孙新锋-场反构型电磁推进技术研究进展

　 场反构型 电 磁 推进技术研究 进展

　孙新锋，刘莉娟，耿海，吴辰宸，贾艳辉，郭宁 (兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室 兰州 730000)

　摘要: :

　 场反构型等离子体团推进是一种新型的电推进技术，利用等离子团产生的环向电流与外加径向磁场相互耦合产生轴向洛伦兹力加速等离子体。该技术潜在的优势可用于空间高功率、大推力和高比冲电推进，且推力和比冲连续可变，不存在由于电极腐蚀溅射和污染导致的寿命问题。本文介绍了兰州空间技术物理研究所在该技术领域的研究进展，通过开展场反构型等离子体团推进技术原理样机方案及结构设计等工作，完成了推力器原理验证样机研制，并对样机的技术和工程可行性进行初步的摸底试验。根据前期技术研究经验，提出工程化过程中需要突破的关键技术，为推力器样机的优化改进提供指导。

　关键 词 ：

　射频，超高比冲，离子电推进 1 引言

　大功率电推进因其大推力、高比冲的优良性能和广阔的应用前景，自上世纪 60 年代始，就受到了广泛的关注。目前美国、欧洲、俄罗斯和中国都在开展不同类型大功率推力器的研发。当前可应用于大功率的电推进，有离子推力器簇（IT）、霍尔推力器(HALL)、磁等离子体推力器(MPDT)、脉冲诱导等离子体推力器(PIT)、可变比冲磁等离子体火箭(VASMIR)和场反构型洛伦兹力电磁推力器(ELF)等多种类型。

　但与传统的霍尔、MPD 和 VASIMR 等已有的电磁类型推力器不同于的是，场反构型电磁推力器是全新型的电推进技术方案，无电极、性能连续可调节、多工质且效率较高。由于其显著的优势，场反构型电磁推力器具备较好的发展和应用前景，目前已成为国际大功率电推力器的研究热点。2008 年开始，美国 MSNW公司在 NASA 先进推进项目的支持下已经研发了多款场反构型等离子体电推进技术验证样机，并进行了试验测试。此外，美国空军研究实验室、劳伦斯利弗国家实验室、华盛顿大学、普林斯顿大学、日本宇航研究所、日本东京大学、新加坡南洋理工大学也均在开展场反构型电推进技术的研究。2018 年，美国 NASA 联合 MSNW 公司、华盛顿大学和 Helion 能源公司完成了 100kW 场反构型电磁推力器样机的研制，样机实物如图 1 所示，设计尺寸 Φ25×50cm，功率在 10kW~100kW 之间可调节，比冲范围为 1500s~8000s。

　图 1 美国 NASA 联合研制的 100kW 场反构型推力器样机实物图

　国内场反构型等离子体技术主要应用于磁约束核聚变，而场反构型等离子体电推进近几年才开始开展相关的研究，受物理机理、技术和工程等多种因素的制约，目前场反构型推力器等离子体高效产生和加速物理技术的研究并不充分，处于原理样机研制阶段。兰州空间技术物理研究所是国内最早开展该技术研究的单位，已经研制了1kW功率的原理样机，并进行了试验测试研究。

　本文结合场反构型推力器原理验证样机的研制情况，介绍了兰州空间技术物理研究所场反构型电磁推进技术的研究进展。

　2 场反构 型电磁 推力器 原理

　场反构型电磁推力器的原理，如图 2 所示，气体工质经过预电离，产生种子等离子体，种子等离子体在

　RMF 场和轴向场的作用下，产生大的角向电流，并诱导形成场反构型等离子体，角向电流和径向磁场耦合产生的洛伦兹力加速等离子体团并高速排出产生反推力。场反构型等离子体显著特征如图 2 右下角所示，闭合的磁场结构，内外反向的磁场和显著的分界面构型，约束等离子体电子和离子，并形成大的角向电流。

　图 2 场反构型电磁推力器工作原理图

　场反构型电磁推力器整体结构组成较为简单，主要有一组轴向线圈和一对正交放置的旋转磁场线圈构成放电和加速的主体，正交的两组线圈分别通入大小相等、相位相差 90 度的电流，从而在角向产生一个旋转磁场；轴向磁场线圈则在采用陶瓷或者石英材料的锥形放电室内部形成轴向和径向的磁场，轴向磁场约束的等离子体，径向磁场用于加速。此外，推力器还应包含用于辅助支撑、屏蔽的组件，以及电气接口和气量控制器等。

