磁等離子體動力推力器發(fā)展歷程及工程應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)分析①

王寶軍，周 成，李 永，湯海濱，王 戈，叢云天，趙博強(qiáng)

(1.北京控制工程研究所，北京 100094；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100091)

0 引言

磁等離子體動力推力器(Magnetoplasmadynamic thruster，MPDT)從分類上來說屬于電磁加速推力器，其典型工作方式是以電場向推力器注入能量，并利用磁場對能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)等離子體的加速[1]，相對于普通化學(xué)推進(jìn)，MPDT可達(dá)到更高的比沖；相比于電熱式推力器和靜電式推力器，MPDT可以實現(xiàn)更大的推力。此外，由于MPDT的加速過程是電磁場同時作用，所以不需要過于依賴其中一種，因此相比于單純的電熱式或靜電式推力器，MPDT更容易實現(xiàn)高功率。而且MPDT的推力器外徑一般比較小，因此可以做到非常高的功率密度和推力密度。正是因為MPDT的這些特點，所以該推力器被視為未來深空探測任務(wù)主推力器的最佳選擇之一[1-2]。

以載人火星探測為例，假設(shè)航天器的重量為100 t，總速度增量為6.6 km/s。如果采用常規(guī)化學(xué)推進(jìn)力，按照450 s的比沖來評估，需要347 t燃料進(jìn)行地-火星轉(zhuǎn)移。而如果使用MPDT作為主推進(jìn)，則比沖可提升至8000 s，此時僅需要8.78 t推進(jìn)劑。因此，大功率MPDT的應(yīng)用可大大增加有效載荷的比例。與傳統(tǒng)離子推力器和霍爾推力器相比，MPDT可提供相對較大的推力，從而有效縮短任務(wù)周期。

根據(jù)磁場來源的不同，MPDT可分為SF-MPDT(Self-field magnetoplasmadynamic thruster)和AF-MPDT(Applied-field magnetoplasmadynamic thruster)。SF-MPDT的磁場是由推力器工作時的放電電流通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，磁場方向是周向的。而AF-MPDT的磁場則由外部設(shè)備提供，磁場方向以軸向為主，同時也有部分徑向分量。作為電磁推力器的一種，MPDT的性能在很大程度上取決于磁場。因此，本文將從磁場源的角度介紹MPDT的發(fā)展歷程。

1 SF-MPDT的發(fā)展歷程

1.1 SF-MPDT的起源

MPDT的研究開始于20世紀(jì) 60 年代，DUCATI發(fā)現(xiàn)在以氫作為推進(jìn)劑的熱離子加速中推力器的比沖達(dá)可高達(dá)10 000 s，效率可達(dá)到46%[3]，較常規(guī)熱離子推力器有顯著的性能提升。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這種性能的提升就是SF-MPDT中的電磁加速機(jī)制所引起的。而當(dāng)時離子推力器在使用中正遇到兩個問題[4]：其一是在比沖低于4000 s時，推力器的效率會急劇下降；其二是離子推力器的工作模式是高電壓低電流，而星上電源是低-中電壓、中-高電流源，兩者的工作模式匹配性較差。而MPDT的性能特點和工作特點恰好可以解決這兩個問題，因此美國政府、工業(yè)部門和大學(xué)實驗室均在SF-MPDT上投入了大量的研究。

1.2 SF-MPDT的工作機(jī)理

如圖1所示，典型的SF-MPDT由環(huán)形陽極和中心陰極組成。陽極和陰極之間的放電電流會產(chǎn)生周向磁場，而周向磁場又會與放電電流相互作用產(chǎn)生推力。SF-MPDTs中有兩種主要的加速機(jī)制：

(1)自身場加速[5]。當(dāng)推力器的放電電流較大時電流本身可以感生出較為顯著的周向磁場，周向磁場和放電電流本身的相互作用力沿徑向和軸向均有分量。其徑向分量指向推力器中心軸，可使得等離子向中心集中，增加了推力器中心的壓力。最終該壓力會向下游膨脹，產(chǎn)生推力。其軸向分量則直接指向推力器下游，可直接產(chǎn)生推力。顯著的自身場加速往往需要較大的放電電流(一般至少是kA級的)。自身場加速一般認(rèn)為是SF-MPDT的主導(dǎo)加速機(jī)制[6]。

(1)

