法国等离子体推进技术的研究与发展

摘要：回顾了法国等离子体推进技术的发展历程，概述了法国等离子体推力器的型号种类，介绍了法国霍尔推力器的研究进展与现状、工程计划及飞行应用。应用领域主要包括地球同步轨道通信卫星的位置保持和轨道提升以及作为深空探测的主推进。根据法国等离子体推进技术的研究与发展，提出了国内等离子体推进的研究方向和发展思路。

0引言

法国等离子体推进技术的研究和发展有30年以上的历史。20世纪70年代，场发射电推进技术（FEEP）和轰击式汞离子推力器在法国航空发动机制造商斯奈克玛公司（Snecma）进行预研评估[1]。1991年，由于等离子体推进技术的广泛研究和应用促成了Snecma公司和俄罗斯法克尔（Fakel）设计局的技术合作，在SPT-70霍尔推力器的基础上加以改进，研制成PPS-1350霍尔推力器。1994年，法国国家空间研究中心（CNES）支持等离子体推进技术研究，制定了新技术轨道试验通信卫星（STENTOR）飞行计划，目的是发展和验证霍尔推力器及辅助设备（贮箱和转台等）[2]。
对霍尔推力器的研制一方面与俄罗斯的研究组进行广泛合作，另一方面受益于国家研究计划和科学实验室的技术支持。地面实验证实了等离子体推进适用于地球同步卫星。但由于两次等离子体推进技术的应用均因火箭系统故障而发射失败（STENTOR和ASTRA-1K），等离子体推进技术未能在卫星上得以应用。2003年9月法国首次用等离子体推力器（PPS-1350G）得到飞行验证，成功用于欧空局SMART-1月球探测器上[3]。

1研究发展现状

自1996年，由法国国家科学研究中心（CNRS）、CNES、Snecma公司、法国航空航天局（ONERA）以及法国大学组成的等离子体推进研究小组（GRD）共同支持霍尔推力器的研发工作，任务是提高霍尔推力器的效率、研究更大推力的霍尔推力器以及评估羽流效应等[4]。2001年，参加霍尔推力器理论与实验研究工作的大学有：奥尔良大学电离气体热力学研究组（GREMI），保尔·萨巴蒂埃大学等离子体与能量转换实验室（LAPLACE）和数学学院，约瑟夫·傅立叶大学光谱物理实验室（LSP），巴黎综合理工学院等离子体物理实验室（LPP），巴黎十一大气体和等离子体物理实验室（LPGP），南锡一大电离气体和应用物理实验室（LPMIA）以及圣康丁-凡尔赛大学磁学和光学实验室（LMOV）。各大学实验室对于霍尔推力器的数值模拟和羽流诊断开展了大量的研究工作[5]。
GRD研究内容主要集中于3个主题：电子输运、陶瓷侵蚀和数值计算。Snecma公司进行了提高等离子体推进性能的研究，包括寿命试验加速方法、可供选择的推进剂、可供选择的阴极、新的陶瓷材料和永磁体、新的磁路合金、新的阳极设计和加工过程、改进的热设计以及高可靠性的电路连接器等。GRD的国际合作伙伴有波兰科学院基础科学和技术研究所（IPPT），研究所在苏联科学家合作国联合会（INTAS）框架下与俄罗斯和乌克兰的一些研究单位和专家开展合作，如莫斯科无线电电子学和自动化学院（MIREA）、应用力学和电气力学研究院-莫斯科航空学院（RIAME MAI），以及霍尔推力器的创始人Morozov教授等。Snecma公司评估了一些新型推力器的性能，如与MIREA合作设计的双级霍尔推力器，目的是根据羽流发散和效率评估改进性能并得到推力器合适的工作点，同时采用数值计算模拟等离子体特性参数。该推力器在奥尔良的适用于轨道飞行的等离子推进分析与试验（PIVOINE）的实验台上进行了大量测试，并与俄罗斯测量的性能进行了分析比较。工业发展由Snecma公司和Fakel设计局共同管理。GRD与俄罗斯和乌克兰的8个研究组开展了2项计划，针对电推进研究的关键问题，涉及高电压推力器工作特性（性能、缺点、放电物理过程、高电压下的优化设计等）以及陶瓷侵蚀（改进陶瓷的设计并测试以延长推力器的工作寿命）[6]。对于高压强氙贮箱的研制，欧洲航空防务与空间公司（EADS-ST）发展了高气压贮箱以贮存和输送氙气。高气压贮箱由钛合金制成，以碳纤维包覆。为了优化高压容器的大小，需要验证先漏后爆（Leak Before Break，LBB）能力，成功进行了直径为338 mm、质量为10 kg的70 L贮箱的LBB实验，预期最大的工作压强为19 MPa，最小的爆破压强为28.5 MPa。GRD对霍尔推力器实验的特性、数值模拟和羽流效应开展了大量的工作。

