螺旋波离子推力器关键技术研究

鱼伟东，张天平，温晓东，孙新锋

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

螺旋波是一种在磁化等离子体中传播的哨声波，由于其波阵面除了向前传播之外，还存在沿方位角方向的旋转传播，故名螺旋波。当射频天线激发的电磁波传播到磁化等离子体中时，波与等离子体相互作用并将能量高效地耦合到等离子体中，能够产生高密度低温等离子体。相比电感耦合放电（ICP）、电子回旋共振放电（ECR）等放电模式，螺旋波能够在相同功率条件下产生更高密度的等离子体，应用于空间电推进，能够提供更高的推力密度，缓解电推进发展中的高功率和空间饱和电流之间的矛盾。螺旋波离子源在空间电推进中常见的加速方式包括双层（Double Layer）加速、磁喷管加速以及栅极加速等。在一定的放电条件下，螺旋波放电室出口的磁场扩散处存在30～80 V的电势降，称为双层，可以用来加速离子。双层形成机制尚不明确，但目前实验观察到的电势降只有几十伏，作为加速电压还不能够满足空间电推进的使用要求。磁喷管加速原理是将等离子体中离子的非定向动能转化为定向动能，不能加热离子，单独使用加速效果有限，通常还需要其他加热方式。栅极加速是目前发展最为高效的离子加速方式之一，结构简单，加速效果好，可靠性高。将能产生高密度等离子体的螺旋波离子源与成熟的栅极加速结合起来的螺旋波离子推力器能够兼顾两者的优点，有望成为一种新型高性能推力器。本文从提高螺旋波离子推力器性能的角度出发，就螺旋波离子源设计需要考虑的天线、放电室结构和放电参数、离子加速系统以及外电路等方面展开分析研究。讨论了天线结构、辐射阻抗、辐射方向性对天线耦合效率的影响；放电室尺寸、磁场强度和射频功率对放电效率的影响；栅极加速系统的设计及其与螺旋波离子源的耦合分析等。为后续发展螺旋波离子推力器提供了一定的参考。

1 螺旋波离子源和推力器的组成及原理

1.1 螺旋波离子源

螺旋波最早于20世纪60年代在英国哈威尔（Harwell）原子能实验室被发现，并首先在半导体工艺领域得到研究。澳大利亚国立大学Boswell教授在英国时对螺旋波产生了浓厚的兴趣，在其返回澳大利亚之后带领团队对螺旋波进行了长久的研究。1985年，加利福利亚大学洛杉矶分校Chen教授访问Boswell实验室时也对螺旋波产生了兴趣，并将其传播到日本、美国等国[1]。

多年来，以Chen等[1]为代表的国外学者对螺旋波离子源中的能量耦合机制、波模式及其在空间电推进技术中的应用开展了大量的研究。虽然大量的文献对螺旋波的能量耦合机理进行了解释，但是还没有统一认识能量究竟是如何由射频电线激发，并耦合到等离子体中导致高效率电离的。一般认为，能够明显的在等离子体中激发的只有方位角波数m=-1、m=0、m=+1的螺旋波，m=-1模式的波经过很短距离的传播之后被迅速的衰减掉，m=+1模式的波在螺旋波放电过程起主要作用。

由于螺旋波放电没有金属电极浸入到等离子体中，不存在电极溅射刻蚀问题，因此，高效率、长寿命的螺旋波离子源非常适合应用于电推进领域。近20年来，基于螺旋波放电的等离子体推力器取得了长足的发展[2-4]。采用螺旋波离子源代替传统的直流放电离子源后，有望降低离子产生成本、提高离子密度，从而提高推力器的效率和推力。

一个典型螺旋波离子源主要由放电室、射频天线、螺线管磁铁等几部分组成，如图1所示。螺线管磁铁产生磁感应强度一般为几百高斯的稳恒磁场，射频天线将能量耦合进等离子体中，一般采用的射频频率有6.78 MHz、13.56 MHz和27.12 MHz等。目前最常用的螺旋波天线主要有4种，如图2所示，（a）为Nagoya-III型天线，能够激发m=0、m=+1和m=-1模式的螺旋波；（b）为右旋半波长天线，能够产生m=+1的螺旋波；（c）为左旋半波长天线，能够激发m=-1的螺旋波；（d）为双马鞍型天线亦称Boswell型，能够同时激发m=+1以及m=-1的螺旋波。由于电磁波要穿透放电室器壁耦合进入等离子体中，所以放电室器壁材料不能是金属，更不能是铁磁性材料，通常为石英、陶瓷或耐热玻璃。实验室常用的工质有氩气、氮气[5-6]、氙气[7]以及氪气[8]等。

