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。

　　參考文獻(xiàn)

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