太空黑科技——微型射頻離子發動機首次飛行驗證!

出品：科普中國

製作：賀建武、馬隆飛、康琦、段俐（中國科學院力學研究所）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

2019年8月31日，中國科學院在中國酒泉衛星發射中心發射了一顆名為「太極一號」的衛星，這是中國首顆空間引力波探測技術實驗衛星，主要任務是實現關鍵技術的驗證，為實現空間引力波探測打下基礎。

備受諾獎青睞，要發現它卻很難

一個世紀前，愛因斯坦基於廣義相對論就預言了引力波的存在。然而直到2015年，美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）才在地面探測到了引力波信號。三位美國科學家Rainer Weiss、Barry C. Barish 和Kip S. Thorne也因此獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。

不僅如此，國際上普遍認為，如果有人能在空間探測到引力波，獲得更多頻段的引力波信號，同樣能獲得諾貝爾級獎章。

發現它就能拿諾獎，探測引力波為什麼這麼難？

引力波是物質和能量劇烈運動和變化引發的時空漣漪，它在傳播過程中擠壓或者拉伸時空，就像水面泛起的漣漪一般，以光速向外傳播。

太空中引力波信號十分微弱，目前最好的方法就是利用光學手段，通過探測兩個相距上百萬公裡的自由漂浮物體之間的距離變化來捕獲引力波。

說起來簡單，但這一技術的實現難度超乎人們想像，堪稱挑戰人類目前所掌握的技術極限。

早在2008年，由中科院發起，院內外多家單位參與，以中國科學院力學研究所胡文瑞院士為召集人成立空間引力波探測論證組，開始規劃我國空間引力波探測在未來數十年內的發展路線圖。2016年，中科院啟動了空間引力波探測計劃——太極計劃。2018年，中科院「太極計劃」先行者——「太極一號」任務立項，太極計劃成員自此進入緊張的型號任務研製階段。

考慮到引力波探測的難度，太極計劃分多步進行。「太極一號」任務是第一步，主要是在軌驗證空間引力波探測的關鍵技術，包括高精度超穩雷射幹涉儀、引力參考慣性傳感器、超穩超靜平臺、無拖曳控制和微牛級推進系統。其中的每一項技術都十分複雜，而且非常重要。

眾所周知，火箭的發射、宇宙飛船和衛星在太空中的運行都離不開發動機（發動機即推力器）。在太空中，光壓、宇宙射線輻射等作用在太空飛行器上的微牛級非保守力，都會影響衛星的超穩狀態，因此需要開發微牛級推進系統以抵消非保守力對衛星平臺的影響。射頻離子發動機，就是其中之一，同時，它也是世界上最先進的衛星發動機之一。

圖1 太空飛行器「新武器」——射頻離子發動機工作原理（圖片來源：中國科學院力學研究所）

航天推進系統中的「新武器」

射頻離子發動機，顧名思義，是靠吸收射頻能量（也就是頻率為300 kHz – 300 GHz的交流電）來維持其等離子體自持放電並產生推力的裝置。

「等離子體」是我們所熟知的自然界物質的第四物態（氣態、固態、液態和等離子體態），在生活中隨處可見，如螢光燈、霓虹燈、氙燈和閃電等。簡單來說就是電離了的「氣體」，由離子、電子以及未電離的中性粒子組成，整體呈電中性，但具有導電特性。

而射頻離子發動機就是將等離子體中帶正電荷的離子通過高壓電場引出並加速，以幾十公裡每秒的速度噴射出去。由牛頓第三定律可知，高速噴射的離子將產生反向推力，從而推動衛星前進。

當發動機噴射離子時，還需要一個能夠噴射電子的裝置（中和器）用以中和噴射出去的離子，否則會使太空飛行器帶電，危及太空飛行器的安全。

人員雖少，依然砥礪前行

中國科學院力學研究所微型離子發動機產品研發團隊歷經五年的時間，對射頻離子發動機系統的工作原理進行了深入的研究，從最初的射頻電路阻抗匹配、射頻感應耦合放電，到最終射頻離子發動機可以穩定工作，部件的每一個細節都經過仔細地推敲。

2015年，團隊研發的第一套射頻離子發動機——RIT-4點火成功，之後，團隊根據不同的推力範圍需求，開展了射頻離子發動機系列樣機的研發，分別研製了RIT-2、RIT-2.5和RIT-5。

