高功率波加热磁等离子体推力器研究现状与展望

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28761

综述

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高功率波加热磁等离子体推力器研究现状与展望

杨雄¹, 李小康¹, 郭大伟¹, 程谋森¹(), 张帆², 车碧轩¹, 雷清雲¹

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094

收稿日期:2023-03-29 修回日期:2023-04-17 接受日期:2023-05-07 出版日期:2024-04-15 发布日期:2023-05-12
通讯作者: 程谋森 E-mail:mscheng@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11805275);空天前沿方向培育项目

Research status and prospect of high⁃power wave⁃heating magnetoplasma thruster

Xiong YANG¹, Xiaokang LI¹, Dawei GUO¹, Mousen CHENG¹(), Fan ZHANG², Bixuan CHE¹, Qingyun LEI¹

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology，Beijing 100094，China

Received:2023-03-29 Revised:2023-04-17 Accepted:2023-05-07 Online:2024-04-15 Published:2023-05-12
Contact: Mousen CHENG E-mail:mscheng@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11805275);Cultivation Project on Aerospace Frontier Research

摘要/Abstract

摘要：

波加热磁等离子体推力器具有适于高功率运行（约100 kWe~1 MWe）、高推力密度（约4×10⁵ N/m²）、可变推力（约1~100 N）和可变比冲（约3 000~10 000 s）等优点，是适用于未来多种空间任务的高性能电推力器。结合波加热磁等离子体推力器的发展历程，梳理了近年来波加热磁等离子体推力器的国内外研究现状，总结了其发展面临的单程离子回旋共振加热、等离子体分离控制、强磁场中高密度等离子体诊断等理论问题，以及高效热管理、高功率射频电源等工程难点。最后，根据波加热磁等离子体推力器的特点，对其具体应用方向做出了展望。

关键词: 电推进, 螺旋波, 离子回旋共振加热, 磁喷管, 等离子体

Abstract:

The wave-heating magnetoplasma thruster possesses many advantages such as its suitability for high power propulsion （about 100 kWe-1 MWe）， high thrust density （about 4×10⁵ N/m²）， variable high thrust （about 1-100 N）， and adjustable specific impulse （about 3 000-10 000 s）. These advantages make the wave-heating magnetoplasma thruster well suited for a diverse range of future space missions with high-performance. Based on previous studies of the wave-heating magnetoplasma thruster both home and abroad， this work summarizes the technical status of the wave-heating magnetoplasma thruster in recent years， and analyzes the theoretical issues the present research faced in the development of the wave-heating magnetoplasma thruster， such as the so called single-pass ion cyclotron resonance heating， the plasma detachment controlling， the high-power density plasma diagnosing in strong magnetic fields， as well as many engineering difficulties， including the efficient thermal management and high-power RF power supplies. Finally， application directions of the wave-heating magnetoplasma thruster are prospected according to its performance characteristics.

Key words: electric propulsion, helicon, ion cyclotron resonance heating, magnetic nozzle, plasma

中图分类号:

V439

杨雄, 李小康, 郭大伟, 程谋森, 张帆, 车碧轩, 雷清雲. 高功率波加热磁等离子体推力器研究现状与展望[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 28761-028761.

Xiong YANG, Xiaokang LI, Dawei GUO, Mousen CHENG, Fan ZHANG, Bixuan CHE, Qingyun LEI. Research status and prospect of high⁃power wave⁃heating magnetoplasma thruster[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(7): 28761-028761.

图/表 21

表 1

图 1

图 2

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表 2

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表 3

图 11

图 12

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图 16

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参考文献 63

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

型号	VX-10	VX-25	VX-50	VX-100	VX-200	VF-200	VX-200SS
功率/kWe	10	25	50	100	200	200	108×2
推力/N			0.5	2.5~4	5~8	6	3×2
比冲/s			5 000~10 000	3 000~5 000	3 000~5 000	5 000	4 500
效率/%			50	65	72	76	62
研制年份	1998	2002	2004	2007	2009	2014	2016至今
技术状态	单元验证	单元验证	单元验证	实验室样机	演示样机	飞行验证机	稳态工作验证机
项目支持			NASA-HiPEP	NASA-HiPEP	NASA-“探路者”计划	NASA-“探路者”计划	NASA-NextSTEP

研究机构	AARC	国防科技大学	西安航天动力研究所	中国科学院
功率/kWe	108×2	4	30	60
推力/N	3×2		0.375	1
比冲/s	4 500		4 000	3 700
效率/%	62		50	30.8
束流密度/ m^-3	8.4×10¹⁸	7.3×10¹⁶
年份	2021	2019	2021	2022
阶段	稳态工作样机	原理样机	试验样机	原理样机
成熟度	TRL 5~6	TRL 3~4	TRL 3~4	TRL 3~4

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高功率波加热磁等离子体推力器研究现状与展望

Research status and prospect of high⁃power wave⁃heating magnetoplasma thruster

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