時間:2020年03月21日 分類:電子論文 次數(shù):
摘要:為了滿足中國科學(xué)院空間引力波探測——“空間太極計劃”對航天器推進(jìn)系統(tǒng)提出的微牛量級推力高精度控制需求,基于感性耦合等離子體自持放電,設(shè)計了一套微牛級射頻離子推力器(µRIT-1)。通過理論分析與實驗驗證,完成了µRIT-1關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組件優(yōu)化工作,包括射頻天線、放電室及離子光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)實驗結(jié)果,µRIT-1采用7匝線直徑為1.6mm的紫銅管作為射頻天線,匝間距為2.0mm;放電室材料為氧化鋁陶瓷,內(nèi)徑為1.0cm,長徑比為1.5;離子光學(xué)系統(tǒng)采用雙柵極結(jié)構(gòu),材料為金屬鉬,柵極透明度為18.05%。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,µRIT-1可以實現(xiàn)5~100µN可調(diào)推力輸出,比沖可達(dá)1275s。
關(guān)鍵詞:空間引力波探測,電推進(jìn),射頻離子推力器;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;微牛級
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摘要:隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,化工行業(yè)也有了很大的進(jìn)步。對于化工分析這個領(lǐng)域來說,敏感膜不僅應(yīng)用廣泛,類型也更加豐富,而任何的離子選擇性電極都有一個敏感膜,因此,隨著敏感膜的發(fā)展,離子選擇性電極的應(yīng)用價值也逐漸凸顯出來。描述了離子選擇性電極的原理和類型,以及離子選擇性電極在化工分析領(lǐng)域中的優(yōu)勢和具體應(yīng)用。
1引言
“引力波”探測作為揭示引力本質(zhì)、時空結(jié)構(gòu)和宇宙演化的方法,全球各大航天強(qiáng)國相繼制定并開展了“引力波”探測計劃[1-2]。20世紀(jì)80年代,空間引力波探測計劃在天體物理聯(lián)合研究所初見雛形,并命名為LAGOS(LaserAntennaforGravitational-Radia⁃tionObservationinSpace)。該方案計劃發(fā)射三顆衛(wèi)星到日心軌道,利用激光天線測量引力輻射[3]。
歐洲宇航局在20世紀(jì)90年代正式提出了激光干涉引力波探測(LISA)計劃,該計劃更為詳盡,且提出多個關(guān)鍵技術(shù):長距離干涉測量、基于慣性傳感器的無拖曳控制和超靜超穩(wěn)平臺[3]。2015年12月,ESA成功發(fā)射空間激光干涉引力波探路者(LISA-Pathfinder),并完成了關(guān)鍵技術(shù)空間驗證[4]。2008年,由中國科學(xué)院力學(xué)研究所胡文瑞院士發(fā)起,成立空間引力波探測論證組,并在2012年正式命名為“空間太極計劃”[5]。
2019年8月底,中國科學(xué)院在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射“空間太極計劃”先行者——“太極一號”,目前已經(jīng)完成激光干涉儀、引力參考傳感器、無拖曳控制及微推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證。作為“空間太極計劃”衛(wèi)星組無拖曳控制的執(zhí)行器,微推進(jìn)系統(tǒng)為了補(bǔ)償衛(wèi)星組受到的非保守力,不僅需要提供微牛級連續(xù)可調(diào)推力,而且推力分辨力優(yōu)于0.1µN,推力噪聲在0.1mHz~1Hz內(nèi)優(yōu)于0.1µN/Hz。根據(jù)空間引力波探測任務(wù)對微推進(jìn)系統(tǒng)提出的嚴(yán)苛要求,可滿足其要求的微推進(jìn)技術(shù)類型有限,列出了部分滿足要求的微推進(jìn)技術(shù)及其性能。
其中,冷氣推力器技術(shù)最成熟,系統(tǒng)也相對簡單,但是比沖很低,對于空間引力波探測等長期任務(wù)需要攜帶大量氣體工質(zhì),嚴(yán)重浪費(fèi)衛(wèi)星載重和星內(nèi)空間,更不適合微、納衛(wèi)星的應(yīng)用[6]。膠體推力器和場發(fā)射電推力器(FEEP)工作原理相同[7],在毛細(xì)力和強(qiáng)電場的電場力下,液體工質(zhì)在發(fā)射極表面形成泰勒錐并發(fā)生場致離子發(fā)射,可以得到較高的比沖。
