李嘉惠, 韓亞杰, 李 永, 夏廣慶*, 劉旭輝, 孫安邦,孫 斌, 韓道滿, 鹿 暢

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. 大連理工大學(xué) 遼寧省空天飛行器前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 大連 116024 3. 北京控制工程研究所, 北京 100094 4. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 西安 710049

0 引 言

衛(wèi)星的姿態(tài)控制、位置保持、阻力補(bǔ)償?shù)热蝿?wù)離不開先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)，發(fā)展具有高比沖、長(zhǎng)壽命、高效率等特點(diǎn)的電推進(jìn)技術(shù)對(duì)我國(guó)航天領(lǐng)域的發(fā)展具有舉足輕重的作用.射頻離子推力器作為電推進(jìn)技術(shù)重要的研究方向之一，具有體積小、壽命長(zhǎng)、比沖高等特點(diǎn).射頻離子推力器的研究最早始于1960年，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括放電室、射頻線圈、離子光學(xué)系統(tǒng)、中和器等.射頻線圈纏繞在放電室的絕緣壁面上，放電室與離子光學(xué)系統(tǒng)相連接.中和器為推力器提供初始的自由電子，在射頻線圈上施加射頻電壓以產(chǎn)生射頻電流，其在放電室內(nèi)產(chǎn)生軸向的交變磁場(chǎng)，軸向磁場(chǎng)又進(jìn)一步感應(yīng)出角向電場(chǎng)，工質(zhì)通過分配器進(jìn)入放電室，在電場(chǎng)的作用下，自由電子激發(fā)電離工質(zhì)產(chǎn)生等離子體.離子光學(xué)系統(tǒng)通常由兩個(gè)或三個(gè)柵極組成，其主要作用為從放電室引出離子、加速離子、防止電子回流[1].離子通過柵極小孔被加速以形成離子束，從而產(chǎn)生推力.在射頻離子推力器的研究進(jìn)程中，工質(zhì)的選擇、中和器陰極、放電室及離子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面都對(duì)推力器的性能具有較大影響.

為了進(jìn)一步減輕推進(jìn)系統(tǒng)的整體質(zhì)量、體積，減少系統(tǒng)復(fù)雜性，一些研究學(xué)者提出了無中和器射頻離子推力器的概念，其中最具代表性的推力器主要包括：電負(fù)性氣體等離子體推力器(離子-離子推力器)和基于自偏壓效應(yīng)的無中和器離子推力器(自中和射頻離子推力器).離子-離子推力器通過使用電負(fù)性氣體等離子體，交替加速正、負(fù)離子，最終使束流呈電中性，而自中和射頻離子推力器則是通過在柵極之間施加射頻電壓，引出電子和離子，以達(dá)到自中和的目的.

圖1 射頻離子推力器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of RF ion thruster

本文首先總結(jié)了傳統(tǒng)射頻離子推力器的研究現(xiàn)狀，分析了其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，然后介紹了無中和器射頻離子推力器：離子-離子推力器、自中和射頻離子推力器的原理和發(fā)展?fàn)顩r，最后給出了射頻離子推力器的發(fā)展方向，從而為射頻離子推力器的下一步發(fā)展提供參考.

