- 頭條北航宇航學院科研人員在微型射頻離子推力器研究領域取得新進展2022-04-18 作者：李亦非、付宸聰 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語微型射頻離子推力器具有結構簡單、工作壽命長、推力動態范圍大、性能調節響應靈敏等特點，是國際微電推進領域的研究熱點之一。射頻離子推力器電離室內的感性耦合放電等離子體特性和推力器的性能密切相關。 北京航空航天大學宇航學院的研究人員李亦非、付宸聰、蔡國飆、王偉宗，在2021年第15期《電工技術學報》上撰文，建立了多軟件聯合仿真的射頻離子推力器放電等離子體全局模型，對所設計放電室內徑為40mm的微型射頻離子推力器開展了包含電磁場、溫度場、電路、等離子體化學反應的多物理場耦合仿真分析，并研究了等離子體放電特征參數及推力器性能參數隨輸入功率、屏柵電勢、工質流量及射頻頻率等因素的變化規律。 結果表明，所建立的全局模型計算結果與實驗數據吻合良好，輸入功率、屏柵電勢、工質流量是調節微型射頻離子推力器性能的主要因素，該研究為綜合調控微型射頻離子推力器的工作性能奠定了良好基礎。
低溫等離子體在溶液處理、材料改性、能源轉換、生物醫學、航空航天等領域得到廣泛應用。經過近一個世紀的發展，應用低溫等離子體的電推進技術已經成為空間推進領域的研究焦點。2018年NASA提出了名為NextSTEP的一系列先進電推進計劃，展望了面向未來的電推進技術。
與利用燃料氧化燃燒產生推力的化學推進相比，電推進具有比沖高、推力小、控制精度高、使用壽命長等優點，尤其適用于航天器位置保持、軌道轉移、軌道維持、姿態控制和深空探測等執行太空任務。根據推進劑加速機制的不同，可將電推進分為三類：電磁推進、電熱推進和靜電推進。
靜電推進中的射頻離子推力器基于感性耦合放電技術（Inductively Coupled Plasma, ICP），比容性耦合放電具有更高的等離子體密度。其無放電電極，不存在電子轟擊式推力器的陰極壽命問題，同時沒有電子回旋共振式離子推力器微波功率傳輸耦合的復雜性，具有結構簡單、工作壽命長、推力動態范圍大和性能調節響應靈敏等特點，是國際電推進領域的研究熱點之一。
高推力精度要求的太空任務（如歐洲航天局的引力波探測計劃LISA）與協同運作的立方星星座任務（如SpaceX的通信網絡計劃StarLink）都迫切需要微推進系統。微型射頻離子推力器滿足體積小、質量輕、推力小、響應快速和控制精確的要求，除此之外，其結構簡單、工作壽命長，是最具有發展潛力的推力器之一。
國際上對微型射頻離子推力器的研究主要集中在歐美，典型樣機有德國吉森大學的RIT 10、RIT 4，美國賓夕法尼亞州立大學的MRIT，以及美國BUSEK公司的BIT 3。2001年ARTEMIS通信衛星上正式應用了RIT 10，用于執行南北位置保持任務，BIT 3在2020年之后可以搭載太空發射系統升空。國內對微型射頻離子推力器的研究時間較短，最早由中科院空間科學技術中心對RIT 15采用氙作為工質進行性能實驗測試。中科院力學所的μRIT-2.5已進行飛行驗證。
射頻離子推力器的性能與電離室內的ICP特性密切相關。相比于實驗，ICP數值仿真成本較低，可以揭示深層機理，因此得到國內外的廣泛關注。射頻離子推力器內部ICP的數值仿真模型主要有三種：全局模型、流體模型和粒子模型。
全局模型相比于流體與粒子模型，計算時間顯著減少，并且也是目前發展最完善的模型。但現有模型大多只關注電磁場中的等離子體反應，沒有考慮推力器柵極、溫度場、外部匹配網絡，與真實推力器有一定差距，無法對完整的推力器工作環境與工作過程進行復現。
針對上述問題，北京航空航天大學宇航學院的研究人員對依據縮尺準則設計的放電室內徑為40mm的微型射頻離子推力器進行分析，建立了基于多物理場耦合的射頻離子推力器全局模型，通過多軟件聯合計算，探究了等離子體放電特征參數，以及推力器性能隨輸入功率、屏柵電勢、工質流量及射頻頻率等因素的變化規律。
本研究中的射頻離子推力器結構如圖1所示，在圓柱形的放電室外側纏繞射頻線圈，線圈中通有頻率在幾到幾十兆赫茲的射頻電流，快速變化的電流在放電室內部產生變化的軸向磁場。由法拉第電磁感應定律可知，變化的軸向磁場在放電室工質內部會產生變化的周向電場，使中性粒子電離生成自由電子并在電場的作用下進一步轟擊其余中性粒子，以形成穩定的自持放電。
圖1 射頻離子推力器結構
等離子體中的離子被柵極系統加速引出，引出的羽流帶有正電荷，若直接排出會在航天器表面形成電荷積累，影響其正常工作，故在柵極附近安裝中和器。一般采用空心陰極作為中和器放出電子以中和羽流中的正電荷。射頻離子推力器的放電室內部沒有放電陰極、永磁體等組件，結構簡單，易于小型化。在實際的設計過程中需要考慮裝配與結構問題，使推力器可以長期穩定地維持良好的工作狀態。
圖2 推力器爆炸圖
科研人員根據小推力的設計目標，基于射頻離子推力器設計縮尺準則，結合推力器實際的工作環境與試驗條件，設計了一款放電室內徑為40mm、長度為30mm的微型射頻離子推力器，其爆炸圖如圖2所示。在正式點火試驗之前，為深入了解推力器放電室內部ICP放電的機理以及對推力器工作特性的影響，建立了基于多物理場耦合的射頻離子推力器放電等離子體全局模型，實現了多軟件聯合仿真。
圖3 全局模型流程
研究表明，所建立的全局模型計算結果與實驗數據吻合良好，輸入功率、屏柵電勢、工質流量是調節微型射頻離子推力器性能的主要因素，該研究成果將為綜合調控微型射頻離子推力器的工作性能奠定良好的基礎。
研究人員最后得到以下結論：
1）對所設計的內徑為40mm的微型射頻離子推力器在23W工況計算得到束流電流為30.8mA，推力為1.53mN；而德國吉森大學同尺寸同功率推力器RIT 4實驗束流電流30mA，推力為1.4mN，吻合良好，證明了所建立的全局模型合理性。
2）在其余參數保持不變時，屏柵電勢增加會使推力增大，與此同時等離子體特性參數幾乎不變。但是屏柵電勢的變化會使柵極系統偏離最佳導流狀態，加速柵極腐蝕。
3）當輸入功率在0-100W范圍變化時，推力器推力可以實現0-2.4mN的大范圍變化，故輸入功率的調節是推力調控的主要手段。
4）在工質流量為0.6sccm時，放電室氣壓為1mTorr（0.13Pa），此時隨機加熱碰撞頻率高于有效碰撞頻率、電子-離子碰撞頻率，在加熱機理的貢獻中占據主導地位。
以上研究成果發表在2021年第15期《電工技術學報》，論文標題為“微型射頻離子推力器放電等離子體全局模型仿真研究”，作者為李亦非、付宸聰 等。
