面向火星探测的CO2工质射频离子推力器离子源性能研究

杨谨远，张思远，李 程，李昊霖，孙安邦

（西安交通大学电气工程学院 电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710000）

0 引言

作为太阳系的行星之一，火星是地球的近邻，对火星的研究将有利于空间资源的开发和利用，为此，各先进国家都制定了火星探测计划。人类对火星的探测计划可追溯至20世纪60年代，从苏联发射的“Mars 1960A”火星探测器（因运载火箭出现故障，导致发射失败）开始[1]，至2021年5月15日“天问一号”火星探测器成功着陆火星，全球已进行了近50次火星探测任务，宣布了多项载人登陆火星计划[2-3]。但是，火星地表极其苛刻的环境条件和地火之间的距离给火星探测与载人航天飞行任务带来了挑战：火星地表过大的昼夜温差[4]（白天28℃，夜晚-132℃）将导致固体、液体火箭发动机不能正常运行；常规化学推进系统由于比冲较低，在进行火星探测以及距离更长的深空探测时将因为需要携带大量燃料而使成本过大。因此有必要发展新型的推进技术以突破火星环境以及长距离航行对航天器动力系统可靠性和成本方面的限制。电推进技术的工作原理是将电能通过不同途径转换成工质的动能，使其喷出，形成高速射流并产生推力[5]。相对于常规化学推进技术，电推进技术具有比冲高、寿命长、推力易于控制等优点，有利于航天器的长距离深空飞行。

感性耦合等离子体是一种适用于低气压下的等离子体源，已被广泛应用于半导体工业、国防和航天领域[6]。其放电机制为：射频能量由射频天线（线圈）通过电磁场的方式馈入放电腔体内形成等离子体。感性耦合等离子体存在两种放电模式，即低输入功率时的容性耦合模式（E模式）和高输入功率时的感性耦合模式（H模式）。低输入功率（E模式）时，等离子体由线圈间电势差产生的轴向电场El激发；高输入功率（H模式）时，等离子体由环向感生电场Eθ激发和维持[7]。相较于E模式，H模式下等离子体密度更高，发光强度更强。射频离子推力器（RIT）作为一种以射频感性耦合方式产生等离子体的静电式电推力器，除去电推力器共有的优点外还具有结构简单、耦合效率高、等离子体密度高、无电极烧蚀等特点，在火星探测及长距离深空探测中拥有独特优势。

射频离子推力器受到多家研究机构的关注。1962年，德国吉森大学的Loeb教授等[8]开始了对射频离子推力器的研究。他们针对不同空间任务的需求，研制了从“RIT-1”至“RIT-35”的一系列不同尺寸的推力器[9]。美国Busek公司针对立方星的需求，研制了“BIT”系列的射频离子推力器，推力范围覆盖μN至mN级别，可作为微纳卫星的主动力系统[10-12]。法国ThrustMe公司基于无中和器的设计理念，先后研制了采用电负性工质的“PEGASES”“PEGASES II”样机和利用射频自偏压效应的“Neptune”样机[13-17]。“PEGASES”系列样机通过电离电负性工质，使用磁体约束电子，在放电腔体中形成“离子-离子”等离子体，栅极系统可交替引出正负离子实现自中和；“Neptune”样机向栅极施加射频信号，利用屏栅、加速栅和等离子体接触面积不等的特点，在栅极系统间形成自偏压效应，在持续引出正离子的同时脉冲式地喷出电子实现自中和。Loeb等[18-19]针对火星载人航天任务，提出了使用核能和大型射频离子推力器相结合的核电推进概念。

CO2是火星大气的主要成分（约占95.32%体积分数）[20]，研制以CO2为工质的电推进技术将对火星探测以及更远距离的深空探测具有重要意义。本文以CO2为工质的射频离子推力器离子源为研究对象，概述电推进在火星深空探测的应用背景和射频离子推力器研究现状；介绍射频离子推力器的原理、本课题组所研制的射频离子推力器离子源样机和试验平台；开展射频离子推力器离子源在CO2工质下的点火试验；对比Ar工质和CO2工质下腔内等离子体参数的诊断结果；研究射频功率对CO2工质下腔内等离子体参数的影响；列举对栅极施加直流电压后的推力器离子源离子束流引出试验结果；分析屏栅电压、射频功率、进气流量和栅极透明度对推力器离子源栅极电流参数的影响，为火星探测提供理论与实践基础，为工程设计提供指导。

