环型离子推力器放电机理研究进展①

鹿 畅，梁学明，夏广庆，关思琦

(1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024；2.大连理工大学 辽宁省空天飞行器前沿技术重点实验室，大连 116024；3.大连理工大学 图书馆，大连 116024)

0 引言

电推进因其高比冲、高效率、长寿命和高可靠性等优势在航天任务中的应用愈加广泛[1-5]。2019年12月，国内在“实践二十号”卫星上成功应用了由航天五院510所自主研发的LIPS-300离子推力器，标志着国内电推进技术取得重大突破[6]。2020年初，国内探月计划“嫦娥工程三期”顺利完成，初步建立了深空探测网，火星探测计划提上议事日程[7]。开展火星探测任务的首要难题是探测器的运载问题，探测器要摆脱地球引力进入火星轨道，其飞行速度需超过第二宇宙速度。与此同时，探测器要经过极长的飞行时间，期间还要经受各种力、热和辐射的干扰。因此，开展火星探测任务对探测器推力器的推力、功率、比冲、效率和使用寿命等性能提出了更高的要求。研发更大推力和更高功率的电推力器将对我国未来的航天任务起到至关重要的作用。

传统考夫曼型离子推力器是目前比冲、效率和使用寿命最高，也是应用最广的电推力器之一[8-10]，但其推力和功率距火星探测等深空探测任务的要求还有较大差距[11-12]。大尺寸栅极组件的制造困难和最大输入功率的降低是制约大推力、高功率离子推力器研制的两大技术难题[13-14]。为解决这两大技术难题，突破传统考夫曼型离子推力器的尺寸和功率上限，2012年NASA 格林研究中心提出了一种新型的离子推力器——环型离子推力器[15]。针对国内未来近地轨道任务、远距离深空探测等使命，2015年航天五院510所在国内率先展开了环型离子推力器的研发[16]。同年，鹿畅等参与到航天五院510所该推力器的研发中，开展了环型离子推力器的数值模拟工作以辅助该推力器设计[17]。

综上所述，2020年国内已启动火星探测计划，大推力、高功率电推进是保证该计划顺利进行的关键技术之一。环型离子推力器作为大推力、高功率电推进的重要发展方向，具备突破传统考夫曼型离子推力器尺寸和功率上限，并大幅提升离子推力器综合性能的潜在优势。因此，环型离子推力器将是国内未来航天任务的重要技术储备。本文对环型离子推力器放电机理的相关研究进行综述，并提出环型离子推力器的下一步研究重点。

1 环型离子推力器的优势

离子推力器的工作过程大致分为三个阶段：(1)推进工质在放电室内被电离产生离子；(2)离子被栅极系统加速形成束流；(3)束流被中和器中和形成羽流。其中，离子被栅极系统加速的阶段是推力获得及功率输出的主要阶段[18-19]。因此，离子推力器的推力和功率水平与栅极的尺寸密切相关，增大栅极的尺寸是大幅提高离子推力器推力和功率水平的关键[18-19]。

传统考夫曼型离子推力器主要由阴极、阳极、栅极和中和器等构成，放电室通常为轴对称的截圆锥结构，如图1所示[8]。由其结构可知，栅极尺寸增大后，栅极跨度及放电室体积面积比也随之增大。然而，栅极跨度和放电室体积面积比的增大会严重降低栅极组件的力热稳定性和放电室输入功率上限[20]。

(a)Appearance (b)Section diagram

环型离子推力器的结构组成如图2所示[15-16]。其放电室主要由两个阳极套筒组成，整体呈环形，阴极偏置于放电室一侧，使放电室为非轴对称结构[16]。放电室几何结构的变化使得环型离子推力器相比于传统考夫曼型离子推力器，具备如下显著优势：

(1)栅极跨度成倍减小，大大降低了大尺寸栅极的制造难度，可大幅提高推力器的设计尺寸。

采用环形几何结构，栅极系统的跨度和间距比成倍降低，提升了栅极系统的热/机械稳定性，因而可轻松突破传统考夫曼型离子推力器栅极的直径上限并大幅提高推力器的设计尺寸，具备获得更大束流和推力的潜力。

