高功率等離子體電推進技術研究進展

孫新鋒，溫曉東，張天平

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

高功率等離子體電推進技術研究進展

孫新鋒，溫曉東，張天平

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

高功率場反構型等離子體推力器具有高比沖、長壽命、大推力、高功率和高效率的特點，是未來深空探測任務最具競爭力的推進方案之一。針對國內外當前高功率電推力器的技術研究現狀，分析了場反構型等離子體推力器的優勢。結合場反構型等離子體電推力器的結構和工作原理，梳理了高功率場反構型等離子體的產生、等離子體約束和控制、地面測試設備等關鍵技術，從性能提升的角度分析了場反構型等離子體推力器的發展趨勢，為我國高功率等離子體推力器技術研發提供參考。

場反構型；電磁推力器；高功率

0 引言

高功率電推力器具有大推力、高比沖和高效率的特點。采用高功率電推力器動力裝置可極大提升空間飛行器的任務載荷，縮短任務時間，降低任務成本并提高任務效率。此外，高功率電推進技術還具有比重小、推功比大、性能零活可調、任務適應能力強等顯著優點，采用長時間連續工作的方式可以使航天器達到化學推進難以企及的飛行速度。因此，高功率推力器是極具發展前景的推進技術之一。

高功率電推進系統，由于其功率更高，在關鍵技術、能力水平和研究方案等方面均與中小功率推力器存在較大差別，難度也大幅度提升。盡管如此，美國于上世紀五六十年代已率先開展了高功率電推進技術的研究，經過幾十年的發展，在高功率等離子體推進技術領域積累了豐厚的經驗和基礎，設計研發了多種不同類型的推力器，為空間高功率電推進的應用提供了良好的條件。國內目前也在廣泛開展高功率推力器的研究工作，但技術水平與國外差距較大。通過梳理國內外高功率推力器的研究現狀，著重介紹了一種新型高功率場反構型電推進系統的優勢及其發展趨勢，為我國高功率等離子體推力器的研發提供借鑒。

1 國內外高功率推力器的發展現狀

具備大推力密度和高比沖的高功率電推力器，是開展空間探測任務所必需的先進航天動力裝置，應用前景廣闊。當前世界各航天大國都在開展高功率電推力器的研發工作，已經成功研制了多款不同工作原理的推力器樣機。其中可應用于兆瓦級高功率的推力器主要有五種，分別為磁等離子體推力器（MPDT）、可變比沖磁等離子體火箭（VAS?MIR）、脈沖誘導等離子體推力器（PIT）、無電極場反構型洛倫茲力電磁推力器（ELF）和雙階-四柵離子推力器（DS4G）。其中MPDT、VASMIR、PIT和ELF均屬于電磁推力器的范疇，DS4G屬于靜電類型的推力器，文章分別介紹其發展狀況。

1.1 磁等離子體推力器

MPDT是利用大電流陰極放電電離工質氣體產生高密度等離子體，并利用等離子體電流和磁場產生的洛倫茲力加速和排出等離子體而產生推力，如圖1所示。上世紀60年代，美國就已經開始了MPDT的研發工作，隨后歐洲、俄羅斯和日本等國家也相繼啟動了相關研究[1-2]。上世紀80年代后，隨著AF-MPDT（Applied Field MPD Thruster）的優勢凸顯，AF-MP?DT逐漸成為國際上主流的研究對象，主要集中于高功率（大于100 kW）、長壽命、適用于行星探測和環地軌道大載荷任務的AF-MPDT研究。

圖1 MPDT剖面圖Fig.1 Cross-section of MPDT

2011年意大利比薩大學研制的0.17 MW AFMPDT以氬氣作為推進劑的試驗結果顯示，性能可以達到推力3.5 N、比沖3 000 s、整機效率28%。意大利Alta公司研制的脈沖準穩態MPDT的性能為：功率0.1 MW、推力2.5 N、比沖2 500 s[2]。德國斯圖加特空間系統組研制的AF-MPDT DT-6，選用氬氣作為推進劑進行試驗，結果表明：功耗為0.55 MW，推力高達27 N，整機效率為27%[3]。俄羅斯莫斯科航空學院分別研制了30 kW、130 kW和200 kW的AF-MPD推力器，電流高達3 kA，應用磁場強度為0.112 T，效率可達45%[2]。

美國普林斯頓大學研制的AF-MPD推力器性能為：功率0.25 MW、比沖6 200 s、整機效率為60%。美國NASA噴氣推進實驗室和普林斯頓大學建造了鋰工質MPD推力器實驗設施，NASA建造了適用于氫等氣體的實驗設施[2]。