1 傳統(tǒng)射頻離子推力器

1.1 研究發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外最先開始研究射頻離子推力器的國(guó)家是德國(guó).1960年，德國(guó)的吉森大學(xué)將射頻離子源應(yīng)用于推進(jìn)技術(shù)中，并于1962年發(fā)表了放電室直徑為8.6 cm實(shí)驗(yàn)裝置的部分性能計(jì)算及結(jié)果.之后吉森大學(xué)開始研制放電室內(nèi)徑為10 cm，擁有三柵極系統(tǒng)的RIT-10，起初所用工質(zhì)為汞，于1983年將工質(zhì)改成氙并在1992年EURECA上進(jìn)行了第一次空間試驗(yàn)[2].2001年，RITA-10成功完成了ARTEMIS衛(wèi)星的救援任務(wù)[3].除RIT-10之外，1968年以來吉森大學(xué)還發(fā)展了RIT-4、RIT-15、RIT-20、RIT-35等射頻離子推力器[4]，其放電室直徑分別為4 cm、15 cm、20 cm和35 cm，推力分別為3.5 mN、45 mN、50 mN、250 mN.2004年，吉森大學(xué)根據(jù)比例定律和RIT-10的性能數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)了RIT-4、RIT-3、RIT-2、RIT-1微牛級(jí)射頻離子推力器的性能[5].為了覆蓋50 μN(yùn)到500 μN(yùn)的推力范圍，吉森大學(xué)又開發(fā)了μN(yùn)RIT-2.5并進(jìn)行了性能測(cè)試[6].近年來，吉森大學(xué)利用RIT-10開展了以碘和氙分別作為工質(zhì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究[7].

英國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家也開展了射頻離子推力器的研究.針對(duì)阻力補(bǔ)償、編隊(duì)飛行等復(fù)雜空間任務(wù)，英國(guó)南安普頓大學(xué)研制了微型差分式射頻離子推力器(MiDGIT)，MiDGIT具有兩種控制方式：其一是高比沖、較高推力水平工作模式，初步證明可獲得推力范圍為200 μN(yùn)～780 μN(yùn)，比沖為400～1 100 s；另一種是較低推力水平工作模式，此時(shí)可獲推力范圍為1～125 μN(yùn)，推力分辨率可達(dá)4 μN(yùn)，但比沖很低，僅有5～220 s[8].2010年，俄羅斯莫斯科航空學(xué)院(MAI)成立了射頻離子推力器實(shí)驗(yàn)室，2013年MAI開始研究低功率(300W)的射頻離子推力器，推力和比沖分別可達(dá)8 mN和3 500 s[9].美國(guó)Busek公司主要面向立方星的應(yīng)用熱點(diǎn)，致力于低功率射頻離子推力器的研究.2015年，Busek公司公布了首個(gè)BIT-3原型機(jī)的研制結(jié)果，BIT-3是世界上第一個(gè)使用碘工質(zhì)的射頻離子推力器[13].碘工質(zhì)BIT-3推力范圍為0.66～1.24 mN，比沖可達(dá)2 640 s，NASA的兩個(gè)6U立方星任務(wù)：Lunar IceCube和LunaH-Map計(jì)劃使用該推力器抵達(dá)目標(biāo)軌道[11].為了降低激光干涉空間天線(LISA)任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)，Busek設(shè)計(jì)了一款1cm級(jí)的微射頻離子推力器BIT-1，其可在30～150 μN(yùn)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.1 μN(yùn)級(jí)的推力分辨率并且應(yīng)用了一種新型的等離子體點(diǎn)火器[12].針對(duì)微納衛(wèi)星對(duì)推力裝置小型化的需求，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)研制了MRIT[13]，放電室采用圓錐形且以氬氣為工質(zhì)時(shí)，可獲得的推力范圍為1.45 μN(yùn)～59.0 μN(yùn)，比沖可達(dá)5 480 s[14].法國(guó)ThrustMe公司研制了NPT30，該推力器有兩種尺寸類型，分別為1 U和1.5 U，可使用氙和碘作為工質(zhì)[15].