式中μ0為真空磁導(dǎo)率；J為放電電流；ra、rc分別為陽極和陰極半徑。

Choueiri[7]修訂了上述理論，針對部分電離和完全電離兩種不同等子體形態(tài)進(jìn)行了討論。

(2)氣動加速。當(dāng)電流流經(jīng)等離子體時由于焦耳加熱效應(yīng)的存在，等離子體的內(nèi)能會增加。當(dāng)?shù)入x子體在物理壁面膨脹噴出的過程中，一部分內(nèi)能會轉(zhuǎn)化為軸向動能，從而產(chǎn)生推力。這種加速機(jī)制即為氣動加速。氣動加速產(chǎn)生的推力大小如式(2)所示[7]。氣動加速對于SF-MPDT和AF-MPDT均有效。關(guān)于氣動加速對于總推力的貢獻(xiàn)比例目前有一定的分歧，有些學(xué)者認(rèn)為氣動加速僅占很小比例，或者僅在高流量低比沖的特殊工況下才會值得考慮。但是也有學(xué)者認(rèn)為氣動加速的占比不能忽略。

(2)

式中CS為離子聲速；KG為無量綱系數(shù)，取決于氣體流動相對推力軸線的角度或者作為在推進(jìn)劑注射部位的區(qū)域上作用附加壓力函數(shù)。

圖1 SF-MPDT加速機(jī)理

1.3 典型的SF-MPDT

早期對SF-MPDT的研究主要集中在穩(wěn)態(tài)推力器上，這種推力器結(jié)構(gòu)和加速原理都相對簡單[8]。其工作時間從幾十秒到幾百小時不等。由于現(xiàn)有空間電源限制，高性能的穩(wěn)態(tài)SF-MPDT在短期內(nèi)幾乎不可能用于航天任務(wù)。因此，研究方向轉(zhuǎn)向準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或脈沖SF-MPDT，其工作周期通常小于1 s。

其中一款有代表性的為DT系列MPDT，DT系列SF-MPDT是由斯圖加特大學(xué)空間系統(tǒng)研究所設(shè)計的經(jīng)典穩(wěn)態(tài)推力器[9]。系列推力器具有相似的內(nèi)部型面，但喉部直徑不同。推力器的典型配置如圖2所示。推力器由陽極、陰極和中性段組成。噴嘴外形由浮動電勢上的水冷銅段構(gòu)成；陽極也由水冷銅制成；固體棒陰極由釷化鎢制成，通過鎢周圍供應(yīng)推進(jìn)劑。在高達(dá)550 kW的電功率水平、8000 A的電流水平以及27%的推力效率下，獲得了27 N的推力值。

圖2 典型DT系列SF-MPDT示意圖

另外，普林斯頓大學(xué)在美國宇航局的支持下，設(shè)計了一個用于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)SF-MPDT研究的基準(zhǔn)推力器[10]，該推力器的設(shè)計初衷是研究MPDT的加速機(jī)理，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。與DT系列推力器不同，普林斯頓基準(zhǔn)MPDT的陽極是一個環(huán)形鋁盤。陰極由釷鎢制成，背板絕緣體為氮化硼。推力器典型工作周期為1.2 ms，最高推力效率為55%。

圖3 普林斯頓MPDT示意圖

綜上所述，SF-MPDT雖然結(jié)構(gòu)簡單，推力大，但由于加速度原理的限制，要獲得滿意的性能，必須要有高的放電電流。SF-MPDT的工作電流一般在kA以上。研制出具有如此高工作電流的長壽命陰極是一個極為困難的挑戰(zhàn)。因此，陰極壽命是制約SF-MPDT應(yīng)用的主要因素之一。