兩種推力器不同點(diǎn)在于工質(zhì)不同,F(xiàn)EEP的工質(zhì)為液態(tài)金屬,而膠體推力器工質(zhì)為離子液體,其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射極可以采用多孔材料,降低加工工藝難度,但需要增加微泵驅(qū)動液體工質(zhì)。兩種推力器的壽命都受限于發(fā)射極,對于長期空間任務(wù)首先需要攻克發(fā)射極材料腐蝕難題。會切場推力器(HEMPT)利用永磁體在放電室內(nèi)部構(gòu)建多級會切形磁場,使電子在磁鏡效應(yīng)下在磁尖端往復(fù)運(yùn)動,電離中性氣體粒子,等離子體中的離子在電場的作用下噴出產(chǎn)生推力[8]。
HEMPT可以實現(xiàn)小型化,具有較高的電效率,但是氣體工質(zhì)利用率較低,比沖也受到限制,而且推力器內(nèi)部永磁體會影響衛(wèi)星平臺,不利于空間高精度探測。綜合對比,射頻離子推力器(RIT)結(jié)構(gòu)相對簡單,無附加永磁體和陰極,易于小型化,可實現(xiàn)微牛至百微牛高精度推力控制,比沖較高,且滿足長期空間任務(wù)對微推進(jìn)系統(tǒng)長壽命的需求,故選則RIT作為本文主要研究對象。
早在20世紀(jì)60年代,德國吉森大學(xué)率先開展了RIT的研究,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,德國研發(fā)了一系列射頻離子推力器,Loeb教授等人對其做了詳細(xì)的總結(jié)[9]。以LISAPathfinder和未來空間任務(wù)為目標(biāo),德國空客公司與ESA合作,在2007年開始了RIT-µX的研究,實現(xiàn)了10µN~120µN推力連續(xù)調(diào)節(jié),推力分辨力達(dá)到0.1µN,利用扭擺測得推力噪聲優(yōu)于0.1µN/Hz,技術(shù)成熟度達(dá)到了5級,滿足LISAPathfinder任務(wù)需求[10]。
隨著微、納衛(wèi)星的快速發(fā)展,射頻離子微推進(jìn)技術(shù)受到廣泛關(guān)注,英國[6]、美國[11-13]、日本[14-15]等國家均逐步開展了小型射頻離子推力器的研究工作,而且部分射頻離子微推進(jìn)系統(tǒng)滿足衛(wèi)星搭載條件。英國南安普頓大學(xué)在2011年針對高精度空間測量任務(wù),研發(fā)了一組差分式射頻離子推力器,利用雙向推力相互抵消的方式,實現(xiàn)1µN~150µN可調(diào)推力,推力分辨力為0.5µN,推力噪聲為0.5µN/Hz,其性能一般,功耗偏大,比沖較低[6]。美國BUSEK公司從2009年開始研發(fā)小型射頻離子推力器,已經(jīng)完成一系列射頻離子推力器的工程化,其中BIT-3最為成熟,推力范圍為0.66mN~1.27mN,并將在2019年搭載NASA的SLSEM-1衛(wèi)星在軌飛行[11]。
此外,BUSEK公司對其研發(fā)的BIT-1完成了性能測試,可實現(xiàn)百微牛級的可調(diào)推力,總功率約為10W,比沖可達(dá)到2150s,推力器重量約為53g[12]。美國賓夕法尼亞大學(xué)早在2004年就開展了射頻離子微推力器的研究工作,其研制的MRIT(MicroRIT)放電室為圓錐形,放電室直徑和有效長度均為1cm,推力范圍為1.45µN~59µN,比沖達(dá)到5480s,最優(yōu)總效率約為12%。其使用的工質(zhì)氣體為Ar,若改為Xe,會獲得更優(yōu)的性能。但MRIT目前處于原理樣機(jī)研制階段,還未開展工程化[13]。
此外,俄羅斯[16]、日本[17]以及國內(nèi)的中科院力學(xué)所[7]、蘭州空間技術(shù)物理研究所[18]、中科院微電子所[19]等單位也開展了射頻離子推力器的研究工作,但還處于原理樣機(jī)研制階段,還未進(jìn)入工程階段。針對空間引力波探測計劃——“空間太極計劃”對微牛級推進(jìn)系統(tǒng)的需求,中科院力學(xué)所研制了一套百微牛級射頻離子微推力器(µRIT-1),并對其關(guān)鍵組件開展了優(yōu)化工作,原理樣機(jī)性能測試結(jié)果表明:該樣機(jī)可以實現(xiàn)百微牛級可調(diào)推力,維持等離子體自持放電所需的射頻功率可降至6W以下,同時提高了µRIT-1的比沖,在百微牛推力輸出時,比沖可達(dá)到1275s,綜合性能較優(yōu)。
