中国电工技术学会活动专区
CES Conference
阅读提示：本文约 2600 字
微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点，是国际微电推进领域的研究热点之一。射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关。 北京航空航天大学宇航学院的研究人员李亦非、付宸聪、蔡国飙、王伟宗，在2021年第15期《电工技术学报》上撰文，建立了多软件联合仿真的射频离子推力器放电等离子体全局模型，对所设计放电室内径为40mm的微型射频离子推力器开展了包含电磁场、温度场、电路、等离子体化学反应的多物理场耦合仿真分析，并研究了等离子体放电特征参数及推力器性能参数随输入功率、屏栅电势、工质流量及射频频率等因素的变化规律。 结果表明，所建立的全局模型计算结果与实验数据吻合良好，输入功率、屏栅电势、工质流量是调节微型射频离子推力器性能的主要因素，该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好基础。
低温等离子体在溶液处理、材料改性、能源转换、生物医学、航空航天等领域得到广泛应用。经过近一个世纪的发展，应用低温等离子体的电推进技术已经成为空间推进领域的研究焦点。2018年NASA提出了名为NextSTEP的一系列先进电推进计划，展望了面向未来的电推进技术。
与利用燃料氧化燃烧产生推力的化学推进相比，电推进具有比冲高、推力小、控制精度高、使用寿命长等优点，尤其适用于航天器位置保持、轨道转移、轨道维持、姿态控制和深空探测等执行太空任务。根据推进剂加速机制的不同，可将电推进分为三类：电磁推进、电热推进和静电推进。
静电推进中的射频离子推力器基于感性耦合放电技术（Inductively Coupled Plasma, ICP），比容性耦合放电具有更高的等离子体密度。其无放电电极，不存在电子轰击式推力器的阴极寿命问题，同时没有电子回旋共振式离子推力器微波功率传输耦合的复杂性，具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大和性能调节响应灵敏等特点，是国际电推进领域的研究热点之一。
高推力精度要求的太空任务（如欧洲航天局的引力波探测计划LISA）与协同运作的立方星星座任务（如SpaceX的通信网络计划StarLink）都迫切需要微推进系统。微型射频离子推力器满足体积小、质量轻、推力小、响应快速和控制精确的要求，除此之外，其结构简单、工作寿命长，是最具有发展潜力的推力器之一。
国际上对微型射频离子推力器的研究主要集中在欧美，典型样机有德国吉森大学的RIT 10、RIT 4，美国宾夕法尼亚州立大学的MRIT，以及美国BUSEK公司的BIT 3。2001年ARTEMIS通信卫星上正式应用了RIT 10，用于执行南北位置保持任务，BIT 3在2020年之后可以搭载太空发射系统升空。国内对微型射频离子推力器的研究时间较短，最早由中科院空间科学技术中心对RIT 15采用氙作为工质进行性能实验测试。中科院力学所的μRIT-2.5已进行飞行验证。
射频离子推力器的性能与电离室内的ICP特性密切相关。相比于实验，ICP数值仿真成本较低，可以揭示深层机理，因此得到国内外的广泛关注。射频离子推力器内部ICP的数值仿真模型主要有三种：全局模型、流体模型和粒子模型。
全局模型相比于流体与粒子模型，计算时间显著减少，并且也是目前发展最完善的模型。但现有模型大多只关注电磁场中的等离子体反应，没有考虑推力器栅极、温度场、外部匹配网络，与真实推力器有一定差距，无法对完整的推力器工作环境与工作过程进行复现。
针对上述问题，北京航空航天大学宇航学院的研究人员对依据缩尺准则设计的放电室内径为40mm的微型射频离子推力器进行分析，建立了基于多物理场耦合的射频离子推力器全局模型，通过多软件联合计算，探究了等离子体放电特征参数，以及推力器性能随输入功率、屏栅电势、工质流量及射频频率等因素的变化规律。
本研究中的射频离子推力器结构如图1所示，在圆柱形的放电室外侧缠绕射频线圈，线圈中通有频率在几到几十兆赫兹的射频电流，快速变化的电流在放电室内部产生变化的轴向磁场。由法拉第电磁感应定律可知，变化的轴向磁场在放电室工质内部会产生变化的周向电场，使中性粒子电离生成自由电子并在电场的作用下进一步轰击其余中性粒子，以形成稳定的自持放电。
图1 射频离子推力器结构
等离子体中的离子被栅极系统加速引出，引出的羽流带有正电荷，若直接排出会在航天器表面形成电荷积累，影响其正常工作，故在栅极附近安装中和器。一般采用空心阴极作为中和器放出电子以中和羽流中的正电荷。射频离子推力器的放电室内部没有放电阴极、永磁体等组件，结构简单，易于小型化。在实际的设计过程中需要考虑装配与结构问题，使推力器可以长期稳定地维持良好的工作状态。
图2 推力器爆炸图
科研人员根据小推力的设计目标，基于射频离子推力器设计缩尺准则，结合推力器实际的工作环境与试验条件，设计了一款放电室内径为40mm、长度为30mm的微型射频离子推力器，其爆炸图如图2所示。在正式点火试验之前，为深入了解推力器放电室内部ICP放电的机理以及对推力器工作特性的影响，建立了基于多物理场耦合的射频离子推力器放电等离子体全局模型，实现了多软件联合仿真。
图3 全局模型流程
研究表明，所建立的全局模型计算结果与实验数据吻合良好，输入功率、屏栅电势、工质流量是调节微型射频离子推力器性能的主要因素，该研究成果将为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定良好的基础。
研究人员最后得到以下结论：
1）对所设计的内径为40mm的微型射频离子推力器在23W工况计算得到束流电流为30.8mA，推力为1.53mN；而德国吉森大学同尺寸同功率推力器RIT 4实验束流电流30mA，推力为1.4mN，吻合良好，证明了所建立的全局模型合理性。
2）在其余参数保持不变时，屏栅电势增加会使推力增大，与此同时等离子体特性参数几乎不变。但是屏栅电势的变化会使栅极系统偏离最佳导流状态，加速栅极腐蚀。
3）当输入功率在0-100W范围变化时，推力器推力可以实现0-2.4mN的大范围变化，故输入功率的调节是推力调控的主要手段。
4）在工质流量为0.6sccm时，放电室气压为1mTorr（0.13Pa），此时随机加热碰撞频率高于有效碰撞频率、电子-离子碰撞频率，在加热机理的贡献中占据主导地位。
以上研究成果发表在2021年第15期《电工技术学报》，论文标题为“微型射频离子推力器放电等离子体全局模型仿真研究”，作者为李亦非、付宸聪 等。
中国电工技术学会
新媒体平台
学会官方微信
电工技术学报
电气技术
学会官方B站
新浪微博
今日头条号
《电工技术学报》：010-63256949/6981 邮箱：dgjsxb@vip.126.com 《电气技术》：010-63256943 邮箱：dianqijishu@126.com 编务：010-63256994；订阅：010-63256817 广告合作：010-63256867/6838
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
