期刊在线 | 多级会切磁场等离子体推力器研究进展

来源：中国科协航空发动机产学联合体

1多级会切磁场等离子体推力器的概念多级会切磁场等离子体推力器是一种基于强磁镜效应的电推进装置。这一概念最早由德国泰雷兹航空航天电子业务公司TEDG提出，并于1998年申请了关于“High Efficiency Multi-Stage Plasma Thruster”的多项发明专利[1,2,3,4],为描述方便，后文简称为多级会切场推力器。多级会切场推力器的设计灵感源于行波管的多级会切磁场结构。在行波管中，利用周期性会切磁场能够约束电子与微波场的作用范围，降低其发散和损耗，进而实现对微波信号的放大[1]。Kornfeld等在对行波管的研究中产生了将这种磁场位型应用于等离子体推力器的最初设想：利用多级会切磁场约束推力器放电通道内的等离子体，从而降低等离子体对壁面的腐蚀程度，达到延长推力器寿命的目的[4,5,6]。多级会切场推力器的放电通道一般为圆柱形，如图1所示。在通道外同轴布置极性相反的多级永磁铁；通道上游安装阳极并与直流电源正极连接；在羽流区布置空心阴极并与直流电源负极连接。推力器点火后，由空心阴极发射的电子一部分用于中和羽流区的离子，另一部分在电场力的作用下返回放电通道。在多级会切磁场的作用下，通道内的电子沿磁力线做螺旋线运动。在磁镜力和电场力的共同作用下，被磁场约束的电子在两个相邻磁尖端之间高速往复运动，并与通道内的工质原子发生碰撞电离[1]。一方面，电子在会切磁场中经过跨场传导过程到达阳极，形成放电回路[2]。另一方面，电离产生的离子会在出口加速电场的作用下加速喷出，形成反作用推力[2,3]，如图2所示。Fig. 1 Structure of traveling wave tube[2]Fig. 2 Schematic diagram of multi-cusped field thruster[7]2多级会切场体推力器的性能优势在多级会切磁场的约束下，推力器表现出长寿命、多工作模式、推力密度高、推力调节范围广等诸多性能优势。2.1 长寿命多级会切场推力器采用永磁铁代替励磁线圈，其形成的会切磁场强度达到0.3T，比通常霍尔推力器的典型磁场强度高1个数量级。高效磁场约束的特点不仅能够保证推力器工作的稳定性，尖端处强磁镜力的作用可以大幅降低等离子体对壁面的溅射侵蚀，保证其具备长寿命优势[5,8,9]。2011年，TEDG经过4000多小时寿命测试结果表明，HEMP-T 3050在长时间内能够保持良好的工作稳定性，预计使用寿命可达数万小时。2.2 多工作模式多级会切场推力器磁场的复杂性使其工质的电离以及离子的加速过程表现出高度的复杂性。前期的研究结果表明，多级会切磁场轴向分布的周期性以及径向分布的差异性，会使推力器在工作过程中存在多个电离区和多条离子加速通道，表现为多模式工作的特点[10,11]。通过调节推力器工作的特征参数（阳极电压、工作流量、磁场分布），可以实现对推力器多个模式的控制和变换。例如，在高电压的小电流模式下，推力器具有高比冲的性能优势，工作特性类似于离子推力器，未来可满足卫星位置保持、姿态控制、阻力补偿的发展需求；在低电压的大电流模式下，推力器具有大推力的性能优势，工作特性类似于霍尔推力器，在卫星轨道转移、深空探测、星际航行等领域具有良好的发展优势[12,13,14]。因此，多级会切场推力器的多模式特点可以使其能够满足不同的任务需求。2.3 推力密度高多级会切场推力器输出推力的密度很高，典型值可达16.9mN/cm2，比同尺寸的离子推力器高100倍，比霍尔推力器高5倍[15]。多级会切场推力器依靠强磁场对于电子的磁约束过程建立电离区，电离区等离子态的离子在加速电场的作用下喷出通道并产生反作用推力。其工作原理与霍尔推力器相类似，属于等离子体电推力器的范畴[3]。因而不存在空间电荷饱和的限制，较离子推力器具有更高的推力密度。其次，多级会切场推力器采用圆柱形放电通道，不存在霍尔推力器内磁极结构的空间限制，表现出更高的推力密度。2.4 推力调节范围大多级会切场推力器具有推力大范围连续可调节的性能优势。Guenter Kornfeld等已经证实，多级会切场推力器具有大范围连续调节的性能优势，推力和功率的调节范围跨越三个数量级200μN（5W，1000s）~150mN（6kW，4000s）[15]。这种超大范围的连续调节能力是目前其它同尺寸电推力器难以达到的。