高頻感應等離子體流動模型與微型電推進器流場特性分析

李亦非, 付宸聰, 劉 偉, 蔡國飆, 王偉宗

(北京航空航天大學, 北京 100191)

引 言

“航天探索, 動力先行”. 與利用燃料氧化燃燒產生推力的化學推進相比, 電推進利用電離推進劑加速工質形成射流, 具有比沖高、 推力小、 控制精度高、 使用壽命長等優點, 尤其適用于航天器位置保持、 軌道轉移、 軌道維持、 姿態控制和深空探測等太空任務[1]. 根據推進劑加速機制的不同, 可將電推進分為3類: 電熱推進[2-4]、 電磁推進[5-7]和靜電推進[8]. 射頻離子推力器基于感性耦合放電技術, 無放電電極, 不存在電子轟擊式推力器的陰極壽命問題, 同時沒有電子回旋共振式離子推力器需要外部靜磁場和固定推進劑流量以達到電子回旋共振的限制, 具有結構簡單、 工作壽命長、 推力動態范圍大、 性能調節響應靈敏[9]等特點, 是國際電推進領域的研究熱點之一.

無論是高推力精度要求的太空任務(如歐洲航天局的Darwin， GAIA， LISA等), 還是協同運作的立方星星座任務(如SpaceX的StarLink), 都迫切需要微推進系統[10]. 微型射頻離子推力器滿足體積小、 質量小、 推力小、 響應快速、 控制精確的要求, 除此之外結構簡單、 工作壽命長, 是最具有發展潛力的推力器之一.

目前, 對微型射頻離子推力器的研究主要集中在歐洲和美國, 典型樣機有德國吉森大學的RIT-10[11-12]， RIT-4[10,13], 美國賓夕法尼亞州立大學的MRIT[14], 美國BUSEK公司的BIT-3. 其中RIT-10于2001年在ARTEMIS通信衛星上得到正式應用, 用于執行南北位置保持任務[15], BIT-3預計2020年之后將搭載太空發射系統升空[16]. 國內研制微型射頻……