國(guó)內(nèi)對(duì)射頻離子推力器的研究起步較晚，主要研究單位有中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所、西安航天動(dòng)力研究所、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所等.基于空間引力波探測(cè)計(jì)劃—“空間太極計(jì)劃”對(duì)微牛級(jí)推進(jìn)裝置的需求，中科院力學(xué)所賀建武、康琦等研制了微射頻離子推力器μRIT-1并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化[16].2019年8月31日，中科院發(fā)射了微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“太極一號(hào)”，首次實(shí)現(xiàn)了微牛級(jí)射頻離子推進(jìn)技術(shù)的在軌驗(yàn)證，邁出了我國(guó)空間引力波探測(cè)的第一步.針對(duì)未來地球場(chǎng)測(cè)量任務(wù)和空間引力波探測(cè)任務(wù)的阻力補(bǔ)償和姿態(tài)控制，中科院力學(xué)所賀建武、康琦等設(shè)計(jì)了三種射頻離子微推力器型號(hào)：μRIT-2、μRIT-2.5、μRIT-4并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[17].目前，μRIT-2.5已進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，推力可達(dá)500 ～1 200 μN(yùn)，在1 200 μN(yùn)推力情況下，比沖大于2 000 s[18].針對(duì)250～350 km軌道高度的空間任務(wù)，中科院力學(xué)所賀建武、康琦等研制了RIT-5，推力范圍為0.6～5.6 mN[19].蘭州空間技術(shù)物理研究所研制了LRIT-40，采用了流體模型和PIC-MCC模型對(duì)其進(jìn)行仿真并開展了性能調(diào)節(jié)試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性[20].此外還對(duì)11 cm的射頻離子推力器進(jìn)行了熱特性仿真[21]，開展了多種工質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究[22].西安航天動(dòng)力研究所對(duì)放電室內(nèi)徑為25 mm，推力達(dá)1 mN的射頻離子推力器建立了數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)模型研制了樣機(jī)并成功點(diǎn)火[23].中科院微電子研究所研制了全固態(tài)射頻離子微推力器IRIT4，所用工質(zhì)為碘，推力范圍為0.88～3.13 mN，比沖可達(dá)3 190 s[24].

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)工質(zhì)的選擇

在對(duì)工質(zhì)進(jìn)行選擇時(shí)，需考慮推力器性能、成本、地面試驗(yàn)的條件、工質(zhì)與航天器的兼容性等問題.起初，射頻離子推力器使用的工質(zhì)為汞(如吉森大學(xué)最初研制的RIT-10)，從表1可以看出，汞的相對(duì)原子質(zhì)量很高而且電離能較低，但是汞的毒性非常大，后來人們將目光投向惰性氣體，由于氙具有相對(duì)較高的原子質(zhì)量、相對(duì)較低的電離能、不活躍的化學(xué)反應(yīng)性和優(yōu)異的放電性能等優(yōu)點(diǎn)，被當(dāng)作工質(zhì)的首選.然而氙是稀有元素，在自然界的儲(chǔ)備量很低，而且，氙還有照明、醫(yī)學(xué)麻醉等其他用途，這使得氙的價(jià)格十分昂貴并將在未來幾年持續(xù)上升，所以選取價(jià)格低廉且仍能滿足推力器性能需求的工質(zhì)很有必要.

表1 各工質(zhì)的性質(zhì)比較Tab.1 Comparison of the properties of various propellants

首先考慮其他稀有氣體作為工質(zhì)，如氬和氪，其成本均低于氙.然而由表1可知，與氙相比，其原子質(zhì)量較低，電離能較高，若選擇氬和氪作為工質(zhì)，推力器的性能將會(huì)受到影響.其次再考慮選擇金屬作為工質(zhì)，例如鉍、鎘和銫等，這三種金屬都有較高的原子質(zhì)量和較低的電離能，推力器性能可以達(dá)到要求.然而它們也有很多缺點(diǎn)，比如金屬的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)普遍高，這會(huì)增加推力器供應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性；此外，金屬若沉積在航天器上很可能造成短路，引起推力器的故障；早在2000年，國(guó)外就開始探究碘作為工質(zhì)的可行性.近年來，碘工質(zhì)射頻離子推力器迅速發(fā)展.雖然碘是以分子形式儲(chǔ)存，但其解離能僅為1.54 eV，而且碘的原子質(zhì)量與氙接近，電離能也較低，可以保證推力器的性能.與氙相比，碘在自然界中儲(chǔ)量豐富，提純技術(shù)也較為簡(jiǎn)單，所以價(jià)格低廉.碘的貯存密度約為氙的三倍，而且在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和常溫條件下碘為固體，儲(chǔ)存壓力是氙的千分之一，更有利于推力器尺寸的縮減.碘作為工質(zhì)同樣也有很多缺點(diǎn)：如碘具有較強(qiáng)的化學(xué)活性、在低溫下易凝結(jié)、具有毒性等，但這些問題隨著研究的深入基本獲得解決.美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，C12A7作為陰極材料與碘工質(zhì)有較好的相容性[25]，Busek公司對(duì)碘工質(zhì)在航天器上的沉積、對(duì)鐵和鎳的影響等問題進(jìn)行了研究[26].