此类推力器具备的这一性能优势源于以下几方面因素：第一，多级会切场推力器所特有的会切磁场结构使其电离区和加速区在空间相互分离，二者之间的弱耦合性使得推力器能够在大的电压调节范围内稳定工作，使其具有很大的电压调节范围[10]；第二，电离区分布的收缩性使其具有很宽的阳极流量调节范围[16]；第三，多个电离区和多个离子加速路径使推力器具备多工况连续变换的能力，保证推力器在推力调节过程中工作的稳定性[11]。因此，多级会切场推力器具备的推力大范围连续调节能力由其固有的结构特点所决定。这一特点使其具备单台推力器完成多工作任务的技术优势，发展多级会切场推进技术对于降低推进系统质量、简化推进系统复杂度、提升推进系统可靠性等方面具有重要意义。3多级会切场推力器的发展历程多级会切场推力器诸多的性能优势使其一经提出就受到了广泛的关注，其发展成果受到各研究机构的高度重视。欧美等国均已经陆续开展相关研究。目前，欧空局已经将其列入下一阶段优先发展的推力器。以下分别对各研究单位多级会切场推力器的发展状况进行介绍。3.1 德国多级会切场推力器的发展现状德国多级会切场推力器的研究以TEDG为代表，主要研制两种型号的推力器：HEMP-T 3050和HEMP-T 30250。HEMP-T 3050的额定功率为1500W，推力50mN，而HEMP-T 30250的额定功率为7kW，推力250mN[8]。在2007年以前，TEDG在原型机的基础上开展了HEMP-T 3050型多级会切场推力器的大量试验和性能优化工作。该型号推力器历经了10代样机的迭代设计，每一代样机均设置多套试验对照，从中总结推力器结构、磁路、散热以及阴极设计的关键技术。经过不断的技术进步，HEMP-T 3050推力器的各项性能都得到大幅提升，主要性能参数见表1。2000年到2007年，HEMP-T 3050推力器的发展可分为以下三个标志性阶段：Table 1 Performance test results of HEMP-T 3050第一阶段中，DM3及其以前推力器的性能普遍较低。从2003年法国国家航天航空研究院性能测试结果证实，样机普遍存在通道结构不合理造成的过热问题，工作电压不超过600V，羽流发散角很大[1]，如图3所示。Fig. 3 HEMP-T 3050 DM3a[1]第二阶段推力器以通道结构设计为重点，DM6推力器的通道直径扩大为20mm，其性能较DM3得到显著提升，最高阳极电压达到1200V。2004年，DM7推力器采用了变截面通道来降低等离子在壁面的损耗，如图4所示。其性能再次得到显著提升，最高阳极效率达到44%，最高比冲达到3000s。DM9推力器通道上游内径优化为22.5mm，同时将下游内径扩展为45mm。经过该阶段的优化后，推力器的额定推力达到50mN，总效率达到45%。Fig. 4 HEMP-T 3050 DM7[15]第三阶段的推力器样机以DM10的发展为标志，主要完成了推力器磁路结构的优化：DM10推力器调整了各尖端磁镜比，推力器的效率提升至50%，其关键优化参数见表2所示[8]。ζ代表各尖端处的径向磁场与其下游轴向磁场的比值。AC，MC和EC分别代表推力器的阳极尖端、主尖端和末级尖端。可以看出，经过DM10推力器的优化后，推力器各尖端的ζ值大幅提升，推力器的通道直径增大。同时，推力器的磁偶极矩D以及距离轴线25cm位置处的磁场强度均大幅降低。Table 2 Key design parameters of HEMP-T 3050 DM10 and DM9-1HEMP-T 3050经过上述三个阶段的快速发展，其性能指标已经完全达到了任务要求。2007年后的研究工作主要集中于HEMP-T 3050的辐射式散热结构、寿命及其集成相关的工程化研究，如图5所示。在DLR项目的支持下，TEDG开展了“HEMPIS”的在轨验证项目。该项目依据HEMP-T易于集成的优点，设计四台1.5kW级HEMP-T 3050同时工作于OHB公司的SmallGEO平台，并将用于H2Sat同步轨道通信卫星的姿态控制。单台推力器在1000V额定工况下的推力为44mN，比冲2400s。Fig. 5 HEMP-T 3050 [12,13]另一方面，在德国航空航天中心和欧空局的共同支持下，TEDG的研究团队同时开展了HEMP-T 30250推力器的设计及性能优化工作[4]。该型号推力器采用了两种研制方案，一种是采用嵌套式的环形通道结构，另一种方案仍然采用HEMP-T 3050的圆柱形通道结构。图6（a）中环形HEMP-T 30250推力器的尺寸参照10kW功率级的霍尔推力器，DM1样机的外径为140mm，长150mm，总重量低于6kg。该推力器能够在150V~1500V工作，但是磁场对电子的约束能力存在明显不足，性能较差。