1 样机与试验平台介绍

射频离子推力器一般包括：工质供给、放电腔体、射频天线、栅极系统、中和器和外结构框架。以CO2工质为例，其工作过程如图1所示，工质经气路供给至放电腔体，射频能量由射频天线耦合进放电腔体，使中性粒子发生电离形成等离子体，在栅极系统作用下，正离子（主要为CO2+）从屏栅上游的等离子体鞘层中引出、聚焦并加速，形成准直的离子束流被高速喷出并产生推力，中和器向离子束流发射电子以保证推力器整体呈电中性。

图1 射频离子推力器原理图Fig.1 Schematic of the radio-frequency ion thruster

CO2是一种多原子分子，其放电过程较为复杂[21]，反应体系中包含多种粒子（如CO2、CO、O2、O、O3、CO2+、O-、e、CO+、O2+、O+和C+等），存在多种碰撞过程（如弹性碰撞、电离碰撞、复合反应、解离碰撞、振动激发、附着碰撞等）。研究[22-24]表明，反应体系中主要的带电粒子为CO2+、e和 O-，因此，图 1中以CO2+、e、O-三种主要带电粒子来代表放电腔体内形成的等离子体体系。

本课题组研制的射频离子推力器离子源如图2（a）所示。其中，放电腔体为石英玻璃制成的圆柱形结构，内径60 mm，长100 mm，壁厚5 mm，表面烧制了内径4 mm，壁厚2 mm的进气管，该进气管通过卡扣与气路连接，内有橡胶圈保证气密性。栅极由不锈钢制成，为保证装配的便捷性，采用双栅极平面型结构，使用云母片保证栅极间绝缘、控制栅极间距。栅极参数为：屏栅孔直径1.9 mm、加速栅孔直径1.2 mm、屏栅厚度0.5 mm、加速栅厚度1 mm、栅极间距1 mm、引出孔圆心距2.4 mm。射频天线采用柱面耦合的方式，由截面外径6 mm，内径4 mm的空心紫铜管绕制而成。为屏蔽射频天线向真空室辐射的能量，防止室内气体辉光放电和电弧放电，制作了如图2（b）所示的屏蔽罩，其外壳接地。

图2 射频离子推力器离子源整体结构及部件Fig.2 Overall structure and components of the radio-frequen‐cy ion thruster’s ion source

地面试验平台由真空室、供气系统、射频电源及匹配系统、栅极直流电源等组成，如图3所示。真空室采用机械泵-罗茨泵-分子泵三级系统抽气，空载下极限压力可达6×10-4Pa。平台供气系统包括气瓶、流量计、软管及针阀等，气瓶中工质气体经过电子流量计和针阀控制，经进气软管进入放电腔体。使用朗缪尔双探针（图4）进行等离子体参数诊断，通过真空室外的探针驱动装置移动探针，以测量不同位置的等离子体参数。

