摘要：為了滿足中國科學院空間引力波探測——“空間太極計劃”對航天器推進系統提出的微牛量級推力高精度控制需求，基于感性耦合等離子體自持放電，設計了一套微牛級射頻離子推力器(µRIT-1)。通過理論分析與實驗驗證，完成了µRIT-1關鍵結構組件優化工作，包括射頻天線、放電室及離子光學系統。根據實驗結果，µRIT-1采用7匝線直徑為1.6mm的紫銅管作為射頻天線，匝間距為2.0mm;放電室材料為氧化鋁陶瓷，內徑為1.0cm，長徑比為1.5;離子光學系統采用雙柵極結構，材料為金屬鉬，柵極透明度為18.05%。經過結構優化，µRIT-1可以實現5~100µN可調推力輸出，比沖可達1275s。

　　關鍵詞：空間引力波探測，電推進，射頻離子推力器;結構優化;微牛級

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　　摘要：隨著社會經濟的快速發展，化工行業也有了很大的進步。對于化工分析這個領域來說，敏感膜不僅應用廣泛，類型也更加豐富，而任何的離子選擇性電極都有一個敏感膜，因此，隨著敏感膜的發展，離子選擇性電極的應用價值也逐漸凸顯出來。描述了離子選擇性電極的原理和類型，以及離子選擇性電極在化工分析領域中的優勢和具體應用。

　　1引言

　　“引力波”探測作為揭示引力本質、時空結構和宇宙演化的方法，全球各大航天強國相繼制定并開展了“引力波”探測計劃[1-2]。20世紀80年代，空間引力波探測計劃在天體物理聯合研究所初見雛形，并命名為LAGOS(LaserAntennaforGravitational-Radia⁃tionObservationinSpace)。該方案計劃發射三顆衛星到日心軌道，利用激光天線測量引力輻射[3]。

　　歐洲宇航局在20世紀90年代正式提出了激光干涉引力波探測(LISA)計劃，該計劃更為詳盡，且提出多個關鍵技術：長距離干涉測量、基于慣性傳感器的無拖曳控制和超靜超穩平臺[3]。2015年12月，ESA成功發射空間激光干涉引力波探路者(LISA-Pathfinder)，并完成了關鍵技術空間驗證[4]。2008年，由中國科學院力學研究所胡文瑞院士發起，成立空間引力波探測論證組，并在2012年正式命名為“空間太極計劃”[5]。

　　2019年8月底，中國科學院在酒泉衛星發射中心發射“空間太極計劃”先行者——“太極一號”，目前已經完成激光干涉儀、引力參考傳感器、無拖曳控制及微推進等關鍵技術在軌驗證。作為“空間太極計劃”衛星組無拖曳控制的執行器，微推進系統為了補償衛星組受到的非保守力，不僅需要提供微牛級連續可調推力，而且推力分辨力優于0.1µN，推力噪聲在0.1mHz~1Hz內優于0.1µN/Hz。根據空間引力波探測任務對微推進系統提出的嚴苛要求，可滿足其要求的微推進技術類型有限，列出了部分滿足要求的微推進技術及其性能。

　　其中，冷氣推力器技術最成熟，系統也相對簡單，但是比沖很低，對于空間引力波探測等長期任務需要攜帶大量氣體工質，嚴重浪費衛星載重和星內空間，更不適合微、納衛星的應用[6]。膠體推力器和場發射電推力器(FEEP)工作原理相同[7]，在毛細力和強電場的電場力下，液體工質在發射極表面形成泰勒錐并發生場致離子發射，可以得到較高的比沖。

　　兩種推力器不同點在于工質不同，FEEP的工質為液態金屬，而膠體推力器工質為離子液體，其優點是發射極可以采用多孔材料，降低加工工藝難度，但需要增加微泵驅動液體工質。兩種推力器的壽命都受限于發射極，對于長期空間任務首先需要攻克發射極材料腐蝕難題。會切場推力器(HEMPT)利用永磁體在放電室內部構建多級會切形磁場，使電子在磁鏡效應下在磁尖端往復運動，電離中性氣體粒子，等離子體中的離子在電場的作用下噴出產生推力[8]。