(2)放電室設(shè)計(jì)

放電室設(shè)計(jì)主要包括放電室形狀設(shè)計(jì)以及材料選擇.最初射頻離子推力器放電室使用石英玻璃作為材料，形狀采用圓柱形.隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷也可作為放電室材料，并且它具有更好的機(jī)械性能，可以滿足靈活的放電室設(shè)計(jì)[27].吉森大學(xué)針對(duì)RIT-15LP最早開展了射頻離子推力器放電室形狀的研究，放電室形狀從圓柱形發(fā)展到半球形，在不降低電離率的情況下，減少了壁復(fù)合的面積.研究發(fā)現(xiàn)采用半球形放電室會(huì)使離子產(chǎn)生成本降低23%，而且只有在低束流的情況下，放電室形狀的影響才會(huì)較低[28].吉森大學(xué)研制RIT XT時(shí)采用了圓錐形放電室，該形狀有利于降低離子產(chǎn)生成本、提高工質(zhì)利用率，此外，圓錐形放電室具有更好的機(jī)械性能，同時(shí)減少了推力器的質(zhì)量[29].

(3)離子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

離子光學(xué)系統(tǒng)(也稱為柵極系統(tǒng))極大地影響著推力器的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需考慮推力器的推力和比沖等性能要求、尺寸大小、壽命、可靠性等諸多因素.柵極將放電室產(chǎn)生的離子引出、加速、聚焦，但在整個(gè)過程中，無法保證所有離子都順利通過柵極小孔，換言之，有一部分離子加速轟擊柵極，這會(huì)造成柵極腐蝕.為了減輕這種腐蝕，在加速柵極上游置有屏柵極，這就是雙柵極系統(tǒng).有的射頻離子推力器包含三個(gè)柵極，即在加速柵極下游置有一個(gè)柵極，稱“減速柵極”.減速柵極的主要作用是防止加速柵極被回流離子轟擊.雖然三柵極系統(tǒng)比雙柵極系統(tǒng)的壽命更長(zhǎng)，但增加了整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)復(fù)雜性.值得一提的是除了雙柵極和三柵極系統(tǒng)外，還有雙級(jí)四柵極系統(tǒng)[30]，旨在改善推力器的比沖、推力密度等性能.

(4)中和器陰極

中和器陰極主要作用是用來發(fā)射電子以保持羽流的準(zhǔn)中性，傳統(tǒng)中和器陰極由一個(gè)空心的陰極管組成，其下游端有一個(gè)帶孔的陰極頂板，在陰極管內(nèi)部有發(fā)射體，發(fā)射體一端靠在陰極頂板上，陰極管被加熱器包裹，觸持極放置在距陰極頂板一段距離處，如圖2[32]所示.

圖2 傳統(tǒng)中和器陰極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of traditional neutralizer structure

除了傳統(tǒng)的中和器陰極外，還有無發(fā)射體的中和器，如射頻中和器、微波放電中和器等.Busek公司研制的BRFC-1就是射頻中和器，如圖3所示.其結(jié)構(gòu)與BIT-1類似，采用雙柵極設(shè)計(jì)，其中加速柵極起到了觸持極的作用.BIT-1使用的是碳納米管場(chǎng)發(fā)射陰極，具有體積小、重量輕、無需工質(zhì)、不用預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn)[12].