2 AF-MPDT的發(fā)展歷程

2.1 AF-MPDT的起源

1988年前，大多數(shù)研究工作都集中在SF-MPDT，但是當(dāng)時穩(wěn)態(tài)SF-MPDT的性能不足以達(dá)到空間任務(wù)的需求，高性能參數(shù)則只能在脈沖工作模式下獲得。SF-MPDT的最佳性能是在1.5 MW的瞬態(tài)輸入功率下獲得的，其比沖達(dá)到了5000 s，效率達(dá)到了40%[11]。在穩(wěn)態(tài)工作模式下，SF-MPDT為獲得較高性能，需要將功率提升到很高的水平[12]，此時的放電電流一般為幾千安培，甚至達(dá)到幾萬安培，這對于陰極設(shè)計會帶來極大的挑戰(zhàn)[13]。相比之下，在30 kW輸入功率下穩(wěn)態(tài)工作的以鋰蒸汽作為推進(jìn)劑的AF-MPDT則可實現(xiàn)70%的效率和7000 s的比沖[14]。即使使用常規(guī)推進(jìn)劑，AF-MPDT也能夠在相對較低的功率下獲得相對較高的性能[15]。由于這些原因，后來研究人員將注意力逐漸轉(zhuǎn)移到了AF-MPDT上。

如上所述，SF-MPDT需要強(qiáng)大的放電電流來產(chǎn)生顯著的磁場。就產(chǎn)生磁場而言，它效率極低。因此，研究人員自然而然地想到用電磁線圈和永磁體等外部裝置為MPDT提供磁場。這就是AF-MPDT的起源。

2.2 AF-MPDT的工作原理

與用放電電流感應(yīng)磁場相比，螺線管線圈能以較小的功率產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場。因此，放電電流和推力器的功率都可以顯著降低。AF-MPDT的功率從幾十千瓦到數(shù)百千瓦。盡管總功率較低，但AF-MPDT的性能可以高于SF-MPDT。

由于AF-MPDT采用了不同于SF-MPDT的勵磁方式，因此兩種推力器的磁場特性也不同。SF-MPDT的磁場方向是角向的，而AF-MPDT的磁場方向是軸向和徑向的，如圖4所示。

圖4 AF-MPDT加速機(jī)理

AF-MPDT的四種主要加速方式[16]：

(1)渦旋加速。當(dāng)有軸向附加磁場作用在放電腔內(nèi)時軸向磁場與徑向電流會發(fā)生相互作用，作用力方向為周向，從而使得放電腔的等離子體產(chǎn)生渦旋運動[17]。渦旋運動本身不能直接產(chǎn)生推力，但是經(jīng)過磁噴管作用之后，其旋轉(zhuǎn)動能則可以轉(zhuǎn)化軸向動能，從而產(chǎn)生推力，所以這種加速效應(yīng)稱為渦旋加速[18]。渦旋加速的效果一般與附加磁場強(qiáng)度和放電電流成比例。這種加速效應(yīng)一般被認(rèn)為在典型的AF-MPDT工況中對總推力起主導(dǎo)作用[19-21]。

(2)氣動加速。與SF-MPDT中的氣動加速機(jī)理類似。

(3)自身場加速。與SF-MPDT中的自身場加速機(jī)理類似。但是由于AF-MPDT的放電電流一般遠(yuǎn)小于SF-MPDT，所以放電電流的感生磁場一般比較弱，一般認(rèn)為自身場加速對AF-MPDT的推力貢獻(xiàn)比較低。

(4)霍爾加速。在強(qiáng)霍爾參數(shù)條件下(即強(qiáng)附加磁場以及低推進(jìn)劑質(zhì)量流率)，徑向電流在軸向磁場的作用下會感生出角向電流Jθ，與自身場機(jī)制相似，角向電流與附加磁場產(chǎn)生箍縮力Jθ×Bz和軸向分量Jθ×Br，但與自身場不同的是，霍爾加速軸向分量的方向不能直接判斷清楚。其主要原因如圖5所示，強(qiáng)磁場下電子的周向遷移率會顯著下降，周向電子電流和離子電流的量級相當(dāng)，總電流的方向性無法確定，霍爾電流與附加磁場的作用力方向也就無法確定[22]。

圖5 霍爾電流示意圖

以上即為MPDT中經(jīng)典的四種加速機(jī)制的分類，然而，哪種加速機(jī)制起主導(dǎo)作用至今仍然備受爭議[23-26]。其原因可能是不同研究機(jī)構(gòu)的MPDT結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)有較大的差異，因此不同推力器實際工作時占主導(dǎo)作用的加速機(jī)制有可能會各不相同。

