聊一聊离子推力器和射频离子推力器

来源：航天星世纪       

作者：一叶星辰

上一期更新比较了电推进与化学推进的区别，顺便介绍了霍尔推力器的工作原理，今天我们再来认识一下与霍尔推力器齐名的离子推力器。

我注意到一个现象，知道电推进的人还是挺多的，但是由于电推进种类实在太多，大家对于这些更加细致的划分就很模糊甚至于混淆了，特别是对于“离子推力器”这个词，几乎等同于“电推进”这两个字，亦或者是谈论到霍尔推力器时，也把霍尔叫成了离子推力器，实际上“离子推力器”在电推进领域有一个专门的划分，专门指采用栅极（grid）加速的一类推力器，霍尔推力器是与离子推力器并列的一个类别，有无栅极是区分这两类推力器的最简单方法。

霍尔推力器，图源自Jankovsky R, Jacobson D, Sarmiento C, et al. NASA's Hall thruster program 2002[C]//38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 2002: 3675.

放电状态下的霍尔推力器，图源自NASA

离子推力器栅极组件，图源自Gridded Ion Thruster | Design Show 2017 (uosdesign.org)

离子推力器，图源自Gridded Ion Thrusters – Beyond NERVA

比较上面四幅图，我们可以很明显地看出两种推力器的差异，这种结构上的差异必然有不同的工作原理。

离子推力器有多种分类，狭义的分类有直流离子推力器，射频离子推力器和电子回旋共振离子推力器，后者也称微波离子推力器，这三种推力器的区别在于电离推进剂的方式不同。由于我的课题主要是做射频离子推力器，对于其他两类离子推力器的认知有一定局限性，这里只简单讲述一下直流离子推力器的基本概念，然后比较详细的聊聊射频离子推力器。

离子推力器原理图，中文重置图，原图源自Herman D A, Gallimore A D. An ion thruster internal discharge chamber electrostatic probe diagnostic technique using a high-speed probe positioning system[J]. Review of Scientific Instruments, 2008, 79(1): 013302.

首先以最常见的直流离子推力器为例，比较霍尔推力器与离子推力器两类推力器的差异。

霍尔推力器在上一篇文章给出了其四个关键结构：阳极&气体分配器，阴极，放电室和磁极，离子推力器有阳极、内置阴极，外置阴极，放电室，磁环，栅极6个关键结构，结构上比霍尔推力器复杂了很多，多了内置阴极和栅极。

离子推力器的阳极同时也是放电室的一部分，是金属壁面，霍尔推力器的放电室是氮化硼陶瓷结构，是绝缘材料。对于阳极、阴极、磁环和放电室，了解霍尔推力器的或多或少有一些比较直观的认识，栅极可能就不了解了。

我之前提到电推进一般是分为电离和加速两个过程。霍尔推力器的电离和加速一定程度上是搅和在一起的，只要电离了离子就会被自洽的电场加速出去，几乎是同时性且不可独立工作的，有电离就必然会有加速，但是离子推力器的电离和加速是分开的，电离后不一定要把离子加速出去，加速过程由栅极独立完成。

由于栅极是区分离子推力器与霍尔推力器的最显著特征，因为先看一下加速过程，后面再回头讨论电离过程。

一般而言，小型的离子推力器栅极一般分为屏栅极（Screen Grid）和加速栅极（Accelerator Grid），屏栅极与等离子体直接接触。

结构上，屏栅极上的圆孔孔径稍大于加速栅极上圆孔的孔径，后者约是前者的0.65倍。不论是栅极孔、栅极间距还是栅极厚度，均为毫米或亚毫米量级，由于其孔多，又是薄壁件，对力学性能的要求极高，特别是大尺寸的离子推力器，力热环境复杂，同时需要兼顾高压绝缘特性，设计要求极高。

电气上，屏栅极接正高压电源，电位一般在1000V量级，加速栅极接负高压，一般在-100~-200V之间，二者形成加速电场将离子从放电室中牵引出来并加速。这个物理过程非常复杂，这里不做详细讨论。

大致物理图像如下图所示，施加了合适电压的屏栅极和加速栅极与等离子体接触后，等离子体在屏栅极孔处形成一个凸向等离子体的弯月面，等离子体中的离子从这个弯月面进入到屏栅极孔，然后被屏栅极与加速栅极之间的强电场加速喷出，产生推力。

这个弯月面可以起到聚焦离子的作用，使进入孔的离子运动方向不会过于发散或者聚焦过度，如果太发散或者聚焦过度，离子被加速后就会撞击加速栅极，这些高能量的离子撞击加速栅极会使得加速栅极的寿命变得非常短。合理设计后撞击加速栅极的离子一般低于引出离子总数的1.5%，在这样的条件下栅极的寿命可超过1万小时。

离子引出和加速过程的物理图像，图源自Li H, Yang J, Zhang L, et al. Structural characteristics of the upstream sheath of the ion optics and its application in evaluating the beam performance of an ion thruster[J]. Journal of Applied Physics, 2022, 131(2): 023303.

