柯于俊，陳學(xué)康，孫新鋒，田立成

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

小功率ECR離子推力器技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

柯于俊，陳學(xué)康，孫新鋒，田立成

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

相比Kaufmann離子推力器，ECR（Electron Cyclotron Resonance）離子推力器具有無(wú)電極腐蝕、無(wú)污染、放電氣壓低、等離子體密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、中和器和放電室能快速起弧等優(yōu)點(diǎn)。ECR離子推力器因獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)而使其在微小功率電推進(jìn)領(lǐng)域受到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究。國(guó)外（主要是日本）小功率ECR離子推力器口徑從1～10 cm都取得了小行星探測(cè)采樣返回的突出成果，國(guó)內(nèi)沒(méi)有針對(duì)應(yīng)用需求的產(chǎn)品開發(fā)研制計(jì)劃，偏重基礎(chǔ)研究，性能也有很大差距，無(wú)論是技術(shù)還是產(chǎn)品距離微小衛(wèi)星應(yīng)用需求還存在很大差距。建議研究的主要方向是磁場(chǎng)位形、變孔柵和碳-碳復(fù)合材料柵極。

小功率；ECR離子推力器；空間推進(jìn)

0 引言

相比傳統(tǒng)的Kaufmann離子推力器，ECR離子推力器放電室采用微波電子回旋共振的方式產(chǎn)生等離子體，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)內(nèi)電極放電、無(wú)污染、長(zhǎng)壽命、等離子體密度高（1017～1019m-3）、能量轉(zhuǎn)換效率高、微波吸收率高（≥95%）、中和器和放電室能快速起弧、電源系統(tǒng)簡(jiǎn)單等，雖然ECR離子推力器也有缺點(diǎn)，比如微波電源效率不如直流電源，ECR需要高出Kaufman離子推力器數(shù)十倍的靜磁場(chǎng)，但是總體上ECR離子推力器研究具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

國(guó)內(nèi)當(dāng)前的主流電推進(jìn)產(chǎn)品類型為離子和霍爾電推進(jìn)，產(chǎn)品研制和技術(shù)研究主要集中在500～5 000 W功率范圍內(nèi)。但隨著國(guó)內(nèi)微小衛(wèi)星領(lǐng)域?qū)π」β孰娡七M(jìn)產(chǎn)品的應(yīng)用需求，微小功率電推進(jìn)技術(shù)研究和產(chǎn)品研制勢(shì)在必行。在微小功率電推進(jìn)發(fā)展方面，國(guó)內(nèi)尚未針對(duì)應(yīng)用需求的產(chǎn)品研制計(jì)劃，多偏重于基礎(chǔ)研究，同時(shí)缺少國(guó)際新技術(shù)發(fā)展方向的跟蹤研究。因此，無(wú)論是技術(shù)積累還是產(chǎn)品開發(fā)都與我國(guó)微小衛(wèi)星應(yīng)用需求存在很大差距。因此亟需開展電子回旋共振ECR離子推力器的技術(shù)研究[3-4]。總結(jié)了小功率ECR推力器的研究現(xiàn)狀，對(duì)小功率ECR離子推力器的發(fā)展提出了建議。

1 小功率ECR離子推力器國(guó)外研究概況

1.1 口徑1 cm ECR離子推力器

日本北海道技術(shù)研究所開發(fā)研制了放電室直徑為1 cm的ECR離子推力器模型樣機(jī)（PM）和鑒定樣機(jī)（QT）。評(píng)估性能為功率26.6 W、比沖1 250 s、推力0.36 mN、推力器電效率10%。微波離子電推進(jìn)系統(tǒng)組成如圖1所示[5]。

圖1 1 cm ECR離子電推進(jìn)系統(tǒng)圖Fig.1 1 cm ECR ion electric propulsion system

1.2 口徑2 cm ECR離子推力器

為適應(yīng)日益發(fā)展的小衛(wèi)星需求，日本宇宙科學(xué)研究所（ISAS）研制成功一種代號(hào)為μ1的微小功率ECR離子推力器，這種小推力的推進(jìn)系統(tǒng)適用于小衛(wèi)星的精確定位和姿態(tài)控制，可用于空間望遠(yuǎn)鏡或干涉儀系統(tǒng)的衛(wèi)星編隊(duì)飛行和微重力阻力實(shí)驗(yàn)等任務(wù)[6]，結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖2、圖3所示。

