夏廣慶,徐宗琦,王鵬,朱雨,陳茂林

1.大連理工大學 工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室,大連116024 2.中國科學院深圳先進技術研究院,深圳518055 3.西北工業(yè)大學 燃燒、熱結構與內(nèi)流場重點實驗室,西安710072

無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 工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室,大連116024 2.中國科學院深圳先進技術研究院,深圳518055 3.西北工業(yè)大學 燃燒、熱結構與內(nèi)流場重點實驗室,西安710072

在電推力器的廣泛應用中,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)射電子對噴射出的正離子進行中和,否則會導致航天器自充電,對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,介紹了一種基于同時加速正、負離子的無中和器射頻離子推力器,闡述了其結構組成及推進原理,分析了離子-離子的產(chǎn)生、正負離子的加速過程,指出了關鍵技術包括電負性工質(zhì)氣體放電特性、磁場過濾電子束縛效能,以及可周期性交替加速正、負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器中具有潛在的應用前景。

電推進;負離子;射頻離子推力器;電負性氣體;離子-離子推力器;磁過濾;交變電壓

隨著電推進技術的發(fā)展,電推力器已經(jīng)越來越廣泛地應用于不同種類的衛(wèi)星上。1998年以前,空間科學探測衛(wèi)星上電推力器的應用率約為3%,相應的電推進裝置有200種左右[1]。如今,約有20%的衛(wèi)星使用電推進系統(tǒng),美國、俄羅斯及歐洲等國已將電推力器廣泛用于衛(wèi)星和空間飛行器,中國也已經(jīng)在實踐9號衛(wèi)星上成功驗證和應用霍爾推力器及離子推力器,未來將發(fā)展更大規(guī)模的電推進應用平臺。

通常認為,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,加速噴出產(chǎn)生推力,工作方式與化學推進基本相同。電弧加熱推力器是靠兩個電極之間加電壓后形成的電弧加熱工質(zhì),經(jīng)擴張噴管高速噴出產(chǎn)生推力。電熱式推力器的特點是能夠獲得較大推力,但是比沖相對較低。

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,正離子在靜電場的作用下加速噴出產(chǎn)生推力。由于需要柵極系統(tǒng)提供靜電場,因此也可稱柵極離子推力器。靜電式推力器的特點是比沖大、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噴出產(chǎn)生推力。電磁式推力器的特點是離子束集中、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)推力器結構空間,增大推力器總體質(zhì)量,從而增加發(fā)射成本。因此,人們普遍認為中和器是電推力器的一個軟肋[3-4],同時也在考慮研制一種基于可以分別加速正離子和負離子并最終使其中和為中性粒子的無中和器射頻離子推力器。

1 推力器研究現(xiàn)狀

關于無中和器射頻離子推力器的理論研究及相關試驗工作已在國外開展,美國喬治亞理工學院設計出一種名為馬歇爾離子-離子推力器(Marshall’s Ion-io N Thruster,MINT),以電負性氣體作為工質(zhì)氣體,交替加速正負離子產(chǎn)生推力,并通過試驗,獲得了理想的結果[5]。法國國家科學研究中心也根據(jù)無需中和器這一目標研究出一種電負性離子推力器,經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn),電負性工質(zhì)氣體具有較高的電離度,可以獲得較高的等離子體密度。當柵極加速電壓為500 V時,可以達到與傳統(tǒng)柵極推力器相近的推力及比沖[6]。美國海軍研究實驗室通過試驗證實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離子[7]。美國休斯頓大學研究學者建立了時變流體模型用以研究射頻電壓與直流電壓對離子-離子等離子體動力學特征的影響并發(fā)現(xiàn)其鞘層結構與傳統(tǒng)的柵極離子推力器相比具有很大不同,但是對鞘層的空間尺度及預鞘層是否存在影響尚未進行詳細的研究[8-9]。

電負性等離子體是一種含有正離子、負離子及電子的等離子體,其電負性程度可以通過負離子密度與電子密度的比值α衡量,即α= n-/ne。電子溫度與負離子溫度的比值γ也是描述電負性等離子體性質(zhì)的重要參數(shù)之一,即γ=Te/T-。由于負離子比正離子質(zhì)量大,因此電負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,無中和器射頻離子推力器能量傳輸效率高達90%,推力可達20 m N/k W,比沖在30 000 m/s左右。但是,為實現(xiàn)激發(fā)后產(chǎn)生電負性等離子體,該射頻離子推力器需要使用電負性氣體作為工質(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)任務需要控制。

