射頻離子電推進系統PPU研究現狀及發展建議

張余強 王少寧 武榮 陳昶文 胡延棟 李媛婧

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000)

電推進與傳統的化學推進方式相比具有高比沖優勢，可以大幅減小推進劑工質質量，提高航天器壽命，是今后航天推進領域的重要技術，目前應用最廣泛的電推進以霍爾推進和離子推進為主。近年來，在新興技術持續突破、“太空+互聯網”跨界融合、商業資本涌入的促動下，商業航天發展蓬勃，微小衛星發展態勢強勁，尤其自2013年開始呈爆發式增長，2019年全球發射航天器492顆，500 kg以下的微小衛星發射量達到395顆，占航天器發射總數的80%。另外，引力波探測、地球重力場測量等高精度空間科研任務也使得微小衛星行業迅速發展。

高性能的微電推進技術可以有效提高微小衛星的機動能力、控制精度以及在軌時間，是突破微小衛星能力瓶頸的重要手段[1-2]。傳統的考夫曼(Kaufman)離子電推進系統由于結構復雜，PPU電源模塊數量多，在小型化方面存在瓶頸。霍爾電推進系統雖然易于開展輕量化小型化設計，但是在微推力調節方面不具優勢。因此微牛級會切場推力器(μHEMPT)、場發射推力器(FEEP)、膠體推力器(CT)、射頻離子推力器等多種微電推進技術被提出。CT比沖偏低且推力調節范圍有限，FEEP存在推進劑污染的問題；而μHEMPT等其他推進技術雖具備寬范圍調節、高比沖的優勢，但是目前的技術成熟度較低。射頻離子電推進系統除了傳統考夫曼離子電推進系統的高比沖、羽流準直等優點外，還具有無內置陰極、結構簡單、易于小型化、無污染等優點，且有研究經驗可以借鑒，成為當前的研究熱點之一。

PPU作為射頻離子電推進系統的關鍵設備之一，為射頻離子電推進系統的組成部件提供正常工作所需的電壓和電流，對射頻離子電推進系統的效率和推力調節等性能起至關重要的作用，所以高性能PPU是研制先進射頻離子電推進系統的關鍵。本文對射頻離子電推進系統PPU的國內外發展現狀進行總結,針對射頻離子電推進系統的微型化發展趨勢分析了射頻離子電推進系統PPU設計的關鍵技術，并提出了今后發展策略。

1 射頻離子電推進系統PPU概述

射頻離子電推進系統由射頻離子推力器、PPU、推進劑儲供系統和數字控制接口單元組成[2]。射頻離子推力器結構較為簡單，關鍵部件包括電離室，射頻線圈、屏柵極、加速柵極和中和器，電離室用來產生等離子體，材料一般為石英玻璃或氮化硼陶瓷，形狀為圓柱體、錐形或者半球形。推進劑儲供系統用于給推力器提供產生等離子體的工質，而數字控制接口單元用于推力器的控制以及和航天器的通信。PPU的主要作用是將航天器母線電壓轉換為推力器各部分正常工作所需的電壓和電流，由射頻發生器電源、屏柵電源、加速柵電源、中和器電源等幾部分組成[3]。在推力器工作時，PPU主要功能和放電過程如圖1所示。

圖1 射頻推力器放電過程Fig.1 Discharge process of RIT

(1)射頻發生器電源通過傳輸線和匹配網絡給電離室外部射頻線圈提供電流，高頻變化的射頻電流感應出軸向磁場，該磁場在電離室內部感應產生一個渦流電場，該渦流電場使進入電離室的推進劑發生電離產生等離子體。

(2)屏柵電源和加速柵電源給離子光學組件供電，對放電室內被電離的等離子體進行聚焦、加速和引出，從而產生推力。

(3)中和器電源給中和器提供電壓，在推力器開始運行時進行點火放電并在推力器穩定工作時產生電子束來中和推力器噴出的離子流。

從射頻離子電推進系統的結構和工作原理可以看出：射頻離子推力器沒有永磁體、內置陰極等組件，使得PPU電源數量減少，結構簡單；推力器射頻功率和束流電流之間的明確關系和電離的固有穩定性提供了有效的推力控制策略；射頻推力器固有的推力穩定性結合推力的快速響應，射頻推力器的推力噪聲非常低，且束流電壓對推力的影響也很小。以上優勢使射頻離子電推進系統在微推進領域有巨大應用潛力。