北京航空航天大學研制了20 kW的AF-MPDT，并進行了地面試驗。在18.7 kW功率時，推力器正常點火放電超過15 min[4]。目前，北京航空航天大學與北京控制工程研究所正在聯合開展50 kW級MPDT的原理樣機研制，預計2017年下半年點火。

盡管MPD的研究取得了長足的進展，但短期內還存在難以克服的困難。特別是“Onset”等離子體不穩定問題和大電流陰極的腐蝕問題，成為制約高功率MPD實現應用的主要因素。

1.2 可變比沖磁等離子體火箭

VASIMR推力器是利用射頻螺旋波放電產生高密度等離子體，通過離子回旋波共振加熱（ICRH）和加速等離子體，最后在磁噴管的約束下，將高速和高溫等離子體徑向能量轉化為軸向的等離子體動能噴出從而產生反推力[5]。VASIMR的概念是1979年由美籍華人張福林首次提出，當前國際上主要的研制單位為美國Ad Astra Rocket公司（AARC）[6]。美國先后研發了 VX-10[7]、VX-50[8]、VX-100[9]、VX-200[10]等多款VASIMR原理樣機（如圖2所示）。2009年最新研制的VX-200采用氬氣工質的性能指標為：功率0.21 MW、推力5.8 N、比沖5 500 s、效率72%[11]。

圖2 VASIMR推力器樣機圖[11]Fig.2 Prototype of VASIMR

西安航天動力研究所完成了4 kW螺旋波源、離子回旋共振系統、磁噴管試驗和關鍵技術的驗證，以及50 kW的HiMPE發動機系統集成設計[12]。已開展30 kW發動機系統點火試驗和性能測試[13]。

VASIMR的突出特點是比沖連續可調，能夠運行在大推力、低比沖或小推力、高比沖兩種模式。此外，還具有推進工質多元化、推力效率相對較高和壽命長等顯著特色。但是系統結構復雜、尺寸龐大、磁場強度高，存在由于使用超導線圈需要配備專用的低溫冷卻系統等問題。因此，VASIMR的復雜性、大尺寸和大質量極大制約其發展。

1.3 脈沖誘導等離子體推力器

PIT的概念由Dailey等[14]首先提出，是利用加速線圈的高壓脈沖電流放電擊穿工質氣體產生等離子體，加速線圈誘導等離子體形成逆磁電流面，與線圈電流反向的等離子體電流面通過電磁相互作用被排斥并加速，從而產生反推力。

圖3為PIT樣機，其性能為：比沖2 000～8 000 s，效率約50%；基本參數為：加速線圈直徑1 m，電壓15 kV，脈沖能量4 kJ[14]。2004年NASA聯合美國諾斯洛普格魯曼太空技術公司（NGST）和噴氣推進實驗室（JPL）等，開展核電脈沖誘導等離子體推力器（NUPIT）的研發[15]，NUPIT的功率為200 kW、比沖3 000～10 000 s、效率70%。PIT的優點是無電極濺射腐蝕、推進劑多樣、推力和比沖穩定可調。盡管PIT的研究積累了豐富的理論基礎和實踐經驗，但還存在許多技術瓶頸沒有解決，如開關、電源和注氣系統的壽命、推進劑電離率和加速效率偏低等問題[15]。

柵格數據處理庫（Geospatial Data Abstraction Library，GDAL）是一個在X／MIT許可協議下的開源柵格空間數據轉換庫。它利用抽象數據模型來表達所支持的各種文件格式。它還有一系列命令工具來進行數據轉換和處理。

圖3 脈沖誘導等離子體推力器樣機圖[14]Fig.3 Prototype of PIT[14]

國內僅有國防科技大學在開展PIT的研發工作，已經完成了脈沖氣體注氣供應閥電-機械轉換器、推力器感應線圈及放電回路的一體化設計、脈沖開關和電容器等方面的研究[17]。

1.4 新型無電極電磁推力器

ELF推力器是由美國MSNW公司發展的一款新型電磁推力器，如圖4所示，采用非感應射頻旋轉磁場（RMF）驅動等離子體電流（jθ）產生場反構型（FRC）等離子體，等離子體電流和徑向磁場（Br）產生的洛倫茲力（jθBr）加速并排出等離子體而產生反推力[18]。

圖4 ELF推力器點火放電圖Fig.4 The discharging of ELF Thruster.

