张军军;夏广庆;周思齐;韩亚杰
【摘 要】目前广泛应用的电推力器中,大多采用加速单一正离子的方式来获得推力和相应比冲.该加速方式需要增设中和器,对喷射出的正离子进行中和以保持羽流电中性,否则将导致航天器自充电,对其通信和电子器件造成损害,并减弱加速场.为了简化系统结构,延长推力器寿命,提出了一种能够交替加速正、负离子来获得推力的电负性气体等离子体推力器.分析了该推力器的工作原理和加速过程,指明了包括电负性气体种类选取、电子过滤装置设计要求、如何施加周期性栅极偏置电压加速正、负离子以及合理诊断离子数密度等关键技术,为后续研究工作提供了参考. 唯美主义运动【期刊名称】《中国空间科学技术》
【年(卷),期】2018(038)005
超市品类管理
【总页数】8页(P55-62)
【关键词】电推进;正、负离子加速;电负性气体;电子过滤;周期性加速
【作 者】张军军;夏广庆;周思齐;韩亚杰
【作者单位】大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116024;大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116024;大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116024;大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116024
【正文语种】中 文杭州制氧机厂
【中图分类】V439.4
在传统栅极离子推力器中，正离子在放电腔内由稀有气体放电产生，随后通过栅极产生的电场加速喷出获得推力。在正离子喷出后，为了保持推力器整体呈电中性，需要额外增设电子发射源，即中和器，对喷出的正离子进行中和，中和器的寿命在一定程度上制约了传统等离子体推力器的应用。巴黎综合理工大学经过实验，提出了一种使用稀有气体(氩气)与电负性气体(SF6)的混合气体作为推进工质来产生和加速正、负离子的电负性气体等离子体推力器(PEGASES)[1]，之后针对具有相似物理、化学性质的气体工质(如Cl2、氧气O2等)展开了诸多研究。该推力器无需在推力器出口增设中和器，与传统栅极离子推力器明显不同。
无需使用中和器给电推进系统带来了诸多优势，最明显的是延长了其使用寿命，减少了结构部组件降低了系统复杂度和成本。传统栅极离子推力器需要外加电源为栅极供电，而电负性气体等离子体推力器可使用射频供电系统中的电源，通过设定不同占空比对正、负离子进行交替加速，无需另外增设电源，这将进一步简化推力器系统组成。此外，相比传统带有中和器的电推力器，该推力器在羽流区正、负离子复合速率更快，意味着达到电中性的时间更短，能够大幅降低推力器溅射时的带电粒子数，从而减缓推力器的腐蚀效应。如图1所示，电负性气体等离子推力器的工作过程为：将射频功率加载到放电腔，同时注入工质气体，工质气体在射频功率馈入的能量作用下发生电离产生正、负离子和电子，高温电子有利于工质气体电离产生正离子，低温电子通过与中性粒子有效结合产生负离子。获得正离子较容易，而负离子形成较复杂，使用磁过滤装置对电子约束使其降温并与中性气体结合可以有效得到负离子，这样就形成了含有极少电子的正、负离子等离子体，再通过栅极对正、负离子进行加速，喷出后自行复合呈电中性，无需加设中和器。
鉴于以上优势，对该种新型推力器的研究十分必要。
图1 电负性气体等离子体推力器工作原理Fig.1 The PEGASES concept
1 推力器发展现状
电负性气体等离子体推力器的提出是为了改善空间电推进系统的经济性和寿命。其无中和器的优势吸引了诸多国家的重点关注。美国乔治亚理工学院设计出了马歇尔推力器(MINT)，将电负性气体作为工质气体，交替加速正、负离子产生推力，实验结果较为理想[1]。法国巴黎综合理工学院最初于2009年设计研制了离子-离子推力器第一代原理样机[2]，在2014年又通过实验对以往结论进行验证总结，实现了该推力器成功点火，将等离子体中的电子数密度降到离子数密度千分之一以下[3- 4]。美国海军研究实验室通过试验证实了加载偏置电压可以从电负性气体等离子体中引出正、负离子[5]。
2 电负性气体等离子体推力器工作原理及过程
图2为电负性气体等离子体推力器三维模型示意图，使用电负性气体等离子体在于交替加速正、负离子以获得推力，该理念是电推进研发的全新方向。主要方法是通过建立分层高数密度的正、负离子等离子体，以便引出和加速等离子体，所喷出的正、负离子自行复合呈电中性，因此在推力器下游无需中和器，由于磁过滤装置对电子的束缚作用，在引出过程中羽流区电子极少，降低了羽流污染。该推力器工作主要分为三个阶段：1)电负性工质离
子化；2)正、负离子等离子体形成；3)正、负离子加速。
图2 电负性气体等离子体推力器三维模型Fig.2 3D model of PEGASES
(1)电负性工质离子化
工质离子化是最初的工作过程，在该过程中由射频功率源通过匹配器将能量传递给激发电离工质气体的天线[6-7]。确定射频耦合模式、推进工质注入方案、天线结构是工质离子化的重要内容，其中射频耦合模式决定了该过程效率的高低。