图3 地面试验平台示意图Fig.3 Schematic of the ground experiment platform

图4 朗缪尔双探针实物图Fig.4 Langmuir double probe

图5为朗缪尔双探针测得的伏安特性曲线。通过分析该曲线可得到等离子体离子密度和电子温度信息，计算原理如下[25]：

设双探针收集到的离子电流和电子电流分别为I1i、I2i、I1e、I2e，由于整个系统是悬浮的，有：

回路中的电流I可写为：

电子电流I1e、I2e可写为：

式中：I1e*、I2e*为电子饱和电流；V1、V2为探针电位；e为电子电荷；定义U=V2-V1。综合式（1）至式（4），有：

令Ii=I1i=I2i，式（2）可化简为：

图5 朗缪尔双探针测得的伏安特性曲线Fig.5 The V-I curve measured by Langmuir double probe

通过对朗缪尔探针I-V特性曲线线性拟合，对斜率进行计算即可得到电子温度Te，例如，图6中所示结果为Te=1÷0.3751=2.67 eV。

离子密度ni可通过式（9）进行计算：

使用朗缪尔探针诊断感性耦合等离子体时，诊断设备在射频频率下相当于一个低阻抗负载，探针电势将被地电位所钳制，导致探针无法得到准确的伏安特性曲线。为避免射频信号对朗缪尔探针的影响，可采用在朗缪尔探针外添置如图4所示的射频补偿电极的方法[26]。补偿电极内部与探针连在一起，保证探针与电极间同电位。补偿电极外表面涂有薄的氧化层，用于提高探针针尖与等离子体的耦合电容，保证探针能实时响应等离子体电势的变化。

图6 对朗缪尔双探针I-V特性曲线进行线性拟合Fig.6 Linearization of the Langmuir double probe IV characteristic

2 推力器离子源点火及腔内等离子体参数诊断

2.1 CO2工质点火试验

采用脉冲气流配合适当射频功率的方式点火，操作流程为：首先打开射频电源调至点火功率；再打开流量计，调至工况流量，同时关闭真空室上连接流量计和推力器离子源的针阀，使从流量计到真空室壁的气管内储存大量气体；随后瞬间打开针阀，使气管内储存的高压气体涌入放电腔体内，提高放电腔体内的瞬时气压形成放电等离子体，待气流稳定后即可形成稳定的自持放电，此种点火方式要求流量计为后置式阀门。图7为CO2工质点火图，图中放电腔体区域发出明亮白光，表明离子源工作在H模式，通过点火验证了CO2工质的射频离子推力器离子源的工作可行性。

图7 CO2工质H模式点火图Fig.7 Ignition image of CO2working under H mode

2.2 不同工质下腔内等离子体参数诊断

实现H模式下的点火后，使用朗缪尔探针对CO2工质下的腔内等离子体参数进行诊断。为了清晰地认识CO2工质下推力器离子源的放电情况与性能表现，进行了以地面试验中的常用工质Ar为工质的腔内等离子体参数诊断，并将其与CO2工质下的结果进行对比。试验中使用中间开有圆孔的聚四氟乙烯（PTFE）圆板代替推力器离子源的栅极区域，以便朗缪尔探针伸入腔体内部，同时在推力器离子源尾部安装屏蔽铜网以防止真空室内辉光放电干扰等离子体参数的诊断。

试验中控制射频功率在100 W，频率在13.56 MHz。设放电腔体进气口处为0点，PTFE圆板（原栅极）处为10 cm，得到Ar和CO2工质下在沿中轴线的腔内等离子体参数诊断结果，如图8所示。

从图8（a）（b）可发现，在腔内轴向2～4 cm内，Ar工质离子密度逐渐增大，在4～10 cm的区域内，离子密度逐渐减小，并随着气体工质流量的增加而明显增大。电子温度在2～4 cm内略微下降，在4～8 cm内先增大后略减小，在8～10 cm处明显增大；工质流量越大，在2～8 cm处电子温度整体越低，8～10 cm处电子温度增加得越明显。

图8 100 W下腔内Ar和CO2等离子体参数诊断结果Fig.8 Diagnostic results of the Ar and CO2plasma parameters at 100 W