2.3 典型的AF-MPDT

東京大學(xué)學(xué)者在對MPDT的研究中，通過改變放電室構(gòu)型和注氣方式顯著改善了推力器的性能?；贛PDT推進(jìn)系統(tǒng)高度簡化的特點以及高推力密度的優(yōu)勢，研究人員認(rèn)為MPDT對大空間結(jié)構(gòu)的跨地球軌道運輸來說是一個充滿希望的方案，于是進(jìn)行了衛(wèi)星搭載實驗。1980年2月17日，日本發(fā)射了MS-T4試驗衛(wèi)星[26]，該衛(wèi)星上搭載了由日本航空航天研究所和東京大學(xué)聯(lián)合研制的MPDT推進(jìn)系統(tǒng)。該MPDT系統(tǒng)曾在1980年3月24日至26日這段時間內(nèi)在試驗衛(wèi)星上運行，并完成了如下試驗任務(wù)：

(1)推進(jìn)系統(tǒng)反復(fù)啟動試驗；

(2)利用衛(wèi)星自旋速率變化測量推力器沖量；

(3)近零重力條件下在儲存和送料系統(tǒng)中的推進(jìn)劑相變研究。

該推力器為脈沖工作模式，以NH3為推進(jìn)劑，實測推力效率22%，比沖2500 s。整個推進(jìn)系統(tǒng)運行正常，驗證了MPDT在軌應(yīng)用的可行性。這也是公開報道的MPDT第一次在軌飛行。

推力器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 MS-T4衛(wèi)星上搭載的MPDT

普林斯頓大學(xué)的LiLFA(Lithium Lorentz Force Accelerator)是一種以金屬鋰蒸汽作為推進(jìn)劑的穩(wěn)態(tài)AF-MPDT(推力器結(jié)構(gòu)如圖7所示)，其設(shè)計功率為30 kW[27]。鋰是一種理想的MPDT的推進(jìn)劑，因為其一次電離能非常低，只有5.4 eV，這低于常見的其他推進(jìn)劑的第一電離能，例如Ar、Xe等，所以鋰推進(jìn)劑極易發(fā)生電離。而鋰的二次電離能卻高達(dá)75.8 eV，遠(yuǎn)高于其一次電離能，也高于其他常見推進(jìn)劑的二次電離能。這就能避免過多的二次電離對能量的額外消耗。因此，LiLFA具有相對較高的效率，例如可在30 kW功率水平下實現(xiàn)高達(dá)70%的效率[16]。此外，鋰還可以降低MPDT陰極的電子逸出功，減少陰極燒蝕，尤其是在鋰中添加了少量的鋇之后效果更加顯著[28]。目前研究人員已經(jīng)完成了數(shù)百小時的高功率(0.5 MW)壽命實驗，實驗結(jié)束之后沒有出現(xiàn)明顯的陰極侵蝕、陰極磨損和陰極銷熔等現(xiàn)象[29]。

圖7 LiLFA推力器輪廓示意圖

SX3推力器(結(jié)構(gòu)如圖8所示)是一種大功率穩(wěn)態(tài)AF-MPDT，由斯圖加特大學(xué)和意大利Alta公司(現(xiàn)更名為SITAEL)在歐洲航天局的歐盟計劃(大功率電力推進(jìn)發(fā)展計劃)的支持下聯(lián)合研制[30]。推力器放電功率為7～115 kW，最大放電電流可達(dá)2000 A，磁通密度為0.4 T，SX3的單空心陰極為釷鎢(WT20)，擴(kuò)展陽極為銅。陽極和陰極都是用水冷卻的，這樣推力器就可以持續(xù)以高功率工作。推力器的效率達(dá)到62%，這在以惰性氣體為推進(jìn)劑的MPDT中屬于頂級水平。

圖8 SX3推力器輪廓示意圖

MAT-20和MAT-100是北京控制工程研究所和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合設(shè)計的兩款以工程化為目標(biāo)的MPDT。MAT-20是一種20kW級的輻射冷卻AF-MPDT，具有單通道空心陰極和圓柱形陽極，如圖9所示。MAT-20的最大功率為21 kW，推力為330 mN，比沖為3200 s，推力效率為23%。

(a)MAT-20 physical diagram

(b)MAT-20 outline diagram

由于冷卻能力有限，MAT-20不能長時間連續(xù)工作。為適應(yīng)工程應(yīng)用，研制了100 kW級水冷外加磁場磁等離子體動力推力器MAT-100，結(jié)構(gòu)如圖10所示。