图1 螺旋波离子源基本结构示意图Fig.1 Structure of helicon plasma source

图2 几种典型的螺旋波天线图Fig.2 Some typical helicon antennas

1.2 螺旋波离子推力器

在获得离子源之后，只有将离子加速喷射出去，才能产生可观的推力。在螺旋波等离子体推力器研究领域，加速方式有无电极加速以及有电极加速。无电极加速方式由于秉承了螺旋波放电是一种无电极离子源的理念及其简单的结构得到广泛的研究，一般包括磁喷嘴加速[9]、双极加速[10]、旋转磁场（RMF）加速、旋转电场（REF）加速等[11-12]。有电极的加速方式一般为栅极加速。

磁场虽然无法改变带电粒子的动能，但却能改变其动量。磁喷嘴就是利用磁场的这种性质，改变了离子速度方向，使得放电室中等离子体沿着固定的方向喷射出去，从而产生推力的一种装置。带电粒子在磁场中的磁矩是守恒的，当磁场逐渐减弱时，粒子垂直于磁场方向运动的能量也随之减弱，但由于总能量守恒，沿磁场方向运动的能量随即增强。典型磁喷嘴加速的实验装置如图3所示的螺旋波等离子体推力器（Helicon Plasma Thruster，HPT）[11，13]。HPT的基本组成和螺旋波离子源相似，包括射频功率输入、螺旋波天线、石英管、气体进口和出口、磁路系统，不同之处在于其在等离子出口设置磁喷管。工质通过气体入口进入石英管，在石英管中螺旋波的作用下电离并获取能量，最终在磁喷管的作用下加速喷出。然而，实验测试结果显示仅靠磁喷嘴对离子的加速效果十分有限。

图3 螺旋波等离子体推力器原理图Fig.3 Diagram of the HPT

1979年，美国NASA航天员张福林（Franklin Chang-Díaz）提出了可变比冲磁等离子体火箭（Vari⁃able Specific Impulse Magneto-plasma Rocket，VA⁃SIMR）概念，基本结构如图4所示。

图4 可变比冲磁等离子体火箭原理图Fig.4 Diagram of the VASIMR

VASIMR在HPT的基础上增加了离子回旋共振加热（Ion Cyclotron Resonance Heat，ICRH）段，提高了离子的温度，随后在磁喷嘴的作用下使离子获得更高的速度，从而提高推力以及比冲。目前VASIMR已经完成了200 kW推力器的测试，结果显示其推力达到了5～10 N，比冲为4 900 s，系统效率达到了72%[14]。螺旋波等离子体中常常可以观察到在一个很短的距离内发生了正负电荷的分离，从而产生约几十伏特的电势降，这个电势降可以用来加速离子，称为双层加速机制。对双层加速机制的形成机理还没有统一的认识，但通常认为和等离子体中的鞘层有关。最早的螺旋波双层推力器（Helicon Dou⁃ble Layer Thruster，HDLT）样机于2002年由Charles在澳大利亚国立大学研制。2011年，Pottinger等[15]通过实验测试了HDLT的性能特性，测量推力1～2.8 mN，比冲280 s，推力效率小于1%。

采用无电极加速方式的推力器除VASIMR外大多效率较低、推力较小。栅极加速是一种最直接、最有效、最为成熟的加速方式之一。将螺旋波离子源和栅极加速系统结合起来的螺旋波离子推力器有望发挥螺旋波离子源的优势，成为一种高效率的新型推力器。

螺旋波离子推力器的典型结构如图5所示[16]。在螺旋波离子源的基础上，增加了屏栅、加速栅、中和器以及配套电源。工质从阳极孔进入放电室后，在放电室中的螺旋波作用下发生电离，电离后一部分电子留在放电室中参与放电，另一部分电子返回阳极，被阳极吸收。离子在栅极的作用下加速喷射形成束流，同时中和器喷射电子与离子束流中和，保持羽流电中性以及推力器的电位稳定。

