百千瓦級大功率磁等離子體動力推進系統設計研究 ①

叢云天，李 永，湯海濱，周 成，王寶軍，趙博強，王 戈

(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

隨著人類在太空探索領域的不斷前行，航天任務對推進技術提出了更高的要求。化學推進技術因為比沖低，難以滿足未來太空探索對動力系統的要求，因此需要一種高比沖的推進技術來取代化學推進。磁等離子體動力推力器(MPDT，Magnetoplasmadynamic Thruster)是大功率電推進技術的典型代表，其特點是比沖高、推力密度大，且易于實現大功率[1-3]，是一種理想的替代技術。以火星探測任務為例，假設有效載荷為100 t，所需的速度增量為6.6 km/s，如果采用化學推進(比沖450 s)，需要347 t推進劑；采用MPDT的推進系統(比沖8000 s)，僅需要8.78 t推進劑。應用大功率MPDT可大幅提高有效載荷比。相對于目前離子和霍爾電推進，MPDT可提供相對較大的推力，極大縮短任務周期。

目前，美國、俄羅斯和歐洲等世界主要航天強國正制定和實施多項遠距離深空探測計劃，所有計劃均將高性能空間推進技術作為關鍵技術。國內也將逐漸開展載人登月、火星探測以及木星探測等深空探測任務，對推進系統提出了新的更高要求。對推進系統的要求主要體現在三個方面：一是高推進效率和高比沖，提高有效載荷質量；二是大速度增量和大推力，縮短任務周期；三是長壽命，支持航天器在不同軌道之間反復轉移。大功率電推進在節省航天器質量、提高機動性等方面擁有傳統推進技術無可比擬的巨大優勢，已經成為航天器推進技術的必然發展方向。從未來航天任務需求以及電推進技術的發展趨勢出發，急需發展大功率電推進技術以全面滿足航天器對推進技術性能的新要求。從2013年開始，北京控制工程研究所聯合北京航空航天大學開展了百千瓦級附加場磁等離子體動力推力器的研制與試驗，截止2019年，其功率已達114 kW，最大推力3 N，最高比沖5300 s，最高效率69%。限制MPDT空間應用的方面主要包括效率、陰極壽命、磁線圈質量等。在效率方面，根據德國IRS的最新研究結果，采用氬氣為推進劑的MPDT可實現70%的效率，與采用堿金屬鋰Li為推進劑的效率相當，鋰推進劑存在星上存貯和污染等問題。而磁線圈的質量可通過采用超導磁體的方式大幅降低[4-7]。

針對上述技術難題，北京控制工程研究所聯合中科院物質科學研究所進一步開展了基于強磁磁場線圈的百千瓦級MPD系統方案設計，并進行了初步優化。

1 國內外MPDT技術研究進展

國內外MPDT技術研究對比分析如表1。

表1 國內外MPDT技術研究對比

區別于常規的分類方式，這里將國內外的MPDT技術分為4種類型：

(1)Arcjet型。研究開展于20世紀60年代初至70年代中期，主要集中于電磁加速效應的驗證與原理研究，其研究機構包括Electro-Optical System,AVCO 研究實驗室,McDonnell Douglas Corporation以及German Aerospace Centre (DLR,前身為DFVLR)。

(2)Self-field型。研究開展于20世紀80年代末，且至今仍有機構研究，主要集中于高功率(100 kW～MW級)試驗及材料研究，其中較為重要的美國NASA-Glenn的Myers團隊、俄羅斯MAI、德國斯圖加特大學IRS以及日本Osaka大學。

(3)傳統Applied-field型。從20世紀90年代末開始，傳統附加場MPDT(即采取傳統銅螺線管或銅帶繞制的磁線圈并采取水冷冷卻方式)在國內外被廣泛研究，如美國NASA JPL/普林斯頓大學、俄羅斯MAI、德國斯圖加特大學、意大利Alta S.p.A以及中國北京控制工程研究所和北京航空航天大學。值得一提的是德國SX3型MPD推力器近年來取得了極大的突破，尤其是在性能上，在附加磁場強度400 mT下，SX3采用氬氣為推進劑，可實現62%的推進效率和5097 s的比沖，功率達到114 kW(放電電流可達750 A)[13-14]。

(4)超導Applied-field型。近年來，各國相繼提出了將超導技術應用到AF-MPDT的研究中，可提供高磁場強度以獲得更高的工作電壓，從而降低放電電流以及空心陰極的研制難度。最早提出超導型MPDT概念的是NASA于20世紀70年代初期，擬采取低溫液氦，如圖1所示[15]。然而，在當時的推力器構型上，通過提升一個數量級的磁場并未能實現功率的較大提升，且未進行相應推力測量。直到2017年，隨著AF-MPDT技術研究的進步，采用超導磁體代替傳統線圈的方案重新被德國Pi Integral Solutions[13,16]提出。