圖3 BRFC-1射頻中和器(左)和碳納米管場(chǎng)發(fā)射陰極(右)Fig.3 BRFC-1 RF neutralizer (left) and carbon nanotube field emission cathode (right)

2 無中和器射頻離子推力器

在傳統(tǒng)射頻離子推進(jìn)技術(shù)中，中和器陰極至關(guān)重要.經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，中和器陰極技術(shù)如今已非常成熟，但中和器不僅需要額外的電源，有些甚至需要單獨(dú)的貯供系統(tǒng)，這些因素大大增加了推進(jìn)系統(tǒng)的整體質(zhì)量、體積、系統(tǒng)復(fù)雜性以及低成本化的難度.此外，其還會(huì)增加推進(jìn)系統(tǒng)的操作風(fēng)險(xiǎn)，若中和器發(fā)生故障，推力器可能無法正常工作.例如，日本航空宇航局(JAXA)的隼鳥號(hào)在2007～2010年從近地小行星返回時(shí)曾遭遇該問題.

針對(duì)上述問題，有研究人員提出了無中和器射頻離子推力器，目前最具代表性的推力器主要包括巴黎綜合理工大學(xué)的Chabert教授于2007年提出的電負(fù)性氣體等離子體推力器，即離子-離子推力器，以及法國(guó)學(xué)者Aanesland和Rafalskyi博士于2014年提出的基于射頻自偏壓效應(yīng)的無中和器離子推力器，即自中和射頻離子推力器.無中和器射頻離子推力器的發(fā)展有利于整個(gè)推進(jìn)裝置進(jìn)一步小型化，文章將在本節(jié)詳細(xì)敘述無中和器射頻離子推力器的原理及研究進(jìn)展.

2.1 離子-離子推力器

2007年，巴黎綜合理工大學(xué)的Chabert教授基于電負(fù)性氣體提出了電負(fù)性氣體等離子體推力器，并命名為PEGASES (plasma propulsion with electronegative gases)[33-34]，后通常稱為離子-離子推力器.離子-離子推力器的工作可以分為3個(gè)部分：1)電負(fù)性工質(zhì)離子化；2)正、負(fù)離子等離子體的形成；3)正、負(fù)離子加速.如圖4所示，首先，通過射頻耦合的方式傳遞能量，使工質(zhì)離子化，在放電室內(nèi)產(chǎn)生電負(fù)性等離子體，其中除了中性粒子外，僅包含正、負(fù)離子及少量電子，通過磁過濾裝置過濾掉電子，使得正、負(fù)離子在離子光學(xué)系統(tǒng)的作用下加速、周期性噴出，產(chǎn)生推力，最后，正、負(fù)離子復(fù)合使羽流呈電中性.

圖4 離子-離子推力器工作原理圖Fig.4 The PEGASES concept

Chabert研究組根據(jù)這一概念設(shè)計(jì)了相應(yīng)的原理測(cè)試系統(tǒng)，其中第一代系統(tǒng)PEGASES I中等離子體主要通過感應(yīng)耦合的方式在一個(gè)圓柱形放電腔體內(nèi)產(chǎn)生，腔體長(zhǎng)度為20 cm，直徑為4 cm，輸入功率為50 W～2 kW，頻率為13.56 MHz，主要采用氬氣(非電負(fù)性氣體)作為工質(zhì)驗(yàn)證了其質(zhì)量效能并校準(zhǔn)其診斷設(shè)備，當(dāng)時(shí)尚沒有安裝下游柵極加速系統(tǒng)[34].

2013年，美國(guó)喬治華盛頓大學(xué)提供了電負(fù)性氣體等離子體推力器加速的相關(guān)數(shù)據(jù)：在等離子體中使用10 kHz的電壓對(duì)正、負(fù)離子進(jìn)行交替加速，得到了相關(guān)的等離子體數(shù)密度與離子電流并預(yù)計(jì)其能夠與商業(yè)化推力器相媲美，該推力器推力大約為17 mN·kW-1·kV-1[35].

