應用于電推進的碘工質電子回旋共振等離子體源*

李鑫 曾明 劉輝 寧中喜 于達仁

(哈爾濱工業大學,航天等離子體推進實驗室工信部重點實驗室,哈爾濱 150001)

電子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)源具有無需內電極、低氣壓電離、等離子體密度較高和結構緊湊等優點,適用于小功率電推進.因此,研究小功率碘工質ECR 等離子體源具有重要意義.本文首先設計了一套耐腐蝕且可以均衡穩定輸出碘蒸汽的儲供系統;然后完成了耐碘腐蝕ECR 推力器設計,利用耐腐蝕的同軸諧振腔結構將微波饋送到推力器,并將通道磁場變為會切型磁場以產生更多ECR 層;最終聯合點火實驗成功,成為國際上首個可以用于電推進的ECR 電離碘工質等離子體源.分析實驗和靜磁場、微波電場分布發現,小功率、低流量下的不穩定等離子體羽流閃爍由尋常波電子等離子體共振加熱和非尋常波ECR加熱模式之間的轉化引起.高流量下電離率下降是由電子損失、壁面損失和碘工質電負性導致.并依據此原理提出了改進方案.放電后等離子體源沒有明顯損傷,說明具備長壽命潛力.此項工作初步證實了小功率碘工質ECR 電推進方案可行.

1 引言

近幾年,全世界范圍內衛星行業都發生了深刻的變革.2005 年以來,隨著微納衛星技術逐漸成熟,國際上出現大量微納衛星[1].推廣微納衛星技術的關鍵因素之一是發展推進系統,它可以使日益復雜的姿態控制和軌道控制任務成為可能[2,3].電推進比沖比冷氣和化學推進的比沖大,滿足小衛星軌道定位和維護的任務需求.但是電推進使用的傳統工質氙氣存在一些不足,主要表現為兩個方面: 一個是價格昂貴;另一個是儲存在超臨界狀態的加壓儲罐中[4].因此,研究氙氣的替代工質具有重要意義,替代工質需要滿足方便存儲、易電離、無毒和價格低廉等要求.固體碘易于實現高密度存儲、價格低廉、易升華.碘蒸汽以分子形式存在,解離能非常低,電離能和原子質量與氙原子大致接近.國際上研究發現兩種工質放電特性接近[5–9].因此,碘工質是氙氣的優良替代工質,具有極大的研究價值.

由于碘工質電推進具有一系列優點,歐美國家紛紛提出了在軌驗證計劃.2020 年末,法國ThrustMe 公司首次實現碘工質電推進系統在軌實驗驗證,NPT-30 在34—66 W 的功率下產生了0.25—1.25 mN 推力,并將在軌數據發表在Nature雜志上[10].意大利商業航天公司研制了REGULUS碘工質電推進系統,采用磁增強等離子體推進器在50 W 功率下產生了0.6 mN 推力.REGULUS 集成在UniSat-7 上,并于2021 年3 月在聯盟–2 運載火箭上發射[11–13].美國NASA,Busek 公司和美國空軍研究室實施了用于12 U 小衛星的ISAT 項目,采用BHT-200 碘霍爾推力器提供10 mN 左右的推力[14,15].Busek 公司研制出碘工質BIT-3 射頻離子推進系統,在56—80 W 輸入功率下,產生0.66—1.24 mN 推力.該系統應用在6 U 立方體衛星項目,搭載于NASA SLS EM-1,并于2022 年11 月發射上天[16].中國納飛公司研制的碘工質射頻離子電推進系統在2022 年2 月成功入軌,實現了0.3—12 mN 推力范圍覆蓋[17].當前研究的推力器推力主要在mN 量級,缺少微納衛星需要的μN級推力器.基于碘工質微牛級電推力器日益迫切的需求,需要針對性開展工作,設計合理的碘工質等離子體放電裝置,驗證方案可行性,解決當前缺少小功率低成本微納衛星推進系統的問題.現有可以產生碘等離子體的裝置主要有激光誘導碘等離子體源、碘輝光放電燈、碘射頻感性耦合等離子體源、碘埃文森微波諧振腔等[18–21].電子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)等離子體源以其無需內電極、低氣壓電離、等離子體密度較高和結構緊湊等優點廣泛應用于電推進裝置中[22–24].因此,ECR 放電技術適用于μN 級推進,但未見小功率碘工質ECR 等離子體源的報道.