1.1实验特性
大部分的科学实验都是在PIVOINE实验台上完成的。该实验台由空气热力学实验室创建于1998年，配有圆柱不锈钢真空室，体积为15 m3，直径为2.2 m，长度为4 m，设计用于1~3 kW量级霍尔推力器的研究，Xe流量为5.5 mg/s时，工作压强为1.5×10-3Pa。2006年对实验设备进行改进，以用于测试大功率和大流量（典型流量大于20 mg/s）工作下的等离子体推力器。
PIVOINE实验台完成了功率量级1~5 kW、双级和ATON型霍尔推力器的实验研究，主要工作如下：
a）用Langmuir探针和离子能量分析仪（PRA）诊断了霍尔推力器羽流特性；
b）用Fabry-Pérot干涉法测量霍尔推力器喷出的Xe离子速度，得出发生在推力器内、外通道的电势降之比为推力器参数的函数[7]；
c）用专用天线通入到推力器放电通道附近，测量了高频不稳定性在1~10 MHz，该不稳定性为非线性，与周向传输的静电波相耦合；
d）用红外热像技术分析了不同工作功率下推力器点火启动和稳定热态时能量释放在放电室中的位置[8]；
e）用光学发射光谱（OES）的方法诊断陶瓷侵蚀现象，Xe等离子体发射的谱线（Xe和Xe+）和由BN-SiO2陶瓷（B和Si）发射的光谱与电晕模型和辐射测量学假设相结合以得到相对的（半定量的）陶瓷溅射密度；
f）用时间分辨激光诱导荧光（LIF）的方法测量中性粒子和离子速度。
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1.2数值模拟
采用混合模型和网格质点法（PIC）两个互补的方法模拟推力器内部和外部的等离子体输运过程，计算结果有助于理解等离子体特性、进行实验结果对比分析和推力器优化设计，数值计算预示了推力器的主要性能。在混合模型中，电子被描述为碰撞流体，计算效率高有利于参变量研究。对于经典的推力器工作条件，混合模型得到了合理的放电通道内等离子体参数和推力器性能，解释了低频振荡特性[9]。但是该方法包括反常电子输运的经验描述，而PIC方法对于电子和离子输运采用完全动力学描述，给出了反常电子输运等细节过程，但PIC方法不适用于参变量的研究[10]。
保尔·萨巴蒂埃大学LAPLACE实验室的Jean-PierreBoeuf教授带领的研究组对霍尔推力器的放电过程羽流模型开展了研究，对羽流和表面相互作用进行了评估[11]，数值研究了磁场构型对霍尔推力器性能和寿命的影响，评估了二维混合霍尔推力器模型，并与实验结果进行比对[12]。

1.3羽流效应
评估了霍尔推力器喷射羽流和空间飞行器间的相互作用。内容包括：
a）采用数值工具和SMART-1提供的飞行数据完成羽流模型；
b）ONERA实验研究了羽流和飞行器表面相互作用，目的是评估由于Xe离子碰撞造成的不同材料的溅射量、溅射产物的特性（再发射的方向，有机材料的成分等）以及对材料特性的侵蚀和污染效应[13]；
c）ONERA开展研究了微推进（FEEP）羽流效应的评估，描述和分析了飞行器敏感部件（太阳能电池和热涂层）由于特殊推进剂（如铯）污染沉积引起的物理参数的变化（电导率和光学特性）。

2推力器型号种类

2.1 SPT100-ML
SPT100-ML为奥尔良大学GREMI研制的霍尔推力器实验样机，加速通道外直径为100 mm，与工业模型相近，但SPT100-ML易于改变结构、磁场位形和材料，便于科学研究，可安装不同的诊断设备，如光学光纤、静电探针、激光诱导荧光（LIF）等。SPT100-ML的工作条件为放电电压300 V、电功率1 350 W、通道中Xe流量为5 mg/s、内外线圈电流为4.5A。当真空室压强低于2.5×10-3Pa，放电电流为4.2 mA时，推力为80 mN。空气热力学实验室还设计了小推力测量装置，绝对精度为±1 mN，同时配置了1套16通道、采样频率为200 kHz的测量系统，可同时记录推力器参数和诊断信号。