(a)MAT-100 physical diagram

(b)MAT-100 outline diagram

推力器的設(shè)計目標(biāo)是高性能和連續(xù)工作能力。根據(jù)目標(biāo)，采用了以下設(shè)計：

(1)多通道空心陰極。陰極由鉭鎢制成，有9個推進(jìn)劑通道。

(2)擴(kuò)張陽極。研究表明[31]，盡管發(fā)散陽極的穩(wěn)定性可能較差，但與直筒型或收斂型發(fā)散陽極相比，發(fā)散型陽極對性能的改善更為有效。

(3)只提供陰極推進(jìn)劑。研究發(fā)現(xiàn)增加陰極區(qū)推進(jìn)劑供應(yīng)可以改善推力器的性能[32]。為獲得更好的性能和簡化結(jié)構(gòu)，放棄了傳統(tǒng)的陽極推進(jìn)劑通道，全部推進(jìn)劑由空心陰極提供。

(4)水冷結(jié)構(gòu)。為保證推力器的連續(xù)工作，需要有效的傳熱結(jié)構(gòu)?？紤]到推力器的設(shè)計功率為100 kW，陽極和陰極將沉積相當(dāng)大的功率[33-34]。因此，陽極和陰極均采用水冷結(jié)構(gòu)。為保證換熱效率足夠高，使陰陽極溫度保持在可接受的范圍內(nèi)，對推力器的換熱進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 陽極熱仿真結(jié)果

圖12 陰極熱仿真結(jié)果

2.4 AF-MPDT小結(jié)

AF-MPDT相對SF-MPDT而言，可在更低的功率下實現(xiàn)更高的性能。這是因為MPDT屬于電磁加速推力器，從能量守恒的角度來看，等離子體能量的源頭是電場。而磁場雖然不直接注入能量，但是無論是在SF-MPDT中還是在AF-MPDT中，磁場均起到了關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)換的作用，它可將電場注入的能量有效的轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生推力所需要的定向動能。因此，MPDT本質(zhì)上可以視為一種能量裝換裝置，其作用是將電能轉(zhuǎn)化為動能。從而其能量轉(zhuǎn)化效率也就成為了評價其性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，這也就是MPDT推力器效率公式(如式(3)所示)的本質(zhì)。

(3)

綜上，從能量注入和能量轉(zhuǎn)化的角度來看，為實現(xiàn)推力器整體效率的提高，需要確保這兩個過程都保持較高的效率。其中能量注入效率與放電電流相關(guān)，能量轉(zhuǎn)化效率與磁場強(qiáng)度和磁場位型相關(guān)。SF-MPDT一般工作電流比較大，所以其能量注入效率很高，電功率可以達(dá)到幾百千瓦甚至兆瓦級別。但是其磁場必須依賴放電電流感應(yīng)產(chǎn)生，其感生場強(qiáng)大小由式(4)確定。從式(4)可看出，盡管SF-MPDT的放電電流很大，但是電流的積分路徑較短(通常為0.1m量級)，所以產(chǎn)生的磁場相對較弱，這樣就導(dǎo)致了其能量轉(zhuǎn)化能力相對較弱。

(4)

式中L為電流積分路徑；I為電流大?。籸為電流元與空間點的間距。

而對于AF-MPDT，由于其磁場是依靠附加的螺線管產(chǎn)生，盡管螺線管電流相對較小(即I較小)，但螺旋管內(nèi)導(dǎo)線長度可達(dá)百米的量級，所以其積分路徑相比SF-MPDT有2～3個量級上的優(yōu)勢，故AF-MPDT的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)高于SF-MPDT，具有較強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)化能力。

此外，AF-MPDT的附加磁場強(qiáng)度可以進(jìn)行獨立調(diào)節(jié)，因此可根據(jù)推力器的實際功率來選擇合適的磁場強(qiáng)度，從而在非常寬的功率范圍內(nèi)實現(xiàn)相對較高的效率。而SF-MPDT的磁場強(qiáng)度和放電電流基本是一一對應(yīng)的，所以其最佳工作狀態(tài)往往需要進(jìn)行精確設(shè)計，適應(yīng)性相對較差。