　　HEMPT可以實現小型化，具有較高的電效率，但是氣體工質利用率較低，比沖也受到限制，而且推力器內部永磁體會影響衛星平臺，不利于空間高精度探測。綜合對比，射頻離子推力器(RIT)結構相對簡單，無附加永磁體和陰極，易于小型化，可實現微牛至百微牛高精度推力控制，比沖較高，且滿足長期空間任務對微推進系統長壽命的需求，故選則RIT作為本文主要研究對象。

　　早在20世紀60年代，德國吉森大學率先開展了RIT的研究，經過幾十年的發展，德國研發了一系列射頻離子推力器，Loeb教授等人對其做了詳細的總結[9]。以LISAPathfinder和未來空間任務為目標，德國空客公司與ESA合作，在2007年開始了RIT-µX的研究，實現了10µN~120µN推力連續調節，推力分辨力達到0.1µN，利用扭擺測得推力噪聲優于0.1µN/Hz，技術成熟度達到了5級，滿足LISAPathfinder任務需求[10]。

　　隨著微、納衛星的快速發展，射頻離子微推進技術受到廣泛關注，英國[6]、美國[11-13]、日本[14-15]等國家均逐步開展了小型射頻離子推力器的研究工作，而且部分射頻離子微推進系統滿足衛星搭載條件。英國南安普頓大學在2011年針對高精度空間測量任務，研發了一組差分式射頻離子推力器，利用雙向推力相互抵消的方式，實現1µN~150µN可調推力，推力分辨力為0.5µN，推力噪聲為0.5µN/Hz，其性能一般，功耗偏大，比沖較低[6]。美國BUSEK公司從2009年開始研發小型射頻離子推力器，已經完成一系列射頻離子推力器的工程化，其中BIT-3最為成熟，推力范圍為0.66mN~1.27mN，并將在2019年搭載NASA的SLSEM-1衛星在軌飛行[11]。

　　此外，BUSEK公司對其研發的BIT-1完成了性能測試，可實現百微牛級的可調推力，總功率約為10W，比沖可達到2150s，推力器重量約為53g[12]。美國賓夕法尼亞大學早在2004年就開展了射頻離子微推力器的研究工作，其研制的MRIT(MicroRIT)放電室為圓錐形，放電室直徑和有效長度均為1cm，推力范圍為1.45µN~59µN，比沖達到5480s，最優總效率約為12%。其使用的工質氣體為Ar，若改為Xe，會獲得更優的性能。但MRIT目前處于原理樣機研制階段，還未開展工程化[13]。

　　此外，俄羅斯[16]、日本[17]以及國內的中科院力學所[7]、蘭州空間技術物理研究所[18]、中科院微電子所[19]等單位也開展了射頻離子推力器的研究工作，但還處于原理樣機研制階段，還未進入工程階段。針對空間引力波探測計劃——“空間太極計劃”對微牛級推進系統的需求，中科院力學所研制了一套百微牛級射頻離子微推力器(µRIT-1)，并對其關鍵組件開展了優化工作，原理樣機性能測試結果表明：該樣機可以實現百微牛級可調推力，維持等離子體自持放電所需的射頻功率可降至6W以下，同時提高了µRIT-1的比沖，在百微牛推力輸出時，比沖可達到1275s，綜合性能較優。

　　2地面實驗測試平臺

　　地面實驗測試平臺由真空系統、控制系統和輔助控制系統組成。真空系統由方形主真空室、圓柱形過渡室、三臺分子泵、兩臺機械泵、閥門和管路組成，主真空室與過渡室之間由氣動插板閥隔開，過渡室主要用于推力器、線路及管路安裝，利用一維位移平臺運送至主真空室進行點火與測試。真空系統最優真空度可以達到10-6Pa，在推力器工作時真空度約為10-4Pa，滿足µRIT-1實驗環境需求[16]。