2.2 PPS-1350推力器
PPS-1350推力器的研制始于1993年，由Fakel设计局和Snecma公司合作开发，在STENTOR计划中得以发展。研究包括准连续工作模式的累积时间、热力和机械环境以及寿命实验。PPS-1350推力器设计用于卫星的轨道控制和轨道转移。
根据PPS-1350推力器，由Snecma公司设计了PPS-1350-G推力器，以适用于地球同步通信卫星，如增大总冲、增加寿命、降低成本，缩短研制周期、提高机械性能等。该推力器的参考特性和性能为：推力为90 mN，比冲为1.67×104m/s，放电功率为1 500 W，放电电压为350 V，放电电流为4.28 mA，发散角（90%）小于42°，寿命大于9 000 h，预期超过11 500 h[14]。

2.3 PPS 5000推力器

地球同步通信卫星在质量和功率上的增大，需要等离子体推力器在位置保持和轨道提升等应用改进性能的新型推力器。主要的指标为具有较高的总冲和双工作模式。高比冲工作模式用于南北位置保持，而大推力工作模式用于有效完成轨道转移。为了满足这些新需求，高功率霍尔推力器PPS-5000由Snecma公司和CNES研发。为了验证新技术和推力器结构，两个PPS-X000推力器样机在英国的奎奈蒂克公司（QinetiQ）和法国的PIVOINE实验室进行设计、加工和测试，该推力器功率为4~6 kW，放电电压为1 000 V，推力为225~350 mN，比冲约1.96×104m/s[15]。推力器样机设计允许结构和磁场构型的简单变化，以确定最优结构和工作点，以及验证新技术的应用。基于PPS-X000样机测试结果，设计了PPS-5000推力器，以用于实际飞行，PPS-5000推力器是Snecma公司的专利，完全是欧洲自主设计的产品，功率为5 kW，推力为200 mN，比冲比PPS-1350推力器高30%，可达2.16×104m/s，同时由比利时的Alcatel-ETCA发展了高功率处理单元（HPPU），并通过了测试[16]。
2.4脉冲等离子体推力器
法国与俄罗斯RIAME和库尔恰托夫（Kuchatov）研究所合作研究发展了易烧蚀的脉冲等离子体推力器（APPT）。推力器典型能量范围为10~100 J，进行了设计加工和测试。目的是评估该技术用于小平台，如微卫星轨道分离中的潜在优势。该推力器的主要参数和性能为：能量为30 J，比冲为1.13×10 m/s，频率为2 Hz，推力为2 mN，功率为60W，推力器和PPU质量为7 kg，推力器尺寸为100 mm×160 mm×160 mm[17]。http://www.81tech.com
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3飞行应用

3.1地球同步通信卫星
为了提高法国在通信卫星领域的竞争力，在法国电信、CNES和法国武器装备部（DGA）的技术和财政支持下开发了试验轨道新技术通信卫星（Stentor）计划，卫星质量为2 210 kg，电功率为2.5 kW，包括多方面的技术革新，如用于轨道控制的等离子体推力器的应用。研发了等离子体推进模块（包括2台由Fakel设计局研制的SPT-100和2台Snecma公司研制的PPS-1350推力器，以及电源、转台和流控装置）,并进行了地面实验[18]。等离子体推力器用于南北位置保持和精确控制。由于2002年12月阿里安５火箭发射失败，Stentor卫星损失，而等离子体推进模块的飞行验证最终在商业通信卫星中获得应用，模块直接来自Stentor卫星，2004年和2005年，欧洲卫星制造商阿斯特里厄姆公司（Astrium）生产的两个通信卫星（Intelsat X-02和Inmarsat 4F1）采用霍尔推力器用于南北位置保持。欧洲两个主要的通信卫星公司Astrium和泰勒斯-阿莱尼亚航天公司（Thales-Alenia）联合设计和开发欧洲下一代大型地球同步轨道通信卫星平台，称为“αBUS”，有效载荷运载能力为800～2 000 kg，对应功率为12～18 kW，以适应商业的发展和技术的提高允许功率提高到25 kW。等离子体推进技术作为提高卫星有效载荷容量是一个关键因素。αBUS需要具有大推力和高总冲能力的等离子体推进系统以完成南北位置保持和部分轨道提升任务。http://www.81tech.com