對式(1)進行積分,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,比沖影響推進工質(zhì)消耗:速度增量相同情況下,比沖越大,推進工質(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工質(zhì),節(jié)約發(fā)射成本。

無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)生的離子進行靜電加速來工作,通過在多個柵極之間施加電偏壓實現(xiàn)對離子的加速,并產(chǎn)生推力。對于離子束,離子噴出速度vex與離子運動速度vb相等,離子總質(zhì)量隨時間的變化率dm/dt可表示為離子流量Γi。

根據(jù)動能定理,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。當推力達到最大值時,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。假設等離子體密度均勻,當?shù)入x子體流達到最大值時,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,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,也可以看出離子質(zhì)量對推力沒有影響,但會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

無中和器射頻離子推力器是一種根據(jù)電負性等離子體推進(Plasma propulsion with Electronegative GASES,PEGASES)原理探索研究的新型靜電式電推力器,故也稱為電負性氣體等離子體推力器。它的主要特點是基于射頻耦合激勵的方式,使用電負性氣體和常規(guī)電推進氣體的混合工質(zhì)放電,在推力器放電室內(nèi)同時產(chǎn)生正離子、負離子和電子,通過徑向磁場的磁障屏蔽效應過濾電子,使得正、負離子均可到達柵極加速系統(tǒng)。在柵極系統(tǒng)交變加速電壓的作用下,正離子與負離子周期性噴出,進而產(chǎn)生推力,最后二者復合為中性粒子,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構質(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航天器的濺射作用。圖1所示為推力器工作過程簡圖。

圖1 無中和器射頻離子推力器工作過程簡圖Fig.1 Working process of the RIT without neutralizer

無中和器射頻離子推力器工作過程主要分為三步: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匹配器將能量耦合給天線,天線激發(fā)電離中性工質(zhì)氣體而產(chǎn)生放電,有關射頻放電理論在此不詳細闡述[5]。該過程關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。通過電磁場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)、感應耦合(ICP)和波耦合。在容性耦合模式中,通過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。在感應耦合模式中,通過射頻天線的電流在等離子體中產(chǎn)生感應電場,電子從電場中獲得能量并激發(fā)放電,電場向等離子體內(nèi)部傳播一段距離直至場強衰減為零,這段距離就是所謂的趨膚深度。在波耦合模式中,外加磁場使電磁波通過朗道阻尼作用將能量傳給電子,然后激發(fā)放電。

無中和器射頻離子推力器采用的等離子源是感應耦合等離子體源,射頻頻率為4 MHz,射頻功率為200 W,兩個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,離子通過率為60%,柵極孔直徑為2 mm,柵極板間距為2 mm。磁過濾裝置提供徑向變化范圍為0～0.034 T的磁場,天線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為其整體結構簡圖。首先使用傳輸線將射頻功率源與匹配器連接,然后能量通過匹配器傳輸?shù)缴漕l天線,射頻天線通過感應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放電實際上削弱了CCP放電,從而可以忽略等離子體射頻電勢能。在這個系統(tǒng)中,功率效率能夠達到90%以上,因此可以有效地應用于空間推進系統(tǒng)。

圖2 無中和器射頻離子推力器整體結構簡圖Fig.2 Structure of the RIT without neutralizer

電負性工質(zhì)氣體轉變?yōu)樨撾x子通常需要兩個過程:電離和復合。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合成負離子,這個過程必須使用電負性氣體作為工質(zhì)氣體才能實現(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,負氫離子能夠在金屬銫表面產(chǎn)生[15-16]。

在電負性氣體試驗中發(fā)現(xiàn),負離子能夠通過電子的離解俘獲碰撞產(chǎn)生。在這個過程中,電子能量過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使其電離,或者通過自身的振動及旋轉運動消耗能量,然后與中性粒子復合形成負離子。對于大部分電負性氣體,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合為負離子。負離子的密度與電子密度有關,被束縛的電子越多,負離子密度越高,電負性程度越大,因此使用磁場過濾裝置使電子被束縛在放電室中可有效地產(chǎn)生負離子。

