環(huán)型離子推力器研制發(fā)展綜述

楊　浩，張?zhí)炱?/p>

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730000）

環(huán)型離子推力器研制發(fā)展綜述

楊浩，張?zhí)炱?/p>

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

環(huán)型離子推力器的研制發(fā)展，為離子推力器在未來航天任務(wù)中廣泛應(yīng)用提供一個(gè)良好平臺(tái)。相比傳統(tǒng)型離子推力器，環(huán)型離子推力器設(shè)計(jì)概念更為新穎。環(huán)型離子推力器增大放電室內(nèi)部的放電陽極面積、降低離子光學(xué)系統(tǒng)濺射腐蝕，并提高了推力器的功率水平和運(yùn)行壽命。在調(diào)研國外環(huán)型離子推力器研制基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)型離子推力器早期發(fā)展、現(xiàn)階段技術(shù)特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)等方面的研究，為未來新型高功率離子推力器的研制提供了一定的參考價(jià)值。

環(huán)型離子推力器；技術(shù)特點(diǎn)；研究現(xiàn)狀

0　引言

離子推力器[1-2]是一種靜電式電推力器，由于具有高比沖、長壽命和高可靠性特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于近地衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移、位置保持和彗星采樣返回等航天任務(wù)中。受到自身功率水平和運(yùn)行壽命的限制，離子推力器很難實(shí)現(xiàn)在大型衛(wèi)星平臺(tái)軌道轉(zhuǎn)移、月球采樣返回和火星探測(cè)[18]航天任務(wù)中的應(yīng)用。為突破推力器應(yīng)用技術(shù)障礙，美國在1989年提出了環(huán)型離子推力器設(shè)計(jì)概念[6-12]。

不同于傳統(tǒng)離子推力器，環(huán)型離子推力器具有環(huán)型的放電室和柵極結(jié)構(gòu)，能夠有效的解決放電室等離子體密度沿徑向梯度大和大尺寸長壽命柵極組件穩(wěn)定性差等技術(shù)難題。環(huán)型離子推力器設(shè)計(jì)概念為離子推力器的功率水平和運(yùn)行壽命的大幅提升提供了有效的途徑，也為新一代高比沖、長壽命和高功率的電推進(jìn)發(fā)展提供較好的平臺(tái)[13-17]。

1　環(huán)型離子推力器早期的發(fā)展

環(huán)型離子推力器設(shè)計(jì)概念最早由美國電推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Aston等[25]于1989年提出，是為解決當(dāng)時(shí)離子推力器推力水平較低和尺寸大幅提升的難題。環(huán)型離子推力器基于當(dāng)時(shí)發(fā)散型離子推力器[3-5]研制水平，將離子光學(xué)系統(tǒng)和放電室設(shè)計(jì)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。推力器工作原理是空心陰極發(fā)射的電子，通過空心陰極和環(huán)型離子光學(xué)系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的狹縫進(jìn)入放電室，電離推進(jìn)工質(zhì)產(chǎn)生等離子體，等離子體中的離子被離子光學(xué)系統(tǒng)加速引出形成推力。

圖1　環(huán)型離子推力器結(jié)構(gòu)

同年研制用于試驗(yàn)測(cè)試的50 cm環(huán)型離子推力器原理樣機(jī)，獲取推力器的放電特性、溫度特性和離子電流特性。結(jié)果表明該推力器基本滿足初步設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。

1992年Aston等[26]研制一副50 cm環(huán)型離子光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合推力器原理樣機(jī)開展熱循環(huán)測(cè)試和束流引出測(cè)試，得到離子光學(xué)系統(tǒng)的熱/力學(xué)特性和工作性能特性，結(jié)果顯示離子光學(xué)系統(tǒng)性能特性良好，為離子光學(xué)系統(tǒng)正樣產(chǎn)品研制提供數(shù)據(jù)參考。

1995年Aston等[27]在先前研究基礎(chǔ)上，研制一副50 cm環(huán)型離子光學(xué)系統(tǒng)正樣產(chǎn)品，裝配至樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，獲取環(huán)型離子推力器的工作性能特性，結(jié)果表明環(huán)型離子推力器設(shè)計(jì)概念和制造擁有較高技術(shù)成熟度。

環(huán)型離子推力器工作測(cè)試完成后，為使環(huán)型離子推力器輸入功率進(jìn)一步提高，提出一種新穎的設(shè)計(jì)概念[27]，結(jié)構(gòu)如圖2所示，雙放電陰極安置于放電室內(nèi)，中和陰極安置于推力器軸向中心位置。受制于上世紀(jì)90年代離子推力器研制水平和應(yīng)用需求，新概念的環(huán)型離子推力器未被研制，且原有環(huán)型離子推力器的研究也停滯了。

圖2　環(huán)型離子推力器新結(jié)構(gòu)

2　環(huán)型離子推力器現(xiàn)階段技術(shù)特點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)離子推力器廣泛應(yīng)用于未來航天任務(wù)的目標(biāo)，2012年NASA格倫研究中心（Glenn Re?search Center）重新開啟環(huán)型離子推力器研制大門，研制了用于試驗(yàn)測(cè)試的環(huán)型離子推力器原理樣機(jī)。下面對(duì)格倫研究中心環(huán)型離子推力器技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2.1環(huán)型離子推力器的結(jié)構(gòu)與原理