由于离子推力器的推力基本上与其出口面积成正比[21]，在相同的运行工况下，4台直径20 cm的离子推力器与1台直径40 cm的离子推力器提供的推力相当。然而，1台直径40 cm的离子推力器，其本身质量、占用空间、相应的贮箱和工质供应管路、电源设备占用空间与1台直径20 cm的离子推力器基本没有差别。因此，增大离子推力器的出口面积，不仅可增大推力，而且可显著提高离子推力器的有效载荷比。推力和有效载荷比的增大，不仅可满足多种航天任务的需求(特别是深空探测任务的需求)，还可进一步降低航天任务的发射成本。

(a)Appearance (b)Internal structure

(2)阳极面积增大近1倍(即放电面积增大1倍)，显著增大了推力器的输入功率及等离子体密度上限。

考夫曼型离子推力器中等离子体密度与其放电室体积面积比相关。体积面积比越小，则放电面积越大，放电室输入功率上限越高，可获得的等离子体密度也越高。然而，对于传统考夫曼型离子推力器，随着栅极尺寸增大，体积面积比会显著增大，导致放电室输入功率上限不断降低，可获得的等离子体密度也明显减小，因此在一定程度上抵消了栅极尺寸增大带来的推力增益。环型离子推力器的双阳极结构可在相同栅极面积下显著减小放电室体积面积比，所以相比于同尺寸的传统考夫曼型离子推力器，环型离子推力器可大幅提升推力器的输入功率及等离子体密度上限。

(3)节省了安装空间。传统离子推力器的外部中和器需要悬挂在推力器出口一侧，所以在安装时，需要较大空间来安置外部中和器。环型离子推力器可将中和器安置在推力器中心轴线位置，使推力器结构一体化，从而显著减小推力器占用的总体积。

(4)环型离子推力器内环为中空结构，具备制造多环环型离子推力器和混合环型推力器的潜力。

多环环型离子推力器的概念图如图3所示[22]，其整体推力水平和输入功率可随嵌套环数的增大而增大。

图3 多环环型离子推力器[22]

混合环型推力器的概念图如图4所示[22]。可看出，混合环型推力器是将环型离子推力器与其他类型推力器相互嵌套在一起的推力器，其将具备更宽范围的工作模式。

Annular+Hall model Annular+Chemical model

综上所述，环型离子推力器作为大推力、高功率电推进的一个重要发展方向，将是国内未来火星探测及其他深空探测任务的重要技术储备。其通过改变放电室结构突破了传统考夫曼型离子推力器的尺寸和输入功率限制，可大幅提升离子推力器的推力和功率水平，并具备许多其他潜在优势。

2 国内外研究现状分析

环型离子推力器的概念最早由NASA电推进实验室的ASTON等于1989年提出[21]。但早期的环型离子推力器仅是在放电室中轴位置增加了一个绝缘支撑柱，将栅极结构变成了环形。而阴极位于支撑柱内部，并通过支撑柱的缝隙进行放电。1990～1995年，ASTON等[23-24]研制了基于上述设计概念的推力器样机。样机测试结果证明了环形栅极的可行性。

离子推力器的一个重要特点是等离子体的产生和加速为两个基本独立的过程[25]，因此其放电室结构理论上可采取多种形式而不影响推力器功能的完整性。基于这一特点，2011年NASA格林研究中心的PATTERSON等[25]提出了新一代环型离子推力器的概念。与早期不同，新一代环型离子推力器采用了双阳极设计，其内部支撑柱不仅起挂载栅极的作用，还作为阳极参与放电。同时，放电阴极不再位于支撑柱内部，而是偏置于放电室一侧。

2012年，NASA格林研究中心根据PATTERSON等提出的设计概念制作了用于实验研究的小口径(42 cm)环型离子推力器原理样机[15]。该样机的放电和束流引出测试结果显示其性能基本满足设计要求，证明了新一代环型离子推力器的可行性。同时表明，环型离子推力器是快速研发极高功率(>100 kW)电推力器的关键，其可在高比冲保持不变的情况下，将离子推力器的输入功率和推力密度拓展至极高水平。

同年，SHASTRY等[28]针对非轴对称环形放电室的放电特性进行了实验研究，研究发现：

(1)工质原子对等离子体均匀性有显著影响。放电均匀性与推进工质流率具有强相关性，适当减小推进工质流率，不仅增加了到达栅极的离子电流密度，而且提高了放电均匀性，如图5所示[26]。SHASTRY等推测高密度推进工质对电子周向漂移运动的干扰是导致该问题的原因。

(a)Rated propellant flow rate

(b)Low propellant flow rate

(2)电参数对等离子体均匀性也有显著影响。放电阴极下游的电流密度明显高于其他周向位置，特别是在高放电电流工况下。在合适的放电功率下，可实现较为均匀的放电，但当放电功率较小或较大时，放电的非均匀性显著增大，如图6所示[26]。