3 MPDT工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

盡管MPDT在地面實驗中取得了優(yōu)異的性能，但是目前為止僅有脈沖工作模式的MPDT實現(xiàn)了在軌應(yīng)用，而穩(wěn)態(tài)MPDT尚無飛行經(jīng)歷。其主要原因是MPDT的典型工作功率相對較高，一般至少在10 kW以上。而為充分釋放其性能潛力，其功率還需要進(jìn)一步提高。因此，MPDT在軌應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)實際也是大功率電推力器在軌應(yīng)用中的通用關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 大功率空間能源系統(tǒng)

MPDT的功率通常都比較高，前期國內(nèi)發(fā)射的航天器的可用電功率相對較低，難以充分滿足MPDT的功率需求。但是這個問題隨著電推進(jìn)的系統(tǒng)在航天器中逐漸普及，有望逐漸解決。以2019年底發(fā)射的東五平臺為例，該平臺的典型功率為21.6 kW，太陽能電池初期功率可到30 kW[35]，已經(jīng)足夠支持MPDT的正常工作了。后期隨著太陽能電池技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，空間能源將會更加充足，屆時大功率空間能源系統(tǒng)這一關(guān)鍵技術(shù)將有望突破。

除了衛(wèi)星本身的太陽能功率提升之外，MPDT還可以借助空間太陽能電站獲得能源?？臻g太陽能電站是一種用來發(fā)電的地球同步軌道衛(wèi)星，它搭載有巨型太陽電池板，可以產(chǎn)生GW級的電能，然后通過無線能量傳輸技術(shù)送達(dá)地面[36]。其可行性已經(jīng)得到驗證，但仍有不少關(guān)鍵技術(shù)有待突破，美國已經(jīng)有了建立太陽能電站的計劃[37]，我國也擬在2035年建成200 MW級的空間太陽能電站[38]。一旦空間太陽能電站技術(shù)成熟，大功率MPDT的能源問題將會徹底解決。

此外，還有空間核電源也是一種可以支持MPDT空間應(yīng)用的技術(shù)方案?？臻g核電源與大功率電推進(jìn)具有良好融合性，二者結(jié)合可以實現(xiàn)高能量密度、高比沖、較大推力[39]。從20世紀(jì)80年代末，俄羅斯就開始了空間核電源的空間測試。2003年美國開展了“普羅米修斯計劃”擬采用空間核電推進(jìn)進(jìn)行深空探測。我國也在積極開展空間核電源與大功率電推進(jìn)結(jié)合的系統(tǒng)方案論證及部分關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作。

3.2 推力器壽命

目前，MPDT的壽命主要取決于陰極。陰極的主要燒蝕機(jī)理主要包括等離子濺射、高溫蒸發(fā)、熔化噴射及化學(xué)反應(yīng)。離子濺射造成的陰極燒蝕由式(5)確定。高溫蒸發(fā)引起的陰極燒蝕由式(6)確定，根據(jù)該式可確定陰極蒸發(fā)量與溫度的關(guān)系如圖13所示[40]?？梢钥闯觯S著陰極溫度的升高，陰極材料的蒸發(fā)速率基本呈指數(shù)式增加。熔化噴射主要是發(fā)生在推力器啟動階段。而化學(xué)反應(yīng)主要是由于推進(jìn)劑或者真空艙內(nèi)存在氧氣，從而造成陰極材料的氧化。

圖13 純鎢陰極陰極蒸發(fā)速率與溫度的關(guān)系

(5)

式中Γi為流向陰極表面的離子通量；f(E)為離子能量分布函數(shù)；Y(E)為陰極材料的濺射產(chǎn)額；Eth為濺射閾能值。

(6)

基于上述燒蝕機(jī)理，可從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化實現(xiàn)MPDT陰極壽命的延長。

(1)提升陰極材料性能。通過優(yōu)化陰極材料可降低陰極功函數(shù)，使得在相同的放電電流下陰極工作溫度更低，從而減少陰極的蒸發(fā)燒蝕。同時還可對陰極材料的抗濺射能力進(jìn)行提升，減少離子濺射燒蝕。

(2)陰極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。除陰極材料外，陰極結(jié)構(gòu)同樣對陰極燒蝕影響顯著。通過合理的陰極結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加有效的陰極電子發(fā)射面積同樣能降低陰極表面的電流密度，從而減輕陰極燒蝕。例如，采用空心陰極代替實心陰極，或更進(jìn)一步地采用多孔空心陰極代替單孔空心陰極。這些方法均可有效提高陰極電子發(fā)射面積。

