石 峰，王 昊

（河南理工大學 物理與電子信息學院，河南 焦作 454000）

電子回旋共振離子推力器的研究進展

石 峰，王 昊

（河南理工大學 物理與電子信息學院，河南 焦作 454000）

電子回旋共振離子推力器是一種靜電式離子推力器，具有無電極燒蝕、比沖高、壽命長等優(yōu)點，在未來的深空探測上具有廣泛的應用前景。概述了電子回旋共振離子推力器的系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)、工作原理、性能和壽命實驗狀況。介紹了國內(nèi)外該推力器的研究進展及發(fā)展現(xiàn)狀，并根據(jù)實際情況，指出了國內(nèi)該推力器的研究思路和發(fā)展方向。

電推進；離子推力器；電子回旋共振；微波；靜電柵極

0 引言

電推進系統(tǒng)具有比沖高、壽命長、推力低和控制精度高等優(yōu)點，可廣泛應用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持、深空探測和星際航行等任務[1]。而電子回旋共振離子推力器（ECRIT）則是靜電式離子推力器，不僅具有一般電推進推力器所具有的特點，還具有無電極燒蝕和可靠性高的優(yōu)點[2]，這些特點使該裝置應用于深空探測具有很大的吸引力。

ECRIT是日本宇宙科學研究所（ISAS）研制的，成功應用于HAYABUSA（隼鳥）號探測器上，該探測器于2003年5月發(fā)射，于2006年9月到達小行星ITOKAWA[3]，其攜帶的微型車在小行星上發(fā)射和著陸，2010年6月13日，該小行星探測器降落在澳大利亞，在太空中飛行長達7年的時間，其攜帶的4個ECRIT離子推力器[4]，累計工作16 000 h，成為日本電推進研制的一個亮點。

目前國內(nèi)有西北工業(yè)大學開展了這方面的研究，設計研制出10 cm ECRIT實驗模型[5]，開展了離子源內(nèi)離子束流和中和器內(nèi)電子束流的引出實驗[6]，采用探針和發(fā)射光譜診斷法研究了離子源內(nèi)部等離子體的分布規(guī)律。采用漂移擴散模型對離子源內(nèi)等離子體進行了數(shù)值模擬，并開展了氣體放電和離子束流引出實驗研究[7]。

ECRIT具有比沖高、系統(tǒng)簡單、可靠性高等優(yōu)點，發(fā)展比較快速和廣泛。在調(diào)研了國內(nèi)外ECRIT的技術發(fā)展的基礎上，分別介紹了ECRIT的系統(tǒng)組成和工作原理，重點介紹了該推力器的研究進展、現(xiàn)狀和關鍵技術，總結(jié)了國外的幾種典型的推力器結(jié)構(gòu)，并展望了其發(fā)展趨勢。

1 ECRIT系統(tǒng)組成及工作原理

圖1為微波放電離子推力器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖，主要包括放電室、柵極系統(tǒng)、中和器、微波源、電源系統(tǒng)和推進劑單元。放電室和中和器是ECRIT的關鍵部件[8]。

圖1 微波放電離子推力器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematics of microwave discharge ion thruster system

（1）放電室由微波輸入系統(tǒng)、喇叭形放電室、磁鐵和柵極系統(tǒng)組成。磁鐵嵌在喇叭形放電室內(nèi)壁上，用以生成一個較強的磁場區(qū)域，即ECR諧振區(qū)，電子在ECR諧振區(qū)圍繞磁力線做回旋運動，微波從柱形波導進入[9]，通過反饋窗進入喇叭形放電室。當輸入的微波頻率和電子回旋共振頻率相等時，微波與電子之間產(chǎn)生共振，高能電子與工質(zhì)粒子發(fā)生非彈性碰撞從而使工質(zhì)被電離，而形成等離子體[10]。

（2）柵極系統(tǒng)由3個孔柵極組成，分別為屏柵、加速柵和減速柵。其中屏柵與放電室直接相連，帶高于千伏的正電位，加速柵上加負電位用于產(chǎn)生足夠強的電場以抽取離子束流[11]，引出的離子加速從而產(chǎn)生推力。減速柵通常為零電位，與加速柵形成電場實現(xiàn)離子束流的聚焦。