　　射頻離子微推力器地面配套系統主要包含工質供給與控制模塊、射頻源、匹配網絡和高壓源等。采用惰性氣體Xe工質，微流量控制器是ALICAT公司研發的氣體質量流量控制器，氣體流量范圍為0~49µg/s。射頻源由信號源、功率放大器和功率計組成，均為德國R&S公司的成熟產品，最大輸出功率為200W，功率計可實時測量輸出功率與反射功率。射頻電路阻抗匹配網絡由一組固定電容組成，與射頻離子微推力器組為一體，實現一體化，降低了推力器系統的復雜性。高壓源為威思曼公司生產的正高壓源(0V~2kV)和負高壓源(-500V~0V)。

　　3μRIT-1結構優化

　　射頻離子微推力器(µRIT-1)的工作原理主要基于射頻感性耦合等離子自持放電。質量流量控制器可實現高精度氣體工質流量控制，氣體工質流經推力器中的氣體分配器進入放電室。當射頻電流加載到射頻天線時，在放電室內部會形成電磁場，電子在電場中獲得能量與中性原子碰撞，使其發生電離，形成射頻等離子體自持放電。放電室中的離子由離子光學系統加速引出，產生推力。

　　此外，中和器發射電子流，中和推力器的離子束流，使射頻離子推進系統保持電中性。根據射頻離子微推力器工作原理，µRIT-1的結構組件主要包括氣體分配器、射頻天線、放電室、離子光學系統和外殼等。其中射頻天線、放電室和離子光學系統的材料和參數選擇直接影響推力器的穩定性和工作性能，根據吉森大學Loeb教授等的理論分析和經驗總結[9]，針對百微牛級推力需求，放電室內徑設計為1cm較為合適，其它結構均需要進行具體優化。

　　4結論

　　通過對µRIT-1關鍵結構組件的優化研究，得到以下結論：(1)為了降低µRIT-1對射頻功率的需求，對射頻天線參數進行優化。當射頻天線材質選為紫銅，7匝天線，線徑1.6mm，間距2.0mm時，維持射頻等離子自持放電的最低射頻功率可降低至6W左右，且放電室污染較低。(2)由于等離子體在放電室內部形成，放電室材料和長徑比直接影響µRIT-1的性能。通過實驗，發現氧化鋁陶瓷更適合作為µRIT-1放電室材料，且當長徑比為1.5時，推力器性能較優。(3)在µRIT-1結構組件方面，推力器推力范圍和壽命受限于離子光學系統。針對百微牛推力需求，µRIT-1采用雙柵極結構設計，當柵極透明度為18.05%時，不僅滿足百微牛可調推力，且性能較優;(4)µRIT-1可實現5µN~100µ可調推力輸出，計算推力值與實際推力值偏差較小，在百微牛推力時，比沖可達1275s。致謝：感謝中國科學院戰略性先導科技專項資助。

　　參考文獻

　　[1]AbbottBP，AbbottR，AbbottTD，etal.FirstSearchforGravitationalWavesfromKnownPulsarswithAd⁃vancedLIGO[J].AstrophysicalJournal，2017，839(12).

　　[2]KarstenD.AProposalinResponsetotheESACallforL3MissionConcepts[M].Germany：LaserInterferometerSpaceAntenna，2017.

　　[3]EuropeanSpaceAgency.NGORevealingaHiddenUni⁃verse：OpeningaNewChapterofDiscovery[R].Germa⁃ny：ESA，2011.

　　[4]EuropeanSpaceAgency.TheESA-L3GravitationalWaveMission[R].Germany：ESA，2016.

　　[5]WuYL.TaijiPrograminSpaceandUnifiedFieldTheo⁃ryinHyper-Spacetime[C].Beijing：InternationalSym⁃posiumonGravitationalWave，2017.