分析原因为，离子密度的变化是进气口位置导致的气压梯度和射频天线在空间内辐射的能量梯度的共同作用：越靠近0（进气口）区域，气压越大，电子与中性粒子间的碰撞越频繁；但射频天线位于4～8 cm处时，离进气口太近的电子不能获得较多的能量，形成足够的有效电离碰撞；4 cm位置距离射频天线较近，同时离进气口不太远，因此该位置的电子既能和中性粒子发生足够多的碰撞，又能接收到足够多的天线辐射的能量，因此该位置上的有效电离碰撞次数最高，形成了离子密度峰值；8～10 cm区域因靠近出口，气压较低，离子密度一直呈下降趋势，10 cm位置处的离子密度仅有1015个/m3量级。在电子温度变化方面，4 cm位置处由于发生的电离碰撞次数最多，电子温度损失最大，因此形成了一个极小值。同时，离射频天线中央越近的区域内电子获得的能量最高，因而在4～8 cm区域内电子温度呈先增后降趋势。由于8～10 cm区域距出口太近，气压较低，电子平均自由程较大，能量损失小，因此该区域内的电子温度较高。

从图8可看出，CO2工质下离子密度和电子温度的变化趋势与Ar工质下大致相同。但对比发现，CO2离子密度比Ar的离子密度变化平稳，相同的工况下，以Ar为工质时产生的离子密度远大于以CO2为工质的离子密度；以CO2为工质时的电子温度比以Ar为工质时的电子温度高且受气体工质流量的影响更大。这是由于在以CO2为工质的等离子体中发生了较多反应，放电腔体内存在少量CO、O2等不易参与后续反应的气体[27]，影响了CO2的电离，进而影响了腔体中的离子密度。图9为CO2和Ar在与电子发生电离碰撞时各自的电离碰撞截面与电子能量的关系，该图的数据来源于Biagi数据库[28]中电子温度在10～85 eV区间内的碰撞截面数据。

由图9可知，CO2与电子的电离碰撞截面比Ar与电子的电离碰撞截面小，即相同流量下，电子与CO2之间的有效电离碰撞不如电子与Ar间的有效电离碰撞频繁，所以CO2工质放电腔体内的离子密度较小。

图9 Ar和CO2的电离碰撞截面对比Fig.9 Comparison of the ionization collisions’scattering cross sections for Ar and CO2

2.3 不同功率下腔内等离子体参数诊断

试验中控制射频功率为150 W，保持其余参数与2.2一致，得到CO2工质下放电腔体中轴线上等离子体参数诊断结果，如图10所示。

图10 150 W下腔内CO2等离子体参数诊断结果Fig.10 Diagnostic results of the CO2plasma parameters at 150 W

对比图8（c）（d）和图10可以发现：射频功率增大可明显提高等离子体密度。150 W功率下，离子密度在轴向位置2～3 cm处（靠近进气口）和5～8 cm处（靠近射频天线）出现了两个峰值，原因可从气压梯度和射频能量辐射强弱两个角度分别进行解释，即射频功率越大，离子密度沿轴向分布受气压梯度和能量辐射强弱的影响越显著；射频功率增大能提高电子温度在远离出气口处沿轴向分布的稳定程度。

3 离子束流引出试验

以栅极电流参数反映推力器离子源离子束流引出情况，试验电路图如图3所示。栅极电流参数包括屏栅电流Isg、加速栅电流Iag和收集栅电流Icg。分别改变屏栅电压、射频功率、工质流量和栅极透明度测量栅极电流参数。

3.1 屏栅电压对栅极电流参数的影响

控制屏栅电压Vsg由+100 V以100 V步长上升至+2 000 V，其余参数为：工质CO2，进气流量10 cm3/min，射频功率150 W，射频频率13.56 MHz，加速栅电压-200 V，试验结果如图11所示。

由图11（a）可知，随着屏栅电压Vsg的增大，屏栅电流Isg和收集栅电流Icg均近似线性增大，加速栅电流Iag逐渐减小。表明在本试验条件下，屏栅电压增大有助于提高栅极系统引出离子的能力并改善栅极对离子束流的聚焦效果。综合图11（a）和（c）可以看出，在屏栅电压+100 V至+1 200 V区域内，加速栅电流Iag减小幅度较大，收集栅电流和屏栅电流比值Icg/Isg增幅明显；在屏栅电压+1 200 V至+2 000 V区域内，Iag的减小幅度和Icg/Isg的增长幅度均放缓。从图11（b）发现，屏栅电流与加速栅电流的差值Isg-Iag和收集栅电流Icg近似相等。