研發團隊憑藉多年對射頻離子發動機的研究基礎和寶貴的航天工程經驗，在2018年8月承擔了「太極一號」衛星射頻離子微推進系統的研製重任，限時一年。

常規航天任務一般是三到五年，甚至更長，一年的時間要將尚不成熟的原理樣機直接做到滿足航天標準的飛行樣機，這對人員有限的研發團隊而言是一項非常艱巨的任務。但為了中國航天事業的發展，空間引力波探測國家重大專項的順利實施，中國科學院力學研究所微重力重點實驗室康琦主任毅然決然地接下了這項幾乎不可能完成的任務。

團隊協作，厚積薄發

對於整個射頻離子發動機系統而言，除了射頻離子發動機頭部以外，實際還需要一系列的配套「裝配」，包括：電子學單機（中國科學院國家空間科學中心研製）、場發射中和器（清華大學研製）、微流量控制單機（507所和深圳市綠航星際太空科技研究院研製）。五家單位團隊協作，在研發前期，各自根據設計指標要求專攻技術難點，以最快的速度完成方案可行性驗證。

中科院力學所研發團隊根據已有的研究基礎，在2019年3月率先完成了微型射頻離子發動機（μRIT-1）飛行產品的研製，並順利通過了空間環境模擬試驗。

圖2 工作狀態的微型射頻離子發動機（圖片來源：中國科學院力學研究所）

發動機樣機研製出來後，它的推力到底是多大，計算出來的推力是否準確，這些都是亟需驗證的問題，航天工程任務是要靠精確的實驗數據來說話的。因此，研發團隊在射頻離子微推進系統產品緊張研製的同時，緊急籌備發動機後續性能測試方案，自主設計了一套亞微牛級推力測量設備，實現了推力器快、穩、準的安裝與調試，極大限度地縮短了射頻離子發動機性能測試周期。

圖3 射頻離子微推力器在線測量（圖片來源：中國科學院力學研究所）

電子學單機是射頻離子發動機系統的核心之一，整個推進系統的供電、控制以及數據存儲均要依靠它來完成。中國科學院國家空間科學中心先後一共有6名專業人員參與到電子學單機的研製工作。這個項目突破了他們以往的研製速度，經歷了無數個通宵達旦的艱苦工作，在最後一刻解決了所有問題，交付了通過地面驗證試驗的合格產品。

圖4 射頻離子發動機系統-電子學單機（圖片來源：中國科學院國家空間科學中心）

與射頻離子微推力器（μRIT-1）配合使用的中和器是清華大學研製的「碳納米管中和器」。這次合作是清華大學清華-富士康納米科技中心第一次承擔航天任務，更是將碳納米管場發射技術第一次應用在航天領域中。五位清華大學的老師在沒有航天任務經驗的情況下，一步一步地摸索著前進，從最基本的材料選取、結構設計、加工工藝到最終的測試方案，他們夜以繼日地發現問題和解決問題，最終按時交付了他們的「首創」。

最後一個就是射頻離子發動機系統必不可少的氣體控制器——微流量控制單機。之所以稱為「微流量控制單元」，是因微型離子發動機工作時所需的工質氣體非常少，0.08 mL的氣體可以使推力器工作1分鐘以上，相當於一個人深呼吸吹出的氣體量（約3500 mL）可使推力器連續工作約一個月。

深圳市綠航星際太空科技研究院四名專業技術人員同樣是從未研製過氣體流量這麼小且精度要求非常高的微流量控制器。為了保證發動機能夠正常穩定地工作，技術人員從方案設計、加工工藝到氣路封裝，一路披荊斬棘，在團隊協作下，解決了系列技術問題。微流量控制單元是除發動機外，第一個交付的產品。

圖5 飛行產品交付衛星系統進行裝配調試（圖片來源：新聞聯播）

研發團隊在不到十個月的時間裡，夜以繼日、過五關斬六將，終將合格的射頻離子發動機產品按時交付給衛星系統。

目前，射頻離子微推進系統在軌工作正常，並順利完成功能和性能測試，任務取得圓滿成功，這也是國際首次在軌驗證微型射頻離子發動機技術！