有人可能会问为什么要在加速栅极上接负高压，接地不行吗？如果不考虑栅极的寿命，接地也一样可以将离子从放电室内引出并加速，但是外置阴极的电子也会特别容易感受到屏栅极的高电压，进而逆流进入栅极之间，这些逆流而入的电子会将栅极之间的未电离推进剂电离，这部分新电离得到的离子并不是从弯月面发射出来的，这部分离子在栅极之间乱串，从电场获得能量后撞击加速栅极会严重侵蚀加速栅极表面导致其寿命过低，在加速栅极上施加负高压后可以排斥这部分电子，延长栅极的寿命。

栅极被离子长时间侵蚀后接近寿命极限。图源自Yalin A, Surla V, Farnell C, et al. Sputtering studies of multi-component materials by weight loss and cavity ring-down spectroscopy[C]//42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 2006: 4338.

大型离子推力器还会在加速栅极后面安装一套减速栅极，减速栅极是地电位，可以进一步提升推力器的寿命。之所以叫做减速栅极，因为其电位比加速栅极高，在加速栅极与减速栅极之间形成了一个减速离子的电场。为了提升小型离子推力器的寿命，使其应用在一些有长寿命要求的高精度科研任务上，也可以采用三栅极的设计。

采用栅极加速，对比霍尔推力器存在哪些优势，又存在哪些不足呢？

先看一下离子推力器采用栅极后的优势。霍尔推力器的加速电压目前成熟的产品均采用了300V甚至更低的电压，而离子推力器的加速电压超过了1000V，根据动能定理可以知道更高的加速电压可以使离子产生更高的速度，因此离子推力器可以比霍尔推力器更节省燃料。

注意离子推力器的最终加速电压不是屏栅极与加速栅极之间的电压差，而是等离子体的对地电压。等离子体的电压比屏栅极高约30V，这是由于等离子体的特性导致的，加速电压可以认为是屏栅极电压加上这30V。为什么不是1000V或者1030V再加上加速栅极的100~200V呢？因为离子经过加速栅极后达到羽流区，羽流区的最终电位是地电位，也就是说离子穿过加速栅极的孔之后又被减速了。

除了具有更高的喷气速度外，电离和加速的独立控制使离子推力器具备一些独特的优势。做过控制的人都知道想要实现反馈控制就必须要有合适的特征参数作为控制条件，推力器作为产生推力的动力装置，推力的反馈控制在一些有高精度要求的科研任务中显得尤为重要，而霍尔推力器的阳极电压和电流很难用来准确表征推力大小，误差明显，因此通过监测阳极电压和电流来精确反馈控制推力是不足的，原因在于霍尔推力器里面的电流包含的成分复杂，加速电压在不同的径向位置也不同且不等于阳极电压，可以控制阳极电压却无法控制加速电压，而离子推力器则不然，由于加速过程与电离是分离的，加速过程的电流成分非常清晰，加速电压非常稳定且人为可控，这为反馈控制提供了良好的条件。

当然， 栅极带来的并不全是优势，也有劣势，比如前面提到的高力热性能要求，并且栅极组件的加工难度也是非常大的。除此之外，还受到一个叫做“空间电荷饱和效应”的物理限制，这个限制的物理含义就是在确定的栅极电压和几何尺寸下，单位时间内能通过栅极孔的离子密度是有上限的，电压越高、栅极间距越小以及屏栅极孔径越大，这个上限就越大，但是电压不能无限制提高，因为栅极间距决定了施加电压的上限，越小的间距能够施加的电压就越低，否则会存在高电压击穿的风险。如果屏栅极孔太大，等离子体就会从孔中泄露出去，对电离过程也会造成明显的影响，这也是不合适的。在这样限制下，离子推力器的推力密度约霍尔推力器的一半左右，因此离子推力器的推重比就更小了。

