射频空气呼吸等离子体源优化方法

《Vacuum》：APPROACH TO THE OPTIMIZATION OF RF AIR-BREATHING PLASMA SOURCES

　　

V.S. 杜丁 | E.A. 克拉尔金娜 | A.M. 尼科诺夫 | G.V. 施维德基 | K.V. 瓦维林 | I.I. 扎迪列夫 | A.A. 戈利科夫 | V.V. 萨佐诺夫 | A.S. 菲拉季耶夫 | O.V. 雅诺娃

莫斯科国立罗蒙诺索夫大学，GSP-1，列宁格勒高地，莫斯科，119991，俄罗斯联邦

摘要

本研究对专为在极低地球轨道上连续运行而设计的大气呼吸型射频（RF）离子推进器原型进行了全面的实验研究。研究表明，为了补偿地球残余大气中的空气动力阻力，发动机需要具有3000–4000秒的比冲值，这取决于航天器的形状和离子束的组成。为了满足这些要求，我们测试了直径为10厘米、放电室长度分别为5厘米、7厘米和9厘米的RF离子推进器原型，这些推进器在0–100高斯的外部磁场感应下工作，使用氮气和氧气作为推进剂。性能测量结果结合了对气体放电室内等离子体参数的全面研究。实验数据通过与数值计算的对比得到了验证。在使用9厘米放电室原型并在50–80高斯的外部磁场感应下工作时，实现了超过3000秒的比冲值，同时总功耗低于600瓦。

引言

在极低地球轨道（VLEO）上运行的航天器，其高度为150–300公里，与传统的低地球轨道（600–1100公里）相比，具有显著的优势[1, 2, 3, 4, 5]。这些优势包括提高的地球表面成像分辨率（得益于简化的光学系统）、更好的信号噪声比（对于电信而言）、更精确的地理空间定位能力以及更优的通信链路预算，同时还减少了辐射暴露，从而可以使用商用电子设备。此外，低空运行还降低了与太空碎片碰撞的风险，并确保了任务终止时通过大气阻力实现轨道衰减。

VLEO航天器面临的主要挑战是由于高度降低导致空气动力阻力呈指数级增加，从而大幅缩短了其运行寿命。换句话说，阻力大小成为决定轨道维持能力的关键因素。这一问题因太阳活动和地磁活动的变化而变得更加复杂，这会导致显著的阻力波动，从而对推进系统提出了更高的要求。

为了实现VLEO飞行，有研究提出利用吸气式电推进（ABEP）技术，并将其与进气系统相结合作为推进剂来源[1, 2, 3, 4, 5]。主要的研究重点是通过开发和适应适用于大气气体的电推进系统（特别是氮气和氧气）来实现长时间VLEO飞行。

在过去几十年中，已经提出并测试了几种ABEP方案。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）提出了一种基于电子回旋共振的微波离子推进器[6, 7, 8, 9, 10]。[11, 12]的作者提出了一种改进的霍尔推进器（吸气式圆柱形霍尔效应推进器（ABCHT）），它由两部分组成：第一部分是微波等离子体发生器，可实现推进剂气体的高度电离；第二部分是传统的霍尔推进器。在[4, 13, 14, 15, 16, 17, 18]中，对使用氮气和氧气的霍尔推进器和RIT-10离子推进器进行了系统研究。实验表明，与使用氙气相比，这些推进器的性能有所下降；但同时也展示了在氧气和氮气环境下实现长时间稳定运行的可能性。多位作者在[19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28]中对基于大气气体的无阴极射频（RF）离子推进器进行了实验表征。在[29]中研究了氮气和氧气离子流对推进器设计元素的影响。一个持续的挑战是在气体浓度低于现代氙气推进器所用的浓度时保持高推力效率。斯图加特大学[19]的大量工作基于无电极放电特性开发了低功率螺旋线推进器，这种特性延长了推进器的寿命并实现了补偿性的加速离子流。密歇根大学研究了螺旋线RF放电在推进器中的应用[20]。虽然氙气操作能够产生可测量的推力，但大气气体操作下的推力值接近于零。随后，密歇根大学的研究人员提出在两级霍尔推进器中使用螺旋线放电进行气体电离[26]，并获得了初步的氮气和氧气操作特性[26, 27, 28]。在[23]中提出了用于大气气体电离和加速的考夫曼方案离子推进器，其推力效率优于RF离子推进器，并且所需气体浓度低于基于氙气的系统。此外，还单独研究了不同目标特性的红外激光应用[30]。