MSNW公司2008年研制了第一代FRC等離子體構型的ELF電磁推力器，測試結果為單脈沖元沖量0.3 mN·s，采用空氣作為推進劑的效率為30%，比沖為1 500 s[19]。ELF-v2是第二代推力器，2012年研制成功，長度2 m，錐角12°，直徑20 cm，電壓2 800 V，比沖5 000 s，ELF-v2驗證了水作為推進劑的可行性[19]。ELF-300是另一款ELF推力器，錐厚5 mm，錐角8°，半徑14 cm，長度42 cm，采用氮氣工質的比沖為6 000 s，元沖量1 mN·s，效率50%。ELF-160是ELF-v2的改進產品，錐厚3 mm，錐角12°，半徑8 cm，長度20 cm，功率30 kW，驗證了H2O、CO2、CH4和火星大氣作為推進劑的可行性。

MSNW公司還研發了尺寸更小的電磁等離子體團推力器（EMPT），如圖5所示。EMPT饋入能量1 J/每脈沖，直徑44 mm，長度0.1 m，推力器功率5 kW時比沖4 000 s，元沖量為0.02 mN·s[20]。

圖5 無電極洛倫茲力EMPT推力器放電圖Fig.5 The discharging of electrodeless Lorenz force EMPT

1.5 雙階-四柵極離子推力器（DS4G）

2005年Fearn提出雙階-四柵（DS4G）離子推力器的原始構想[21]，四柵結構如圖6所示，通過將離子的提取和加速階段分離，保持提取離子密度不變的前提下通過增加電壓而獲得高電流密度，進而提高推力密度，從而提升推力和比沖。理論上最大加速電壓可達80 kV。因此，DS4G在現有離子推力器的基礎上可以極大提升推力和比沖，是高功率推力器備受關注的發展方向。

澳大利亞大學ESA-ESTEC推進實驗室2005年11月和2006年5月分別完成了5 cm直徑圓柱放電室雙階-四柵系統兩階段的試驗[21]，驗證了DS4G的實際可行性。試驗加速電壓30 kV，工質為氙氣，束流發散角2～4°，比沖14 000～15 000 s，推力密度8.4 mN/cm2，功率密度740 W/cm2，總效率70%。

圖6 雙階-四柵結構示意圖Fig.6 The structure sketch map of DS4G

DS4G的優點十分顯著，但高電壓對柵極的要求更加苛刻，能在超高功率下耐高壓和耐熱形變，這對柵極材料和工藝提出了極高的要求，短期內是一個難以解決的工程難題。國內蘭州空間技術物理研究所和哈爾濱工業大學在開展DS4G的研究。

綜上所述，當前世界各航天強國都在積極開展高功率等離子體推力器的研發，研制了MPD、VAS?MIR、PIT、ELF和DS4G等五種兆瓦級的推力器原理樣機，掌握了多種高功率推力器的關鍵核心技術，為未來深空探測任務的應用提供了技術支撐。

2 ELF推力器的工作原理及其優勢

2.1 ELF推力器的組成和工作原理

ELF推力器的結構剖面如圖7所示，主要由石英錐形腔體、脈沖注氣閥、射頻預電離系統、水平和垂直的兩組RMF天線、分段軸向場線圈以及增強徑向磁場的流通量環組成。石英腔為主放電室，注氣閥控制工質氣體的流率，預電離系統提供種子等離子體，RMF進一步電離工質氣體并誘導徑向磁場約束和加速等離子體，軸向場線圈和流通量環用于等離子體的控制和約束。

圖7 ELF推力器的剖面結構圖Fig.7 Cross-section of ELF thruster

ELF的工作原理：中性工質氣體經過射頻預電離系統放電產生原初等離子體，RMF射頻天線進一步電離中性氣體產生高密度等離子體，并通過環向旋轉磁場驅動電子形成環向逆磁電流；旋轉磁場、軸向磁場和逆磁電流經過非線性耦合相互作用，磁力線局部被撕裂并重聯產生FRC等離子體團，實現等離子體的高效約束。逆磁電流和徑向的梯度磁場產生軸向的洛倫茲力加速等離子體團，使其向下游加速和擴展并快速排出產生反推力。ELF推力器推力產生主要是通過不斷快速形成和排出的高速FRC等離子體團實現。

