,電子的冷卻程度與磁感應(yīng)強(qiáng)度和方向有關(guān)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在磁感應(yīng)強(qiáng)度最大處電子溫度最低[14],同時(shí),在磁感應(yīng)強(qiáng)度最大處附近存在離子-離子等離子體[17],且離子數(shù)密度是電子數(shù)密度的三倍左右。在局部區(qū)域中,離子密度保持很高,這說(shuō)明離子在穿過(guò)磁場(chǎng)過(guò)程中不受磁場(chǎng)影響。RF功率僅為120 W時(shí),離子-離子等離子體區(qū)域中的離子密度就能達(dá)到3×1017m-3。

(3)正負(fù)離子的加速

無(wú)中和器射頻離子推力器屬于柵極離子推力器的一種,其離子加速機(jī)制與傳統(tǒng)的柵極離子推力器相同,但是其不同點(diǎn)在于使用同一個(gè)柵極交替加速正負(fù)離子。為了實(shí)現(xiàn)正負(fù)離子的交替加速,需要在第一個(gè)柵極板上施加正弦偏置電壓,第二個(gè)柵極板接地[18]。為了引出并加速正負(fù)離子,需要使推力器壁面懸浮而非接地,并且兩個(gè)柵極板之間的電場(chǎng)方向在一個(gè)偏置周期內(nèi)改變。柵極系統(tǒng)中,正負(fù)離子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

在任何離子源中,加速柵極的設(shè)計(jì)必須與加速電壓及等離子體參數(shù)(密度和溫度)相匹配,這樣可以獲得性質(zhì)較好的等離子體羽流,即離子束具有較為合適的正負(fù)離子流量和擴(kuò)散角,從而能夠滿(mǎn)足推力要求,其推力可以通過(guò)式(5)表示。對(duì)于單純的離子-離子等離子體,進(jìn)入鞘層的離子具有相同的玻姆速度,即vB=此時(shí)離子溫度可用電子溫度表示。推力器的推力效率為

圖3 正負(fù)離子運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖Fig.3 Motion trajectories of the positive and negative ions

式中:QT為總質(zhì)量流率;Pin為輸入功率。

3 關(guān)鍵技術(shù)

相比于其他柵極離子推力器,無(wú)中和器射頻離子推力器的關(guān)鍵技術(shù)主要在于以下幾個(gè)方面:電負(fù)性工質(zhì)氣體的選擇、徑向磁場(chǎng)過(guò)濾裝置的作用及柵極偏置電壓的加載方式。下面就這幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

3.1 電負(fù)性工質(zhì)氣體的選擇

無(wú)中和器射頻離子推力器最主要的特點(diǎn)在于必須使用電負(fù)性氣體作為工質(zhì)氣體。電負(fù)性氣體是具有極易與自由電子結(jié)合形成負(fù)離子并保持穩(wěn)定狀態(tài)能力的氣體。電負(fù)性氣體是由非金屬元素組成的單質(zhì)或化合物,非金屬性較強(qiáng)。其通常是由鹵族元素組成的單質(zhì)分子氣體,比如氯氣、碘蒸汽,或者含有鹵族元素的化合物分子氣體,比如SF6和CF4。另外,電負(fù)性氣體還包括O2和H2等非鹵族元素氣體。因此,選擇電負(fù)性工質(zhì)氣體時(shí)應(yīng)該首先考慮上述氣體,或者幾種氣體的混合物。然而,在這些電負(fù)性氣體中,I2被看作是最有發(fā)展前景的工質(zhì),這是因?yàn)镮2是一種電負(fù)性極強(qiáng)的物質(zhì),且在衛(wèi)星發(fā)射到太空過(guò)程中極易以固態(tài)形式儲(chǔ)存,很大程度上節(jié)省了推進(jìn)劑所占空間[19]。

分子的電離和復(fù)合率系數(shù)通常受電子溫度的影響,反應(yīng)過(guò)程為[20]

