磁等離子體動力推力器發展歷程及工程應用中關鍵技術分析①

王寶軍，周 成，李 永，湯海濱，王 戈，叢云天，趙博強

(1.北京控制工程研究所，北京 100094；2.北京航空航天大學，北京 100091)

0 引言

磁等離子體動力推力器(Magnetoplasmadynamic thruster，MPDT)從分類上來說屬于電磁加速推力器，其典型工作方式是以電場向推力器注入能量，并利用磁場對能量進行轉化，實現等離子體的加速[1]，相對于普通化學推進，MPDT可達到更高的比沖；相比于電熱式推力器和靜電式推力器，MPDT可以實現更大的推力。此外，由于MPDT的加速過程是電磁場同時作用，所以不需要過于依賴其中一種，因此相比于單純的電熱式或靜電式推力器，MPDT更容易實現高功率。而且MPDT的推力器外徑一般比較小，因此可以做到非常高的功率密度和推力密度。正是因為MPDT的這些特點，所以該推力器被視為未來深空探測任務主推力器的最佳選擇之一[1-2]。

以載人火星探測為例，假設航天器的重量為100 t，總速度增量為6.6 km/s。如果采用常規化學推進力，按照450 s的比沖來評估，需要347 t燃料進行地-火星轉移。而如果使用MPDT作為主推進，則比沖可提升至8000 s，此時僅需要8.78 t推進劑。因此，大功率MPDT的應用可大大增加有效載荷的比例。與傳統離子推力器和霍爾推力器相比，MPDT可提供相對較大的推力，從而有效縮短任務周期。

根據磁場來源的不同，MPDT可分為SF-MPDT(Self-field magnetoplasmadynamic thruster)和AF-MPDT(Applied-field magnetoplasmadynamic thruster)。SF-MPDT的磁場是由推力器工作時的放電電流通過電磁感應產生的，磁場方向是周向的。而AF-MPDT的磁場則由外部設備提供，磁場方向以軸向為主，同時也有部分徑向分量。作為電磁推力器的一種，MPDT的性能在很大程度上取決于磁場。因此，本文將從磁場源的角度介紹MPDT的發展歷程。

1 SF-MPDT的發展歷程

1.1 SF-MPDT的起源

MPDT的研究開始于20世紀 60 年代，DUCATI發現在以氫作為推進劑的熱離子加速中推力器的比沖達可高達10 000 s，效率可達到46%[3]，較常規熱離子推力器有顯著的性能提升。后經研究發現這種性能的提升就是SF-MPDT中的電磁加速機制所引起的。而當時離子推力器在使用中正遇到兩個問題[4]：其一是在比沖低于4000 s時，推力器的效率會急劇下降；其二是離子推力器的工作模式是高電壓低電流，而星上電源是低-中電壓、中-高電流源，兩者的工作模式匹配性較差。而MPDT的性能特點和工作特點恰好可以解決這兩個問題，因此美國政府、工業部門和大學實驗室均在SF-MPDT上投入了大量的研究。

1.2 SF-MPDT的工作機理

如圖1所示，典型的SF-MPDT由環形陽極和中心陰極組成。陽極和陰極之間的放電電流會產生周向磁場，而周向磁場又會與放電電流相互作用產生推力。SF-MPDTs中有兩種主要的加速機制：

(1)自身場加速[5]。當推力器的放電電流較大時電流本身可以感生出較為顯著的周向磁場，周向磁場和放電電流本身的相互作用力沿徑向和軸向均有分量。其徑向分量指向推力器中心軸，可使得等離子向中心集中，增加了推力器中心的壓力。最終該壓力會向下游膨脹，產生推力。其軸向分量則直接指向推力器下游，可直接產生推力。顯著的自身場加速往往需要較大的放電電流(一般至少是kA級的)。自身場加速一般認為是SF-MPDT的主導加速機制[6]。

(1)