图5 螺旋波离子推力器结构图Fig.5 Structure of the GHIT

螺旋波放电并不是一开始就存在于放电室中。在此之前，存在着螺旋波放电的“点火”过程。随着射频功率以及磁场的增加，放电室经历了容性耦合（E模式）、感性耦合（H模式）和波耦合（W模式）等不同耦合方式[2，17]。在这几种放电模式的转换阶段，等离子体密度出现了非连续性的跳跃现象。如图6所示，相关参数如表1所示。螺旋波离子推力器的整体效率主要由天线辐射效率、能量耦合效率、电离效率、工质利用率等因素决定。

表1 放电模式参数Tab.1 The parameters of discharge mode

图6 等离子体密度随射频功率的变化趋势图Fig.6 Schematic of plasma density versus RF power in a helicon source

2 关键技术分析

离子推力器的效率主要从两个方面考虑，一个是电效率，另一个是工质利用率。电效率ηe是推力器将总能量转化为束流动能的能力，可以用束流功率Pb和电源总功率PTotal的比值来表示：

工质利用率是指推力器将多少工质真正用于产生推力，可以用离子质量流量和推进剂质量流量的比值来表示：

推力器总效率可以表示为：

其中γ与束流发散角以及高价离子占比有关。

在总功率一定的条件下，要提高推力器的性能，就是提高推力器的效率，提高效率的途径从式（3）中可以看到。一方面需要尽可能的将总功率耦合到束流中；另一方面需要尽可能的提高电离度，使尽可能多的推进剂以离子的形式喷射出去，贡献推力。当然，从工程角度，还需要考虑推力器成本、寿命、实现难易程度等问题，本章就这些关键技术展开讨论与分析。

2.1 高耦合效率螺旋波天线设计技术

射频能量从电源里出来，经过匹配网络，首先到达天线。天线将射频能量辐射到放电室中，并在放电室中激起特定的波形。天线的设计关系到能量耦合效率以及放电室中的波模式结构。如何设计天线，使得能量尽可能多的发射到放电室中，并且尽可能地提高电离率是天线设计的关键。天线设计主要考虑几何构型、辐射阻抗、辐射方向性等因素。Kamenski等[18]对螺旋波等离子的天线进行了较为详细的讨论。

2.1.1 天线构型

天线构型决定了天线能够激发何种模式的螺旋波。Kamenski等研究了几种构型的螺旋波天线，如图7所示，（a）为双半环天线；（b）为单环天线；（c）为双马鞍型天线；（d）为半波长右旋天线。

图7 几种构型的螺旋波天线图Fig.7 Some types of heliconAntenna

图8为几种螺旋波天线频谱，图中m为方位角向波数，Nr为径向波数，只给出了m＞0的结果。可以看到，径向波数几乎都是1。双半环型天线几乎只激发出了m=+1的模式，双马鞍型的天线在激发出m=+1的模式之外同时也激发了m=+3的模式。m决定了放电室中场构型以及等离子体密度分布。

图8 几种螺旋波天线频谱图Fig.8 Spectrum of several helical wave antennas

Krämer等[19]对m=+1、m=+2的天线特性进行了研究。图9比较了两种模式的等离子体密度分布，可以看到，相比于m=+2模式，m=+1的模式能够获得更高密度的等离子体，轴向的均匀性较好。图10表示了两种模式下的能量耦合区域分布，可以看到，m=+1模式中，能量吸收主要集中在轴线处，在m=+2的模式中，能量吸收主要集中在偏离轴线一定距离处。

2.1.2 辐射阻抗

决定天线能量辐射效率的一个关键参数是天线的辐射阻抗Rrad。在天线电流一定的情况下，辐射阻抗越大，代表越多的能量经过天线辐射出去。天线阻抗和多种因素有关，包括天线构型、射频频率、等离子密度及其分布、天线位置和放电室尺寸等因素。

图9 放电室中m=+1、m=+2的等离子体密度分布图Fig.9 Contour plots of the plasma density in arbitrary units for m=+1 antenna coupling and m=+2

图10 放电室中能量耦合区域分布曲线Fig.10 Absorbed RF power density

Kamenski等[18]对这些因素进行了研究，设定天线尺寸，放电室尺寸等一套参数，通过有限元方法，计算分析了图中几种天线的辐射阻抗。结果表明天线构型决定了天线的辐射阻抗，双马鞍型天线和右旋半波长天线具有较大的辐射阻抗，前者为2.23 Ω（其中m=+1的为1.9 Ω，m=3的为0.273 Ω），后者为2.13 Ω，m=0的天线的辐射阻抗较低，仅为0.192 Ω，双半环型天线的辐射阻抗更低为0.0234 Ω。在辐射频谱图中，没有m=-1的频谱，该模式下的天线阻抗极低，大约在10-3～10-4Ω量级。较小的m能够更加有效提高电离度，右旋半波长天线对应于m=+1的阻抗最大，具有较大的优势。