离子推力器的推力密度也并不是没有提高的方法，只是需要付出更大的代价。空间电荷饱和效应虽然是一条无法逾越的物理限制，但却不是不能改变的一个固定参数，而是会随着电压等参数变化的，常规的做法无法提高电压，但是可以另辟蹊径，比如再增加一个高电位的引出栅极（比屏栅极电位低，但是比加速栅极电位高得多），与原来的屏栅极形成类似于之前屏栅极与加速栅极的结构，从放电室中引出离子，这个过程虽然依然受到空间电荷饱和限制，但可以最大化的引出离子（与屏栅极之间的距离可以小于原来屏栅极与加速栅极的距离，同时降低屏栅极与引出栅极之间的电压差），并在引出栅极与加速栅极之间可以设计很高的电压差。

这个过程可以理解为通过增加一个栅极后，把离子的引出过程和加速过程再分离(已经分离了电离)，加速过程的设计自由度变大，从而可以在更大的栅极间距下提高加速电压，加速电压的提高会导致离子的速度进一步提升。目前的研究表明加速电压可以提高到7000-8000V，未来可能更高。

通过这样的设计，同时增加了推力密度和喷气速度。当然， 超高电压的绝缘问题并不容易解决，同时还伴有其他各种未知问题，有待深入研究。

双极加速的离子栅极组件原理图。图源自Jia L, Yang L, Zhao Y, et al. An experimental study of a dual-stage 4-grid ion thruster[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2019, 28(10): 105003.

聊完了离子推力器最具有特色的栅极，我们再来看一下离子推力器的电离过程。

直流离子推力器是如何电离的呢？其实跟霍尔推力器是类似的。首先需要有一定量的自由电子，然后电场加速这些电子去碰撞推进剂产生大量的离子和电子，为了让电子与推进剂多碰撞几次再到阳极放电，也设计了磁场约束电子，物理过程不说与霍尔推力器一模一样但也是非常相似的，不同的是两种推力器的磁场形状是不一样的，比如长下面这样，磁力线几乎与放电室壁面平行，这种设计可以有效的约束电子。

直流离子推力器其中一种常用的磁场形貌，图源自Goebel D M, Wirz R E, Katz I. Analytical ion thruster discharge performance model[J]. Journal of Propulsion and Power, 2007, 23(5): 1055-1067.

由于栅极的存在，直流离子推力器不能像霍尔推力器那样不断的从外置的阴极获取到电子电离推进剂，因此只能在里面多放一个阴极，这就是内置阴极的由来。在电离过程中，直流离子推力器的内置阴极是持续产生电子的，最终一部分电子到阳极放电形成回路，这一点与后面要提到的射频离子推力器不同。电离产生大量的带电粒子后（对于这种具有大量带电粒子且整体呈现电中性，可以表现出集体行为的类气体态物质称之为等离子体）就可以在栅极上施加电压引出放电室内的离子（电子到阳极或者屏栅极上放电）。

直流离子推力器这种电离形式有两个需要花费大力气解决的困难，其一是热量沉积导致的磁场变化，一旦温度过高，就会导致磁场降低，磁场被削弱后对电子的约束能力就会下降，大量电子到阳极放电释放能量，导致温度进一步升高，形成正反馈导致推力器失效。合理的磁感应强度、形状以及放电参数设计是设计一款具有稳定性能和长寿命离子推力器的关键。

另外，内置阴极也是困扰离子推力器进一步提高寿命的关键。由于等离子体会严重侵蚀浸泡在其内的物质，阴极的表面材料会随着使用时间的增长而逐渐失效，磁场以及放电参数的合理设计也会关系到阴极寿命的长短。内置阴极除了会困扰推力器的寿命，也会影响离子推力器的小型化。

以上问题换一种电离方式也是可以得到解决的，比如用射频或者微波放电的方式去电离，分别对应射频离子推力器和微波离子推力器。当然，付出的代价是整体效率的下降，因为直流转换为高频的电磁波存在明显的功率损耗。目前射频射频离子推力器普遍采用0.5-10MHz左右的频率，远远低于微波离子推力器所采用的2-5GHz的频率，直流功率转换为射频功率所消耗的功率是有限的，整体效率依然很高。

自制图|射频离子推力器工作原理图

射频离子推力器的关键结构包含石英玻璃/氧化铝放电室，射频线圈，阴极，栅极，电路上多一个匹配网络。机械结构上比直流离子推力器少了阳极、内置阴极和磁环，多了射频线圈，从关键结构的数量上而言已经与霍尔推力器相当。