式中μ0為真空磁導率；J為放電電流；ra、rc分別為陽極和陰極半徑。

Choueiri[7]修訂了上述理論，針對部分電離和完全電離兩種不同等子體形態進行了討論。

(2)氣動加速。當電流流經等離子體時由于焦耳加熱效應的存在，等離子體的內能會增加。當等離子體在物理壁面膨脹噴出的過程中，一部分內能會轉化為軸向動能，從而產生推力。這種加速機制即為氣動加速。氣動加速產生的推力大小如式(2)所示[7]。氣動加速對于SF-MPDT和AF-MPDT均有效。關于氣動加速對于總推力的貢獻比例目前有一定的分歧，有些學者認為氣動加速僅占很小比例，或者僅在高流量低比沖的特殊工況下才會值得考慮。但是也有學者認為氣動加速的占比不能忽略。

(2)

式中CS為離子聲速；KG為無量綱系數，取決于氣體流動相對推力軸線的角度或者作為在推進劑注射部位的區域上作用附加壓力函數。

圖1 SF-MPDT加速機理

1.3 典型的SF-MPDT

早期對SF-MPDT的研究主要集中在穩態推力器上，這種推力器結構和加速原理都相對簡單[8]。其工作時間從幾十秒到幾百小時不等。由于現有空間電源限制，高性能的穩態SF-MPDT在短期內幾乎不可能用于航天任務。因此，研究方向轉向準穩態或脈沖SF-MPDT，其工作周期通常小于1 s。

其中一款有代表性的為DT系列MPDT，DT系列SF-MPDT是由斯圖加特大學空間系統研究所設計的經典穩態推力器[9]。系列推力器具有相似的內部型面，但喉部直徑不同。推力器的典型配置如圖2所示。推力器由陽極、陰極和中性段組成。噴嘴外形由浮動電勢上的水冷銅段構成；陽極也由水冷銅制成；固體棒陰極由釷化鎢制成，通過鎢周圍供應推進劑。在高達550 kW的電功率水平、8000 A的電流水平以及27%的推力效率下，獲得了27 N的推力值。

圖2 典型DT系列SF-MPDT示意圖

另外，普林斯頓大學在美國宇航局的支持下，設計了一個用于準穩態SF-MPDT研究的基準推力器[10]，該推力器的設計初衷是研究MPDT的加速機理，其結構如圖3所示。與DT系列推力器不同，普林斯頓基準MPDT的陽極是一個環形鋁盤。陰極由釷鎢制成，背板絕緣體為氮化硼。推力器典型工作周期為1.2 ms，最高推力效率為55%。

圖3 普林斯頓MPDT示意圖

綜上所述，SF-MPDT雖然結構簡單，推力大，但由于加速度原理的限制，要獲得滿意的性能，必須要有高的放電電流。SF-MPDT的工作電流一般在kA以上。研制出具有如此高工作電流的長壽命陰極是一個極為困難的挑戰。因此，陰極壽命是制約SF-MPDT應用的主要因素之一。

2 AF-MPDT的發展歷程

2.1 AF-MPDT的起源

1988年前，大多數研究工作都集中在SF-MPDT，但是當時穩態SF-MPDT的性能不足以達到空間任務的需求，高性能參數則只能在脈沖工作模式下獲得。SF-MPDT的最佳性能是在1.5 MW的瞬態輸入功率下獲得的，其比沖達到了5000 s，效率達到了40%[11]。在穩態工作模式下，SF-MPDT為獲得較高性能，需要將功率提升到很高的水平[12]，此時的放電電流一般為幾千安培，甚至達到幾萬安培，這對于陰極設計會帶來極大的挑戰[13]。相比之下，在30 kW輸入功率下穩態工作的以鋰蒸汽作為推進劑的AF-MPDT則可實現70%的效率和7000 s的比沖[14]。即使使用常規推進劑，AF-MPDT也能夠在相對較低的功率下獲得相對較高的性能[15]。由于這些原因，后來研究人員將注意力逐漸轉移到了AF-MPDT上。

如上所述，SF-MPDT需要強大的放電電流來產生顯著的磁場。就產生磁場而言，它效率極低。因此，研究人員自然而然地想到用電磁線圈和永磁體等外部裝置為MPDT提供磁場。這就是AF-MPDT的起源。

2.2 AF-MPDT的工作原理

與用放電電流感應磁場相比，螺線管線圈能以較小的功率產生更強的磁場。因此，放電電流和推力器的功率都可以顯著降低。AF-MPDT的功率從幾十千瓦到數百千瓦。盡管總功率較低，但AF-MPDT的性能可以高于SF-MPDT。