ECR 等離子體源種類有很多,主要以氙氣、氬氣、氨氣和水等作為工質,因此很多結構不耐碘腐蝕.4 種典型結構如圖1 所示,圖1(a)的變壓、閉腔碘微波放電燈是一種埃文森微波諧振腔[25];圖1(b)中,大氣壓微波等離子體炬是圓柱形和同軸諧振腔的組合[26];圖1(c)中μ1 型ECR放電腔為內徑20 mm 的圓柱形.推力器底部裝有兩個環 形永磁 體,產 生4.20 GHz ECR 所需的0.15 T 磁場區域,并形成抑制電子損失的磁鏡.推力器工作時將微波功率注入腔室產生等離子體,等離子體阻抗與設計的微波傳輸網路阻抗接近,不需另外安裝匹配器[27].

圖1 微波等離子體源原理圖[25–28] (a)埃文森微波諧振腔;(b)常壓微波等離子體炬;(c) μ1 微型離子束源;(d) ECRA 推進器Fig.1.Schematic diagram of the microwave plasma source[25–28]: (a) Evanson microwave resonant cavity;(b) atmospheric pressure microwave plasma torches;(c) μ1 miniature ion beam source;(d) ECRA thruster.

圖1(d)是ONERA 開發的一種磁噴嘴ECR推力器(electron cyclotron resonance thruster developed at ONERA,ECRA).2.45 GHz 微波通過同軸線注入,同軸線終點是一個開放的同軸腔.推進劑被注入到這個腔中,并被微波功率電離.所需磁場由位于腔體后部的環形永磁體產生,2.45 GHz ECR 層位于腔內[28].綜合來看,諧振腔結構導致碘只與耐腐蝕材料接觸,增強等離子體源耐腐蝕性.會切型磁場可以控制等離子體空間分布,減少結構材料濺射并形成ECR 層以促進電離.因此,應用于電推進的碘工質ECR 等離子體源需要在諧振腔結構和會切型磁場基礎上開展設計.

等離子體源的設計基于當前技術相對成熟的ECRA 推力器,采用會切型磁場和有利于低功率擊穿的諧振腔結構以適應小功率工況.儲供系統采用多孔碳化硅材料提高碘塊的導熱性,實現更均勻的溫度分布和更快的啟動時間,并且改進流量標定方法,提升流量數據精度.實驗結果表明,碘工質儲供系統具備均衡穩定的輸出特定流量碘蒸汽的能力,在國際上首次實現應用于電推進的碘工質ECR 等離子體源放電,并得到低流量和高流量下放電不穩定原因.另外,諧振腔結構提高了等離子體源耐腐蝕性,延長了壽命.第2 節介紹碘工質等離子體源及儲供系統的設計;第3 節介紹真空罐和探針等實驗裝置;第4 節介紹結果并討論;第5 節是結論.

2 電推進系統

小功率碘工質諧振腔ECR 等離子體源由去掉陽極的低功率會切場推力器和同軸諧振器組成,同軸諧振器與推力器底部的放電通道連接,如圖2 所示.低功率會切場推力器通道直徑為6 mm,長度為15 mm.會切型磁場由兩塊磁鐵產生,一塊為內徑、外徑和高分別為8,16 和4 mm 的空心圓柱.另一塊是外徑和高分別為16 mm 和8 mm 的變內徑空心圓柱.內芯斜面一端內徑為8 mm,另一端為11 mm.采用居里溫度為250 ℃的SmCo 磁體,保證放電穩定性.由FEMM 計算得到的磁感應強度分布及拓撲如圖3 所示.會切磁場的橫向磁場具有降低帶電粒子輸運的約束作用,減少了等離子體壁損失.在通道中心附近和通道進出口兩端出現多個磁感應強度為0.0875 T 的區域,形成ECR 層以促進小功率工況放電.同時,在通道出口外形成典型的磁噴嘴,陶瓷通道有一定傾角以匹配磁噴嘴.選用微波頻率2.45 GHz 的同軸諧振器,并使用了SMA 連接器來接收來自同軸傳輸線的微波.諧振腔一端短路,另一端開路,空腔的長度是1/4 波長的奇數(本文中選λ/4).1/4 波長諧振腔內部空間為中空梯形圓柱,下底直徑為20 mm,上底直徑為13.1 mm,中空內芯直徑為7.2 mm,高為26.8 mm.諧振器的輸入阻抗Zin取決于輸入端口的位置,由短路傳輸線和開路傳輸線的并聯阻抗:

其中,Z0為同軸傳輸線的特性阻抗,j 為虛數,l1為供給點到短路端口的距離,l2為從供給點到開口處的距離,α 為衰減常數,β=2π/λ 是同軸線的相位常數,k=β– jα 為復傳播常數或波數.本文中,l1,l2分別為6.8 mm 和20 mm.

當微波功率為16 W、頻率為2.45 GHz 時,由COMSOL 計算的放電腔微波電場和磁感應強度分布如圖4 所示.由圖4 中ECR 層處微波電場垂直分量(E⊥)分布結果可知,強電場區域剛好與會切場通道入口端0.0875 T 磁場強度區域相交,通道中存在約15000 V/m 的微波電場垂直分量,因此是擊穿、低功率放電的電子加熱區.微波電場與磁場方向夾角為銳角,存在尋常波(ordinary wave,O 波)和非尋常波(extraordinary wave,X 波),從而會導致放電模式轉變[29].本文也將在第4 節結合實驗結果針對此問題進行分析.調整腔體的幾何設計實現在所有工況下反射微波功率在1.5 W 以內,傳輸線的微波功率傳輸效率約為67.8%[30].在采用共振腔結構時,天線不與碘接觸,由此解決了腐蝕問題.

圖4 ECR 層中微波電場垂直分量(E⊥)的分布圖.圖中白線表示磁場線,黃色箭頭表示微波電場線Fig.4.Distribution diagram of microwave electric field vertical component (E⊥) in ECR layer.The white lines represent magnetic field lines and the yellow arrows represent microwave electric field lines.

碘工質ECR 等離子體源無法單獨工作,需要配備一個可以穩定輸出特定流量的碘工質貯供系統.因此,碘工質等離子體源系統由小功率碘工質諧振腔ECR 等離子體源和碘工質儲供系統兩部分組成,如圖5 所示.碘工質貯供系統的主要作用是提供均衡穩定的高精度碘蒸氣流量,如圖6 所示.工作原理是通過控制碘罐以及節流裝置溫度控制碘單質的升華,從而實現流量控制.1U 碘罐具有單獨加熱器實現精確獨立溫控,同時配備3 個測溫點實時監控碘罐溫度分布,便于后續優化設計.碘罐內部導熱材料選用耐碘腐蝕、導熱性高、孔隙率大并且強度適中的95%孔隙率多孔碳化硅材料.碘罐上面的壓力傳感器測量碘罐內壓力,通過溫度以及壓力明確碘蒸氣狀態,從而作為流量控制的反饋型號去調節流量.電磁閥主要用于緊急開閉以及防止碘工質泄露,過濾器清除雜質,流量監測部分檢測流量.由于這3 個部件對流量影響不大,不需要精確溫控,只需溫度高于碘罐10 ℃左右以避免碘冷凝沉積.節流裝置單獨溫控,通過控制氣體黏度實現流量精細控制.壓力測量裝置、電磁閥、過濾裝置均采用耐腐蝕材料.加熱器件選用聚酰亞胺加熱膜,測溫器件采用熱電偶,溫度控制采用PID 控制器.

圖5 碘等離子體源系統示意圖Fig.5.Diagram of iodine plasma source system.

圖6 碘工質貯供系統實物圖(a)和流量標定示意圖(b)Fig.6.Physical picture of iodine feed system (a) and schematic diagram of flow calibration (b).

3 實驗裝置

考慮到碘工質具有常溫易沉積和腐蝕性強的特性,針對這兩點開展真空系統設計.真空罐內徑400 mm,長度800 mm,側面采用耐腐蝕的石英玻璃.抽氣系統為擴散泵和機械泵組合抽氣,真空度可以達到10–3Pa,如圖7 所示.

圖7 耐碘腐蝕真空試驗平臺Fig.7.Iodine corrosion resistance vacuum test platform.