尽管提出了许多推进器设计，但由于缺乏明确的定量标准来评估这些设计在VLEO飞行中的适用性（特别是关于用于补偿阻力的推进器参数），因此很难对其进行评估。在这方面已经有一些尝试[1, 27]。本研究分析了ABEP特性对于补偿阻力所需的要求，并提出了一个全面的研究周期，以探讨RF离子推进器原型的工作模式。

我们测试了直径为10厘米、放电室长度分别为5厘米、7厘米和9厘米的RF离子推进器原型，这些推进器在0–100高斯的外部磁场感应下工作，使用氮气和氧气作为推进剂。对RF离子推进器的参数测量结果结合了对气体放电室内等离子体参数的研究。实验数据与数值计算结果进行了对比，分析了这些推进器原型在VLEO飞行中补偿空气动力阻力的能力。

章节摘录

吸气式系统特性的要求

虽然可以使用传统的氙气推进器来补偿空气动力阻力，但对于在VLEO低于250公里高度长时间运行的航天器来说，所需的氙气量过高[1–5]。相比之下，大气气体既会产生空气动力阻力，又可作为推进剂来补偿这种阻力。这种双重作用带来了一些后果[1, 27]，这些后果决定了离子推进器原型的优化方向。

实验装置和方法

我们选择了RF离子推进器作为ABEP原型，因为它具有广泛的离子能量调节能力（通过调整发射电极电位实现），并且能够在不进行修改的情况下使用化学活性气体工作。所研究的RF离子推进器原型直径为10厘米。选择的气体流量范围是基于VLEO航天器的ABEP工作条件估算得出的，这些航天器的进气截面积为0.1平方米，飞行高度为200公里。

图2显示了...

实验结果

最初，我们研究了提取的离子束电流beam与磁场感应强度之间的关系，磁场强度范围为0–100高斯。使用外部磁场来优化RF感应等离子体源的能量输入的动机基于[42, 43, 44, 45, 46, 47, 34, 35, 36, 37, 38, 48, 49]中的研究结果。早在2003年，Chen[42]就观察到在磁场中的感应RF放电中等离子体浓度e出现了共振性增加。

RF离子推进器放电的数值建模

使用数值全局（零维）放电模型研究了外部参数（包括RF离子推进器原型的几何尺寸、IOS电极透明度、RF发生器功率、流量和工作气体组成）对推进器性能的影响。该模型已被证明能有效解释大气气体放电中的物理过程[52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60]。

讨论

实验和计算结果表明，在恒定离子束电流的情况下，随着气体流量的减少，电子温度显著升高。这种行为是预期之中的，因为在较低的中性气体浓度条件下维持指定电流需要更高的电离率，而较高的电子温度可以实现这一目标。电子温度e的升高以及相应的浮动电位的上升导致放电室壁处的能量损失增加。

结论

决定仅使用可再生能源补偿残余大气阻力可行性的关键参数是在最低能量消耗下实现的比冲值。这一考虑将当前挑战与需要最大化单位能量推力的情景区分开来。

CRediT作者贡献声明

格奥尔基·维亚切斯拉沃维奇·施维德基：软件开发、项目管理、数据分析。亚历山大·米哈伊洛维奇·尼科诺夫：资源获取、项目管理、数据分析、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、方法论研究、资金筹措、数据分析、概念化。奥尔加·瓦西里耶夫娜·雅诺娃：写作与编辑、初稿撰写、数据验证、监督、软件开发、资源管理、方法论研究。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。