由于AF-MPDT采用了不同于SF-MPDT的勵磁方式，因此兩種推力器的磁場特性也不同。SF-MPDT的磁場方向是角向的，而AF-MPDT的磁場方向是軸向和徑向的，如圖4所示。

圖4 AF-MPDT加速機理

AF-MPDT的四種主要加速方式[16]：

(1)渦旋加速。當有軸向附加磁場作用在放電腔內時軸向磁場與徑向電流會發生相互作用，作用力方向為周向，從而使得放電腔的等離子體產生渦旋運動[17]。渦旋運動本身不能直接產生推力，但是經過磁噴管作用之后，其旋轉動能則可以轉化軸向動能，從而產生推力，所以這種加速效應稱為渦旋加速[18]。渦旋加速的效果一般與附加磁場強度和放電電流成比例。這種加速效應一般被認為在典型的AF-MPDT工況中對總推力起主導作用[19-21]。

(2)氣動加速。與SF-MPDT中的氣動加速機理類似。

(3)自身場加速。與SF-MPDT中的自身場加速機理類似。但是由于AF-MPDT的放電電流一般遠小于SF-MPDT，所以放電電流的感生磁場一般比較弱，一般認為自身場加速對AF-MPDT的推力貢獻比較低。

(4)霍爾加速。在強霍爾參數條件下(即強附加磁場以及低推進劑質量流率)，徑向電流在軸向磁場的作用下會感生出角向電流Jθ，與自身場機制相似，角向電流與附加磁場產生箍縮力Jθ×Bz和軸向分量Jθ×Br，但與自身場不同的是，霍爾加速軸向分量的方向不能直接判斷清楚。其主要原因如圖5所示，強磁場下電子的周向遷移率會顯著下降，周向電子電流和離子電流的量級相當，總電流的方向性無法確定，霍爾電流與附加磁場的作用力方向也就無法確定[22]。

圖5 霍爾電流示意圖

以上即為MPDT中經典的四種加速機制的分類，然而，哪種加速機制起主導作用至今仍然備受爭議[23-26]。其原因可能是不同研究機構的MPDT結構和工況參數有較大的差異，因此不同推力器實際工作時占主導作用的加速機制有可能會各不相同。

2.3 典型的AF-MPDT

東京大學學者在對MPDT的研究中，通過改變放電室構型和注氣方式顯著改善了推力器的性能。基于MPDT推進系統高度簡化的特點以及高推力密度的優勢，研究人員認為MPDT對大空間結構的跨地球軌道運輸來說是一個充滿希望的方案，于是進行了衛星搭載實驗。1980年2月17日，日本發射了MS-T4試驗衛星[26]，該衛星上搭載了由日本航空航天研究所和東京大學聯合研制的MPDT推進系統。該MPDT系統曾在1980年3月24日至26日這段時間內在試驗衛星上運行，并完成了如下試驗任務：

(1)推進系統反復啟動試驗；

(2)利用衛星自旋速率變化測量推力器沖量；

(3)近零重力條件下在儲存和送料系統中的推進劑相變研究。

該推力器為脈沖工作模式，以NH3為推進劑，實測推力效率22%，比沖2500 s。整個推進系統運行正常，驗證了MPDT在軌應用的可行性。這也是公開報道的MPDT第一次在軌飛行。

推力器結構如圖6所示。

圖6 MS-T4衛星上搭載的MPDT

普林斯頓大學的LiLFA(Lithium Lorentz Force Accelerator)是一種以金屬鋰蒸汽作為推進劑的穩態AF-MPDT(推力器結構如圖7所示)，其設計功率為30 kW[27]。鋰是一種理想的MPDT的推進劑，因為其一次電離能非常低，只有5.4 eV，這低于常見的其他推進劑的第一電離能，例如Ar、Xe等，所以鋰推進劑極易發生電離。而鋰的二次電離能卻高達75.8 eV，遠高于其一次電離能，也高于其他常見推進劑的二次電離能。這就能避免過多的二次電離對能量的額外消耗。因此，LiLFA具有相對較高的效率，例如可在30 kW功率水平下實現高達70%的效率[16]。此外，鋰還可以降低MPDT陰極的電子逸出功，減少陰極燒蝕，尤其是在鋰中添加了少量的鋇之后效果更加顯著[28]。目前研究人員已經完成了數百小時的高功率(0.5 MW)壽命實驗，實驗結束之后沒有出現明顯的陰極侵蝕、陰極磨損和陰極銷熔等現象[29]。