(2)離子-離子的形成

這個工作過程的主要目的是將等離子體分成兩個區(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,熱運動劇烈,與中性氣體分子碰撞后會使其有效地電離。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)氣體種類及氣體壓強p與離子有效擴散特征尺寸L乘積有關[11]。電子加熱的3種射頻耦合方式如前文所述,放電功率的值對電子溫度影響較小。在負離子源中,電子通過安裝在離子引出孔前邊的磁過濾裝置 (局部橫向磁場)后被冷卻,能量降低而更易與中性粒子結合。這項技術被應用于PEGASES推力器,其中的磁過濾裝置由磁場方向垂直于放電室軸向的永磁體構成,電子的冷卻程度與磁感應強度和方向有關。試驗中發(fā)現(xiàn),在磁感應強度最大處電子溫度最低[14],同時,在磁感應強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,這說明離子在穿過磁場過程中不受磁場影響。RF功率僅為120 W時,離子-離子等離子體區(qū)域中的離子密度就能達到3×1017m-3。

(3)正負離子的加速

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

在任何離子源中,加速柵極的設計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離子流量和擴散角,從而能夠滿足推力要求,其推力可以通過式(5)表示。對于單純的離子-離子等離子體,進入鞘層的離子具有相同的玻姆速度,即vB=此時離子溫度可用電子溫度表示。推力器的推力效率為

圖3 正負離子運動軌跡簡圖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 關鍵技術

相比于其他柵極離子推力器,無中和器射頻離子推力器的關鍵技術主要在于以下幾個方面:電負性工質(zhì)氣體的選擇、徑向磁場過濾裝置的作用及柵極偏置電壓的加載方式。下面就這幾個方面進行簡要分析。

3.1 電負性工質(zhì)氣體的選擇

無中和器射頻離子推力器最主要的特點在于必須使用電負性氣體作為工質(zhì)氣體。電負性氣體是具有極易與自由電子結合形成負離子并保持穩(wěn)定狀態(tài)能力的氣體。電負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。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,電負性氣體還包括O2和H2等非鹵族元素氣體。因此,選擇電負性工質(zhì)氣體時應該首先考慮上述氣體,或者幾種氣體的混合物。然而,在這些電負性氣體中,I2被看作是最有發(fā)展前景的工質(zhì),這是因為I2是一種電負性極強的物質(zhì),且在衛(wèi)星發(fā)射到太空過程中極易以固態(tài)形式儲存,很大程度上節(jié)省了推進劑所占空間[19]。

分子的電離和復合率系數(shù)通常受電子溫度的影響,反應過程為[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合成負離子,此時在放電室上游同時存在正、負離子及電子,為了維持電離-復合反應的不斷進行,必須通過磁場約束電子使其留在放電室中,從而提高負離子的密度,即增大電負性程度。

產(chǎn)生電負性等離子體的關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)生電離與復合的中性氣體分子具有合適的比例。

國外已有試驗表明,在壓強為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、負離子的速率相當,并具有較高的復合率[20]。

3.2 徑向磁場過濾裝置的作用

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合為負離子[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備,離子-離子可以通過脈沖放電或者磁場過濾裝置形成[22-23]。在脈沖放電中,余輝里的電子能量較低,可以與中性離子復合為負離子。當使用磁場過濾裝置時,負離子的形成區(qū)域能夠被限定在一定空間范圍內(nèi)。通過磁場的作用,電子被約束在上游電離區(qū)域,下游只有可與中性粒子復合的少量低溫電子。

徑向磁場過濾裝置對離子-離子的形成具有很大影響,徑向磁場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,使其沿著磁力線運動并最終附著于器壁。

3)降低通過磁場的電子的溫度,使其更易與氣體分子結合形成負離子。

雖然這些理論已經(jīng)建立,但是電子冷卻機理、場強梯度分布方式等問題還沒有完全分析清楚,因此采用徑向磁場過濾裝置產(chǎn)生離子-離子等離子體的方法還需深入研究,關鍵是如何提高加速柵極上游的磁場對電子的束縛能力,即阻止電子被加速噴出的能力。