由式(9)、式(10)和式(11)可以看出,中性氣體分子首先與高溫電子發(fā)生電離碰撞產(chǎn)生正離子和電子,低溫電子與未被電離的中性氣體分子結(jié)合成負(fù)離子,此時(shí)在放電室上游同時(shí)存在正、負(fù)離子及電子,為了維持電離-復(fù)合反應(yīng)的不斷進(jìn)行,必須通過(guò)磁場(chǎng)約束電子使其留在放電室中,從而提高負(fù)離子的密度,即增大電負(fù)性程度。

產(chǎn)生電負(fù)性等離子體的關(guān)鍵在于控制電子能量分布,即高溫電子與低溫電子的數(shù)量,從而使發(fā)生電離與復(fù)合的中性氣體分子具有合適的比例。

國(guó)外已有試驗(yàn)表明,在壓強(qiáng)為0.13 Pa、射頻功率為100 W的條件下,采用SF6作為工質(zhì)氣體產(chǎn)生正、負(fù)離子的速率相當(dāng),并具有較高的復(fù)合率[20]。

3.2 徑向磁場(chǎng)過(guò)濾裝置的作用

在傳統(tǒng)推力器內(nèi)部的低溫等離子體中,電子的作用是引發(fā)中性氣體放電及中和噴出的正離子,然而在無(wú)中和器射頻離子推力器中,電子不僅被用于引發(fā)中性氣體放電,而且用于與未被電離的中性粒子復(fù)合為負(fù)離子[21]。在多數(shù)情況下,離子-離子等離子體更適合用于低溫等離子體設(shè)備,離子-離子可以通過(guò)脈沖放電或者磁場(chǎng)過(guò)濾裝置形成[22-23]。在脈沖放電中,余輝里的電子能量較低,可以與中性離子復(fù)合為負(fù)離子。當(dāng)使用磁場(chǎng)過(guò)濾裝置時(shí),負(fù)離子的形成區(qū)域能夠被限定在一定空間范圍內(nèi)。通過(guò)磁場(chǎng)的作用,電子被約束在上游電離區(qū)域,下游只有可與中性粒子復(fù)合的少量低溫電子。

徑向磁場(chǎng)過(guò)濾裝置對(duì)離子-離子的形成具有很大影響,徑向磁場(chǎng)可以由永磁體或電磁鐵提供,其作用主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

1)約束等離子體源中的電子,確保工質(zhì)氣體能夠有效電離并維持放電。

2)減少擴(kuò)散到放電室下游離子-離子區(qū)的電子數(shù)量,使其沿著磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)并最終附著于器壁。

3)降低通過(guò)磁場(chǎng)的電子的溫度,使其更易與氣體分子結(jié)合形成負(fù)離子。

雖然這些理論已經(jīng)建立,但是電子冷卻機(jī)理、場(chǎng)強(qiáng)梯度分布方式等問(wèn)題還沒(méi)有完全分析清楚,因此采用徑向磁場(chǎng)過(guò)濾裝置產(chǎn)生離子-離子等離子體的方法還需深入研究,關(guān)鍵是如何提高加速柵極上游的磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛能力,即阻止電子被加速?lài)姵龅哪芰Α?/p>