2 射頻離子電推進系統PPU發展現狀

2.1 歐洲射頻離子電推進系統PPU發展現狀

1962年德國吉森(Giessen)大學的H.W.Loeb及其團隊最先開始研究射頻離子電推進系統。1992年吉森大學聯合Astrium公司研制的第一款射頻離子推力器RIT-10搭載尤里卡衛星(Eureca)進行了射頻離子電推進系統的首次空間驗證[2-3]，RIT-10的配套PPU額定輸入電壓為100 V，屏柵電源輸出電壓1500 V，輸出電流234 mA，比沖3400 s，射頻發生器電源的頻率為1 MHz、功率為156.3 W[4-5]。后續吉森大學在RIT-10的研究基礎上進行了微推力器的研制，但由于缺乏應用場景并未繼續，而是進行了RIT-15等大功率射頻離子推力器型譜化開發，并針對不同型號的推力器同步開展了配套PPU的研制工作[6-10]。

電推進系統的研制都是以需求為牽引，隨著激光干涉儀空間天線(LISA)衛星的引力波探測等空間科研任務對微牛級高精度推力調節要求的提出，吉森大學進行了小功率射頻離子電推進系統的研制，從2004年開始以RIT-10為基礎，利用相似準則進行了RIT-4、RIT-3、RIT-2和RIT-1的設計，PPU部分參數如表1所示[11-13]。2007年，吉森大學聯合推進系統制造公司(Astrium)和離子光學設計公司(IOM)開發了聚焦于微推進應用的RIT-μX推進系統，并研制了相配套的小功率電源處理單元[14]。此PPU的屏柵電源輸出電壓為800～2000 V可調，額定電流8 mA，加速電源輸出電壓-1000 V，電流1 mA，PPU總功率只有57 W，可以實現50～150 μN的推力調節，推力調節分辨率可達0.1 μN。

表1 RIT-4、RIT-3、RIT-2和RIT-1的PPU部分參數Table 1 Part parameters of RIT-4、RIT-3、RIT-2 and RIT-1 PPU

2.2 美國射頻離子電推進系統PPU發展現狀

美國的Busek公司直接面向未來的小衛星編隊、立方星以及高精度科研任務的需求，汲取歐洲在小功率射頻離子電推進系統的研究經驗，重點開發了可以應用于小衛星和立方星領域的小功率(100 W以內)射頻離子電推進系統BIT-1、BIT-3、BIT-7。其中BIT-1的額定功率為20 W(10 W射頻功率+10 W直流功率)，可以實現30～150 μN的連續推力調節，分辨率可達0.1 μN，BIT-3的額定功率為124 W(40 W射頻功率+84 W直流功率)，該推力器PPU屏柵電源輸出電壓2000 V，輸出電流21 mA，可以實現0.66～1.24 mN的連續推力調節。NASA的空間發射系統(SLS)探索任務-1(EM-1)原計劃于2018年將13顆6U立方星發射升空，該任務采用的正是BIT-3碘工質射頻離子電推進系統，但由于火箭組裝原因，該計劃將推遲到2020年底進行。

Busek公司在德國射頻離子電推進系統研究基礎上在PPU設計方面做了開創性的工作，在進行BIT-1的PPU設計時提出了負載相關諧振功率振蕩器(Load Dependent Resonator Power Oscillator，LDRPO)拓撲結構[15]，如圖2所示。傳統的射頻發生器電路轉換效率低，且需要復雜的匹配網絡才能達到最大效率，LDRPO拓撲采用了基于Royer變換器的自適應諧振推挽功率轉換器，將信號發生器和功率放大器電路集成在一起，并實現負載阻抗的自動匹配而不需要設計復雜的匹配網絡。該設計將推力器封裝在同軸外殼中，通過減少RF線圈的路徑長度來減輕射頻線圈中的寄生損耗，使得射頻發生器具有更高的轉換效率同時減小了電源系統空間占用率。

圖2 LDPRO技術系統框圖Fig.2 System block diagram of LDPRO technology

此外，BIT-3還采用了獨特的分離式PPU設計，如圖3所示，PPU的兩部分通過31針連接器和柔性電纜組件連接，其中右部分包含為系統中所有低壓硬件提供動力的電源、2000 V的高壓電源模塊和基于現場可編程門陣列(FPGA)的數字控制接口單元；左部分則由一個射頻放大器電路和輔助高壓電路構成，高壓輔助電路為加速柵極提供電壓；可將高壓部分和低壓部分隔離，并且充分利用空間資源，提高系統集成度。