圆柱形HEMP-T 30250推力器较环形推力器的结构更为简单，技术要求更低，如图7所示。在HEMP-T 3050推力器研制经验的基础上，HEMP-T 30250推力器经过四次迭代优化后性能得到大幅提升，其额定功率为7kW，推力250mN，总比冲3000s[8]。Fig. 6 Coaxial HEMP-T 30250 [17]Fig. 7 DM4 test prototype of cylindrical HEMP-T 30250[8]2017年，在欧空局和德国航空航天中心的共同支持下，TEDG开展新一代HEMP-T的大型电推进系统研究项目，被称之为“HEMP-T-NG”，项目总额为738.834万欧元。目前，该系统正处于产品规划、生产和认证阶段。TEDG作为牵头单位，主要负责推力器设备和集成工作。包含有五个欧盟成员国（德国，法国，英国，比利时，意大利）的八个合作伙伴，将会对整个推进系统部件的性能进行优化。TEDG正在分别针对高低轨卫星需求开发低成本的高性能推进系统，其目标要超越当前最先进的技术水平，以保证欧洲开发电推进系统的竞争力和领先地位。3.2 美国多级会切场推力器发展现状德国TEDG在对于HEMP-T推力器的研究成果受到了多个研究单位的广泛关注。其中以麻省理工学院和斯坦福大学的研究为主要代表。2007年，麻省理工学院设计了一种具有锥状通道结构的多级会切场推力器，并将其命名为“Divergent Cusped Field Thruster”，简称DCFT，其基本原理如图8所示[18]。该推力器采用多级会切磁场降低等离子体壁面腐蚀的设计理念，借鉴普林斯顿大学对圆柱形霍尔推力器的设计思想：点状尖端的强磁镜力能够抑制通道中心电子的漏失，在保证高效电离的同时提高推力器电流利用率[19,20]。推力器在550V的阳极效率为44.5％[21]，与HEMP-T 3050 的第7代样机相当[18]。Fig. 8 Schematic diagram of DCFT[22]从2008年开始，麻省理工学院主要围绕推力器的发散状羽流以及放电模式开展了相关的物理研究。Courtney等在对DCFT的研究中发现，这种羽流形貌会随推力器的放电电压发生变化，表现出两种截然不同羽流模式：在低阳极电压条件下时，推力器羽流呈现出弥散的状态。根据其较大的放电电流，该模式被称为High Current 模式，简称HC模式，如图9（a）所示；当阳极电压超过一定阈值时，推力器羽流会迅速转变为另一种具有清晰边界的状态。根据其较小的放电电流，该模式被称为Low Current 模式，简称LC模式[18]，如图9（b）所示。Fig. 9 Two typical operating modes[18]在小型推力任务的需求牵引下，美国斯坦福大学博士Young于2009年报道了其研制的一种小型多级会切场推力器，并将其命名为 “Cylindrical cusped field thruster”，简称CCFT[23]。尽管该推力器采用了三级永磁体结构，但是其结构与HEMPT以及DCFT存在显著不同，为降低末级等离子体的损耗，出口磁极长度很短，并且典型的磁镜比只有1.6，其结构如图10所示。CCFT的阳极与气体分配器采用分离结构，石墨阳极布置在推力器上游的轴线位置，气体分配器布置于环形通道的上游。实验结果表明，CCFT同样存在空心锥状的羽流，能够在25W~250W内连续调节。Fig. 10 Thruster designed in stanford university[23]3.3 国内多级会切场推力器的发展现状在我国，多级会切场推力器的研究起步稍晚，哈尔滨工业大学于2013年9月正式成立了关于多级会切场推力器的研发团队。作为该研究领域的后来者，在第一发展阶段（从2013年至2014年）采用了追随技术的开发战略。在肯定德国TED以及美国斯坦福大学和麻省理工学院研究成果的基础上，紧跟国外多级会切场推进技术的研究动态。在借鉴国外推力器设计经验的基础上，于2014年成功设计出了通道内径为20mm的圆柱形推力器，称为“Cusped Field Thruster”。先后研制了1.2kW级、500W级的CFT推力器实验样机，通过开展大量的实验测试工作，奠定了推力器工作特性研究的前期基础。在第二阶段（从2015年至今），在前期理论和实验的基础上，研究团队对于该推力器的发展进行了重新定位和规划。依照应用背景，多级会切场推力器研究团队细化为微型推力器（1W~10W）、小型推力器（200W~500W）[24,25,26]和中型推力器（500W~1500W）[27]三个研究方向。