2014年法國(guó)巴黎綜合理工大學(xué)對(duì)早先提出的原理樣機(jī)開展了進(jìn)一步改進(jìn)并給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[36].第二代測(cè)試系統(tǒng)PEGASES II同樣采用感應(yīng)耦合的方式產(chǎn)生等離子體，激勵(lì)頻率為4 MHz，但腔體改為矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為12 cm×10 cm×8 cm，并在下游安裝了完整的柵極系統(tǒng)，采用SF6作為工質(zhì)氣體.在實(shí)驗(yàn)中通過控制和減小各種不理想的影響，獲得了較好的離子-離子等離子體，并在±350 V的加速電壓范圍內(nèi)和射頻功率為100 W以及無優(yōu)化的提取系統(tǒng)中測(cè)量得到正離子和負(fù)離子電流大約為10 mA.研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)于施加在加速電壓上的正、負(fù)離子能量峰值在某些區(qū)域和對(duì)稱位置結(jié)果相似.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)原理三維結(jié)構(gòu)如圖5所示[37].

圖5 PEGASES II三維結(jié)構(gòu)圖Fig.5 PEGASES II three-dimensional structure diagram

2015年，AANESLAND等[35]對(duì)PEGASES的性能進(jìn)行了深入測(cè)試，結(jié)果表明，在200 W的射頻輸入功率條件下，柵極附近的電流密度為1 mA/cm2，粒子密度為2×1017m-3，根據(jù)柵極的尺寸預(yù)測(cè)推力可達(dá)5.5 mN.實(shí)驗(yàn)表明，可以30 kHz的加速周期將其加速到±400 V，并順利從推力器中交替引出正負(fù)離子.但PEGASES II的推力與推進(jìn)效率較傳統(tǒng)柵極離子推力器還有一定差距.而且PEGASES結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其小型化也較為困難.2016年OUDINI等對(duì)交替提取和加速產(chǎn)生的正負(fù)離子束流開展仿真研究.結(jié)果表明，屏柵偏置應(yīng)在較低的MHz范圍內(nèi)(通常為1 MHz).此外，偏壓方波的上升時(shí)間應(yīng)大于通過屏柵前部形成鞘層的離子傳輸時(shí)間(通常為0.1 μs)，以避免等離子電勢(shì)強(qiáng)烈振蕩.在接近系統(tǒng)上限頻率的偏置頻率下進(jìn)行交替加速可以實(shí)現(xiàn)高離子噴出速度，類似于傳統(tǒng)柵極離子推力器，并且束發(fā)散角較低[38].但是，當(dāng)前的屏柵電源可能無法達(dá)到該性能水平，其制造是一項(xiàng)技術(shù)難題.此外，使用這種高頻率(即接近離子通過柵極系統(tǒng)的時(shí)間)來偏置柵極會(huì)降低電流密度和提取離子的能量[39]，從而限制了推力范圍.

2017年MAZOUFFRE等針對(duì)推力器放電腔室內(nèi)用于約束電子的磁過濾裝置開展了研究，發(fā)現(xiàn)推力器腔室內(nèi)的等離子體分布存在明顯的不對(duì)稱性，并采用類似于霍爾推力器的磁性裝置，提出一種新型的環(huán)形離子-離子推力器(annular ion-ion plasma engine，AIPE)[40].該設(shè)計(jì)消除了不對(duì)稱性，因此潛在地提高了性能.與原始概念的主要區(qū)別在于，磁過濾裝置的幾何形狀是帶有內(nèi)磁極和外磁極的環(huán)形，而在僅帶有外磁極的PEGASES中是矩形結(jié)構(gòu).

國(guó)內(nèi)對(duì)離子-離子推力器的研究正處于起步階段，大連理工大學(xué)夏廣慶等總結(jié)了離子-離子推力器的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[41-42].