碘蒸氣具有強腐蝕和易沉積的特點.因此常用的分子泵不適合,碘會沉積在管道以及葉片上,脫落的碘粉末顆粒會對葉片造成很大的損傷,甚至無法工作.擴散泵具有特殊的抽氣原理,碘可以溶于擴散泵油,腐蝕和沉積的特性不會對性能產生巨大的影響.綜合分析成本、性能和安全性發現油擴散泵是目前最佳選擇.根據真空罐尺寸以及真空度要求,擴散泵選擇了KT 盤銅管泵,型號K-200T.

一些電氣參數,包括探針收集到的離子電流,儲供各部位加熱電流,加熱電壓,溫度參數等,由YOKOGAWA DL350 scope corder 錄波儀和溫度記錄儀(GRAPHTEC midi logger GL840)測量.供電系統由一個2.45 GHz 微波電源提供微波,3個50 V/10 A Rainworm DC power supply 提供偏置電壓,一個Kingrang KR-1000-01 1000 V/0.1 A可編程線性直流電源.LDC-0000/3000-025-NMV30 負載負責吸收反射功率,搭配環繞器保證反射功率都流入負載而不是電源.Guan ge communication QOH-30-2.45/4.25-N 耦合器的耦合度是30 dB.100 mW 量程的Ys11801 功率計接在耦合器的耦合端口上,讀取功率計示數再乘以1000 可以得到耦合器輸出端口的功率.

采用法拉第探針和阻滯電勢分析器(RPA)探針對羽流進行了測量.法拉第探針的屏蔽外殼與離子接收端面齊平,二者間隙小于此處等離子體的德拜長度.由于具有相同的負偏置電壓,屏蔽外殼能夠有效屏蔽接收極側面的離子電流.因此探針對離子電流的有效接收面積為探針內芯離子接收端面的面積.為了得到足夠大的接收極電流,在外電路中接入198 kΩ 的電阻,通過測量采樣電阻兩端電壓信號計算電流.法拉第探針可以在羽流區沿預定軌跡運動,得到羽流區的離子電流密度分布.RPA 探針包含4 層柵網: 第1 層柵網處于懸浮狀態,其作用是降低等離子體振蕩,保持探針對離子電流的穩定接收;第2 層柵網處于負偏置狀態,它能夠阻擋電子通過柵極,只允許離子進入探針接收通道;第3 層柵網為離子阻滯柵,偏置電壓設置為從0 V 線性增大到1.3 倍陽極電壓,作用是濾除低于柵極電勢對應能量的離子;第4 層柵網與第2 層柵網處于同一負偏置狀態,其作用是消除二次電子給收集電流帶來的干擾.通過接收極的伏安特性曲線可得到離子能量分布的信息.它們安裝在15 cm長的擺臂上,都有直徑為5 mm 的收集器.兩個探頭的偏置電壓為–30 V.圖8 為探頭診斷電路和探頭位置示意圖.等離子體源的工質利用率為

圖8 探針診斷電路和探針位置示意圖,其中包括法拉第探針和RPAFig.8.Probe diagnostic circuits and schematic view of the probe positions,including a Faraday probe and RPA.

其中,Mi是離子質量,e是電子電荷,是質量流率.Ii是總離子電流:

其中,R是擺臂長度,θ 是與推力器軸的角度,j(θ)是離子電流密度分布函數,這是用法拉第探頭測量的等離子體參數.

4 結果與討論

推力器成功點火的前提是具備可以輸出特定穩定流量的貯供系統.首先對儲供系統的傳熱特性進行實驗研究,然后開展流量標定實驗,分析誤差來源.通過逐步迭代,最終得到符合實驗需求的流量參數范圍.在加熱實驗時加熱片溫度在100—200 ℃范圍內波動,但碘罐各關鍵部位能快速達到設定溫度.加熱45 min 各關鍵部位均達到設定100 ℃,達到常用的60 ℃僅需20 min,并且溫度達到平衡后控溫點溫度波動小于0.3 ℃,其余部位溫度波動均在2 ℃以內.實驗驗證發現,這些局部溫度差異導致的流量變化可以忽略不計.標定方案優化后,質量流量誤差控制在5%以內.圖9 給出了依據實驗數據擬合出來的碘罐溫度與質量流量關系擬合曲線.

圖9 碘罐溫度與質量流量關系擬合曲線Fig.9.Iodine tank temperature and mass flow fitting curve.