(3)电参数对平均离子密度有重要影响。平均离子密度与放电功率呈高度线性关系，放电功率越高平均离子密度越大，而且在高放电功率下放电损耗显著降低。此外，他们还发现，束流平直度随束电流的增加而增加，离子电流密度在阳极表面2 cm处快速下降。因此，在束流引出过程中对该部分区域进行了遮挡，以避免其对束流均匀性的影响。

图6 放电的非均匀性度随放电功率的变化[26]

然而，对于上述实验现象的产生机理，如推进工质流率和放电功率对等离子体均匀性和平均离子密度的影响机理，SHASTRY等没有进行更深入的探究。由于等离子体均匀性和平均离子密度等特性是决定环型离子推力器性能高低的关键因素，所以有必要对上述问题进行深入研究。

2013～2015年，NASA格林研究中心报道了其正在研制的65 cm口径环型离子推力器研究现状[22,27]，测试结果证明了大口径、高功率环型离子推力器的可行性。同时，研究结果表明，65 cm环型离子推力器与42 cm环型离子推力器具有相似的特性表现，其磁场基本设计准则为保持磁场的最大闭合等值面约为50 G，并在放电室中间留有较大的磁空区。

另外,还发现：

(1)阴极位置对等离子体分布有显著影响。在栅极正对阴极上方的较小区域内等离子体密度达到峰值，如图7所示[22]，导致此处具有极高的加速栅极截获电流，但其产生机理尚不明确。

图7 阴极上方等离子体峰值区域的实验观测图试验观测阴极上方等离子体峰[22]

(2)磁阻是影响放电稳定性的关键因素。环型离子推力器在低功率下的放电不稳定性与磁阻大小相关，而非传统离子推力器中常见的阴极自持加热功率不足，磁阻越大放电越容易失稳。这些研究结论表明等离子体分布特性和放电稳定性问题值得重点探索。

2016～2017年，NASA格林研究中心报道了其下一步研究计划[28-29]。他们将在未来实现115 cm口径的环型离子推力器，并将其输入功率增大至300 kW，同时将开展多环环型离子推力器，霍尔推力器、化学推力器与环型离子推力器相结合的混合推力器的研发。

2018年，FOSTER等[30]基于三维磁场求解器和零维模型对环型离子推力器内的磁场结构进行了优化，以降低尺寸增大带来的高放电损耗。

国内航天五院510所于2015年开展了50 cm口径的5 kW环型离子推力器样机研发[16,31]。 2017年，该样机性能摸底实验结束，实验结果初步验证了环型离子推力器的可行性[16]。2018～2019年，陈娟娟等[32-33]利用二维轴对称模型对环型离子推力器的磁场结构和阴极流率进行了优化设计。研究结果表明，磁场结构和工质流率对推力器性能有显著影响，相关影响机理亟需进一步研究。

考夫曼型离子推力器的放电过程非常复杂，不同粒子的时空特性差异巨大，放电室几何结构也较为复杂,因此要求其仿真模型需具备极高的效率并能保持良好的精度，这使得其仿真研究难度极大，已有的放电室仿真模型只有零维模型和二维轴对称模型[34-36]。然而，环型离子推力器的放电室呈非轴对称结构，许多关键问题必须采用三维模型才能进行研究，这进一步加剧了仿真研究的难度，导致目前有关环型离子推力器放电特性的仿真研究非常有限。

针对上述问题，2015～2019年，鹿畅等[17]开发了高效高精度的三维放电室仿真模型。该模型使用了三维各向异性浸入式有限元(IFE)算法[37]，以及基于等离子体双极扩散描述和宏粒子(PIC-MCC)算法建立的混合PIC解耦迭代算法，使得该模型可对具有复杂边界和非轴对称结构的放电室进行高效高精度仿真。与LIPS-300离子推力器的实验数据对比显示(仿真结果如图8所示)，该模型仿真结果与实验结果吻合良好，表明其可对非轴对称的放电室进行可靠的仿真和辅助设计。但该模型采用了工质原子均匀分布假设，目前尚不能用于工质原子三维分布特性的仿真分析。