圖3 BIT-3的PPU結構Fig.3 Construction of BIT-3 PPU

2.3 我國射頻離子電推進系統PPU發展現狀

我國對射頻離子電推進系統進行的研究單位主要有中科院力學所，中科院微電子所以及中國空間技術研究院蘭州空間技術物理研究所。中科院力學所研制了μRIT-1、μRIT-2、μRIT-4等多款推力器，其中μRIT-1射頻發生器采用德國R&S公司的射頻電源，通過由一組固定電容組成的匹配網絡與射頻線圈相連，屏柵電源和加速柵電源分別采用了威斯曼公司的0～2000 V和-500～0 V的高壓電源。2019年搭載“快舟”火箭發射的微重力技術試驗衛星安裝了中科院力學所的一款μRIT[13]，用來驗證引力波探測的無拖曳控制技術，總功率為60～100 W，PPU屏柵電源電壓600～2000 V，電流7～18 mA,推力范圍5～50 μN，分辨率優于1.5 μN(與國外0.1 μN的分辨率相比有一定差距)。中科院微電子所也研制了一款RIT-3.6推力器，可以實現2 mN推力水平，PPU采用的射頻發生器電源為中科院微電子所自主研發的4 MHz射頻電源及匹配模塊[16]。蘭州空間技術物理研究所開展了LRIT-40射頻離子電推進系統試驗樣機的研制[17]并進行了實驗研究，在屏柵電壓1200 V，加速電壓-250 V，射頻功率100～400 W下，束流實現了從44～467 mA寬范圍調節，推力調節范圍為1.5～4.7 mN。此外還有哈爾濱工業大學等一些單位也在進行射頻離子電推進系統相關的研究，但大多處于原理樣機階段，目前國內尚未有研究機構專門進行射頻離子電推進系統PPU的研制工作。

2.4 發展總結

通過調研分析可以得出以下結論：隨著空間任務對無拖曳控制、高精度連續可調的微電推進技術需求，國內外射頻離子電推進系統研究方向聚焦于微推力領域，已研制出的射頻離子電推進系統PPU也以小功率為主；德國RIT系列和美國BIT系列射頻離子電推進系統研究已經比較成熟，核心設備之一的PPU已實現工程化，在高分辨率調節、系統集成化等方面有顯著進展，我國雖已經開展了推力器相關研究，但還未有研究單位專門進行配套PPU的研制，PPU電源技術方面和國外還有很大差距。

3 射頻離子電推進系統PPU關鍵技術

3.1 高分辨率屏柵電壓調節技術

微小衛星進行無拖曳控制要對實時變化的軌道阻尼作出及時、準確的響應，必須采用高分辨率推力調節技術。具體到射頻離子電推進系統，調節參數主要有：射頻功率、工質流率和屏柵電壓。其中射頻功率主要影響放電等離子體密度，若射頻功率變化過小，放電等離子體密度幾乎不發生變化；若射頻功率變化過大，放電等離子體密度變化程度也較大，相應的推力變化幅度也較大，很難實現高分辨率調節。工質流率也影響放電等離子體密度，其調節特性與射頻功率相似，也很難實現高分辨率調節。屏柵電壓的改變，能夠非常靈敏地影響推力，其精度由屏柵電源輸出精度決定。因此，高精度高分辨率的屏柵電源電壓調節技術，是研發高性能射頻離子電推進系統PPU的關鍵技術之一。

3.2 射頻功率高效傳輸與耦合技術

PPU射頻發生器電源功率傳輸與耦合效率，對射頻離子電推進系統效率具有決定性意義[18]。圖4為射頻發生器電源與射頻線圈、等離子體的等效電路圖，射頻功率傳輸是指功率從射頻電源模塊傳輸到射頻線圈的過程，傳輸效率越高，射頻線圈所能獲得的能量越高；射頻功率耦合是指射頻線圈功率通過感性耦合方式傳遞給放電等離子體，耦合效率越高，用于放電的能量越高。射頻離子電推進系統電效率等于傳輸效率與耦合效率的乘積，整機效率等于電效率與工質利用率的乘積。射頻離子推力器工質利用率與放電損耗存在拐點，在該拐點處效率最佳，過分提高工質利用率會造成放電損耗急劇增加，反而降低放電效率。因此，單純依靠提高工質利用率來提升整機效率是不可行的，必須通過提升射頻功率傳輸與耦合效率來提升PPU乃至系統效率。