3.2 SMART-1
2003年9月27日，由Snecma公司研制的等离子体推进辅助系统和PPS-1350-G推力器用于欧空局的第1颗月球探测器Smart-1飞行任务中。探测器初始质量为370 kg，太阳电池阵功率为1.9 kW，PPS-1350-G推力器作为探测器的主推进器到达月球轨道，使探测器月球捕获转移周期从18个月减少到13个月。探测器从地球赤道上空3.6×104km高度开始缓慢提升，约花了14个月时间，于2004年11月15日进入近月点3 000 km、远月点10 000 km的绕月轨道，消耗约58 kg氙推进剂（共携带推进剂82 kg）[19]。由于任务的需要，推力器在不同的电功率和工作点的条件下工作，通常连续工作时间长达240 h。2005年，Smart-1完成了月球探测任务，PPS-1350-G推力器累计在轨工作时间为4 958 h，并且由于等离子体推进系统性能良好及充足的推进剂，使得航天器绕月球探测工作时间从原计划的6个月延长到18个月，表明PPS-1350-G推力器在轨的可靠性高，也证实了推力器能在长时间的运行和不同工作条件下（如不同功率）可保持高性能[20]。
在Smart-1上，用阿尔卡特-阿莱尼亚宇航公司（AlcatelAlenia Space）的诊断模块测量了羽流中的离子能量分布和回流中的等离子体电势，诊断数据表明没有发现表面充电效应，但得到了许多有价值的实验数据，如推力器的飞行特性和性能，并与地面实验数据进行对比分析，发现放电电流的振荡远小于地面寿命实验中的测量值。
3.3 Microscope
Microscope为200 kg的微卫星，由ONERA和欧空局合作研制，受CNES资助，计划2011年发射，预计在轨时间约1年。该任务的主要目的是首次在空间中验证精度为10-15g的等效原理，进行基础物理实验。
由意大利ALTA公司开发的FEEP电推进技术进行微卫星的阻力补偿和姿态控制，并提供推力1~150μN，推力精度0.1μN[21,22]。
3.4 VENμS
用于植被和环境监测的新型微卫星（VENμS）质量为200 kg，由法国和以色列首次共同合作开展地球观测，为分析环境因素和人类活动对陆地表面的影响提供科学数据，使用超光谱传感器研究观测植被。CNES和以色列空间局（ISA）于2005年4月签署协议，计划2011年发射。以色列的技术任务包括提供2台霍尔推力器以完成低轨道位置保持，并在空间评估霍尔推力器的性能，提供卫星地面控制站和技术任务地面中心。法国负责有效载荷（超光谱相机）、地面成像和X波段接收站[23]。

4结束语

目前，法国正广泛开展等离子体推进技术的研究工作，霍尔推力器在法国工业界和实验室的研究发展仍非常活跃，各研究机构正深入研究霍尔推力器的物理过程和等离子体特性，评估新技术和推力器结构以便研制下一代高功率霍尔推力器。等离子体推进技术能够用于编队飞行和自由控制任务中提供动力系统，改善通信卫星的机动能力，如南北位置保持和离轨等以及提高空间飞行器的星际航行能力。近期，法国正致力于发展大功率等离子体系统以及微小等离子体推力器以完成新任务的需求。http://www.81tech.com
纵观等离子体推进技术的研究历程，法国主要对霍尔推力器开展研究，经过20多年的探索、研究、研制与开发，取得了长足的进展。研究表明，霍尔推力器作为卫星及深空探测器的先进动力系统，具有很大的发展潜力和广阔的应用前景。
借鉴法国霍尔推力器的研究技术、发展趋势及成功应用，结合中国国情，建议中国等离子体推进技术的发展方向和内容包括：
a）技术先进并成熟的霍尔推力器具有显著的性能优势和应用价值，因此，中国有必要进一步加强和加快霍尔推力器的技术发展。
b）法国对霍尔推力器的研究发展以寻求国际合作和凝聚全国力量开展工作，研究初期以实验系统建设和地面实验研究为主。结合中国国情，应大力开展国际间特别是与霍尔推力器技术成熟的俄罗斯和乌克兰进行技术交流与合作，积极联合中国等离子体物理界的研究机构，从霍尔推力器的基础研究和物理过程入手开展深入的研究工作。
c）建立实用的霍尔推力器数值模型和性能预示的理论分析模型。
d）通过分析研究，提出1套完整的霍尔推力器设计方案，为霍尔推力器的实验研究及工程化打下基础。
e）研制霍尔推力器工程样机并进行空间飞行试验。