微牛级射频离子推力器结构优化研究

　　摘要：为了满足中国科学院空间引力波探测——“空间太极计划”对航天器推进系统提出的微牛量级推力高精度控制需求，基于感性耦合等离子体自持放电，设计了一套微牛级射频离子推力器(µRIT-1)。通过理论分析与实验验证，完成了µRIT-1关键结构组件优化工作，包括射频天线、放电室及离子光学系统。根据实验结果，µRIT-1采用7匝线直径为1.6mm的紫铜管作为射频天线，匝间距为2.0mm;放电室材料为氧化铝陶瓷，内径为1.0cm，长径比为1.5;离子光学系统采用双栅极结构，材料为金属钼，栅极透明度为18.05%。经过结构优化，µRIT-1可以实现5~100µN可调推力输出，比冲可达1275s。

　　关键词：空间引力波探测，电推进，射频离子推力器;结构优化;微牛级

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　　摘要：随着社会经济的快速发展，化工行业也有了很大的进步。对于化工分析这个领域来说，敏感膜不仅应用广泛，类型也更加丰富，而任何的离子选择性电极都有一个敏感膜，因此，随着敏感膜的发展，离子选择性电极的应用价值也逐渐凸显出来。描述了离子选择性电极的原理和类型，以及离子选择性电极在化工分析领域中的优势和具体应用。

　　1引言

　　“引力波”探测作为揭示引力本质、时空结构和宇宙演化的方法，全球各大航天强国相继制定并开展了“引力波”探测计划[1-2]。20世纪80年代，空间引力波探测计划在天体物理联合研究所初见雏形，并命名为LAGOS(LaserAntennaforGravitational-Radia⁃tionObservationinSpace)。该方案计划发射三颗卫星到日心轨道，利用激光天线测量引力辐射[3]。

　　欧洲宇航局在20世纪90年代正式提出了激光干涉引力波探测(LISA)计划，该计划更为详尽，且提出多个关键技术：长距离干涉测量、基于惯性传感器的无拖曳控制和超静超稳平台[3]。2015年12月，ESA成功发射空间激光干涉引力波探路者(LISA-Pathfinder)，并完成了关键技术空间验证[4]。2008年，由中国科学院力学研究所胡文瑞院士发起，成立空间引力波探测论证组，并在2012年正式命名为“空间太极计划”[5]。

　　2019年8月底，中国科学院在酒泉卫星发射中心发射“空间太极计划”先行者——“太极一号”，目前已经完成激光干涉仪、引力参考传感器、无拖曳控制及微推进等关键技术在轨验证。作为“空间太极计划”卫星组无拖曳控制的执行器，微推进系统为了补偿卫星组受到的非保守力，不仅需要提供微牛级连续可调推力，而且推力分辨力优于0.1µN，推力噪声在0.1mHz~1Hz内优于0.1µN/Hz。根据空间引力波探测任务对微推进系统提出的严苛要求，可满足其要求的微推进技术类型有限，列出了部分满足要求的微推进技术及其性能。

　　其中，冷气推力器技术最成熟，系统也相对简单，但是比冲很低，对于空间引力波探测等长期任务需要携带大量气体工质，严重浪费卫星载重和星内空间，更不适合微、纳卫星的应用[6]。胶体推力器和场发射电推力器(FEEP)工作原理相同[7]，在毛细力和强电场的电场力下，液体工质在发射极表面形成泰勒锥并发生场致离子发射，可以得到较高的比冲。

　　两种推力器不同点在于工质不同，FEEP的工质为液态金属，而胶体推力器工质为离子液体，其优点是发射极可以采用多孔材料，降低加工工艺难度，但需要增加微泵驱动液体工质。两种推力器的寿命都受限于发射极，对于长期空间任务首先需要攻克发射极材料腐蚀难题。会切场推力器(HEMPT)利用永磁体在放电室内部构建多级会切形磁场，使电子在磁镜效应下在磁尖端往复运动，电离中性气体粒子，等离子体中的离子在电场的作用下喷出产生推力[8]。

　　HEMPT可以实现小型化，具有较高的电效率，但是气体工质利用率较低，比冲也受到限制，而且推力器内部永磁体会影响卫星平台，不利于空间高精度探测。综合对比，射频离子推力器(RIT)结构相对简单，无附加永磁体和阴极，易于小型化，可实现微牛至百微牛高精度推力控制，比冲较高，且满足长期空间任务对微推进系统长寿命的需求，故选则RIT作为本文主要研究对象。

　　早在20世纪60年代，德国吉森大学率先开展了RIT的研究，经过几十年的发展，德国研发了一系列射频离子推力器，Loeb教授等人对其做了详细的总结[9]。以LISAPathfinder和未来空间任务为目标，德国空客公司与ESA合作，在2007年开始了RIT-µX的研究，实现了10µN~120µN推力连续调节，推力分辨力达到0.1µN，利用扭摆测得推力噪声优于0.1µN/Hz，技术成熟度达到了5级，满足LISAPathfinder任务需求[10]。

　　随着微、纳卫星的快速发展，射频离子微推进技术受到广泛关注，英国[6]、美国[11-13]、日本[14-15]等国家均逐步开展了小型射频离子推力器的研究工作，而且部分射频离子微推进系统满足卫星搭载条件。英国南安普顿大学在2011年针对高精度空间测量任务，研发了一组差分式射频离子推力器，利用双向推力相互抵消的方式，实现1µN~150µN可调推力，推力分辨力为0.5µN，推力噪声为0.5µN/Hz，其性能一般，功耗偏大，比冲较低[6]。美国BUSEK公司从2009年开始研发小型射频离子推力器，已经完成一系列射频离子推力器的工程化，其中BIT-3最为成熟，推力范围为0.66mN~1.27mN，并将在2019年搭载NASA的SLSEM-1卫星在轨飞行[11]。