2地面實驗測試平臺
地面實驗測試平臺由真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)組成。真空系統(tǒng)由方形主真空室、圓柱形過渡室、三臺分子泵、兩臺機(jī)械泵、閥門和管路組成,主真空室與過渡室之間由氣動插板閥隔開,過渡室主要用于推力器、線路及管路安裝,利用一維位移平臺運(yùn)送至主真空室進(jìn)行點(diǎn)火與測試。真空系統(tǒng)最優(yōu)真空度可以達(dá)到10-6Pa,在推力器工作時真空度約為10-4Pa,滿足µRIT-1實驗環(huán)境需求[16]。
射頻離子微推力器地面配套系統(tǒng)主要包含工質(zhì)供給與控制模塊、射頻源、匹配網(wǎng)絡(luò)和高壓源等。采用惰性氣體Xe工質(zhì),微流量控制器是ALICAT公司研發(fā)的氣體質(zhì)量流量控制器,氣體流量范圍為0~49µg/s。射頻源由信號源、功率放大器和功率計組成,均為德國R&S公司的成熟產(chǎn)品,最大輸出功率為200W,功率計可實時測量輸出功率與反射功率。射頻電路阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由一組固定電容組成,與射頻離子微推力器組為一體,實現(xiàn)一體化,降低了推力器系統(tǒng)的復(fù)雜性。高壓源為威思曼公司生產(chǎn)的正高壓源(0V~2kV)和負(fù)高壓源(-500V~0V)。
3μRIT-1結(jié)構(gòu)優(yōu)化
射頻離子微推力器(µRIT-1)的工作原理主要基于射頻感性耦合等離子自持放電。質(zhì)量流量控制器可實現(xiàn)高精度氣體工質(zhì)流量控制,氣體工質(zhì)流經(jīng)推力器中的氣體分配器進(jìn)入放電室。當(dāng)射頻電流加載到射頻天線時,在放電室內(nèi)部會形成電磁場,電子在電場中獲得能量與中性原子碰撞,使其發(fā)生電離,形成射頻等離子體自持放電。放電室中的離子由離子光學(xué)系統(tǒng)加速引出,產(chǎn)生推力。
此外,中和器發(fā)射電子流,中和推力器的離子束流,使射頻離子推進(jìn)系統(tǒng)保持電中性。根據(jù)射頻離子微推力器工作原理,µRIT-1的結(jié)構(gòu)組件主要包括氣體分配器、射頻天線、放電室、離子光學(xué)系統(tǒng)和外殼等。其中射頻天線、放電室和離子光學(xué)系統(tǒng)的材料和參數(shù)選擇直接影響推力器的穩(wěn)定性和工作性能,根據(jù)吉森大學(xué)Loeb教授等的理論分析和經(jīng)驗總結(jié)[9],針對百微牛級推力需求,放電室內(nèi)徑設(shè)計為1cm較為合適,其它結(jié)構(gòu)均需要進(jìn)行具體優(yōu)化。
4結(jié)論
通過對µRIT-1關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組件的優(yōu)化研究,得到以下結(jié)論:(1)為了降低µRIT-1對射頻功率的需求,對射頻天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)射頻天線材質(zhì)選為紫銅,7匝天線,線徑1.6mm,間距2.0mm時,維持射頻等離子自持放電的最低射頻功率可降低至6W左右,且放電室污染較低。(2)由于等離子體在放電室內(nèi)部形成,放電室材料和長徑比直接影響µRIT-1的性能。通過實驗,發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷更適合作為µRIT-1放電室材料,且當(dāng)長徑比為1.5時,推力器性能較優(yōu)。(3)在µRIT-1結(jié)構(gòu)組件方面,推力器推力范圍和壽命受限于離子光學(xué)系統(tǒng)。針對百微牛推力需求,µRIT-1采用雙柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計,當(dāng)柵極透明度為18.05%時,不僅滿足百微牛可調(diào)推力,且性能較優(yōu);(4)µRIT-1可實現(xiàn)5µN~100µ可調(diào)推力輸出,計算推力值與實際推力值偏差較小,在百微牛推力時,比沖可達(dá)1275s。致謝:感謝中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項資助。
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