　3 场反构 型电磁 推力器 进展情况

　3.1 轴向磁场 线圈的改进 根据 1kW 功率场反构型电磁推力器的首轮试验结果，发现轴向磁场线圈发热严重。分析认为主要是采用了 Φ1.25mm 的粗口径导线，尽管降低了线圈绕制和加工难度以及整体的重量，但是后果是需要较大的电流，引起欧姆发热严重。鉴于此，重新加工绕制了轴向磁场线圈，如图 3 左图所示，改进后的轴向场线圈采用 Φ0.35mm 励磁导线，相较于初始的 Φ1.25mm 导线，显著特点是线圈匝数增多，电阻增大 6 倍。但是产生同等强度的磁场，需要通入的电流是原来的 1/15 倍，线圈的发热量极大降低。改进后的线圈铁芯结构，采用铝材质，重量较铜材质明显下降，但是会引起部分射频能量的耗散。新绕制的线圈在不同的电流强度下进行了测试，磁场大小的测量结果最大可达 250Gs，满足推力器的运行需求，具备可行性。

　图 3 场反构型电磁推力器轴向线圈及磁场测量

　3.2 旋转磁场 的改进 旋转磁场天线射频放电与等离子体密度、射频回路阻抗以及射频功率大小具有密切关系，理论计算结果表明 [2009] ，RMF 最佳的工作频段在 100kHz~5MHz 范围内。场反构型推力器的工作频率设计值为150kHz~2MHz，放电过程中 RMF 的实际频率值在 150kHz~200kHz 之间，满足设计要求，且基本实现了两组正交天线的相位差 90 o 匹配(如图 4 左图所示)。但放电频率相对较低，导致射频穿透有限，结果是驱动的等离子体电流不足，使得加速效果不充分。

　 图 4 场反构型推力器旋转磁场电源实验室模拟负载匹配试验 为了进一步提升放电频率，也即增大 RMF 场驱动的环向电流值，针对 RMF 线圈和电源回路进行了改进设计。RMF 天线采用口径更大的多芯高压漆包线，有效减少脉冲电流的趋肤效应。同时，对回路阻抗参数进行了分析和改进，有效的减小了回路等效电阻。关键电容参数估算方程如下：

　212P CU N 

　(1)

　其中，P 为功率，U 为最大充电电压，N 为最高放电重复频率，C 为储能电容。

　谐振电流波形：

　( ) sin( )tUi t e tL

　(2)

　显然，波形输出受参数谐振频率  和衰减系数 

　的影响，尤其是衰减系数  ，L 为电感。为了维持尽可能长时间的正弦振荡输出，在设计时应尽可能减小衰减系数：

　/ 2 R L  

　 (3)

　改进后的射频回路，实验室模拟负载匹配试验放电波形如图 4 右图所示，较图 4 所示改进之前的波形，放电振荡周期明显增多，衰减时间为定常数，约为 50μs。

　3.3 场反构型 推力器的试验测试 完成改进的场反构型推力器实物样机如图 5 左图所示。为了验证改进组件工程和技术可行性，开展了推力器的放电试验测试。试验条件如下，设备尺寸为直径 3m，长度 7m，配有真空抽气系统、地面供电系统、供气系统和设备控制系统。设备极限真空度<1e-5Pa，采用氙气工质，流率 40sccm 负载时，工作真空度可达到 3.6×10 -3 Pa。推力器的点火放电状态如图 5 右图所示，稳定放电持续 2h，且无任何明显的热、绝缘及振荡问题，测试结果表明推力器优化技术的合理性。

　图 5 场反构型推力器实物样机及放电试验测试 场反构型等离子体试验过程中，分别利用自研和外协郎缪尔静电探针开展等离子体密度参数的初步诊断测量，一方面是为了验证探针诊断技术在中低频放电等离子体中的可行性，另一方面是通过诊断结果，掌握等离子体的基本特性以及外部放电参数对放电的影响规律。两个探针分别置于推力器放电室末端下游 35mm和 45mm 中心处，等离子体密度测量结果如图 6 所示，探针加 70V 偏压，估算得到的平均密度约为 1e+18m -3 。这与国外同功率、同类型推力器的最高密度仍有较大差距，美国 MSNW 公司在 1kW 功率下测得场反构型推力器密度值为 2.5~5e+18m -3 。分析原因主要有两方面：一是射频功率由于穿舱导致传输距离(约 3m)过长，导致射频功率衰减过大，等离子体电离不充分；二是射频功率与等离子体的阻抗匹配不佳，功率耦合效率不高，导致功率损失。因此，场反构型推力器仍需开展进一步的测试优化及基础机理分析。

　 图 6 场反构型推力器实物样机及放电试验测试 4 4

　总结

　基于研制的 1kW 功率场反构型电磁推力器试验原理样机基础，进一步开展了场反构型电推进技术的研究，结合场反构型电磁推力器的前期放电试验结果及问题，完成了推力器部分组件的改进和性能优化。推力器放电测试试验结果表明: 1）场反构型推力器样机的轴向和旋转磁场线圈技术改进是合理可行的；2)利用郎缪尔探针搭建的等离子体密度诊断测试系统能够开展射频放电等离子体密度的诊断测试，经过定量的标定之后，可为后续推力器的试验测试提供数据支撑；3）当前推力器的性能与国外最优产品还具有一定的差距，需要持续开展基础机理研究和技术攻关。

　参考 文献

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