对用于微牛顿推进的微波尖端场推进器性能退化的研究与优化

《Acta Astronautica》：Investigation and Optimization of Performance Degradation in a Microwave Cusped Field Thruster for Micro-Newton Propulsion

　　

王尚生|周洪波|曾明|刘辉|于大仁

哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001，中国

摘要

微波尖场推进器（MCFTs）是高精度太空任务（如空间引力波探测）所需的微牛顿级推进系统的有希望的候选者。然而，微型等离子体推进器的长期运行稳定性仍然是一个关键挑战。在这项工作中，实验研究了氙气供料的微牛顿MCFT在长时间运行过程中的性能退化情况。100小时的耐久性测试显示，在不同的运行条件下，阳极电流减少了5.5%–59.2%。沉积层改变了壁材特性并增加了电子损失，从而降低了放电通道中的等离子体密度。为了减轻这种影响，设计了一种局部磁镜配置，以减少等离子体对沉积引起的壁材变化的敏感性。对于优化后的原型，在16小时运行后，阳极电流仍保持在其初始值的96.8%，而原始原型在5小时内下降到大约50%。进一步的500小时运行测试验证了优化设计的有效性。所提出的基于磁场的策略提高了MCFT对金属沉积的耐受性，并为延长微型等离子体推进器的寿命提供了一种实用方法。

引言

微牛顿推进系统在诸如无拖曳卫星、空间引力波探测任务和超稳定姿态控制平台等高精度太空任务中发挥着关键作用[1]、[2]、[3]。例如，在空间引力波探测任务中，推进系统必须补偿极小的非引力干扰，以保持测试质量处于近乎完美的自由落体状态[4]、[5]、[6]、[7]。因此，推进系统必须提供微牛顿级别的推力，同时具有极低的噪声和高稳定性，并在可能持续数万小时的任务期间保持可靠运行[8]、[9]。为了满足这些要求，已经开发了多种微推进技术，包括胶体推进器[10]、微型射频离子推进器[11]、微型ECR离子推进器[12]和微型尖场推进器[13]。

不同的技术方法在推力范围、功耗和运行寿命方面具有不同的优势。在各种微型等离子体推进概念中，尖场推进器由于其有利的缩放特性和减少的等离子体-壁相互作用而受到越来越多的关注。在这种设备中，磁场线在大部分区域与放电通道壁大致平行排列。这种配置有效地限制了高能电子，同时抑制了等离子体对壁的损耗，这对于表面积与体积比较大的微型推进器特别有利[14]。为了在低推进剂流量下提高电离效率并实现更宽的运行范围，引入了微波辅助电离技术，从而开发出了微波尖场推进器（MCFT）[15]。以往对MCFT的研究主要集中在改进其放电特性和整体性能上，包括对介电壁材料[16]、磁场强度[17]、阴极耦合方法[18]和电离与加速机制[19]的研究。这些研究表明了MCFT在微牛顿推进方面的潜力。然而，MCFT的长期性能稳定性和寿命限制机制仍不够清楚。

在电推进装置中，暴露于等离子体中的组件会持续受到离子轰击，这可能导致溅射侵蚀、溅射材料的再沉积以及等离子体接触表面的逐渐改变[20]、[21]、[22]。在霍尔推进器中，介电放电通道的侵蚀长期以来被认为是主要的寿命限制机制[23]，并且已经开发了磁屏蔽技术来减少高能离子对通道壁的轰击[24]。在网格离子推进器中，来自网格、电极或阴极组件的溅射材料可以传输回绝缘表面，导致表面污染和放电行为的变化[25]、[26]、[27]。类似的问题也适用于微型等离子体推进器，其中小的放电通道尺寸和大表面积与体积比使得等离子体对壁材变化更加敏感[28]、[29]。例如，在微波离子推进器μ10中报告了性能退化现象，其中放电室内的金属沉积吸收了微波功率并改变了波导传输特性[28]。

现有的减轻溅射引起的退化方法主要包括使用抗溅射材料[30]、降低离子轰击能量[31]、优化电极几何形状[32]和调整磁场配置[24]、[33]。这些方法主要旨在减少溅射原子的产生。然而，在微牛顿MCFT中，沉积问题与局部磁场拓扑和微型放电通道中的强等离子体-壁相互作用密切相关，而大的表面积与体积比使得等离子体对壁材变化特别敏感。因此，有效的缓解策略不仅应抑制材料沉积，还应在污染存在的情况下保持稳定的等离子体特性，从而提高放电对沉积引起的效应的耐受性。这一需求激发了本项工作。

本研究调查了氙气供料的微牛顿MCFT在长时间运行过程中的性能退化，并提出了一种基于磁场的缓解策略。该研究建立了MCFT性能退化与放电通道上阳极衍生材料沉积之间的直接联系。这一联系通过耐久性测试、测试后检查、X射线光电子能谱、羽流诊断、不同阳极材料的对比测试以及沉积分布模型得到了支持。基于所确定的机制，提出了一种局部磁镜配置，以减少沉积敏感区域的等离子体-壁相互作用并形成自清洁区。与仅减少溅射源或更换材料的方法相比，该方法通过修改局部磁场拓扑来减少壁材变化对等离子体放电的影响。这可能为微牛顿推进系统普遍面临的长期寿命挑战提供见解。

本文的其余部分组织如下。第2节描述了MCFT的配置、工作原理、实验设施和诊断方法。第3节展示了原始推进器的耐久性测试结果，并确定了主要的性能退化特征。第4节分析了沉积材料的来源和分布，讨论了金属沉积如何改变等离子体行为，并提出了一种局部磁镜配置来减轻沉积引起的退化。然后通过对比测试和长时间运行测试对优化设计进行了实验验证。第5节总结了本研究的主要工作并概述了未来工作的关键点。

章节片段

微波尖场推进器

MCFT的工作原理及其相应的实验配置如图1所示。MCFT通过直流放电和微波辅助电离的共同作用进行工作。从阴极发射的电子进入放电通道，并被施加的阳极电势加速。这些高能电子与氙原子碰撞，维持直流放电过程。同时，频率为4.2 GHz的微波功率被输入到上游

耐久性测试结果

本节讨论的100小时耐久性测试使用了传统的MCFT原型进行。该测试旨在建立原始推进器的基线退化特性，并为后续的材料沉积及其缓解分析提供基础。

测试在代表性的运行条件下进行，即Q = 0.3 sccm、U_a = 500V和P_m = 4 W。如图3所示，监测了阳极电流和保持电流。

沉积的来源

使用X射线光电子能谱（XPS）仪器分析了沉积材料的成分，如图8(a)所示。检测到了六种元素，即C、O、N、Fe、Cr和W，它们的百分比含量如图8(b)所示。高碳含量归因于测量过程中的表面污染，因为在推进器的实际运行环境中没有碳的来源。元素W的存在表明发生了蒸发或

结论

在这项工作中，实验研究了微型牛顿微波尖场推进器在长时间运行过程中的性能退化。首先进行了100小时的耐久性测试，以确定推进器的退化行为。测试后检查表明，放电通道内表面的沉积在观察到的性能退化中起到了关键作用。进一步使用

CRediT作者贡献声明

刘辉：撰写 – 审稿与编辑。于大仁：项目管理。周洪波：验证，软件。曾明：形式分析。王尚生：撰写 – 原稿，调查

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（NSFC 52376023）；黑龙江省重点研发计划（编号2024ZX05B07）；以及国家自然科学基金（NSFC 52402469）的支持。