（3）中和器用于中和離子束流，避免離子束對衛(wèi)星表面產(chǎn)生影響。由永磁體、L型天線與磁軛組成。微波由天線輸入，天線尖端深入靜磁場區(qū)，中和器內(nèi)等離子體產(chǎn)生機理和放電室相同[12]。

2 研究與發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外美國和日本從80年代開始ECRIT的研究，其中主要是日本進行這方面的研究，并于2003年成功地應用于返回式MUSES-C小行星探測器（如圖2）的主推進中[13]，該探測器上攜帶的4臺離子發(fā)動機如圖3所示。

圖2 MUSES-C號探測器Fig.2 MUSES-C spacecraft

圖3 MUSES-C上攜帶的ECRITFig.3 ECRIT mounted on MUSES-C

國外對ECRIT的研究主要集中在以下幾個方面：

（1）中低功率ECRIT的研究

日本的研究集中在直徑10 cm、比沖3 000 s、功率262 W、比沖3 100 s、功率770 W和直徑10 cm、比沖10 000 s、功率2 500 W的ECRIT研究上[11]。10 cm、3 000 s ECRIT是最早開始研究的裝置，并且研究和應用最成功。初期的實驗模型為圓柱型結(jié)構(gòu)，放電室采用環(huán)尖磁場結(jié)構(gòu)，如圖4所示，但是實驗研究結(jié)果證明是這種結(jié)構(gòu)并不適合于10 cm推力器等離子體的產(chǎn)生[14]。

圖4 放電腔的幾何結(jié)構(gòu)Fig.4 Discharge chamber geometries

通過對更多結(jié)構(gòu)形式的放電室內(nèi)電磁場分布規(guī)律、靜磁場位形以及ECR等離子體流場規(guī)律的計算與實驗研究，最后確定最佳的放電室結(jié)構(gòu)為圓喇叭波導，柵極系統(tǒng)由C/C復合材料（如圖5）三柵極組成，以氙氣為工質(zhì)，流量為2 mL/min。實驗證明該結(jié)構(gòu)推力器具有最佳的性能。

圖5 應用于μ10（左）和μ20（右）上的碳復合材料柵極組件Fig.5 Carbon/carbon composite grid assemblies for theμ10 thruster（left）andμ20thruster（right）

為了提高微波離子源的性能，又設計了20 cm直徑的ECRIT，20 cm直徑的推力器將有4倍的束流面積相比10 cm直徑的推力器，并且推力是其4倍[15]，或者更加高效。離子光學系統(tǒng)仍然采用三柵極系統(tǒng)，但是復合材料比10 cm直徑有更高的彈性模量。柵極的厚度是1 mm，為了提高柵極的性能應該采用更薄和機械性能更高的柵極[16]。

20 cm ECRIT以氙氣為工質(zhì)，流量20 mL/min，柵極面積是10 cm ECRIT面積的4倍，柵極系統(tǒng)采用的C/C復合材料彈性模量遠高于10 cm推力器[17]，但中和器的結(jié)構(gòu)尺寸與10 cm ECRIT相同。由于放電室直徑增大，其內(nèi)的磁場位形設計更加復雜。為了獲得最優(yōu)的推力器結(jié)構(gòu)[18]，針對單環(huán)型（a）、環(huán)狀尖端型（b）、多環(huán)型（c）和無活塞多環(huán)型（d）四種放電室結(jié)構(gòu)（圖6所示）進行了實驗研究，并配合磁場位形、電磁場和等離子體流場的計算分析，最后確定了無活塞多環(huán)型放電室結(jié)構(gòu)為最優(yōu)[19]。接著又設計了20 cm直徑，20 mN推力的ECRIT，新的推力器的功率為100 W，離子束電流為200 mA，初始的性能測試為500 W，推力為16 mN，并且表明在電功率為1 kW時，推力可能會達到20 mN[20]。