圖7 LiLFA推力器輪廓示意圖

SX3推力器(結構如圖8所示)是一種大功率穩態AF-MPDT，由斯圖加特大學和意大利Alta公司(現更名為SITAEL)在歐洲航天局的歐盟計劃(大功率電力推進發展計劃)的支持下聯合研制[30]。推力器放電功率為7～115 kW，最大放電電流可達2000 A，磁通密度為0.4 T，SX3的單空心陰極為釷鎢(WT20)，擴展陽極為銅。陽極和陰極都是用水冷卻的，這樣推力器就可以持續以高功率工作。推力器的效率達到62%，這在以惰性氣體為推進劑的MPDT中屬于頂級水平。

圖8 SX3推力器輪廓示意圖

MAT-20和MAT-100是北京控制工程研究所和北京航空航天大學聯合設計的兩款以工程化為目標的MPDT。MAT-20是一種20kW級的輻射冷卻AF-MPDT，具有單通道空心陰極和圓柱形陽極，如圖9所示。MAT-20的最大功率為21 kW，推力為330 mN，比沖為3200 s，推力效率為23%。

(a)MAT-20 physical diagram

(b)MAT-20 outline diagram

由于冷卻能力有限，MAT-20不能長時間連續工作。為適應工程應用，研制了100 kW級水冷外加磁場磁等離子體動力推力器MAT-100，結構如圖10所示。

(a)MAT-100 physical diagram

(b)MAT-100 outline diagram

推力器的設計目標是高性能和連續工作能力。根據目標，采用了以下設計：

(1)多通道空心陰極。陰極由鉭鎢制成，有9個推進劑通道。

(2)擴張陽極。研究表明[31]，盡管發散陽極的穩定性可能較差，但與直筒型或收斂型發散陽極相比，發散型陽極對性能的改善更為有效。

(3)只提供陰極推進劑。研究發現增加陰極區推進劑供應可以改善推力器的性能[32]。為獲得更好的性能和簡化結構，放棄了傳統的陽極推進劑通道，全部推進劑由空心陰極提供。

(4)水冷結構。為保證推力器的連續工作，需要有效的傳熱結構。考慮到推力器的設計功率為100 kW，陽極和陰極將沉積相當大的功率[33-34]。因此，陽極和陰極均采用水冷結構。為保證換熱效率足夠高，使陰陽極溫度保持在可接受的范圍內，對推力器的換熱進行了模擬，結果如圖11和圖12所示。

圖11 陽極熱仿真結果

圖12 陰極熱仿真結果

2.4 AF-MPDT小結

AF-MPDT相對SF-MPDT而言，可在更低的功率下實現更高的性能。這是因為MPDT屬于電磁加速推力器，從能量守恒的角度來看，等離子體能量的源頭是電場。而磁場雖然不直接注入能量，但是無論是在SF-MPDT中還是在AF-MPDT中，磁場均起到了關鍵的能量轉換的作用，它可將電場注入的能量有效的轉化為產生推力所需要的定向動能。因此，MPDT本質上可以視為一種能量裝換裝置，其作用是將電能轉化為動能。從而其能量轉化效率也就成為了評價其性能優劣的標準，這也就是MPDT推力器效率公式(如式(3)所示)的本質。

(3)

綜上，從能量注入和能量轉化的角度來看，為實現推力器整體效率的提高，需要確保這兩個過程都保持較高的效率。其中能量注入效率與放電電流相關，能量轉化效率與磁場強度和磁場位型相關。SF-MPDT一般工作電流比較大，所以其能量注入效率很高，電功率可以達到幾百千瓦甚至兆瓦級別。但是其磁場必須依賴放電電流感應產生，其感生場強大小由式(4)確定。從式(4)可看出，盡管SF-MPDT的放電電流很大，但是電流的積分路徑較短(通常為0.1m量級)，所以產生的磁場相對較弱，這樣就導致了其能量轉化能力相對較弱。