3.3 柵極偏置電壓的加載方式

無中和器射頻離子推力器柵極板上通常加載正弦偏置電壓,電場方向隨時間交替變化,以使正負離子能夠分別被加速。但是在一個周期中,被加速的正負離子的總量不一定相同,因此需要根據(jù)正負離子的加速效率,對二者的加速時間做出適當調(diào)整,以保證噴射出的正負離子總量相同,進而能夠完全復合為中性粒子,使羽流呈電中性。通過進一步研究發(fā)現(xiàn),方向交替變化的方波電壓也能實現(xiàn)正負離子加速。通過粒子網(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離子流量比例由電負性程度決定,負離子密度遠高于電子密度[24]。當負離子從等離子體引出時,也能檢測到同時被引出的部分電子。在這種情況下,負電荷加速周期應該比相應的正電荷加速周期短,以此來補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?shù)膬?yōu)化。這種周期的不對稱性可以推廣到僅加速正電荷和電子的系統(tǒng)中。對一個等離子體加速系統(tǒng)進行優(yōu)化時,正負離子的加速電壓大小及周期可以根據(jù)正負離子溫度的不同作適當調(diào)整,以保證加速后的正負離子電荷量相等,使羽流最終呈電中性。國外已有研究學者采用一維PIC方法對于在柵極板上加載不同波形偏置電壓時的鞘層結構進行了模擬[25],相同的問題也被采用聯(lián)立離子連續(xù)性方程、動量方程及泊松方程求解的方法研究[26],結果表明鞘層結構與偏置電壓頻率及離子與柵極板碰撞頻率密切相關,離子運動速度遠高于熱運動的平均速度,因此說明當偏置電壓模式不同時,形成的鞘層都能對離子有明顯的作用。

柵極板上加載電壓的頻率范圍應考慮下列因素:1)離子-離子等離子體自身回旋頻率和離子通過柵極板所需時間;2)單束離子電荷在下游空間產(chǎn)生的電勢大小。這種分析模型建立在一維基礎上,完全忽略二次電子散射及其他外部的空間電荷中和源,最終推測出加載電壓頻率應該在幾兆赫茲區(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現(xiàn)柵極加速等離子體。這種方法是根據(jù)離子和電子對時變、電場的響應時間不同,通過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。實現(xiàn)這種加速方法完全不需要磁場及中和器,僅需要控制等離子體的流動參數(shù)。在施加于柵極間的射頻振蕩電場的作用下,離子能夠連續(xù)不斷地被加速,而電子卻周期性地被引出。離子能量由場強的均值決定。電子的加速過程具有自洽性,因此不能通過一般方法控制電子能量的空間分布[28]。已經(jīng)證實,擴散到下游空間區(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,邊界條件對整個等離子體流都會產(chǎn)生影響,引起其他粒子輸運過程產(chǎn)生,如等離子體的非雙極擴散[29]。射頻自偏壓加速等離子體的關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,可以通過試驗測量并比較離子流與電子流在下游射頻自偏壓系統(tǒng)中角分率的大小來判斷離子與電子流量是否相等。

法國巴黎綜合理工學院根據(jù)射頻自偏壓原理設計出一種名為“海王星”的柵極加速等離子體系統(tǒng),并在試驗中使用馬赫探針測量等離子體流中離子與電子數(shù)。經(jīng)過試驗發(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的方向性,因而能夠準確判斷出推力器羽流方向[35]。然而,采用馬赫探針方法測量粒子流量具有一定誤差,不能準確說明離子數(shù)與電子數(shù)完全相等,因此還需進行更深一步地理論分析與試驗驗證。

4 結束語

與傳統(tǒng)的柵極離子推力器相比,無中和器射頻離子推力器具有很大的發(fā)展空間,其特點在于使用同一個等離子體源分別加速正負離子,這樣可以不需要外加中和器就能實現(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用到空間飛行器上還需經(jīng)過深入的理論研究和試驗分析,但是已經(jīng)證實在磁過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離子,從而無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,無中和器射頻離子推力器具有潛在的應用前景。其結構組成相對簡單,無需中和器,因此可以避免粒子對傳統(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,能夠滿足未來空間科學探測任務的需求。

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(編輯:車曉玲)

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)絡出版時間

時間:2016-02-24 13:26:25

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

裝備預研共用技術基金;中國博士后科學基金(2013M541230);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金[DUT15ZD(G)01]

*通迅作者:夏廣慶(1979-),男,副教授,gq.xia@dlut.edu.cn,主要研究方向為電推進

夏廣慶,徐宗琦,王鵬,等.無中和器射頻離子推力器原理研究[J].中國空間科學技術,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