　　此外，BUSEK公司对其研发的BIT-1完成了性能测试，可实现百微牛级的可调推力，总功率约为10W，比冲可达到2150s，推力器重量约为53g[12]。美国宾夕法尼亚大学早在2004年就开展了射频离子微推力器的研究工作，其研制的MRIT(MicroRIT)放电室为圆锥形，放电室直径和有效长度均为1cm，推力范围为1.45µN~59µN，比冲达到5480s，最优总效率约为12%。其使用的工质气体为Ar，若改为Xe，会获得更优的性能。但MRIT目前处于原理样机研制阶段，还未开展工程化[13]。

　　此外，俄罗斯[16]、日本[17]以及国内的中科院力学所[7]、兰州空间技术物理研究所[18]、中科院微电子所[19]等单位也开展了射频离子推力器的研究工作，但还处于原理样机研制阶段，还未进入工程阶段。针对空间引力波探测计划——“空间太极计划”对微牛级推进系统的需求，中科院力学所研制了一套百微牛级射频离子微推力器(µRIT-1)，并对其关键组件开展了优化工作，原理样机性能测试结果表明：该样机可以实现百微牛级可调推力，维持等离子体自持放电所需的射频功率可降至6W以下，同时提高了µRIT-1的比冲，在百微牛推力输出时，比冲可达到1275s，综合性能较优。

　　2地面实验测试平台

　　地面实验测试平台由真空系统、控制系统和辅助控制系统组成。真空系统由方形主真空室、圆柱形过渡室、三台分子泵、两台机械泵、阀门和管路组成，主真空室与过渡室之间由气动插板阀隔开，过渡室主要用于推力器、线路及管路安装，利用一维位移平台运送至主真空室进行点火与测试。真空系统最优真空度可以达到10-6Pa，在推力器工作时真空度约为10-4Pa，满足µRIT-1实验环境需求[16]。

　　射频离子微推力器地面配套系统主要包含工质供给与控制模块、射频源、匹配网络和高压源等。采用惰性气体Xe工质，微流量控制器是ALICAT公司研发的气体质量流量控制器，气体流量范围为0~49µg/s。射频源由信号源、功率放大器和功率计组成，均为德国R&S公司的成熟产品，最大输出功率为200W，功率计可实时测量输出功率与反射功率。射频电路阻抗匹配网络由一组固定电容组成，与射频离子微推力器组为一体，实现一体化，降低了推力器系统的复杂性。高压源为威思曼公司生产的正高压源(0V~2kV)和负高压源(-500V~0V)。

　　3μRIT-1结构优化

　　射频离子微推力器(µRIT-1)的工作原理主要基于射频感性耦合等离子自持放电。质量流量控制器可实现高精度气体工质流量控制，气体工质流经推力器中的气体分配器进入放电室。当射频电流加载到射频天线时，在放电室内部会形成电磁场，电子在电场中获得能量与中性原子碰撞，使其发生电离，形成射频等离子体自持放电。放电室中的离子由离子光学系统加速引出，产生推力。

　　此外，中和器发射电子流，中和推力器的离子束流，使射频离子推进系统保持电中性。根据射频离子微推力器工作原理，µRIT-1的结构组件主要包括气体分配器、射频天线、放电室、离子光学系统和外壳等。其中射频天线、放电室和离子光学系统的材料和参数选择直接影响推力器的稳定性和工作性能，根据吉森大学Loeb教授等的理论分析和经验总结[9]，针对百微牛级推力需求，放电室内径设计为1cm较为合适，其它结构均需要进行具体优化。

　　4结论

　　通过对µRIT-1关键结构组件的优化研究，得到以下结论：(1)为了降低µRIT-1对射频功率的需求，对射频天线参数进行优化。当射频天线材质选为紫铜，7匝天线，线径1.6mm，间距2.0mm时，维持射频等离子自持放电的最低射频功率可降低至6W左右，且放电室污染较低。(2)由于等离子体在放电室内部形成，放电室材料和长径比直接影响µRIT-1的性能。通过实验，发现氧化铝陶瓷更适合作为µRIT-1放电室材料，且当长径比为1.5时，推力器性能较优。(3)在µRIT-1结构组件方面，推力器推力范围和寿命受限于离子光学系统。针对百微牛推力需求，µRIT-1采用双栅极结构设计，当栅极透明度为18.05%时，不仅满足百微牛可调推力，且性能较优;(4)µRIT-1可实现5µN~100µ可调推力输出，计算推力值与实际推力值偏差较小，在百微牛推力时，比冲可达1275s。致谢：感谢中国科学院战略性先导科技专项资助。

　　参考文献

　　[1]AbbottBP，AbbottR，AbbottTD，etal.FirstSearchforGravitationalWavesfromKnownPulsarswithAd⁃vancedLIGO[J].AstrophysicalJournal，2017，839(12).

　　[2]KarstenD.AProposalinResponsetotheESACallforL3MissionConcepts[M].Germany：LaserInterferometerSpaceAntenna，2017.

　　[3]EuropeanSpaceAgency.NGORevealingaHiddenUni⁃verse：OpeningaNewChapterofDiscovery[R].Germa⁃ny：ESA，2011.

　　[4]EuropeanSpaceAgency.TheESA-L3GravitationalWaveMission[R].Germany：ESA，2016.

　　[5]WuYL.TaijiPrograminSpaceandUnifiedFieldTheo⁃ryinHyper-Spacetime[C].Beijing：InternationalSym⁃posiumonGravitationalWave，2017.