2.2 自中和射頻離子推力器

在文獻(xiàn)[43]中首次提出使用射頻代替直流偏壓來使柵極引出的束流離子自中和.在該系統(tǒng)中，一個(gè)柵極置于放電室最外端，另一個(gè)柵極浸入等離子體內(nèi)部，或沿某一個(gè)放電室壁面放置.在兩個(gè)柵極之間施加射頻電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高壓射頻等離子體鞘層(位于外端柵極前面)，充當(dāng)虛擬電極.若射頻頻率合適，該射頻鞘層允許從等離子體源中引出電子和離子.然而，這種設(shè)計(jì)相當(dāng)于只使用了一個(gè)柵極，離子不能被較好的聚焦，而且當(dāng)電壓高于100V時(shí)，會(huì)發(fā)生顯著的柵極腐蝕.

2014至2015年，RAFALSKYI和AANESLAND提出一種改進(jìn)的射頻自偏壓方案，該方案將浸入等離子體的柵極替換成第二個(gè)柵極[44].此時(shí)，等離子體源本身與傳統(tǒng)的直流偏壓系統(tǒng)基本相同，并且離子聚焦得到了顯著改善.圖6所示為射頻偏置柵極等離子體源的示意圖.

隨后，RAFALSKYI和AANESLAND研制了自中和射頻離子推力器樣機(jī)Neptune[45]，如圖7所示.Neptune整體為8 cm×12 cm×12 cm長(zhǎng)方體，射頻放電電源頻率為4 MHz、功率約200 W，柵極系統(tǒng)為由屏柵和加速柵構(gòu)成的雙柵極系統(tǒng).柵極尺寸為65 mm×105 mm，透明度60%，孔徑2.5 mm.該柵極系統(tǒng)同樣使用射頻電源，射頻電壓在0～600 V之間.屏柵極與放電室內(nèi)的等離子體直接接觸，通過隔直電容與射頻電源相連，加速柵極接地.

圖6 自中和射頻離子推力器Fig.6 Self-neutralizing RF ion thruster designed

圖7 Neptune推力器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及放電Fig.7 Neptune thruster experimental platform structure diagram and discharge diagram

AANESLAND和RAFALSKYI等以氬氣和氮?dú)鉃楣べ|(zhì)開展了自中和射頻離子推力器的實(shí)驗(yàn)研究[46].研究取得巨大成功，所有實(shí)驗(yàn)工況下上述雙柵極系統(tǒng)均產(chǎn)生了射頻自偏壓.同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于射頻自偏壓的離子加速效果(比沖、效率、推力等)與傳統(tǒng)直流偏壓加速效果基本一致.而且，離子能量測(cè)量結(jié)果顯示，通過這種自中和加速方式產(chǎn)生的束流能量分布函數(shù)更寬，羽流的懸浮電位較之前更低，因此可以認(rèn)為自中和方式的中和效率更高.

2017年，AANESLAND和RAFALSKYI在國(guó)際電推進(jìn)會(huì)議(IEPC)上報(bào)道了其研制的自中和射頻離子推力器性能[47-48].實(shí)驗(yàn)中分別使用氙氣和碘作為工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表2所示.

對(duì)比表2所示的傳統(tǒng)射頻離子推進(jìn)技術(shù)可以看出，在相同功率下，ThrustMe研制的自中和射頻離子推力器性能與傳統(tǒng)射頻離子推力器性能基本一致，展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力.由于技術(shù)先進(jìn)性，此后該技術(shù)被ThrustMe公司高度保密，無相關(guān)具體技術(shù)資料.

表2 自中和射頻離子推力器性能Tab.2 Self-neutralizing RF ion thruster performance

3 射頻離子推力器發(fā)展方向展望

3.1 傳統(tǒng)射頻離子推力器

經(jīng)過幾十年發(fā)展，傳統(tǒng)射頻離子推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)較為成熟.對(duì)于傳統(tǒng)射頻離子推力器來講，工質(zhì)的選擇、放電室、離子光學(xué)系統(tǒng)及中和器陰極的設(shè)計(jì)等均對(duì)推力器的性能具有很大影響.

