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低溫等離子體在溶液處理、材料改性、能源轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過近一個世紀(jì)的發(fā)展，應(yīng)用低溫等離子體的電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)成為空間推進(jìn)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。2018年NASA提出了名為NextSTEP的一系列先進(jìn)電推進(jìn)計(jì)劃，展望了面向未來的電推進(jìn)技術(shù)。

與利用燃料氧化燃燒產(chǎn)生推力的化學(xué)推進(jìn)相比，電推進(jìn)具有比沖高、推力小、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于航天器位置保持、軌道轉(zhuǎn)移、軌道維持、姿態(tài)控制和深空探測等執(zhí)行太空任務(wù)。根據(jù)推進(jìn)劑加速機(jī)制的不同，可將電推進(jìn)分為三類：電磁推進(jìn)、電熱推進(jìn)和靜電推進(jìn)。

靜電推進(jìn)中的射頻離子推力器基于感性耦合放電技術(shù)（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(fù)雜性，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作壽命長、推力動態(tài)范圍大和性能調(diào)節(jié)響應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，是國際電推進(jìn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

高推力精度要求的太空任務(wù)（如歐洲航天局的引力波探測計(jì)劃LISA）與協(xié)同運(yùn)作的立方星星座任務(wù)（如SpaceX的通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃StarLink）都迫切需要微推進(jìn)系統(tǒng)。微型射頻離子推力器滿足體積小、質(zhì)量輕、推力小、響應(yīng)快速和控制精確的要求，除此之外，其結(jié)構(gòu)簡單、工作壽命長，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ耐屏ζ髦弧?/p>

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(jī)有德國吉森大學(xué)的RIT 10、RIT 4，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的MRIT，以及美國BUSEK公司的BIT 3。2001年ARTEMIS通信衛(wèi)星上正式應(yīng)用了RIT 10，用于執(zhí)行南北位置保持任務(wù)，BIT 3在2020年之后可以搭載太空發(fā)射系統(tǒng)升空。國內(nèi)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(xué)技術(shù)中心對RIT 15采用氙作為工質(zhì)進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)測試。中科院力學(xué)所的μRIT-2.5已進(jìn)行飛行驗(yàn)證。

射頻離子推力器的性能與電離室內(nèi)的ICP特性密切相關(guān)。相比于實(shí)驗(yàn)，ICP數(shù)值仿真成本較低，可以揭示深層機(jī)理，因此得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。射頻離子推力器內(nèi)部ICP的數(shù)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(jì)算時間顯著減少，并且也是目前發(fā)展最完善的模型。但現(xiàn)有模型大多只關(guān)注電磁場中的等離子體反應(yīng)，沒有考慮推力器柵極、溫度場、外部匹配網(wǎng)絡(luò)，與真實(shí)推力器有一定差距，無法對完整的推力器工作環(huán)境與工作過程進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。

針對上述問題，北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院的研究人員對依據(jù)縮尺準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的放電室內(nèi)徑為40mm的微型射頻離子推力器進(jìn)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(lián)合計(jì)算，探究了等離子體放電特征參數(shù)，以及推力器性能隨輸入功率、屏柵電勢、工質(zhì)流量及射頻頻率等因素的變化規(guī)律。

本研究中的射頻離子推力器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在圓柱形的放電室外側(cè)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(nèi)部產(chǎn)生變化的軸向磁場。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，變化的軸向磁場在放電室工質(zhì)內(nèi)部會產(chǎn)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(jìn)一步轟擊其余中性粒子，以形成穩(wěn)定的自持放電。

圖1 射頻離子推力器結(jié)構(gòu)

等離子體中的離子被柵極系統(tǒng)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(nèi)部沒有放電陰極、永磁體等組件，結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中需要考慮裝配與結(jié)構(gòu)問題，使推力器可以長期穩(wěn)定地維持良好的工作狀態(tài)。

圖2 推力器爆炸圖

科研人員根據(jù)小推力的設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于射頻離子推力器設(shè)計(jì)縮尺準(zhǔn)則，結(jié)合推力器實(shí)際的工作環(huán)境與試驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)了一款放電室內(nèi)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(diǎn)火試驗(yàn)之前，為深入了解推力器放電室內(nèi)部ICP放電的機(jī)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(shí)現(xiàn)了多軟件聯(lián)合仿真。

圖3 全局模型流程

研究表明，所建立的全局模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，輸入功率、屏柵電勢、工質(zhì)流量是調(diào)節(jié)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(diào)控微型射頻離子推力器的工作性能奠定良好的基礎(chǔ)。

研究人員最后得到以下結(jié)論：

1）對所設(shè)計(jì)的內(nèi)徑為40mm的微型射頻離子推力器在23W工況計(jì)算得到束流電流為30.8mA，推力為1.53mN；而德國吉森大學(xué)同尺寸同功率推力器RIT 4實(shí)驗(yàn)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(shù)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(shù)幾乎不變。但是屏柵電勢的變化會使柵極系統(tǒng)偏離最佳導(dǎo)流狀態(tài)，加速柵極腐蝕。

3）當(dāng)輸入功率在0-100W范圍變化時，推力器推力可以實(shí)現(xiàn)0-2.4mN的大范圍變化，故輸入功率的調(diào)節(jié)是推力調(diào)控的主要手段。

4）在工質(zhì)流量為0.6sccm時，放電室氣壓為1mTorr（0.13Pa），此時隨機(jī)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(jī)理的貢獻(xiàn)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

以上研究成果發(fā)表在2021年第15期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)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。