(a)Primary electron density distribution (b)Ionization rate distribution

(c)Plasma potential distribution (d)Ion density distribution

利用上述模型，鹿畅等对影响环型离子推力器放电室内等离子体均匀性的因素进行了初步探讨，研究发现阴极长度、磁极个数和放电通道宽径比等参数均会对等离子体均匀性产生显著影响，但对于这些因素的影响机理还有待更深入的分析。此外，鹿畅等[38-40]还针对环型离子推力器的栅极性能和羽流分布特性进行了研究。研究发现，环型离子推力器的放电不均匀性会严重降低栅极使用寿命，并导致其羽流也具有非对称性进而导致放电阴极一侧的羽流污染更严重。

3 影响环型离子推力器放电性能的关键问题

文献调研结果表明现有国内外研究均已证明了环型离子推力器的可行性，但对于其放电机理尚处于初步探讨阶段，许多实验现象因放电过程的复杂性而缺乏可靠的解释。通过总结现有研究，发现现阶段亟待解决的三方面主要问题：

(1)针对推进工质流率及工质原子分布对等离子体均匀性等分布特性的影响机制缺乏深入探究。在传统考夫曼型离子推力器中，推进工质流率主要影响放电室内等离子体的密度，对等离子体的均匀性等分布特性影响不大，且推进工质流率越大，到达栅极的离子电流也越大。然而，SHASTRY等[26]研究发现在环型离子推力器中推进工质流率对放电室内等离子体的均匀性有显著影响，而且适当减小流率可提高到达栅极的离子电流。这一现象与传统考夫曼型离子推力器中差别较大，说明传统考夫曼型离子推力器推进工质的供给设计在环型离子推力器中不再适用。但对于环型离子推力器中推进工质流率如何对等离子体的分布产生影响，以及工质原子分布是否是其中的关键参数等问题，SHASTRY等没有进行进一步探讨。因此，有必要针对推进工质流率及工质原子分布对等离子体分布特性的影响进行研究，然后通过了解其影响机制找到环型离子推力器最佳性能下的推进工质流率及工质原子分布。

(2)针对几何参数及电磁场参数对等离子体均匀性、平均离子密度等分布特性的影响机理认识不清。现有研究结果已经发现，电磁场参数和放电室结构对环型离子推力器中等离子体的分布特性有显著影响，并会对推力器的放电损耗、效率等宏观性能产生较大影响，如文献[15,22,26]所述。但对于这些因素如何影响等离子体的分布特性及其对推力器宏观性能的影响机制均缺乏更深入的分析。深入了解这些因素的影响机制，可为环型离子推力器设计准则的确定及性能提升提供有益参考。

(3)针对磁阻对放电稳定性的影响机制缺乏深入研究。放电是否稳定主要表现为阴极能否进行稳定的自持放电，其是推力器正常工作的前提。在传统考夫曼型离子推力器中，阴极无法稳定的自持放电主要由阴极自身问题导致，如阴极自持加热不足等。NASA格林研究中心研究发现，环型离子推力器中放电稳定性与外部磁阻大小密切相关[22]，但对于相应的影响机理没有给出更深入的解释。此外，对于其他设计参数，如阴极结构、几何尺寸、电磁场结构等，对磁阻大小的影响也亟需更深入的研究。

4 结束语

2020年，国内已启动火星探测计划，高功率乃至超高功率的电推力器是执行该任务的关键技术。环型离子推力器正是未来大功率电推力器中极具潜力的发展方向之一。然而，目前的研究主要集中在环型离子推力器的可行性验证、性能测试和放电特性观测，对于其工作机理的深入探讨还非常缺乏，主要包括：针对推进工质流率及工质原子分布对等离子体均匀性等分布特性的影响机制缺乏深入探究；针对几何参数及电磁场参数对等离子体均匀性、平均离子密度等分布特性的影响机理认识不清；针对磁阻对放电稳定性的影响机制缺乏深入研究。针对上述三个问题，环型离子推力器的下一步研究重点主要包括以下三方面：

(1)建立兼具仿真效率和精度的工质原子三维仿真模型，并将其耦合进入三维的放电模型；然后，针对推进工质流率和工质原子分布对等离子体分布特性的影响进行研究。

(2)对环型离子推力器复杂几何结构及多场耦合作用下的微观本质放电过程进行研究，探讨环型离子推力器放电室中等离子体分布特性在不同参数下的变化机理。在此基础上，确定环型离子推力器的基本设计准则。

(3)分析推力器设计参数对磁阻的影响并设计实验工况，通过对比不同工况下的实验结果，分析磁阻对放电稳定性的影响机理。