根据不同功率推力器自身的工作特点，分别从推力器结构设计、磁路结构、电极布局、通道结构、推力器外壳、羽流控制、诊断探针等多个方面进行了技术创新研究，在各领域均取得了突破，并申请了多项发明专利。在中型推力器研究领域，第三代CFT-DM3在2015年10月已经完成了模块化结构设计和性能测试，阳极效率已从最早的10% 提升到40%[28]。在微型推力器领域，实验室团队在2016年初开展了针对于微牛级推力器样机的实验研究[29]，其中CFTK8的高能离子束流与轴线的夹角只有20°，明显低于德国基森大学Andreas Keller 的微型推力器[30]夹角（羽流夹角55°），处于国际领先水平。在小型推力器领域，研究团队于2016年底完成了HIT-CFT25 推力器的结构设计和优化，其推力调节范围达到了三个数量级（66μN~24.05mN），推力调节比为1:364，与目前国际水平相当[24]。以此为基础，该团队相继进行了推力器在无拖曳控制系统中的应用研究[31,32]。北京控制工程研究所是我国最先开展多级会切场推力器研制的工程单位。在“十二五”民用航天项目的支持下，该所已经完成了500W~1.5kW功率级多级会切场推力器样机的研制工作。具备对该类推力器研制、等离子体诊断分析的前期基础。从2017年起，研究所开始研制3kW~5kW级的多模式等离子体推力器。第一轮样机存在羽流发散角度大、电离不足等问题。在3kW功率下最高阳极效率为38%。针对推力器存在的问题，第二代推力器进行了磁场结构优化，羽流发散角度大幅降低（高能离子束流与轴线的夹角从25°降低到15°），并且能够维持高效稳定的放电状态，阳极效率达到43% ，如图11 所示。Fig.11 Plume photographs of the thruster developed by Beijing institute of control engineering‍‍‍‍‍‍‍4‍‍‍‍‍‍‍多级会切场体推力器的物理机制研究多级会切场推力器的电离不足及羽流发散是限制推力器性能提升的核心问题。多级会切场构型使推力器内部的等离子体作用过程十分复杂，表现出多种工作模式及奇异的空心羽流形貌。认识推力器内部的微观物理过程对于突破推力器的技术瓶颈具有重要现实意义。多级会切场推力器依靠离子在电场中的加速过程产生反作用推力。推力器电势分布及其变化规律是加速过程研究的关键。在2006年以前的早期研究中，依据推力器磁场的轴向周期性，Kornfeld等认为推力器的电势分布与其尖端处径向磁场强度相一致，推测通道内会存在较大的电势降分布[4]，如图12所示。这一推测与实验测试结果存在显著差异。事实上，推力器通道内各尖端电势降很小，主要电势降集中分布在出口。Fig. 12 Three stage HEMP thruster with a self consistent potential[4]2009年，Matyash等利用动力学模拟的方法对推力器的电势分布情况进行了数值模拟[33]，如图13所示。2012年，斯坦福大学的MacDonald利用激光诱导荧光以及发射探针诊断方法证实，推力器的电势降集中分布于出口附近，通道内部的电势降很小，在300V阳极电压的工作条件下，推力器出口附近的电势降为270V，通道内电势降只有30V，如图14所示。Fig. 13 Simulation of the HEMP DM3a thruster with a calculated potential profile[33]Fig. 14 Plasma potential with kinetic energy contour overlay for the CCFT plume[34]为进一步认识多级会切场推力器中加速电场的建立机制，哈尔滨工业大学刘辉于2014年对推力器的电子传导过程进行了PIC数值仿真。结果发现，通道内无法建立较大电势降的现象归因于轴线存在的电子泄漏通道[35,36]。电子泄漏通道在2015年开展的多环阳极实验中得到了证实[27]。2014年的PIC数值模拟[16]以及2016年的实验研究工作[25]一致表明，泄漏通道中的电子电流与通道内磁场强度有直接关系。美国麻省理工学院在对DCFT的实验研究中发现，推力器出口附近的磁场构型对发散羽流的形成过程具有重要作用。Taylor Matlock将多级会切场推力器羽流发散的现象归因于出口加速电场的作用。于是，他分别尝试增加磁屏蔽结构[37]和增加附加线圈[38]的方法来改变出口羽流区的磁场，进而控制加速电场方向，达到减小羽流发散角的目的。