圖1 25 kW輻射冷卻型MPD推力器(采用低溫超導線圈)

2 大功率MPDT推進系統關鍵問題

由于MPD使用相對原子質量較輕的推進劑效率比價高，但相對原子質量小帶來的不利因素是推進劑密度小，因此在攜帶上占用的體積非常大，額外的質量很大。目前，氙工質儲存密度可達1600 kg/m3，而同樣條件下，氬工質僅為210 kg/m3。因此，推進劑工質選擇和高密度存儲還需要進一步研究。由于陰極處于等離子體中心位置，需要承受高溫等離子體轟擊，陰極燒蝕非常嚴重。圖2是不同材料的陰極在試驗中的燒蝕情況。陰極結構和材料需要進一步的研究。

圖2 MPDT陰極燒蝕情況

MPDT利用外加線圈產生磁場，由于需要的磁場非常強，常規線圈功耗大、質量大，目前比較成熟的低溫超導線圈制冷保溫條件比較苛刻，都無法滿足目前空間應用，需研究適合空間應用輕質線圈。

3 100 kW級附加場MPD推進系統

為滿足MPD推進系統在空間任務的應用要求，北京控制工程研究所研制了大功率MPD推進系統，由MPD推力器、電源處理單元組成。如圖3所示，大功率MPD推進系統基于MAT-100推力器開展設計，MAT-100為采取傳統銅線圈的100 kW級AF-MPDT樣機(圖4)。本文完成了與推力器的初步聯試工作，這里稱為100 kW級附加場MPD推進系統，簡稱MAT-100S(100 kW Applied-field magnetoplasmadynamic thruster system)[17]。

圖3 MAT-100S系統組成

圖4 MPDT外加線圈

MAT-100S由4種主要的子系統組成：(1)附加場模塊，包含強磁場線圈和冷卻系統；(2)推力器，由陽極、陰極以及熱和電絕緣連接組成；(3)電源處理單元，控制電流供給及高電壓放電；(4)推進劑供給系統，包含推進劑貯箱、壓力調節模塊和流量控制系統。后續將熱控子系統和與航天器接口包含在內。

3.1 附加場組件

通過北京控制工程研究所和北航的磁場仿真及流場優化研究，降低近陽極區域的磁場強度，可減少陽極功率沉降。結果顯示，電流達到240 A時，線圈中心軸向的磁場強度可達到0.4 T，磁場位型滿足MPD推力器的工作需求。

目前，為后續空間應用發展，北京控制工程研究所正在開展空間磁線圈應用的研制工作。制冷系統采取具有在軌飛行經驗的成熟產品，如布雷頓或斯特林循環，冷卻系統結構緊湊且功耗相對較低。

3.2 MPD推力器

為適配工程應用，北京控制工程研究所聯合北京航空航天大學研制了一種100 kW級水冷附加場MPD推力器MAT-100(圖5)。其設計目標為高性能、高可靠連續工作，采取如下設計方案。

圖5 100 kW級水冷型附加場磁等離子體動力推力器

(1)多孔空心陰極。陰極為推力器的核心組件之一，是限制MPD壽命的主要因素。陰極材料采用鎢基材料，鎢基材具有熔點高、耐燒蝕、電子發射性能高的特點。陰極前端具備多個通道，基座外側通過水冷銅座夾持，帶走推力器工作時沉降在陰極上的熱量。

(2)擴張型陽極。根據前期試驗研究，相比直筒型或收縮-擴張型陽極，擴張型陽極的性能更好。

(3)純陰極供氣。研究發現，提高陰極區域供氣流量，可提高推力器性能。為獲得更好的性能并優化MPDT結構，并未采取傳統陽極供氣方式，而是從多孔空心陰極內部信道內供氣。

(4)水冷結構。為確保推力器連續可靠工作，需要高效換熱水冷結構?？紤]到推力器設計功率為100 kW，會有可觀的功率沉降在陽極和陰極上，因此陽極和陰極均設有水冷結構。為保證傳熱效率足夠保持陽極和陰極在可接受的溫度范圍，對推力器的熱交換進行了相應的仿真分析。

3.3 其他子系統

根據MAT-100S系統構型，PPU組件由3種不同的部分組成，包括推力器放電單元、線圈控制單元及制冷系統供電和控制單元。第一部分，高功率供電單元已經開展研制，目前已完成10 kW模塊集成和初步電性能測試(見圖6)，后續將與推力器開展聯合試驗工作；第二部分，線圈的控制電源模塊已完成地面測試；第三部分，MAT-100S的空間用制冷系統目前正在開展系統設計工作。