射频耦合主要用来传递能量[8-9]，主要方式有：容性耦合(CCP)、感应耦合(ICP)和波耦合[1]。容性耦合是由于鞘层在射频电压变化下导致电容变化使得电子获得能量激发放电。在感应耦合中，天线在射频功率源作用下产生了感应电场，电子在电场中获取能量激发放电。在波耦合模式中，射频功率源产生具有较高能量的电磁波，通过朗道阻尼作用将能量传递给电子激发放电。
经研究发现，铁磁强化后的感应耦合(FMICP)在能量传输效率上优于单纯的感应耦合(ICP)模式[10]。铁磁强化后的感应耦合能够在更宽的射频功率范围和气压条件下有效工作，且
便于对离子数密度进行调控。马歇尔推力器采用了适当磁导率的铁氧体环状磁芯，与一定射频功率源频率相匹配，可有效减小影响等离子体均匀性的容性耦合放电以及较低利用率的传输线效应。
为了获得理想推力、增大射频功率耦合效率、提高工质利用率，推进工质注入时采用多处均匀注入方式[4, 10]。适当增加天线宽度以确保推进工质获得足够的射频能量，提高离子化效率[1]。
电负性等离子体是一种除了离子化、复合之外，振动状态分解及改变也消耗能量的等离子体。因此，产生正、负离子比仅产生正离子消耗的电能更多。负离子会主动与正离子结合，两者间存在库仑力作用，提高了正、负离子结合效率，因此使用电负性气体等离子体最大的挑战是如何得到高数密度的正、负离子[2]。
(2)正、负离子等离子体形成[11]
正、负离子等离子体是除了中性粒子外几乎仅含有正、负两种离子和极少电子的等离子体。即带负电粒子的运动状态主要是由较重且难以运动的负离子决定而不是由轻小的自由
电子决定。带有该种负离子的等离子体与一般电正性和弱电负性等离子体明显不同。负离子主要通过自由电子与中性粒子结合形成，但是在射频放电过程中电子温度较高而不易完成两者的结合过程，所以需要对电子进行冷却[5]。根据该原理，正、负离子等离子体形成主要有三种方式：在脉冲电负性等离子体的余辉中形成；在电子束产生的等离子体中形成；在磁场约束的电负性等离子体边缘形成[12]。
图3为Midha和Economou在脉冲放电条件下得到的离子密度、电子温度随时间变化的一维流体仿真结果。当中断射频能量输入时，电子温度迅速降低，之后电子数密度随着负离子数密度的提高而降低，这是由于该部分电子与中性粒子结合形成了负离子所致，正、负离子等离子体在经过几十微秒之后有效形成[2]。
图3 离子数密度、电子温度在脉冲放电中的变化规律Fig.3 Ion densities and electron temperature in a high density pulsed chlorine plasma
从图3中可以看出，正、负离子数密度下降十分明显，这对于等离子体推进系统而言，脉冲方式获得的正、负离子效率较低。且等离子体施加脉冲需要增设相关设备，从而使得系统体积和质量增加。因此，对于电负性气体等离子体推力器而言，持续工作方式更为合理。
Walton等人在实验中发现，在持续电子束中可获得很高的负离子数密度，此时该等离子体中电子温度均很低(Te<1.0 eV)，因此电子结合率很高并且能够和电离率相比。如图4、图5所示，在电子温度低于1～2 eV时，电子结合率与电离率相当。大部分产生的电子转化为负离子，因此有效形成了正、负离子等离子体。研究表明，采用电子束来产生正、负离子等离子体非常有效，但是该方式增加了系统复杂度，尤其选用空心阴极作为电子源时，限制了使用寿命[2]。
随行夹具图4 SF6中离子化和结合率随电子温度变化曲线Fig.4 Ionization and attachment rate coefficients as a function of electron temperature in SF6
图5 Cl2中离子化和结合率随电子温度变化曲线Fig.5 Ionization and attachment rate coefficients as a function of electron temperature in Cl2
另一种产生正、负离子等离子体的有效方法是：使用适当的磁场将电子束缚在沿着磁场线的方向上，而允许离子在垂直于磁场线方向上运动，即电子过滤，该方式在约束电子的同时降低了电子温度，促成正、负离子等离子体的产生并且提高了电子利用率，图6为电子过滤装置示意图，磁场可使用电磁螺线管或者永磁体。如Walton等人使用100～200 Gs的磁
场来约束电子束[5, 13-14]，而Kawai等人使用2 000 Gs的磁场[15]。两者均在Ar/SF6混合工质和离子数密度为109cm-3的电区域获得正、负离子等离子体。Amemiya等人利用一系列永磁体获得了近乎不含电子的区域[2]，产生的氧离子数密度为109～1010cm-3。
图6 电子过滤装置Fig.6 Electronic filter device
(3)正、负离子加速
在有界等离子体边缘存在约束带电粒子的电势，可使达到器壁的正电流和负电流平衡。在通常情况下，等离子体是由数量相等的正离子和电子组成，其中电子比离子更易移动，因而等离子体相对器壁呈正电性。在等离子体和器壁之间的非电中性区域称作鞘层。为了维持离子流的连续，在电中性的等离子体和非电中性的鞘层之间一定存在一个过渡层或称预鞘层[16-18]，如图7所示。图中ne为电子数密度；ni为离子数密度；n0为中性粒子密度；x为器壁；Φp为等离子体电势；Φw为器壁电势。
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