運用研制好的碘工質儲供系統與碘ECR 等離子體源開展耦合放電實驗.等離子體源成功點火,在國際上首次實現了應用于電推進的碘工質ECR等離子體源放電,驗證了碘工質ECR 電推進的可行性,推力器放電照片如圖10 所示.在此基礎上,探究了推力器的點火范圍,并對等離子體源的電離加速特性進行研究.

圖10 碘工質ECR 等離子體源放電圖像Fig.10.Image of iodine propellant microwave plasma source discharge.

在碘工質放電實驗探究中,可變參數主要是質量流量和微波功率.在變流量實驗中發現,碘罐溫度低于65 ℃ (對應0.52 mg/s)時羽流閃爍,即放電不穩定.而碘罐溫度高于75 ℃ (對應0.82 mg/s)時推力器性能急劇下降.在變功率實驗中發現,微波功率低于6 W 會導致放電不穩定甚至熄火,高于10 W 微波導線和推力器過熱.因此,選擇的實驗研究參數區間為碘質量流量0.52—0.82 mg/s、微波功率6—10 W.從圖4 磁場線(白線)和微波電場線(黃色箭頭)分布可以看出,大部分區域微波電場與磁場方向夾角為銳角,因此同時存在O 波電子等離子體共振加熱和X 波ECR 加熱兩種模式[29].在低流量、低功率下,通道中心部位微波電場與外磁場平行的分量較大,等離子體主要由O 波激發.當等離子體密度到達O 波截止密度時,會產生O 波電子等離子體共振層.電子加熱及微波功率吸收在電子等離子體共振層中均獲得局部增強,因此微波電場在該共振層中快速衰減,X 波對應電離占比下降.局部增強的電子加熱和微波功率吸收也導致共振層氣體工質溫度上升,中性粒子密度降低,等離子體密度降低.當等離子體密度低于O 波截止密度時,X 波對應電離占比再次提升,等離子體密度增加,羽流變亮.振蕩過程中微波電源增益不變,氣體溫度、等離子體密度和等離子體阻抗變化,微波功率變化.法拉第探針與等離子體源軸線夾角為0°時,收集到的離子電流密度振蕩頻率為50 Hz,如圖11(a)所示.羽流閃爍過程的圖像如圖11(b)所示,羽流大小和明亮程度都在周期性變化.在高流量下,閃爍消失是因為流量增大,氣壓升高,電子-中性粒子碰撞頻率增大,O 波吸收增加,但X 波吸收減弱,放電由O 波放電主導,放電由此穩定.

圖11 在低流量低功率下,等離子體源羽流閃爍過程 (a)離子電流密度隨時間變化;(b)羽流閃爍過程的圖像Fig.11.Plasma source plume scintillation process at low flow and low power: (a) Change of ion current density with time;(b) image of plume scintillation process.

為探究等離子體源的電離特性,選擇在微波功率10 W 下開展變流量實驗.觀察圖12 離子電流密度分布數據發現,隨著流量增加,離子電流密度峰值越來越小,各個角度下的離子電流密度也變小.因此,隨著流量增大,離子電流密度分布更加均勻的同時各角度數值也變小.由圖13 流量與工質利用率關系可知,隨著流量從0.52 mg/s 增加到0.82 mg/s,工質利用率從5.2%降到了0.8%.兩組數據均說明隨著流量增大,碘工質電離率越來越低,其原因主要有以下3 點.1) 隨著流量的增大,電子密度升高,電子加熱區靠近壁面.從而電子損失增大,等離子體產生效率降低.2) 流量過大時,電子與內壁面的碰撞損失會顯著增加.在強碰撞條件下,帶電粒子橫越磁場的輸運系數增大,造成了高壁損失.壁面損失的能量并未用來電離中性氣體,最終導致電離率下降.3) 碘是雙原子分子并存在電負性,因此大流量下氣壓增大,電子溫度降低,電子附著反應速率增高,并且電離和加速過程中碘易發生離解和復合影響電離加速過程.

圖12 離子電流密度分布Fig.12.Ion current density distribution.

圖13 工質利用率Fig.13.Utilization rate of propellant.