然而，实验结果表明，磁屏蔽的方法反而会使得羽流的发散程度加剧。附加线圈的方法只能使35°附近离子电流的密度峰向小角度方向移动，其它角度的离子电流密度基本不发生变化，推力器的空心羽流无法消除，并呈现出更为复杂的双峰结构，如图15所示。Fig. 15 Taylor Matlock’s experiments [38]尽管Taylor Matlock附加线圈的方法最终没有实现理想的羽流形貌，但是羽流分布随出口磁场的变化规律证实了高能离子束流与磁分界面角度之间变化的一致性。依据这种一致性，哈尔滨工业大学提出了一种CFT束流控制方法，通过调整出口磁分界面角度可以降低推力器的羽流发散角[39]。为了进一步认识不同模式下离子的加速特性，MacDonald等设计了激光诱导荧光实验[40]。从图16可看出，尽管两种羽流模式存在显著的差异，但是其离子的速度场分布却存在高度的一致性：离子速度梯度最大的区域（加速区）都集中在出口磁尖端附近。Fig. 16 Most probable ion velocities in different mode [40]在前期研究基础上，哈尔滨工业大学对于2017年对500W级CFT推力器实验样机的典型工作模式进行了系统性的实验研究，对推力器的加速过程有了较为深刻的认识[10]。实验首先通过不同模式下离子能量的分布特点对推力器的羽流进行分区，再通过各区域内离子能量的变化特征，证实了推力器内部两类离子加速路径的客观存在性。两类离子加速路径的证实明确了离子加速过程与两类加速电场之间的对应关系：内路径的离子电流经发散电场作用分布于大角度区域，形成弥散态羽流；外路径的离子电流经强电场作用分布于小角度区域形成边界清晰的羽流形貌，如图17所示。这一关系的明确对于认识推力器内部复杂的加速过程具有重要意义。Fig. 17 Different acceleration routes for the ions generated in the main ionization region[10]在对推力器加速过程认识的基础上，多级会切场推力器的电离过程研究再次取得突破：2018年，推力器的多个电离区的电离过程及其与加速区的对应关系通过实验得到证实。该实验揭示了推力器多个电离区与加速区之间的对应关系，为后续的理论发展及工程应用研究奠定基础。北京控制工程研究所对推力器的微观物理过程继续开展深入研究，并于2019年通过阴极耦合实验发现并证实了羽流区两类电子传导路径的客观存在性[41]，如图18所示。电子传导过程的研究从最根本的微观层面解释了推力器内多个电离区和两类加速路径之间的耦合关系，得出了推力器电离加速过程对推力器羽流形貌的影响规律，清晰了对模式转变过程的认识。Fig. 18 Schematic diagram for two types of electron conduction paths[41]从2006年至今，多级会切场推力器的物理机制研究历经了从电势初步认识阶段到微观物理过程的深入研究阶段，如图19所示。在初步认识阶段中，不同放电模式下电势分布的测量及数值计算为主要研究内容，而对于电势的建立及其变化规律的研究存在不足。从2014年起，我国开始了微观物理过程的深入研究。从加速电场及电离区建立机制研究到最根本的电子传导过程研究，均取得了突破性成果。该阶段的研究提升了推力器内复杂物理过程的认识，对多级会切场推力器未来的理论发展及工程应用具有重要意义。Fig. 19 Key milestones of physical mechanism studies5结论与展望多级会切场推力器独特的磁场结构使其在工作过程中表现出长寿命、多工作模式、推力密度高、推力调节范围广、结构简单、易于集成等诸多性能优势。这些性能优势使其在未来的航天电推进领域具有巨大的发展潜力。历经21年的发展，多级会切场推力器从概念提出发展到了工程应用阶段。目前，德国泰雷兹形成了以HEMP-T 3050推力器为代表的工程化应用产品。而我国在该领域的发展十分迅速，在推力器物理机制研究领域取得了突破性进展，不同功率级推力器的性能也得到显著提升，为未来的发展奠定了良好的理论和技术基础。为保持我国多级会切场推力器的快速发展能力和重要地位，下一阶段仍需要以推力器的电离和加速过程的研究为核心，积极开展国内外技术合作，提升理论认识，推进技术创新。这对于抢占多级会切场推力器在未来航天电推进领域的先进性地位具有重要意义。参考文献：1. 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