依據(jù)國(guó)內(nèi)外調(diào)研，傳統(tǒng)射頻離子推力器主要向小型化的方向發(fā)展.小型化的關(guān)鍵在于高比沖、推力在μN(yùn)至mN內(nèi)連續(xù)可調(diào)、極低的推力分辨率和快速的響應(yīng)速度等.射頻離子推力器由于沒有永磁體和空心陰極，所以易于小型化.目前，射頻離子推力器的小型化正處于迅速發(fā)展階段，但同時(shí)也存在諸多挑戰(zhàn)，例如PPU的小型化、流量控制、點(diǎn)火問題、高精度極小推力測(cè)試技術(shù)[18]等.目前，以碘為工質(zhì)是射頻離子推力器小型化發(fā)展中的主要趨勢(shì).

3.2 無中和器射頻離子推力器

與傳統(tǒng)射頻離子推力器相比，無中和器射頻離子推力器具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)無需中和器，減小了推力器的體積和質(zhì)量；

(2)推進(jìn)系統(tǒng)的壽命不再受中和器的限制，得到了一定程度的提升；

(3)降低電能消耗，提升了整體系統(tǒng)集成性和可靠性；

(4)降低推力器成本.

雖然無中和器射頻離子推力器具有一些優(yōu)勢(shì)，但在其研究過程中仍面臨許多挑戰(zhàn).其中，離子-離子推力器未來待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題包括：

(1)電負(fù)性工質(zhì)選擇：與傳統(tǒng)射頻離子推力器不同，離子-離子推力器的工質(zhì)必須選用電負(fù)性氣體，比如SF6、I2、O2、H2、CF4等.其中，I2的電負(fù)性極強(qiáng)，是目前發(fā)展前景最為廣闊的一種工質(zhì).在工質(zhì)的選擇過程中要綜合考慮推力器性能和中和效果.

(2)磁過濾裝置優(yōu)化：磁過濾裝置的作用是控制等離子體中的電子分布，通過該裝置使電子盡量處于電離區(qū)域的上游，下游僅存在少量低溫電子(這些低溫電子可與中性粒子結(jié)合形成負(fù)離子)，那么如何能最大限度的實(shí)現(xiàn)電子的約束還有待深入研究.

(3)柵極電壓研究：離子-離子推力器中柵極電壓的大小和周期需要考慮加速過程中正、負(fù)離子的加速效率及加速時(shí)間.因此，如何選擇合適的柵極電壓、調(diào)整離子加速時(shí)間，以保證良好的中和效果是研究重點(diǎn).

自中和射頻離子推力器未來待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題包括：

(1)束流自中和機(jī)理研究：自中和射頻離子推力器基于束流自中和機(jī)理工作，而目前有關(guān)束流自中和機(jī)理的研究局限于ThrustMe公司，其他可參考的資料十分有限，因此，急需開展深入的研究分析.

(2)柵極系統(tǒng)設(shè)計(jì)：柵極系統(tǒng)是射頻離子推力器的關(guān)鍵部件，雖然在傳統(tǒng)射頻離子推力器中，對(duì)柵極系統(tǒng)的研究已較為成熟，但對(duì)于自中和射頻離子推力器，柵極的厚度、孔徑及孔間距等參數(shù)還需要進(jìn)一步研究.

(3)射頻放電與加速相互耦合：在自中和射頻離子推力器中，需要射頻放電和加速相互耦合，在整個(gè)放電過程中，參數(shù)如何進(jìn)行匹配、射頻電源功率如何分配等問題還需要進(jìn)一步研究.

4 結(jié)束語

射頻離子推力器是電推進(jìn)技術(shù)的重要研究方向之一.本文對(duì)傳統(tǒng)射頻離子推力器及無中和器射頻離子推力器的原理和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，分析了傳統(tǒng)射頻離子推力器的關(guān)鍵所在，對(duì)射頻離子推力器的下一步發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為更高性能射頻離子推力器的研發(fā)提供參考.