圖4 射頻發生器電源與射頻線圈、等離子體的等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of RF generator power supply, RF coil and plasma

射頻發生器電源的傳輸和耦合效率由兩個因素共同決定：PPU射頻電源匹配網絡參數和放電室壁厚。其中匹配網絡的設計是為了實現射頻功率的最大功率傳輸。所以從PPU設計角度來看，提高射頻離子電推進系統整體效率的關鍵在于匹配網絡的優化設計。

3.3 輕量化集成技術

微小衛星小體積、低質量的特點要求應用于微小衛星的先進微電推進系統必須具備高度集成化的特點，而關鍵組件的輕量化集成設計是系統集成的基礎，所以PPU的輕量化集成設計對于射頻離子電推進系統的系統集成至關重要。相比于考夫曼型離子電推進系統等電推進系統，射頻離子電推進系統自身的結構特點減少了PPU電源數量，使PPU體積大大減小，但為了進一步減小PPU體積和質量，還需要從電源模塊的電路拓撲設計、器件選擇等方面考慮。

4 射頻離子電推進系統PPU發展建議

針對射頻離子電推進系統PPU關鍵技術、發展趨勢以及我國的發展現狀，提出以下發展建議。

1)采用數字化控制技術

相對于模擬控制技術，數字控制技術具有其獨特優勢：在線可編程能力、先進的控制算法和更靈活的操作手段。數字電源不存在模擬電源中常見的誤差、溫度影響、漂移等問題，可以獲得一致、穩定的控制參數。基于FPGA或數字信號處理器(DSP)的數字控制技術搭配先進的控制算法可以實現屏柵電源輸出的高精度調節，進而實現推力器推力的高分辨率調節。數字電源的可編程性使得PPU的通信、檢測以及遙測功能都可以通過編程來實現，而且可以進行參數調整和修改，實現靈活的系統級控制。此外，電源的數字化減少了電源模塊的元器件數量,可以有效提高PPU集成度。

2)采用自適應阻抗匹配技術

目前國內對于匹配網絡設計，采用在地面試驗中用手動調節來確定電路參數，但由于人為因素的影響，調節精度低，反應時間長，而且射頻離子電推進系統電離室內的等離子體負載實時變化，手動調節確定的參數在在軌應用中無法進行實時改變。自適應阻抗匹配技術則可以將實時變化的負載阻抗變換到與傳輸線特征阻抗一致。自適應阻抗匹配技術可以利用反射系數的模和相位信息或者神經網絡和遺傳算法等人工智能算法，在在軌應用時實時計算出匹配網絡的最佳匹配參數，然后實現阻抗的自動匹配[19]，進而可以實現最大功率點的實時跟蹤，提高功率傳輸效率。

3)采用磁集成技術

磁集成技術[20]是指通過一定的耦合方式，合理的參數設計，使電力電子裝置中的磁性元件(變壓器、電感等)集成在一個磁芯上，將多個分立元件變成一個集成磁元件。射頻離子電推進系統PPU由多個開關電源模塊組成，每個電源模塊都有變壓器，電感等多個磁性元器件，利用磁集成技術將開關電源中所有主要磁性元件集中在一起，可以有效減少電源內部元器件數量和體積，進而達到減小PPU整體體積的目的，同時還可以減小電源輸出紋波，提高電源功率密度。

5 結束語

商業航天的崛起和高精度控制空間科研任務對微電推進系統提出了推力高分辨率連續可調、輕量化等要求。PPU的集成化、數字化設計對射頻離子電推進系統的高分辨率調節及輕量化等方面起重要作用，國外射頻離子電推進系統PPU技術已較為成熟，為我國的射頻離子電推進系統PPU研制提供了很好的技術參考。應借鑒國外電推進PPU技術發展模式，通過多元合作突破數字化技術、磁集成技術以及射頻電源的自適應阻抗匹配技術等難點，促進射頻離子電推進系統PPU研制技術的快速提升。