10 cm、比沖10 000 s、功率2 500 W的ECRIT研究是為2003年ISAS提出的一項電推進和太陽帆聯(lián)合推進的星際航行飛行計劃而開展，目的是驗證50 m太陽帆推進和10 000 s高比沖ECRIT聯(lián)合推進系統(tǒng)用于深空探測的可行性。飛船計劃于2009年發(fā)射，首先飛躍特洛伊行星[21]，再駛向木星進行科學探測活動。為此在10 cm、比沖3 000 s ECRIT的基礎上，研究10 000 s高比沖ECRIT。裝置以氙氣為工質(zhì)，流量2 mL/min。目前已經(jīng)研制出實驗室樣機，得到了9 000 s的比沖[22]。

圖6 計劃用于20 cm直徑離子推力器的放電室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)Fig.6 Discharge chamber geometries considered as candidates for the 20 cm diam ion thruster

隼鳥2號任務于2011年啟動，采用4個ECRIT離子發(fā)動機作為主推進，推力為10 mN。同時采用磁場增強型的中和器，并且從2012年8月開始壽命測試，截止到2014年12月，累計工作時間為20 000 h，大于任務需要的14 000 h。整個系統(tǒng)在種子島發(fā)射中心組裝，并于2014年12月3號發(fā)射，將于2018年到達1999JU3，并將于2020年返回地球[23]。

圖7為隼鳥號和隼鳥2號探測器的離子發(fā)動機對比，從發(fā)動機側(cè)看的圖。隼鳥2號很多技術沿用了隼鳥號，已驗證的技術更具有可靠性，動力方面，采用4臺電推進發(fā)動機，大約只需要化學燃料推進的1/10的耗電量[24]。

中低功率ECRIT理論與數(shù)值模擬研究情況未見詳細報道。

圖7 隼鳥號（左）和隼鳥2號（右）探測器的離子發(fā)動機對比圖Fig.7 The ion engine contrast diagram of the Hayabusa（left）and Hayabusa2（right）

（2）高功率ECRIT研究

2003年，NASA格蘭研究中心針對深空探測器DS-1成功應用的30 cm離子推力器[25]，瞄準木衛(wèi)二號行星登陸器、土星環(huán)觀察器和海王星返回式采樣器的主動力裝置，制訂了新一代5～10年長壽命電推進研究計劃，其中包括40 cm、5 kW、2.45 GHz ECRIT的研制計劃[26]。

2005年NASA格蘭研究中心根據(jù)40 cm、5 kW ECRIT的研究情況，在高功率離子推力器研究項目（The High Power Electric Propulsion（HiPEP）thrust?er）的支持下，研制了15 kW、2.45 GHz矩形ECRIT，論證高功率微波放電ECR等離子體產(chǎn)生推力的可行性。在2.45 GHz推力器成功的實驗研究基礎上[27]，然后提高頻率到5.85 GHz以降低推力器體積，研制了小型化的推力器實驗模型并開展了相關實驗[28]。高功率ECRIT的理論研究與數(shù)值模擬情況未見報道。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)只有西北工業(yè)大學在開展ECRIT的相關研究。針對10 cm ECRIT，研究了過載和振動環(huán)境對柵極帶來的影響[29]，采用有限元分析軟件建立10 cm C/C復合材料柵極的有限元分析模型，計算分析了不同C/C復合材料性能柵極的力學新性能、頻率響應和振動模態(tài)[30]；采用ANSYS有限元分析軟件建立了三種磁路模型，計算了放電室內(nèi)的磁場分布，得出三種方案中電子回旋共振面的位置[31]，分析放電室材料不同時磁場分布的變化；計算了放電室內(nèi)和中和器內(nèi)的電磁場分布[32]；得出了方案中電子回旋共振面的位置。針對中和器的工作特點，設計了多種天線方案，計算了其對應的電磁場分布[33]。