圖3 μ1實(shí)物圖Fig.3 Photo ofμ1

μ1的放電室是口徑為20 mm的圓柱形，兩塊環(huán)形永磁鐵置于放電室底部，磁場(chǎng)最強(qiáng)處磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.3 T，磁場(chǎng)最弱處磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.05 T，磁場(chǎng)形成一個(gè)“磁透鏡”的結(jié)構(gòu)可有效減小電子損失。μ1在1 W微波輸入功率下，微波工作頻率為4.2 GHz時(shí)，離子產(chǎn)生成本為250 W/A，氙氣質(zhì)量流率為0.15 mL/min（14.7μg/s），引出束流4.0 mA。μ1可以在兩種不同狀態(tài)下工作：一種稱為單極模式（unipolarmode）；另一種稱為雙極模式（bipolarmode），如圖4所示。

圖4 μ1兩種不同模式的電連接示意圖Fig.4 electric circuitof twoμ1 operationmodes

（1）單極工作模式。雙柵極系統(tǒng)置于μ1放電室下游末端，柵極是由金屬鉬通過(guò)化學(xué)腐蝕的辦法制成，在直徑16 mm區(qū)域內(nèi)形成了211個(gè)孔，這種柵極結(jié)構(gòu)是專為微小離子推力器設(shè)計(jì)的，柵極系統(tǒng)參數(shù)如表1所列，屏柵和加速柵電壓分別為1 500 V和-350 V。μ1離子推力器的電子發(fā)射器即中和器是通過(guò)將推力器的放電室安裝一個(gè)帶6個(gè)孔徑為1.8 mm的孔板而制成的，安裝孔板來(lái)代替單極的離子?xùn)艠O，孔板由金屬鉬制造，厚度為0.8 mm，孔開向天線位置的上面等同于安置于方位角方向，該孔板在這里相當(dāng)于“電子發(fā)射孔”。在單極工作模式的中和器上施加相對(duì)于離子推力器系統(tǒng)的負(fù)電壓為0～100 V，該偏置負(fù)電壓稱為“接觸電壓”，如圖5（a）所示。

表1 μ1改進(jìn)型柵極參數(shù)變化Table1 Thegrid parametersofμ1 and its im proved type

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在低推力水平上，總的功率與比沖的關(guān)系幾乎是常數(shù)不變，降至低質(zhì)量流量5.1μg/s是可取的。在高推力水平，如287μN(yùn)下，總的功率從17.0～20.5 W變化時(shí)，比沖變化范圍為1 000～1 500 s，推力器電效率變化范圍為8.27%～10.29%。

（2）雙極工作模式。雙極工作模式μ1離子推力器有特殊的柵極系統(tǒng)用來(lái)引出離子和發(fā)射電子。柵極系統(tǒng)是雙柵系統(tǒng)，由屏柵和加速柵組成，有兩種不同孔徑的尺寸?；谇捌诘脑囼?yàn)結(jié)果，孔徑對(duì)電子發(fā)射限制極小，發(fā)射電子的孔徑比引出離子的孔徑大得多。發(fā)射電子的為6個(gè)大孔，引出離子的為169個(gè)小孔，這種柵極結(jié)構(gòu)被稱為“變孔柵”，圖5（b）給出了雙極工作模式μ1離子推力器工作情況。

圖5 μ1工作情況圖Fig.5 μ1 in operation

屏柵和加速柵上的電壓設(shè)置1 500 V和-500 V，雙極等離子體源工作在離子推力器模式，加速電壓降低至-500 V是為了防止較大的加速孔徑導(dǎo)致的電子返流。當(dāng)工作在中和器模式時(shí)，等離子體源上施加上負(fù)偏壓，與單極μ1離子推力器中和模式是一樣的。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在低推力水平，雙極工作模式下性能較低，在高推力水平，雙極工作模式比在單極工作模式下功率隨著比沖的增加更明顯，如在287μN(yùn)推力下，總的功率范圍為14.0～23.3 W，比沖變化范圍為380～1 000 s，推力器電效率變化范圍為3.82%～6.04%，如圖6所示。

圖6 雙極工作模式μ1總功率消耗與比沖的關(guān)系曲線Fig.6 The relationship of the totalpower consumption ofμ1 and specific impulse

在文獻(xiàn)[7]中μ1得到大幅度改進(jìn)，性能計(jì)算值比沖達(dá)5 500 s，推力250μN(yùn)，推力器電效率32%。主要的改進(jìn)包括柵極厚度加厚、屏柵極孔徑變小、加速柵極孔徑變大、柵極總體孔數(shù)減小、孔徑整體變大。