2.2 ELF推力器的優勢

表1給出了四種不同電磁推力器在200 kW功率時的性能參數，從比沖、推力、效率、比重和外形尺寸方面進行對比，ELF均占有顯著的優勢，更具發展潛力。盡管MPD的參數與ELF相近，但因壽命較短，嚴重制約了MPD的應用。從表1中可以看到ELF的最大推力可達18 N，理論效率高達85%，比重為0.25 kg/kW，直徑為0.38 m，長度為0.5 m。需要說明的是，DS4G因電極腐蝕問題，壽命有限，且缺乏相關實驗數據，因此表1中沒有進行對比。

場反構型ELF推力器是一種新型電磁推進系統，兼具高功率、高比沖和大推力等優點的同時，可運行在10 kW～MW功率水平、性能優異。ELF比沖在1 000～8 000 s，等離子體密度高達1018～1020m-3，推進劑電離率高、壽命長、無侵蝕、濺射和羽流污染問題，推進劑使用范圍廣，效率高（85%），比重小（0.25 kg/kW），已成為國際上開展深空探測任務極具發展潛力的推進方案之一。ELF的這些特點使其能夠完全滿足我國深空任務對高功率電推進系統的需求。

圖8是MSNW公司測量得到的ELF推力器磁場拓撲結構，其強度小于0.1 T，相較于VASIMR推力器的特斯拉量級磁場，ELF的磁場較容易實現。

表1 四種不同推力器的性能參數比較[15，18，22]Table1 The performance comparisons of four different electric thrusters

圖8 ELF推力器的背景磁場拓撲結構圖[10]Fig.8 The background magnetic field distribution of ELF thruster

3 高功率場反構型等離子體推力器發展趨勢

高功率場反構型等離子體電推進作為一種新型的推進技術，與傳統的離子、霍爾等中小功率以及MPD、PIT和VASMIR等高功率電推力器相比，ELF推力器在工作原理、技術方案和測試手段等方面均存在較大差別。通過調研國外研究情況，初步分析了高功率ELF的關鍵技術，并梳理了其未來的發展趨勢。

3.1 高功率場反構型等離子體的產生

高功率場反構型ELF推力器嚴格意義上來講也屬于脈沖等離子體推力器的一種，通過RMF驅動電流不斷快速形成和排出FRC等離子體而產生反推力，ELF和PIT的區別是等離子體電流的產生方式，ELF是通過RMF射頻誘導驅動，而PIT是通過脈沖感應的方式（∝ΔФ）。FRC構型的優劣對于工質氣體的電離率和等離子體的約束效果存在直接影響，因此場反構型等離子體高效的產生是ELF推力器工作的基礎和前提，是首要解決的關鍵技術。

ELF的FRC等離子體構型是通過軸向磁場、RMF射頻旋轉磁場和等離子體三者之間非線性相互耦合作用從而到達的一種動態平衡結構，要求三者之間高度匹配。但ELF是脈沖工作模式，軸向場和RMF均存在一個短暫的電流爬升時間，且脈沖注氣和預電離系統也存在一個短暫的響應時間，這對控制和電源技術提出了很高要求，特別是FRC的產生時間在微秒量級，控制技術是必須要考慮的因素。

3.2 高功率場反構型等離子體約束和控制

ELF等離子體主要通過FRC等離子體磁壓和熱壓的平衡而實現其穩態約束和控制，因此ELF推力器的磁場位形和大小決定了FRC構型等離子體的約束性能和控制效果。同時軸向磁場的磁梯度場對等離子體的擴展、加速和排出也具有重要的作用，決定了等離子體熱能向軸向動能的轉換（相當于磁噴嘴）效率。所以，高功率ELF等離子體約束和控制也即磁拓撲結構優化設計是ELF的一個重要關鍵技術。

磁場對等離子的約束和控制是一個動態平衡的過程，一旦局部平衡被打破、約束和控制將難以維持。當前的理論和試驗研究已經證明，在磁化等離子體內部存在著許多本征不穩定性，且這些不穩定性均存在一定的閾值功率，當輸入功率超過其閾值時，不穩定在時間和空間上以指數形式快速增長，從而導致局部失衡進而誘導等離子體破裂。破裂的危害一方面是推力器難以正常工作，另一方面是產生的高能粒子會對飛行器關鍵部組件造成損傷。高功率等離子體的不穩定性是ELF推力器等離子體約束和控制必須考慮的一個因素。