(4)

式中L為電流積分路徑；I為電流大小；r為電流元與空間點的間距。

而對于AF-MPDT，由于其磁場是依靠附加的螺線管產生，盡管螺線管電流相對較小(即I較小)，但螺旋管內導線長度可達百米的量級，所以其積分路徑相比SF-MPDT有2～3個量級上的優勢，故AF-MPDT的磁場強度遠高于SF-MPDT，具有較強的能量轉化能力。

此外，AF-MPDT的附加磁場強度可以進行獨立調節，因此可根據推力器的實際功率來選擇合適的磁場強度，從而在非常寬的功率范圍內實現相對較高的效率。而SF-MPDT的磁場強度和放電電流基本是一一對應的，所以其最佳工作狀態往往需要進行精確設計，適應性相對較差。

3 MPDT工程應用中的關鍵技術

盡管MPDT在地面實驗中取得了優異的性能，但是目前為止僅有脈沖工作模式的MPDT實現了在軌應用，而穩態MPDT尚無飛行經歷。其主要原因是MPDT的典型工作功率相對較高，一般至少在10 kW以上。而為充分釋放其性能潛力，其功率還需要進一步提高。因此，MPDT在軌應用的關鍵技術實際也是大功率電推力器在軌應用中的通用關鍵技術。

3.1 大功率空間能源系統

MPDT的功率通常都比較高，前期國內發射的航天器的可用電功率相對較低，難以充分滿足MPDT的功率需求。但是這個問題隨著電推進的系統在航天器中逐漸普及，有望逐漸解決。以2019年底發射的東五平臺為例，該平臺的典型功率為21.6 kW，太陽能電池初期功率可到30 kW[35]，已經足夠支持MPDT的正常工作了。后期隨著太陽能電池技術進一步發展，空間能源將會更加充足，屆時大功率空間能源系統這一關鍵技術將有望突破。

除了衛星本身的太陽能功率提升之外，MPDT還可以借助空間太陽能電站獲得能源。空間太陽能電站是一種用來發電的地球同步軌道衛星，它搭載有巨型太陽電池板，可以產生GW級的電能，然后通過無線能量傳輸技術送達地面[36]。其可行性已經得到驗證，但仍有不少關鍵技術有待突破，美國已經有了建立太陽能電站的計劃[37]，我國也擬在2035年建成200 MW級的空間太陽能電站[38]。一旦空間太陽能電站技術成熟，大功率MPDT的能源問題將會徹底解決。

此外，還有空間核電源也是一種可以支持MPDT空間應用的技術方案。空間核電源與大功率電推進具有良好融合性，二者結合可以實現高能量密度、高比沖、較大推力[39]。從20世紀80年代末，俄羅斯就開始了空間核電源的空間測試。2003年美國開展了“普羅米修斯計劃”擬采用空間核電推進進行深空探測。我國也在積極開展空間核電源與大功率電推進結合的系統方案論證及部分關鍵技術的攻關工作。

3.2 推力器壽命

目前，MPDT的壽命主要取決于陰極。陰極的主要燒蝕機理主要包括等離子濺射、高溫蒸發、熔化噴射及化學反應。離子濺射造成的陰極燒蝕由式(5)確定。高溫蒸發引起的陰極燒蝕由式(6)確定，根據該式可確定陰極蒸發量與溫度的關系如圖13所示[40]。可以看出，隨著陰極溫度的升高，陰極材料的蒸發速率基本呈指數式增加。熔化噴射主要是發生在推力器啟動階段。而化學反應主要是由于推進劑或者真空艙內存在氧氣，從而造成陰極材料的氧化。

圖13 純鎢陰極陰極蒸發速率與溫度的關系

(5)

式中Γi為流向陰極表面的離子通量；f(E)為離子能量分布函數；Y(E)為陰極材料的濺射產額；Eth為濺射閾能值。

(6)