自制图|射频离子推力器的优势

射频离子推力器的加速过程采用了与直流离子推力器一样的栅极系统，同属离子推力器，主要区别在于电离的方式。

射频离子推力器通过射频天线馈入能量，射频天线普遍采用柱形螺旋天线，这种天线馈入射频电流后会形成轴向变化的磁场（如原理图所示），高频变化的轴向磁场会产生同频率变化的涡流电场，这些电场加速电子与推进剂碰撞就会电离推进剂。采用这种电离有一定优势也有一定的劣势，优势在于放电室内不需要任何电极，陶瓷或者石英玻璃与等离子体接触几乎不受侵蚀，寿命很长，同时这种方式得到的电子平均能量低，电离后得到的离子能量也低，对于屏栅极的侵蚀也非常微弱，总体上的寿命普遍高于直流离子推力器和霍尔推力器。这种低电子温度的优势同时也带来了低电离率的劣势。

为了提高电离率进而提高射频离子推力器的性能，研究者使用了非常多的手段，总结起来无外乎提高放电室内的气压，增加磁场等，前者是增加电子与原子之间的碰撞频率，后者则可以约束电子降低能量损耗。笔者在这方面做了不少的工作，鉴于正在发表中，以后有机会再单独论述。

使用射频电离的方式，使这种推力器增加了一种快速调节推力的手段。改变射频功率后，可以在微秒范围内改变等离子体密度进而改变推力大小，推力的响应速度非常快，非常适用于引力波探测这一类需要快速响应需求的科研任务。更多的优势可以参考图11，图中详细列出了射频离子推力器的优势。

射频离子推力器的电离过程并不容易建立。因为凡是建立起电离过程，均离不开自由电子，而射频离子推力器只有一个阴极（这里一般称之为中和器），不能像直流离子推力器那样从内置阴极中得到自由电子。虽然在气体推进剂中均存在少量的自由电子，但是这些少量的自由电子不足以支撑起电离的启动。

那么，射频离子推力器是如何获得足够的自由电子建立电离的呢？在射频离子推力器中，中和器的电子是可以用来启动电离的。可能有人会问这只有一个中和器如何利用，这要是能用起来那直流离子推力器岂不是就不需要内置阴极了？

可实际上并非如此。射频离子推力器里面并没有阳极，如果建立起电离后，如果不通过栅极引出，是没有传导电流（区别于位移电流）流动的，电子只在与等离子体接触的表面会有一定损耗，但只要射频功率一直维持，那么电离就会源源不断的产生电子-离子对，最终电离、损耗达到平衡，电离会实现自持（不需要额外的电子供应）。栅极引出了部分离子后，为了维持整体得到电中性，多余的电子会从正电位的屏栅极流走，放电室里面依然会有大量的电子存在吸收射频功率维持电离。因此射频离子推力器的阴极理论上是可以为提供初始电子实现电离的启动的。这种点火方式存在一定的局限性，特别是微型射频离子推力器并不实用。

另外一种产生自由电子的方式则是利用屏栅极与加速栅极之间的高电压。可以采用脉冲高电压击穿栅极之间的推进剂，也可以采用脉冲流量（瞬间流量较大）结合较低的栅极电压（不超出栅极电源的最高电压）击穿栅极间的推进剂产生大量的电子，这些电子的一部分进入到放电室之后就会被涡流场加速，最终实现电离，之后电离就可以自我维持了。这两种启动方式会明显损伤栅极，因此其价值也有限。

有人可能会说可以在放电室中另外附加电极专门用来启动，在地面条件下工作的射频离子源可以采用这种方式，使用一定时间后就更换，但是在天上工作的推力器不具备这个条件，因此是行不通的。

笔者在射频离子推力器的点火方面做了一些工作，解决了以上点火方式所遇到的问题，感兴趣的读者可以搜索阅读并引用：A newly designed ignition method for miniature radio frequency ion thruster。

一点题外话。我觉得霍尔推力器是一个很天才的发明，因为霍尔推力器的电离和加速是搅和在一起的，这种物理上的耦合，在没有明确的理论框架和清晰的物理图像情况下，谁也无法保证这样的设计就可以成为一台推力器。我没有阅读过相关的原始文献，当时莫洛佐夫发明出霍尔推力器时应该存在一定的机缘巧合吧。相反，离子虽然结构复杂，但是其电离和加速过程是相对独立的，物理图像清晰，更符合戈达德1906年提出的电推进概念，相对而言更容易被人类发明出来。

两种推力器各有其特色，并没有高下之分。这些开创性工作的科学家都是人类文明进步的功臣！