3.3 高功率場反構型推力器地面測試設備

高功率ELF推力器的地面試驗和測試是推力器研發必不可少的環節，根據推力計算式（1）：

可以看到在工質出口速度（u）有限的情況下，推力器的推力隨質量流率（M˙）的增大而增大。而當前國內外高功率（＜50 kW）的離子推力器，其質量流率最大也在10 mg/s左右[23]。從表1中給出的200 kW功率ELF推力器的推進劑流率可知，氙氣的最小流率為140 mg/s，這是離子推力器的14倍，如果ELF功率超過兆瓦，其工質流率會成百倍的增加。這對地面真空試驗測試設備提出了更高的考驗，要求抽氣能力也相應呈十倍甚至百倍的增加。此外，高功率推力器的羽流強度較主流的離子推力器也有極大的提升，要求地面真空設備的尺寸也大幅提升，這對高真空設備同樣提出了巨大挑戰。

3.4 高功率場反構型推力器發展趨勢

高功率場反構型推力器的研發還處在起步階段，主要的發展方向仍以其性能和效率的提升為目的，歸納可分為六個方面：

（1）等離子體約束時間提升。當前采用RMF射頻驅動的ELF推力器，等離子體約束時間相對較短（≤3 μs），嚴重影響其加速效果和推力器性能。通過優化FRC等離子體的約束性能提升等離子體約束時間，可顯著提升ELF的比沖和推力[19]；

（2）中性氣體夾帶。在任務確定、比沖完全滿足的情況下，高功率ELF通過在FRC等離子體團下游注入中性氣體，利用動量守恒適當減少推力器比沖，可以極大提升ELF的推力，同時中性氣體夾帶還可以起到熱轉移緩解和推力效率提升的作用[24]；

（3）徑向磁場增強。ELF推力器主要通過角向電流和徑向磁場耦合產生的洛倫茲力來加速和排出等離子體產生反推力。通過采用永磁體外加磁場的方式，能夠顯著增大ELF徑向磁場的強度，從而增大洛倫茲力，進而提高ELF推力器的性能[25]；

（4）ELF的高重復頻率脈沖穩態運行。ELF推力器的壽命受制于高頻脈沖注氣閥，研制超高壽命脈沖注氣閥是一條可行的解決途徑，但是難度極大。若能實現ELF推力器的脈沖重復頻率準穩態運行，采用連續注氣方式，可消除ELF對脈沖注氣閥的依賴，實現超長壽命[26]；

（5）推進劑共用技術實現。ELF對推進劑的適用范圍廣，但是存在不同推進劑的共用管理問題。解決ELF固態、液態和氣體推進劑的貯存、控制和管理共用技術，可極大拓寬ELF的任務區間[27]；

（6）RLC回路優化。通過增加回路電感而增加RMF峰值電流和電流爬升與等離子體反轉時間，進而提升FRC電路驅動效率和約束效果。通過控制脈沖電源電壓和電容來實現RLC電路的阻抗和調諧匹配，從而增大電流驅動效率，進而提升ELF推力器性能。

4 總結

在調研國內外高功率等離子體電推力器研究現狀的基礎上，著重介紹了一種新型高功率ELF場反構型電磁推力器的研究進展、組成結構和工作原理，對比分析了ELF的顯著性能優勢和發展潛力，初步梳理了ELF的關鍵技術難點及其潛在的發展趨勢，豐富了我國高功率電推力器的發展途徑，為推動我國高功率電推進系統的研發提供參考。

相較于其他類型的高功率推力器，ELF場反構型等離子體推力器的提出和發展時間均較短，我國與國外差距雖然明顯但并不突出。通過進行深入的技術研究和開展廣泛的合作，有望在短期內追趕和比肩國外技術水平，促進我國高功率電推進技術的進步，為深空探測任務打下堅實的基礎。

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THE STUDY OF HIGH POWER PLASMA ELECTRIC PRPULSION TECHNOLOGY

SUN Xin-feng，WEN Xiao-dong，ZHANG Tian-ping
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Field Reversed Configuration（FRC）plasma thruster with high specific impulse，long lifetime，large thrust，high power and high efficiency is the best choice for space exploration.The significant advantages of FRC plasma thruster has been shown according to the comparisons of the main high power thrusters in the world at present.On the basis of the structure and working principle of FRC，the key technologies such as the production of FRC plasma with high power，the confinement and control of the plasma，the test system on ground are extracted.The development trend of the FRC plasma thruster is predicted by the view of the advancement of its performance，and which provides a reference for the research of the high power plasma thruster.

field reversed configuration；electromagnetic propulsion；high power thruster

V439+.2

A

1006-7086（2017）06-0311-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.06.001

2017-08-02

裝備預研重點實驗室基金（61422070306）、國家自然科學基金（61702209）

孫新峰（1988-），男，河南洛陽人，博士研究生，主要從事空間推進物理與技術研究。E-mail：xinfenghappy@126.com。