1.3 口徑3 cm ECR離子推力器

日本九州大學(xué)研制的微小功率ECR離子推力器，如圖7所示。功率30 W，內(nèi)部直徑21 mm，離子推力器尺寸為50 mm×50 mm×30 mm[8]，屏柵和加速柵施加電壓分別為1 500 V和-300 V[8]。

在給定的功率下推進(jìn)劑利用率隨著氙氣質(zhì)量流量的增加而降低，這是因?yàn)殡S著質(zhì)量流量的增加比能量減小。在質(zhì)量流量為0.02 mg/s、微波功率為8 W條件下，ECR離子推力器的推力性能，即推進(jìn)劑利用率、離子產(chǎn)生成本、推力、比沖和推力器電效率分別為67%、660 W/A、0.73 mN、3 060 s和41%，如圖8所示。

圖7 3 cm ECR離子推力器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of 3 cm ECR ion thruster

圖8 3 cm ECR離子推力器推力性能曲線Fig.8 3 cm ECR ion thruster performance

1.4 口徑5 cm ECR離子推力器

日本Nishinippon Institute of Technology的Takao等[13]在2 cm和10 cm口徑ECR推力器的基礎(chǔ)又研制了口徑5 cm的ECR離子推力器，如圖9所示。相對(duì)于2 cm、3 cm口徑的推力器，由于尺寸增大磁場(chǎng)減弱，5 cm口徑的ECR離子推力器電效率不如2 cm、3 cm口徑的推力器。為了調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，磁鋼被設(shè)計(jì)成可以被電機(jī)推動(dòng)沿軸向前后移動(dòng)。采用了碳-碳復(fù)合材料柵極和鉬柵極兩種，前者性能更優(yōu)，微波頻率有別于2 cm和10 cm口徑推力器的4.2 GHz，采用的是5.1 GHz。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在20 W的微波輸入功率1.5 mL/min氙氣、碳-碳復(fù)合材料柵極這些條件下，該推力器的最大束流為24 mA，放電損耗837 V，推進(jìn)劑利用率為22%[9]。

圖9 口徑5 cm ECR離子推力器示意圖Fig.9 Schematic of 5 cm ECR ion thruster

1.5 口徑10 cm ECR離子推力器

在ECR離子推力器的研究和實(shí)踐領(lǐng)域，日本走在了世界的前列。日本從1965年開始研制此種推力器，基本上到1980年就完成了空間飛行前的一切準(zhǔn)備工作。90年代，日本宇宙科學(xué)研究所（ISAS）為了滿足用于小行星采樣任務(wù)的MUSES-C航天器需要，研制了μ10（0.39 kW、9.1 mN、2 910 s、33%）ECR離子推力器和微波離子發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（IES），如圖10所示，該系統(tǒng)包括4臺(tái)ECR離子推力器（推力器輸入功率0.31～1.16 kW、推力5.2～23.6 mN、比沖2 687～3 011 s）。其工程樣機(jī)于1999年進(jìn)行了18 000 h的壽命試驗(yàn)，2000年進(jìn)行了初樣產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)，2003年5月發(fā)射。在飛往小行星長(zhǎng)達(dá)4年的旅程中，探測(cè)器使用ECR微波離子推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)整飛行軌道，圖11為μ10在太空飛行圖。探測(cè)器攜帶了3臺(tái)推力器和1臺(tái)備份推力器，提供23.6 mN推力和1.2 kW功率。μ10電推進(jìn)系統(tǒng)包含推力器、微波放大器、電源和貯供系統(tǒng)。技術(shù)特點(diǎn)是采用了圓形波導(dǎo)加喇叭形腔體結(jié)構(gòu)，ECR層大致呈凸向出口的弧形，柵極采用了三柵碳-碳復(fù)合材料柵極[10-14]。

圖10 μ10系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 μ10 system structure

圖11 μ10在太空飛行圖Fig.11 μ10 in flight

2 小功率ECR離子推力器國(guó)內(nèi)研究概況

國(guó)內(nèi)從事ECR離子推力器技術(shù)研究的單位主要是西北工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。

圖12為西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的ECR離子推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。放電室的工作條件為微波源輸出頻率4.2 GHz，輸出功率在5～50 W范圍內(nèi)可調(diào)；工質(zhì)氣體為氬氣，流量變化范圍為1～10 mL/min；真空實(shí)驗(yàn)艙極限真空度為5.0×10-4Pa，10 mL/min氬氣流量條件下的工作真空度為1.0×10-2Pa[15]。