3 關鍵技術

雖然ECRIT已經(jīng)實際的應用，但是目前來看，對于該對推力器的發(fā)展還有一些關鍵的技術問題需要解決：

（1）放電室內(nèi)壓力控制。一般來說，增加工質(zhì)流率，即提高放電室內(nèi)壓力，亦可提高推力器性能，然而對應特定的放電室，在特定工質(zhì)流率下存在最佳的工作點，同時放電室存在最佳工質(zhì)利用率。因此，對于不同的微波功率，對于不同的工作壓力，需要一個質(zhì)量流率控制器的積極調(diào)節(jié)。

（2）微波輸入功率。影響推力器性能的主要因素為輸入的微波功率，一般來說，加大輸入微波功率，可提高推力器性能，然而目前微波發(fā)生器效率有限，再加上微波傳輸過程中能量損失，限制了推力器的性能。微波在輸入放電室之前，要經(jīng)過調(diào)諧系統(tǒng)以增強等離子體對微波的吸收狀況，采用圓形波導裝置以避免駐波損失。中和器內(nèi)等離子體密度較高，采用天線將微波導入以增強微波吸收效率。

（3）放電室內(nèi)磁場位形設計。磁場設計要合理，避免等離子體的離子復合與對柵極系統(tǒng)的沖刷。同時要避免等離子體貼壁損失，放電室內(nèi)ECR區(qū)離子壁面較近，容易產(chǎn)生等離子體貼壁損失，這就需要一個較強的磁場約束等離子體電子，進而在放電室中形成穩(wěn)定的電場分布，達到約束等離子體的目的。

4 結(jié)論與展望

ECRIT離子推力器作為空間推進系統(tǒng)的主推進是很有前景的，目前已經(jīng)進行了大量的實驗和數(shù)值模擬研究，長壽命、高比沖的ECRIT離子發(fā)動機在深空探測任務方面有廣闊的前景。

國外ECRIT經(jīng)過30年的探索、研究、研制與開發(fā)，得了較大的進展和較為豐碩的成果。國內(nèi)僅有西北工業(yè)大學開展了這方面的研究，設計了ECRIT的樣機，并且進行了離子源的診斷實驗。目前國內(nèi)和國外的差距很大，通過對比研究現(xiàn)狀，應該從以下幾方面去努力：

（1）對于長期任務，需要長期的評估發(fā)動機的壽命，然而實時的評估隨著時間的增加變得越來越困難。因此這就需要建立數(shù)值模型，對其進行數(shù)值模擬，預測其性能和壽命。目前對其進行的數(shù)值模擬工作較少，下一步應該開展這方面的數(shù)值模擬工作，以便為實驗設計提供理論指導。

（2）同時應該優(yōu)化現(xiàn)有的放電腔的長度，磁場結(jié)構(gòu)和推進劑注入方式，同時提高微波功率轉(zhuǎn)換效率，以便使其更輕，結(jié)構(gòu)更加緊湊并且能夠適應更高的功率發(fā)射。同時應該提高微波輸入功率及適宜的磁場，以便能提高推力器的性能。

（3）開展真空環(huán)境下的長壽命實驗，預估推力器的壽命，同時借助于小推力測量系統(tǒng)，精確測量其推力。同時應該組織國內(nèi)相關優(yōu)勢單位，有針對性地開展該推力器的相關研究，加快關鍵技術的突破。

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PROGRESS ON THE RESEARCH OF ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE ION THRUSTER

SHI Feng，WANG Hao
（School of Physics and Electronic Information Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000，China）

The electron cyclotron ion thruster（ECRIT）is a type of static electric thruster，and has the advantages of high specific impulse，electrodeless and high durability，which make the thruster competitive in the applications on deep space probe and long life satellite.The working principle，development status and research progress of ECRIT were discussed and its typical structure was summarized.According to the actual situation，the research and development direction of the thruster are given.

electric propulsion；ion thruster；electron cyclotron resonance；microwave；electrostatic grid

V439

A

1006-7086（2017）05-0254-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.002

2017-07-08

國家自然科學基金（61501175）、河南理工大學博士基金（B2017-56）

石峰（1984-），男，河南人，博士，講師，主要從事電推進技術。E-mail：shf19841009@163.com。