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低溫等離子體在溶液處理、材料改性、能源轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)學、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，應(yīng)用低溫等離子體的電推進技術(shù)已經(jīng)成為空間推進領(lǐng)域的研究焦點。2018年NASA提出了名為NextSTEP的一系列先進電推進計劃，展望了面向未來的電推進技術(shù)。

與利用燃料氧化燃燒產(chǎn)生推力的化學推進相比，電推進具有比沖高、推力小、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點，尤其適用于航天器位置保持、軌道轉(zhuǎn)移、軌道維持、姿態(tài)控制和深空探測等執(zhí)行太空任務(wù)。根據(jù)推進劑加速機制的不同，可將電推進分為三類：電磁推進、電熱推進和靜電推進。

靜電推進中的射頻離子推力器基于感性耦合放電技術(shù)（Inductively Coupled Plasma, ICP），比容性耦合放電具有更高的等離子體密度。其無放電電極，不存在電子轟擊式推力器的陰極壽命問題，同時沒有電子回旋共振式離子推力器微波功率傳輸耦合的復(fù)雜性，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作壽命長、推力動態(tài)范圍大和性能調(diào)節(jié)響應(yīng)靈敏等特點，是國際電推進領(lǐng)域的研究熱點之一。

高推力精度要求的太空任務(wù)（如歐洲航天局的引力波探測計劃LISA）與協(xié)同運作的立方星星座任務(wù)（如SpaceX的通信網(wǎng)絡(luò)計劃StarLink）都迫切需要微推進系統(tǒng)。微型射頻離子推力器滿足體積小、質(zhì)量輕、推力小、響應(yīng)快速和控制精確的要求，除此之外，其結(jié)構(gòu)簡單、工作壽命長，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ耐屏ζ髦弧?/p>

國際上對微型射頻離子推力器的研究主要集中在歐美，典型樣機有德國吉森大學的RIT 10、RIT 4，美國賓夕法尼亞州立大學的MRIT，以及美國BUSEK公司的BIT 3。2001年ARTEMIS通信衛(wèi)星上正式應(yīng)用了RIT 10，用于執(zhí)行南北位置保持任務(wù)，BIT 3在2020年之后可以搭載太空發(fā)射系統(tǒng)升空。國內(nèi)對微型射頻離子推力器的研究時間較短，最早由中科院空間科學技術(shù)中心對RIT 15采用氙作為工質(zhì)進行性能實驗測試。中科院力學所的μRIT-2.5已進行飛行驗證。

射頻離子推力器的性能與電離室內(nèi)的ICP特性密切相關(guān)。相比于實驗，ICP數(shù)值仿真成本較低，可以揭示深層機理，因此得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。射頻離子推力器內(nèi)部ICP的數(shù)值仿真模型主要有三種：全局模型、流體模型和粒子模型。

全局模型相比于流體與粒子模型，計算時間顯著減少，并且也是目前發(fā)展最完善的模型。但現(xiàn)有模型大多只關(guān)注電磁場中的等離子體反應(yīng)，沒有考慮推力器柵極、溫度場、外部匹配網(wǎng)絡(luò)，與真實推力器有一定差距，無法對完整的推力器工作環(huán)境與工作過程進行復(fù)現(xiàn)。

針對上述問題，北京航空航天大學宇航學院的研究人員對依據(jù)縮尺準則設(shè)計的放電室內(nèi)徑為40mm的微型射頻離子推力器進行分析，建立了基于多物理場耦合的射頻離子推力器全局模型，通過多軟件聯(lián)合計算，探究了等離子體放電特征參數(shù)，以及推力器性能隨輸入功率、屏柵電勢、工質(zhì)流量及射頻頻率等因素的變化規(guī)律。

本研究中的射頻離子推力器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在圓柱形的放電室外側(cè)纏繞射頻線圈，線圈中通有頻率在幾到幾十兆赫茲的射頻電流，快速變化的電流在放電室內(nèi)部產(chǎn)生變化的軸向磁場。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，變化的軸向磁場在放電室工質(zhì)內(nèi)部會產(chǎn)生變化的周向電場，使中性粒子電離生成自由電子并在電場的作用下進一步轟擊其余中性粒子，以形成穩(wěn)定的自持放電。

圖1 射頻離子推力器結(jié)構(gòu)

等離子體中的離子被柵極系統(tǒng)加速引出，引出的羽流帶有正電荷，若直接排出會在航天器表面形成電荷積累，影響其正常工作，故在柵極附近安裝中和器。一般采用空心陰極作為中和器放出電子以中和羽流中的正電荷。射頻離子推力器的放電室內(nèi)部沒有放電陰極、永磁體等組件，結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化。在實際的設(shè)計過程中需要考慮裝配與結(jié)構(gòu)問題，使推力器可以長期穩(wěn)定地維持良好的工作狀態(tài)。

圖2 推力器爆炸圖

科研人員根據(jù)小推力的設(shè)計目標，基于射頻離子推力器設(shè)計縮尺準則，結(jié)合推力器實際的工作環(huán)境與試驗條件，設(shè)計了一款放電室內(nèi)徑為40mm、長度為30mm的微型射頻離子推力器，其爆炸圖如圖2所示。在正式點火試驗之前，為深入了解推力器放電室內(nèi)部ICP放電的機理以及對推力器工作特性的影響，建立了基于多物理場耦合的射頻離子推力器放電等離子體全局模型，實現(xiàn)了多軟件聯(lián)合仿真。

圖3 全局模型流程

研究表明，所建立的全局模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，輸入功率、屏柵電勢、工質(zhì)流量是調(diào)節(jié)微型射頻離子推力器性能的主要因素，該研究成果將為綜合調(diào)控微型射頻離子推力器的工作性能奠定良好的基礎(chǔ)。

研究人員最后得到以下結(jié)論：

1）對所設(shè)計的內(nèi)徑為40mm的微型射頻離子推力器在23W工況計算得到束流電流為30.8mA，推力為1.53mN；而德國吉森大學同尺寸同功率推力器RIT 4實驗束流電流30mA，推力為1.4mN，吻合良好，證明了所建立的全局模型合理性。

2）在其余參數(shù)保持不變時，屏柵電勢增加會使推力增大，與此同時等離子體特性參數(shù)幾乎不變。但是屏柵電勢的變化會使柵極系統(tǒng)偏離最佳導流狀態(tài)，加速柵極腐蝕。

3）當輸入功率在0-100W范圍變化時，推力器推力可以實現(xiàn)0-2.4mN的大范圍變化，故輸入功率的調(diào)節(jié)是推力調(diào)控的主要手段。

4）在工質(zhì)流量為0.6sccm時，放電室氣壓為1mTorr（0.13Pa），此時隨機加熱碰撞頻率高于有效碰撞頻率、電子-離子碰撞頻率，在加熱機理的貢獻中占據(jù)主導地位。

以上研究成果發(fā)表在2021年第15期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“微型射頻離子推力器放電等離子體全局模型仿真研究”，作者為李亦非、付宸聰 等。