圖12 西北工業(yè)大學(xué)ECR離子推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.12 ECR ion thrusterexperimentalmodelof Northwestern Polytechnic University

西北工業(yè)大學(xué)楊涓等[15]還開發(fā)了小尺寸的中和器，工作工質(zhì)為氬氣、流量為0.8 mL/min、電子束流引出偏壓為88.6 V時(shí)，引出電子流103.8 mA、電子損耗為194.573 W·A-1。從圖13結(jié)構(gòu)看，該中和器的磁場(chǎng)是呈發(fā)散狀的[16]，柵極采用鉬柵極。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張紅軍等[17]研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖14所示。其直徑為50 mm，在微波功率為30 W，加速電壓1.2 kV，減速電壓0.2 kV，工質(zhì)氣體為氬氣的條件下，等離子體的電子密度達(dá)到了4.6×1016m-3，推進(jìn)器的離子束流也達(dá)到6 mA。柵極采用的是三柵極結(jié)構(gòu)，但腔體結(jié)構(gòu)可能由于未采用天線結(jié)構(gòu)，耦合效率并不高。

圖13 西北工業(yè)大學(xué)ECR中和器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.13 ECR neutralizerof Northwestern Polytechnic University

圖14 哈爾濱工業(yè)大學(xué)ECR推力器結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Schemeof ECR thrusterof Harbin Instituteof Technology

3 結(jié)論

國(guó)外目前主要是日本在研制500 W以下ECR離子推力器。包括1 cm、2 cm、3 cm、5 cm、10 cm 5種規(guī)格。唯一進(jìn)行過(guò)飛行驗(yàn)證的ECR離子推力器只有μ10（0.39 kW、9.1 mN、2 910 s、33.3%）。但尺寸、推力和比沖等指標(biāo)綜合起來(lái)看，3 cm口徑（30 W、0.73 mN、3 060 s、36.4%）的推力器性能最好。這說(shuō)明ECR離子推力器主要還是適合小尺寸、小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。研究的重點(diǎn)主要是兩方面：一方面是磁場(chǎng)位形，5 cm口徑的ECR推力器采用可以移動(dòng)的磁鋼來(lái)優(yōu)化調(diào)節(jié)磁場(chǎng)；另一方面是柵極。比如μ1采用了變孔柵技術(shù)，5 cm口徑的推力器則采用了碳-碳復(fù)合材料柵極技術(shù)，都取得了顯著的成效。

國(guó)內(nèi)也有數(shù)十瓦級(jí)的ECR離子推力器，但是沒(méi)有針對(duì)應(yīng)用需求的產(chǎn)品開發(fā)研制計(jì)劃，偏重基礎(chǔ)研究，性能也有很大差距，無(wú)論是技術(shù)還是產(chǎn)品距離我國(guó)微小衛(wèi)星應(yīng)用需求還存在很大差距。因此，在小功率ECR微波推力器方面針對(duì)發(fā)展的新形勢(shì)亟需加大投入、進(jìn)行更深入的研究。建議研究的主要方向是磁場(chǎng)位形、變孔柵和碳-碳復(fù)合材料柵極。

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RESEARCH AND DEVELOPMENTOF LOW POWER ECR ION THRUSTER TECHNOLOGY

KEYu-jun，CHEN Xue-kang，SUN Xin-feng，TIAN Li-cheng
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Comparing w ith Kaufmann ion thrusters，ECR（Electron Cyclotron Resonance）ion thrusters have neither electrode erosion nor pollution，aswellas low discharge pressure，high plasma density，and high energy transferefficiency. ECR ion thruster has drawnmuch attention in low power electric propulsion.Foreign countries（mainly Japan）have great progress in low power ECR ion thrusters in diameter from 1 cm to 10 cm，and gotamazing achievement，such as getting samplesback from aasteroid.However，chinese ECR ion thrustersare still some labmodels，whose performanceand engineeringmature level are lower than foreign ones.It is advised thatmore research focus onmagnetic field topology，grids w ith variable-holes in carbon-carbon compositematerial.

low power；ECR ion thruster；space propulsion

V439+.1

：A

：1006-7086（2017）04-0187-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.001

2017-04-20

柯于俊（1985-），男，湖北黃石人，博士研究生，主要從事空間電推進(jìn)技術(shù)方面工作。E-mail：keyujin2003@163.com。