3.3 柵極偏置電壓的加載方式

無(wú)中和器射頻離子推力器柵極板上通常加載正弦偏置電壓,電場(chǎng)方向隨時(shí)間交替變化,以使正負(fù)離子能夠分別被加速。但是在一個(gè)周期中,被加速的正負(fù)離子的總量不一定相同,因此需要根據(jù)正負(fù)離子的加速效率,對(duì)二者的加速時(shí)間做出適當(dāng)調(diào)整,以保證噴射出的正負(fù)離子總量相同,進(jìn)而能夠完全復(fù)合為中性粒子,使羽流呈電中性。通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),方向交替變化的方波電壓也能實(shí)現(xiàn)正負(fù)離子加速。通過(guò)粒子網(wǎng)格法(Particle In Cell,PIC)仿真發(fā)現(xiàn),從等離子體源中引出的正負(fù)離子流量比例由電負(fù)性程度決定,負(fù)離子密度遠(yuǎn)高于電子密度[24]。當(dāng)負(fù)離子從等離子體引出時(shí),也能檢測(cè)到同時(shí)被引出的部分電子。在這種情況下,負(fù)電荷加速周期應(yīng)該比相應(yīng)的正電荷加速周期短,以此來(lái)補(bǔ)償電荷密度和電荷流量,電荷的加速周期可以根據(jù)需要做適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。這種周期的不對(duì)稱(chēng)性可以推廣到僅加速正電荷和電子的系統(tǒng)中。對(duì)一個(gè)等離子體加速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),正負(fù)離子的加速電壓大小及周期可以根據(jù)正負(fù)離子溫度的不同作適當(dāng)調(diào)整,以保證加速后的正負(fù)離子電荷量相等,使羽流最終呈電中性。國(guó)外已有研究學(xué)者采用一維PIC方法對(duì)于在柵極板上加載不同波形偏置電壓時(shí)的鞘層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬[25],相同的問(wèn)題也被采用聯(lián)立離子連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及泊松方程求解的方法研究[26],結(jié)果表明鞘層結(jié)構(gòu)與偏置電壓頻率及離子與柵極板碰撞頻率密切相關(guān),離子運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)高于熱運(yùn)動(dòng)的平均速度,因此說(shuō)明當(dāng)偏置電壓模式不同時(shí),形成的鞘層都能對(duì)離子有明顯的作用。

柵極板上加載電壓的頻率范圍應(yīng)考慮下列因素:1)離子-離子等離子體自身回旋頻率和離子通過(guò)柵極板所需時(shí)間;2)單束離子電荷在下游空間產(chǎn)生的電勢(shì)大小。這種分析模型建立在一維基礎(chǔ)上,完全忽略二次電子散射及其他外部的空間電荷中和源,最終推測(cè)出加載電壓頻率應(yīng)該在幾兆赫茲區(qū)域內(nèi)[27]。

另有研究發(fā)現(xiàn),利用射頻自偏壓原理也能實(shí)現(xiàn)柵極加速等離子體。這種方法是根據(jù)離子和電子對(duì)時(shí)變、電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間不同,通過(guò)形成于電極前不斷變化的空間電荷鞘層調(diào)節(jié)電壓,并最終使施加在電極板上的射頻偏置電壓與等離子體相匹配。實(shí)現(xiàn)這種加速方法完全不需要磁場(chǎng)及中和器,僅需要控制等離子體的流動(dòng)參數(shù)。在施加于柵極間的射頻振蕩電場(chǎng)的作用下,離子能夠連續(xù)不斷地被加速,而電子卻周期性地被引出。離子能量由場(chǎng)強(qiáng)的均值決定。電子的加速過(guò)程具有自洽性,因此不能通過(guò)一般方法控制電子能量的空間分布[28]。已經(jīng)證實(shí),擴(kuò)散到下游空間區(qū)域內(nèi)的等離子體流呈電中性。由于這種加速方法的特殊性,邊界條件對(duì)整個(gè)等離子體流都會(huì)產(chǎn)生影響,引起其他粒子輸運(yùn)過(guò)程產(chǎn)生,如等離子體的非雙極擴(kuò)散[29]。射頻自偏壓加速等離子體的關(guān)鍵在于粒子流能否視為非均質(zhì)等離子體,即離子與電子的流量相等,或者視為傳統(tǒng)的等離子體束流,即正離子流被低溫均質(zhì)電子云包圍[30-33]。因此,可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量并比較離子流與電子流在下游射頻自偏壓系統(tǒng)中角分率的大小來(lái)判斷離子與電子流量是否相等。