為探究等離子體源加速特性,選擇在微波功率10 W 下開展變流量對比實驗.RPA 置于等離子體源軸線上測量,得到離子能量分布(圖14),并且在流量0.52 mg/s 下開展變微波功率實驗,得到離子能量分布(圖15).分析數據發現,改變流量和微波功率對離子能量分布影響不大,離子能量分布峰值在18—24 eV 之間.對比發現,碘離子能量峰值遠低于ONERA 的ECRA 的離子加速結果.原因是高氣壓下會切場入口端的O 波截止層吸收微波,減少從諧振腔傳播到會切型磁場ECR 區域的微波,從而導致會切場區域ECR 層電離很弱,O 波電子等離子體共振加熱占據主導地位.后續研究將重新設計結構,減少O 波截止層對放電的影響,導致放電主要由ECR 維持.

圖14 不同流量下的離子能量分布Fig.14.Ion energy distribution at different flow rates.

圖15 不同功率下的離子能量分布Fig.15.Ion energy distribution at different power levels.

為獲得全面的離子能量分布特性,對RPA 探針與推力器出口夾角0°—90°范圍內開展間隔5°的測量.在微波功率為10 W、流量為0.52 mg/s 的情況下,得到0°—90°內的時間平均離子能量角分布如圖16 所示.分析實驗數據發現,離子能量分布峰值在25 eV 左右.這種現象是由磁噴嘴在通道出口處加速離子產生的.原理是當上游產生的等離子體在下游磁性噴嘴區域膨脹時,會形成雙極性電場,確保正離子和電子的等量電流離開推力器,這些電場加速離子產生推力.另外,觀察數據發現羽流區很大的角度范圍內均存在高能離子,并且實際放電圖像顯示等離子體源在碘工質條件下的羽流是個橢球形.因此磁噴嘴在碘工質下的聚焦效果不好,將來需要提升束流效果以滿足電推進設計需求.

圖16 在微波功率為10 W、質量流量為0.52 mg/s 的條件下,0°—90°內的時間平均離子能量角分布圖Fig.16.Contour maps of the time-averaged ion energy angle distribution from 0 to 90° with a 10 W MW power,and 0.52 mg/s mass flow rate.

諧振腔和會切型磁場的搭配設計導致碘與天線等易被腐蝕部件隔絕,并且減少了等離子體與推力器壁面之間的碰撞,從而大大延長了推力器的壽命.經過累計20 h 的放電實驗后,發現推力器沒有明顯損傷.因此碘工質等離子體源具有很大的研究價值,將來有望研制出適用于微納衛星的小功率碘工質ECR 電推進系統.

5 結論

本文首次實現電推進等離子體源利用ECR 電離碘工質,證實了小功率碘工質ECR 電推進系統的可行性.微波通過同軸諧振腔引入通道,促進了碘工質點火的同時也提高了耐腐蝕性.會切型磁場擴大了ECR 區域,導致微波被更加充分地吸收.儲供系統采用多孔碳化硅促進碘塊導熱,并優化了標定方法提升了流量精度.進行了儲供系統的傳熱和標定實驗,并對等離子體源的羽流進行了診斷,得出了以下結論.

1)碘罐內填充碳化硅多孔材料后,不添加碘工質的情況下20 min 就可以達到60 ℃,并且各部位溫度分布相對均勻.標定方案優化后,質量流量誤差控制在5%以內.

2)放電區間探究實驗發現,碘質量流量0.52—0.82 mg/s、微波功率6—10 W 的范圍內等離子體源可以穩定放電.小功率低流量下羽流閃爍是由尋常波電子等離子體共振加熱和非尋常波ECR 加熱模式之間的轉化引起.高流量下性能變差是由電子損失、壁面損失和碘工質電負性引起.后續研究應著重于減少O 波截止層對放電的影響,使放電主要由ECR 維持.

3)同軸諧振腔和會切型磁場搭配的設計,導致碘蒸氣全程只與石英玻璃管和陶瓷通道接觸,從而能保護銅制天線、永磁鐵和不銹鋼等易被腐蝕材料.經過累計20 h 的放電實驗后,發現推力器沒有明顯損傷.

綜上所述,小功率碘工質ECR 電推進方案是可行的.為了改善電離加速特性以及壽命,我們將在未來的工作中對磁拓撲結構、幾何參數和諧振腔結構進行優化.