2.1.3 辐射方向性

能量从天线辐射出去之后，只有辐射到放电室中的那部分能量才能对电离产生作用。因此，合理化的天线设计能够极大的提高放电效率。图7中的几种天线总是向靠近轴向的方向以及远离轴向的方向辐射电磁波，只有靠近轴向部分的电磁波能够传播到放电室中，对放电做出贡献，而远离轴线部分的电磁波将耗散在空间中。为了提高对这部分电磁波的利用率，一种可能的方法是在天线外部加一个电磁套筒，反射回来一部分电磁波。另一方面，右旋半波长螺旋天线在z轴正方向激发出m=+1模式的波，在反方向激发出m=-1的模式的波，由于m=-1的波模式辐射阻抗小，几乎不消耗能量，辐射能量几乎全部通过m=+1的波模式耦合到下游的电离区，辐射方向性更好。综合来说，右旋半波长天线具有最佳的性能。

2.2 放电室结构及放电参数设计技术

由于天线半径以及轴向长度的约束关系，放电室结构通常也是圆柱形。放电室半径通常小于天线半径，长度大于天线长度。放电室半径对放电室中的电磁场提供了边界条件，影响着放电室中的电磁场行为。此外，放电室中的稳恒磁场强度，电子温度等参数及其匹配关系对放电效果具有较大的影响。

2.2.1 放电室半径

螺旋波在放电室中传播时，遇到壁面会发生折射以及反射，同样电子和离子也会受到壁面的影响。因此，放电室半径对螺旋波放电过程起着重要的作用。Chen[20]在文献中给出磁化等离子体中的色散关系为：

式中：β为总波数；ω为射频角频率；k为轴向波数；n0为等离子体密度；e为电子电荷量；μ0为真空磁导率；B0为稳恒磁场强度。用T表示横向波束，则：

T可以通过边界条件决定：

其中Jm表示m阶贝塞尔函数，J′m是Jm(k⊥r)对r的导数在r=a处的值，a是放电室半径。当m=+1时，最低阶贝塞尔函数的根为Ta=3.83。对于k＜＜T,公式变为：

于是，等离子体中螺旋波的波长为：

其中f=ω/2π。放电半径影响着横向波数，从而对等离子体中的波长产生影响，进而又影响到射频天线的设计。

2.2.2 磁场的影响

磁场的主要作用是磁化等离子体，改变等离子体中的色散关系，使得电磁波能够透入到等离子体内部。其大小影响着放电室的等离子体密度，这将导致束电流、能量吸收率、电离度以及推力等的同步变化。另外，磁场对避免离子的壁面损失也有重要作用。由于磁场是沿轴向的，电子和离子的径向速度将会受到限制。Williams等[21]对磁场的影响进行了研究，图11表明，随着轴向磁场由150 G增大到250 G，离子的径向速度及壁面电流大幅减小[16]。一个离子损失在壁面就代表有一部分能量没有用作离子的电离以及加速，减小壁面电流则会减少离子产生成本。磁场对于减小壁面电流具有明显的作用，但是提高磁场强度并不总是有利的，当磁场强度太强时，放电室器壁鞘层对离子产生成本的影响将会变得显著。

图11 稳恒磁场和射频功率对壁面电流、径向离子速度的影响图Fig.11 Estimated wall ion current and radial ion velocity as a function of rf power and magnetic field

2.2.3 电子温度的影响

放电过程中存在中性气体的电离以及鞘层中的电子、离子加速两大能量消耗。前者电离的离子一部分被栅极加速喷出形成推力，还有一部分损失在壁面，同时造成能量的浪费。后者主要发生在离子和电子穿过放电室壁面的鞘层过程中。当离子经过鞘层电势损失在壁面时，同样会有等量的电子穿过鞘层，以保持放电室电中性。每一个离子或者电子穿过鞘层时，都会被电场做功，这意味着一部分能量耗散在了放电室之外。因此，降低鞘层电势能够降低离子产生成本。