法國(guó)巴黎綜合理工學(xué)院根據(jù)射頻自偏壓原理設(shè)計(jì)出一種名為“海王星”的柵極加速等離子體系統(tǒng),并在試驗(yàn)中使用馬赫探針測(cè)量等離子體流中離子與電子數(shù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在此系統(tǒng)中電子與離子流量幾乎相等,等離子體流速在10 000～35 000 m/s之間,并隨著射頻電壓的增大而增大,射頻電壓約為375 V,等離子體流中心處的離子流量約為1016s-1·m-2[34],且等離子體流具有很強(qiáng)的方向性,因而能夠準(zhǔn)確判斷出推力器羽流方向[35]。然而,采用馬赫探針?lè)椒y(cè)量粒子流量具有一定誤差,不能準(zhǔn)確說(shuō)明離子數(shù)與電子數(shù)完全相等,因此還需進(jìn)行更深一步地理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的柵極離子推力器相比,無(wú)中和器射頻離子推力器具有很大的發(fā)展空間,其特點(diǎn)在于使用同一個(gè)等離子體源分別加速正負(fù)離子,這樣可以不需要外加中和器就能實(shí)現(xiàn)等離子體羽流最終呈電中性,因此具有優(yōu)越性能。雖然將這種推力器最終應(yīng)用到空間飛行器上還需經(jīng)過(guò)深入的理論研究和試驗(yàn)分析,但是已經(jīng)證實(shí)在磁過(guò)濾裝置的下游存在離子-離子等離子體,且中性粒子電離程度已經(jīng)滿(mǎn)足柵極離子推力器粒子電離程度的要求。離子-離子等離子體源能夠產(chǎn)生足夠高密度的正負(fù)離子,從而無(wú)中和器射頻離子推力器能夠在500 V加速電壓下工作,具有與傳統(tǒng)柵極推力器相近的推力和比沖。

總之,無(wú)中和器射頻離子推力器具有潛在的應(yīng)用前景。其結(jié)構(gòu)組成相對(duì)簡(jiǎn)單,無(wú)需中和器,因此可以避免粒子對(duì)傳統(tǒng)中和器熱陰極材料污染的制約,從而有效將電推力器的應(yīng)用從地球同步軌道拓展至低地球軌道,且具有較好的推力及比沖性能,能夠滿(mǎn)足未來(lái)空間科學(xué)探測(cè)任務(wù)的需求。

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(編輯:車(chē)曉玲)

Research on the principle of RF ion thruster without a neutralizer

XIA Guangqing1,*,XU Zongqi1,WANG Peng1,ZHU Yu2,CHEN Maolin3
1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China 2.Shenzhen Institutes of Advanced Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenzhen 518055,China 3.Science and Technology on Combustion,Internal Flow and Thermo-Structure Laboratory,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China

In the wide application of electric thrusters,most of them accelerate positive ions to generate thrust,and need to install the neutralizer which can emit electrons to neutralize the positive ions.Otherwise it will cause the spacecraft self-charging,and the communication equipment and electronic devices will be damaged.Therefore,the neutralizer performance becomes an important factor restricting the working state of the electric thrusters.In order to overcome the shortcoming,a kind of RF ion thruster without a neutralizer based on accel-erating positive and negative ions alternately was introduced.The structural components and the propulsion principles were described.The generation of ion-ions and accelerating process of positive and negative ions were discussed.The key techniques including electronegative gas discharge characteristics and magnetic field filter the electrons efficiency,as well as the applied bias voltage way for grids in which the positive and negative ions could be accelerated alternately and periodically were pointed.The analysis results indicate this thruster has potential application prospect in the low orbit spacecraft and deep space probes.

electric propulsion;negative ion;RF ion thruster(RIT);electronegative gas; ion-ion thruster;magnetic filter;alternating voltage

V439+.1

:A

10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0004

2015-11-26;

:2015-12-30;錄用日期:2016-01-18;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間:2016-02-24 13:26:25

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160224.1326.003.html

裝備預(yù)研共用技術(shù)基金;中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013M541230);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金[DUT15ZD(G)01]

*通迅作者:夏廣慶(1979-),男,副教授,gq.xia@dlut.edu.cn,主要研究方向?yàn)殡娡七M(jìn)

夏廣慶,徐宗琦,王鵬,等.無(wú)中和器射頻離子推力器原理研究[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2016,36(1):1-8.

XIANG G Q,XU Z Q,WANG P,et al.Research on the principle of RF ion thruster without a neutralizer[J].Chinese Space Science and Technology,2016,36(1):1-8(in Chinese).

http:∥zgkj.cast.cn