基于上述燒蝕機理，可從以下幾個方面進行優化實現MPDT陰極壽命的延長。

(1)提升陰極材料性能。通過優化陰極材料可降低陰極功函數，使得在相同的放電電流下陰極工作溫度更低，從而減少陰極的蒸發燒蝕。同時還可對陰極材料的抗濺射能力進行提升，減少離子濺射燒蝕。

(2)陰極結構的優化。除陰極材料外，陰極結構同樣對陰極燒蝕影響顯著。通過合理的陰極結構優化，增加有效的陰極電子發射面積同樣能降低陰極表面的電流密度，從而減輕陰極燒蝕。例如，采用空心陰極代替實心陰極，或更進一步地采用多孔空心陰極代替單孔空心陰極。這些方法均可有效提高陰極電子發射面積。

(3)采用特殊推進劑。部分特殊推進劑可與陰極材料相互作用，起到延長陰極壽命的目的。例如鋰推進劑，可降低陰極材料功函數，從而降低陰極工作溫度，實現陰極壽命的延長。

(4)優化推力器工況。MPDT陰極燒蝕的一個重要原因是啟動階段的點火沖擊對陰極造成的非穩態燒蝕[41]，通過工況優化，減少點火沖擊，同樣可以顯著減少陰極燒蝕。

(5)提高推進劑純度和真空艙的真空度，從而減少化學反應引起的燒蝕。考慮到空間中的良好的真空環境，實際在軌應用時僅需要提高推進劑純度即可。

3.3 推力器小型化和輕質化

作為空間推進裝置，小型化和輕質化對于降低發射成本有著重要的意義。就AF-MPDT而言，其質量和體積主要受限于附加磁線圈。地面實驗中考慮實驗成本和可操作性，多采用銅導線繞制的螺線管。在軌應用時為了控制體積和重量，可考慮采用超導線圈或者永磁體。

永磁體無需電源即可工作，可以減小推進系統的復雜性。同時永磁體磁源相比于常規銅線圈磁源在體積和重量方面也有一定的優勢。日本大阪理工大學在永磁體MPDT方面進行了比較多的嘗試，在JAXA的支持下，先后設計出了水冷永磁體MPDT[42]、永磁體多通道空心陰極MPDT[43]，并完成了初步的地面實驗。然后進一步的設計了全輻射冷卻的MPDT，并且對全輻射冷卻MPDT進行了全面的熱分析工作，從永磁體材料、熱傳導結構、以及組件表面發射系數等方面進行了詳細討論[44]。

除了永磁體磁源外，超導磁體也是另一種可行性較高的空間磁源方案。超導磁體可以實現極高的電流密度，所以無論是線圈功率、線圈體積還是線圈重量，相對常規銅線圈而言均有明顯的優勢。和永磁體磁源相比，超導線圈具有可調節性，根據推力器的實際工況進行磁場強度調節，可以使得推力器的工作范圍更寬。近年來，地面超導技術的應用日益廣泛，所以空間超導線圈技術也逐漸受到研究者的重視，成為未來實現以MPDT為代表的大功率電磁推力器在軌應用的一種頗具潛力的關鍵技術[45-46]。

4 結束語

本文從磁場來源的角度討論了MPDT的發展歷程，介紹了幾種典型的MPDT原理樣機的結構特點和工作參數。并從能量轉化的角度討論了SF-MPDT和AF-MPDT的優劣。SF-MPDT結構簡單，推力大，但由于加速度原理的限制，需要有高電流來維持高性能。AF-MPDT利用電磁螺旋管或永磁體，以更加高效的方式產生更強的磁場。由于工作機制的限制，SF-MPDT的能量注入效率較高，而能量轉化效率較低。綜合來看，AF-MPDT有著更寬的工作范圍和相對較高的綜合效率。

另外，本文討論了MPDT工程應用前需突破的一些關鍵技術，包括大功率空間能源技術、推力器長壽命技術以及推力器的小型化和輕質化，并提供了具體的技術路線。

就現有技術而言，MPDT已經具備了搭載飛行的條件，但是現有空間電源的功率水平尚難以充分發揮大功率MPDT的性能優勢。MPDT本身的壽命問題和輕質化小型化問題仍然需要做進一步的研究工作。總體來說，MPDT的工程應用雖仍有技術難度，但已經指日可待了。