鞘层电势和电子温度之间存在正比关系。这是因为鞘层电势的作用是阻止电子向壁面运动，电子温度越高，其能量也就越大，阻止其向壁面运动也就需要更高的鞘层电势。因此，降低电子温度能够降低鞘层电势，进而降低离子产生成本。电子能量也与电离效率有关，图6也说明了等离子体密度与射频能量（直接影响电子温度）成正相关关系。

2.3 高效率离子引出及加速技术

螺旋波离子源的放电效率本身较高，但是现有的螺旋波等离子体推力器推力都较小，效率也不高。其原因就是等离子体没有经过有效的加速，推力器的比冲很低。对于推力器，只有将离子加速到一个比较高的速度，才会获得较高的比冲和较大的推力，才有工程应用性。采用栅极系统对离子进行加速是目前最为成熟的加速方案。

2.3.1 栅极系统

如图12所示，栅极系统一般由屏栅和加速栅组成。离子通过放电室等离子体和加速栅之间形成的Child-Langmuir鞘层进行加速。如果没有屏栅极，部分离子会直接轰击在加速栅上，造成加速栅的腐蚀。因此在加速栅和等离子体之间安放一个带孔的屏栅极用以阻止这些离子。屏栅极电势一般和放电室电势相差不大。这样设置的目的是离子相对于屏栅极的能量较低，不会对其造成腐蚀。当离子穿过屏栅极之后，巨大的电势降使得离子获得很高的速度。加速栅的孔径一般会小于屏栅的孔径，这是为了最大化离子透过率而降低中性气体的透过率。有时还会在加速栅后面再布置一个减速栅，以降低电子的返流。单个孔引出的离子束流有限，为了增加离子束流，通常会采用具有上千个孔的栅极系统。

图12 栅极系统示意图Fig.12 Diagram of the grid configuration

栅极系统技术是比较成熟的技术，但是当栅极和螺旋波离子源耦合在一起之后，栅极如何有效地将电子和离子分离，并高效地引出加速离子是设计的首要因素。

2.3.2 电子收集系统

离子引出之后剩余的电子也需要被及时地引出，避免放电室或航天器电势过低，影响推力器性能或导致离子返流。吸收电子一般采用阳极板，由于螺旋波离子源的器壁是石英或者耐热玻璃，不能用来吸收电子，因此，阳极板可以布置在放电室底部。此外，控制放电室中的电子分布对束流引出也有一定的影响，电子密度太高不利于离子的引出，太低又不利于电离。因此，一种可能的方案是在阳极板周围加一组励磁螺线管，通过控制磁场，利用磁镜效应来控制电子进入阳极的流量。此方法产生的磁场对螺旋波放电有怎样的影响，是否能够有效实现还需进行进一步验证。

2.3.3 放电电路

最后一个子系统是推力器放电电路。放电电路除了配合阳极板收集电子，维持放电室电势之外，还将中和器与放电室等离子体连接在一起，并将屏栅、加速栅的电势设置在合适的水平。此外还向螺线管中提供电流，以控制稳恒磁场强度，控制阳极电子流率。测量放电电路的电流、电压也是一种对放电室进行诊断的手段。

3 结论和展望

螺旋波离子推力器的设计需要综合考虑射频天线、放电室结构、稳恒磁场强度、射频功率、栅极加速以及这些因素之间的匹配关系，以期达到推力器的效率最高。天线的设计首先与放电室中螺旋波的波长有关。不同的天线结构具有不同的辐射频谱、辐射阻抗、方向性系数。综合来讲，右旋半波长天线具有最佳的性能。放电室半径为放电室中的螺旋波提供的边界条件，影响着放电室中的波形以及天线的设计。稳恒磁场以及射频功率对离子产生成本具有重要的影响，需要细致考察两者的耦合关系，以使推力器达到最佳的性能。当栅极和离子源耦合在一起之后，可以有效的将离子引出。适应放电室等离子体密度变化的栅极参数是栅极设计的关键。

螺旋波离子推力器是将高效率的螺旋波离子源和成熟栅极加速机制的结合，既具有螺旋波放电高效率、高等离子体密度的优势，也具有通过栅极加速获得高比冲的优势，有望成为一种新的高性能电推力器。同时，栅极系统对螺旋波放电的影响以及螺旋波放电产生的等离子体是否能较好满足栅极引出条件还需要进行进一步的研究验证。