圖6 10 kW電源模塊

3.4 推力器特性

2019年7月，北京控制工程研究所開展了0.4 T級強磁場線圈與MAT-100推力器的聯合試驗。真空艙尺寸為φ3 m×5 m，配有多部低溫泵和分子泵，極限真空度為1×10-5Pa，在使用氬氣作為推進劑，流量不超過40 mg/s時，可維持0.01 Pa的真空度。推力器和強磁場線圈放置于真空艙(圖7)中心的支撐平臺上，其特性通過靶推力測量裝置測定。截至目前，強磁場線圈下的MAT-100性能僅完成部分工況下的測定。

圖7 真空艙示意圖

自2019年7月，在0.4 T級強磁場線圈穩定性長穩態初步測試后，聯合試驗已完成啟動、穩態和低功率初步推力測量3個階段的測試。試驗結果與預期相符，即強磁場對MPDT特性具有較大影響。對于穩態階段，圖8所示的常規線圈下MAT-100在同一磁場不同電流(240、400 A)的羽流狀態。

(a)240 A (b)400 A

由圖8可見，隨著電流的升高，羽流亮度提高且更加集中，但上下區域并非完全對稱。因此，磁場對羽流特性的影響有待進一步研究[18]。

4 大功率AF-MPD推進系統應用需求和分析

MPD推力器具有高比沖、大推力密度和較寬的功率范圍(從kW級到MW級)等特性，尤其是與核電推進相結合，一直以來被認為是未來空間大推力任務的最佳選擇之一，如無人行星際探測和貨運飛船、地外行星載人飛船任務等?？傊琈PD推力器適用于高速度增量的航天任務，即可實現大型航天器的快速軌道轉移等。

根據不同任務需求和功率，基于北京控制工程研究所在MPDT領域的研制進展，研制出多種型譜的MAT，其性能預測與上述任務相適配。表2為多種MAT與其他同級電推進的性能對比。

目前，航天市場主要集中于小衛星和星座，而大功率任務也一直備受關注，無論是21世紀初提出的JIMO航天器，還是近年來提出的ESA火星采樣返回(Mars Sample Return)任務[19]和月球軌道門廊(Lunar Orbital Gateway Power & Propulsion Element)任務[20]。另一方面，在未來高功率GEO軌道通訊衛星，或者在軌軌道轉移和加注衛星，也是大功率電推進的應用領域。

根據近期的市場愿景，提出GEO衛星大范圍軌道轉移的任務；根據中期的市場愿景，提出了小天體探測和捕獲的需求；根據長期的規劃，主要研究集中于火星任務。

4.1 GEO衛星軌道轉移

大型航天器采取雙組元執行軌道轉移任務會消耗大量的推進劑，而采用大功率電推進，可有效提升載荷質量。假設衛星初始質量為6 t，從GTO入射軌道變軌至GEO軌道所需的速度增量約為2175 m/s以及多次相位和傾角調整，任務總共所需的速度增量達到11 000 m/s。則采用化學推進、傳統低功率電推進(霍爾/離子)以及大功率MPD推進(MAT-100)三種推進方式所需的推進劑消耗量可根據火箭公式計算，計算結果如表3所示。

表3 GEO軌道轉移和機動任務推進劑消耗

GEO衛星軌道轉移任務需要在轉移時間限制和推進劑消耗量之間取得平衡。根據表3數據可知，大功率MPD推進具備較大的優勢執行該種任務，所需推進劑大幅減少，僅為化推的1/10，且可在1個月內完成轉移。

4.2 地外行星探測

對于太陽系內星體的遠距離無人深空探測，尤其是地外行星探測，采用化學推進方案，將提高燃料攜帶，并主要借助彈弓效應實現加速，致使載荷質量和機動能力受限。采用核電源和大功率電推進的系統，可滿足任務需求，既減少了推進劑消耗，又不受限于發射窗口。例如，NASA提出的JIMO任務采用100 kW電推進，可將發射質量由3625 kg降低至1950 kg，并大幅縮短地木轉移時間，由2266 d縮短至700 d。

4.3 火星探測

若采用化學推進實現載人火星探測任務，航天器總質量將超過1000 t，且任務周期將超過3 a，實際上不能實現。采用核電源和大功率電推進組合可實現這一任務。

根據分析計算，假設從800 km高度的LEO軌道轉移至距火星表面500 km的LMO軌道，并在火星停留28 d，到達目的地的載荷質量95 t，可采用15 MW的電推進實現，同時可在全程400 d內完成任務。根據NASA評估，如電推進功率量級達到200 MW，全程所需時間可進一步縮短至39 d。

5 結束語

大功率MPD推力器在未來大型航天器軌道轉移、無人深空探測以及載人探火等任務應用中具有極大的優勢。目前，北京控制工程研究所正在研發MAT-100系統并開展工程化設計，初步地面性能測試已完成，驗證了采用強磁場技術的大功率MPD推力器的穩定工作，并進行了改進。通過對比分析，強磁場技術可有效提高推力器的性能，尤其是推力和羽流特性。受限于地面設施和條件，推力器性能測試僅在部分工況下進行，后續將對推力特性和強磁影響進一步研究。