图11 屏栅电压对栅极电流参数的影响Fig.11 Influence of the screen grid voltage on the grid’s current

3.2 射频功率对栅极电流参数的影响

试验中控制屏栅电压Vsg由+100 V以100 V步长上升至+800 V，射频功率为150 W、200 W、250 W和300 W，其余参数保持不变。试验结果如图12所示。试验发现，射频功率的增大能显著提高Isg、Iag、Icg。这是因为射频功率增大使腔体内的电子获得更多的能量，腔体内的等离子体密度提高，使栅极系统能引出更多的离子。从图12（d）可以看出，射频功率增大会略微降低Icg/Isg，表明在本试验条件下，等离子体密度提高会略微降低栅极系统的聚焦性能。

3.3 工质流量对栅极电流参数的影响

控制屏栅电压Vsg由+100 V以100 V步长上升至+1 200 V，工质流量为5 cm3/min、10 cm3/min和15 cm3/min，其余参数保持不变。试验结果如图13所示。

图12 射频功率对栅极电流参数的影响Fig.12 Influence of the radio-frequency power on the grid’s current

图13 工质流量对栅极电流参数的影响Fig.13 Influence of the working gas flow on the grid’s current

试验发现，工质流量从5 cm3/min上升至10 cm3/min时，栅极电流参数明显提高，这是因为增大工质流量，可以明显提高推力器离子源放电腔体内的气压，提高腔体内电子与中性粒子间的有效电离碰撞次数，增大腔体内等离子体密度，从而增大Isg、Iag和Icg。但是，当进气流量从10 cm3/min上升至15 cm3/min时，加速栅截获电流Iag虽有上升，但收集栅上检测到的电流Icg没有明显上升。

3.4 栅极透明度对栅极电流参数的影响

加工了不同引出孔圆心距（孔间距）的栅极系统，孔间距分别为2.4 mm、2.8 mm和4 mm（栅极开孔数分别为511、397和295个，屏栅透明度分别为51.2%、39.8%和29.6%，加速栅透明度分别为20.4%、15.9%和11.8%），试验中控制屏栅电压Vsg由+100 V以100 V步长上升至+1 600 V，其余参数保持不变，试验结果如图14所示。从图14可以看出，栅极透明度对栅极系统的引出能力影响显著，过低的栅极透明度会明显降低引出束流的大小，并影响栅极系统的聚焦效果。

图14 栅极透明度对栅极电流参数的影响Fig.14 Influence of the grid’s transparency on the grid’s current

4 结论

CO2是火星大气的主要成分，本文以CO2工质的射频离子推力器离子源为研究对象进行了地面试验，包括点火试验、腔内等离子体参数诊断试验和离子束流引出试验，验证了CO2工质的射频离子推力器离子源的工作可行性。主要结论有：

（1）在等离子体参数方面：试验发现，离子密度轴向分布受气压梯度和能量辐射强弱两个方面的影响；电子温度在射频天线附近略高，原因是出气口处气压较低，电子平均自由程较大，电子缺少碰撞而具有较高的电子温度。

（2）对比CO2和Ar工质下的诊断结果，发现以CO2为工质时腔内离子密度比Ar为工质时低，原因来自于两方面：一方面是CO2电离产物包括CO、O2等不易参与后续反应的物质，影响了CO2的电离进而降低了离子密度；另一方面是CO2与电子的电离碰撞截面比Ar与电子的电离碰撞截面小，导致电子与CO2碰撞的次数比电子与Ar的碰撞次数少。

（3）射频功率增大可显著增大CO2为工质时腔内离子密度，功率越大，离子密度沿轴向的分布受气压梯度和能量辐射强弱的影响越显著，远离出气口处电子温度沿轴向分布越稳定。

（4）离子束流引出试验发现，等离子体密度提高会略微降低栅极系统的聚焦性能；工质流量在一定范围内增大可提高引出束流；栅极透明度提高能较明显地提高栅极系统的引出能力和聚焦效果。