(3)采用特殊推進(jìn)劑。部分特殊推進(jìn)劑可與陰極材料相互作用，起到延長陰極壽命的目的。例如鋰推進(jìn)劑，可降低陰極材料功函數(shù)，從而降低陰極工作溫度，實現(xiàn)陰極壽命的延長。

(4)優(yōu)化推力器工況。MPDT陰極燒蝕的一個重要原因是啟動階段的點火沖擊對陰極造成的非穩(wěn)態(tài)燒蝕[41]，通過工況優(yōu)化，減少點火沖擊，同樣可以顯著減少陰極燒蝕。

(5)提高推進(jìn)劑純度和真空艙的真空度，從而減少化學(xué)反應(yīng)引起的燒蝕。考慮到空間中的良好的真空環(huán)境，實際在軌應(yīng)用時僅需要提高推進(jìn)劑純度即可。

3.3 推力器小型化和輕質(zhì)化

作為空間推進(jìn)裝置，小型化和輕質(zhì)化對于降低發(fā)射成本有著重要的意義。就AF-MPDT而言，其質(zhì)量和體積主要受限于附加磁線圈。地面實驗中考慮實驗成本和可操作性，多采用銅導(dǎo)線繞制的螺線管。在軌應(yīng)用時為了控制體積和重量，可考慮采用超導(dǎo)線圈或者永磁體。

永磁體無需電源即可工作，可以減小推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜性。同時永磁體磁源相比于常規(guī)銅線圈磁源在體積和重量方面也有一定的優(yōu)勢。日本大阪理工大學(xué)在永磁體MPDT方面進(jìn)行了比較多的嘗試，在JAXA的支持下，先后設(shè)計出了水冷永磁體MPDT[42]、永磁體多通道空心陰極MPDT[43]，并完成了初步的地面實驗。然后進(jìn)一步的設(shè)計了全輻射冷卻的MPDT，并且對全輻射冷卻MPDT進(jìn)行了全面的熱分析工作，從永磁體材料、熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)、以及組件表面發(fā)射系數(shù)等方面進(jìn)行了詳細(xì)討論[44]。

除了永磁體磁源外，超導(dǎo)磁體也是另一種可行性較高的空間磁源方案。超導(dǎo)磁體可以實現(xiàn)極高的電流密度，所以無論是線圈功率、線圈體積還是線圈重量，相對常規(guī)銅線圈而言均有明顯的優(yōu)勢。和永磁體磁源相比，超導(dǎo)線圈具有可調(diào)節(jié)性，根據(jù)推力器的實際工況進(jìn)行磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)，可以使得推力器的工作范圍更寬。近年來，地面超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，所以空間超導(dǎo)線圈技術(shù)也逐漸受到研究者的重視，成為未來實現(xiàn)以MPDT為代表的大功率電磁推力器在軌應(yīng)用的一種頗具潛力的關(guān)鍵技術(shù)[45-46]。

4 結(jié)束語

本文從磁場來源的角度討論了MPDT的發(fā)展歷程，介紹了幾種典型的MPDT原理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)特點和工作參數(shù)。并從能量轉(zhuǎn)化的角度討論了SF-MPDT和AF-MPDT的優(yōu)劣。SF-MPDT結(jié)構(gòu)簡單，推力大，但由于加速度原理的限制，需要有高電流來維持高性能。AF-MPDT利用電磁螺旋管或永磁體，以更加高效的方式產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場。由于工作機(jī)制的限制，SF-MPDT的能量注入效率較高，而能量轉(zhuǎn)化效率較低。綜合來看，AF-MPDT有著更寬的工作范圍和相對較高的綜合效率。

另外，本文討論了MPDT工程應(yīng)用前需突破的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括大功率空間能源技術(shù)、推力器長壽命技術(shù)以及推力器的小型化和輕質(zhì)化，并提供了具體的技術(shù)路線。

就現(xiàn)有技術(shù)而言，MPDT已經(jīng)具備了搭載飛行的條件，但是現(xiàn)有空間電源的功率水平尚難以充分發(fā)揮大功率MPDT的性能優(yōu)勢。MPDT本身的壽命問題和輕質(zhì)化小型化問題仍然需要做進(jìn)一步的研究工作?？傮w來說，MPDT的工程應(yīng)用雖仍有技術(shù)難度，但已經(jīng)指日可待了。