2012年NASA格倫研究中心Patterson等[28-29]提出的環(huán)型離子推力器原理，如圖3所示。推力器為直流轟擊型離子推力器，相較于Aston的設(shè)計(jì)概念，該環(huán)型離子推力器結(jié)構(gòu)和技術(shù)上變化明顯，可概括為五點(diǎn)：（1）環(huán)型結(jié)構(gòu)雙陽極面放電室；（2）環(huán)型結(jié)構(gòu)平面柵極；（3）磁極交替分布的環(huán)形會(huì)切磁場(chǎng)；（4）單放電陰極位于放電室底部徑向中心位置；（5）中和陰極位于推力器外部軸向中心位置。

圖3　格林中心環(huán)型離子推力器結(jié)構(gòu)

2.2現(xiàn)階段環(huán)型離子推力器優(yōu)勢(shì)

2.2.1現(xiàn)階段環(huán)型離子推力器較早期推力器的優(yōu)勢(shì)

通過對(duì)比分析，現(xiàn)階段離子推力器優(yōu)勢(shì)有三點(diǎn)：（1）降低放電損耗?，F(xiàn)階段環(huán)型離子推力器將放電室內(nèi)部磁場(chǎng)構(gòu)型由發(fā)散型改為環(huán)形會(huì)切型，更好地約束等離子體，增大放電壓體積，降低放電電壓，進(jìn)而提升電離率；（2）減少原初電子損耗。放電陰極發(fā)射的原初電子直接通過陰極孔發(fā)射進(jìn)入放電室，取消了陰極擋板結(jié)構(gòu)；（3）減輕推力器重量。中和陰極的設(shè)計(jì)布局，使推力器等離子體產(chǎn)生機(jī)構(gòu)、離子光學(xué)系統(tǒng)和中和機(jī)構(gòu)有效結(jié)合，從而推力器結(jié)構(gòu)布局緊湊，去除中和器支撐結(jié)構(gòu)，減輕了推力器重量[25]。

2.2.2現(xiàn)階段環(huán)型離子推力器較傳統(tǒng)推力器的優(yōu)勢(shì)

以XIPS-8cm[7]離子推力器為例，結(jié)構(gòu)如圖4所示。將圖3和4進(jìn)行對(duì)比分析，環(huán)型離子推力器有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）推力器功率和推力水平大幅提升。環(huán)型放電室在固定束流直徑下，雙陽極增大放電面積，使放電電流和束電流增大，進(jìn)而提升推力器的推力和功率水平；（2）解決大尺寸柵極組件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。離子光學(xué)系統(tǒng)采用平面環(huán)型結(jié)構(gòu)，擁有較小的跨度間距比（span togap ratio）[29]，提升離子光學(xué)系統(tǒng)的熱/機(jī)械穩(wěn)定性；石墨代替鉬作為離子光學(xué)系統(tǒng)的材料，降低了柵極濺射刻蝕，解決大尺寸長壽命柵極的制造難題；（3）縮小推力器外部輪廓，便于安裝[28]。中和器與推力器結(jié)構(gòu)一體化，使推力器不需要中和器外部固定支撐機(jī)構(gòu)，縮小推力器外部輪廓，方便在航天器上安裝。

圖4　XIPS-8cm離子推力器結(jié)構(gòu)圖

2.3現(xiàn)階段環(huán)型離子推力器問題

盡管新型環(huán)型離子推力器擁有很多優(yōu)勢(shì)，但是其劣勢(shì)也是不可忽略的，其劣勢(shì)主要表現(xiàn)在：放電陰極的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)分布使放電等離子體分布出現(xiàn)局部不均[29]，進(jìn)而影響推力器運(yùn)行壽命。

3　環(huán)型離子推力器的研究現(xiàn)狀

NASA格倫研究中心環(huán)型離子推力器原理樣機(jī)放電室內(nèi)、外徑分別為8 cm和42 cm[28]。為驗(yàn)證樣機(jī)設(shè)計(jì)概念合理性和后續(xù)研究開展必要性，分別開展放電特性、工作特性和石墨平面離子光學(xué)系統(tǒng)特性的研究。

3.1放電特性研究

環(huán)型離子推力器放電陰極非對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致推力器工作過程中放電等離子體分布不均勻，進(jìn)而影響推力器的工作穩(wěn)定性和運(yùn)行壽命。放電特性研究過程中，打孔平面電極代替離子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行束流引出。平面打孔電極不同徑向位置安裝電流密度測(cè)量探針[28]，收集各工作情況下束流離子電流密度，探針安裝位置如圖5所示。以NEXT離子推力器工作點(diǎn)為基礎(chǔ)，推力器樣機(jī)設(shè)定11個(gè)工作點(diǎn)[28]，放電電流（Id）范圍為12.4～48 A。收集電流分析結(jié)果如圖6所示，表明樣機(jī)放電工作穩(wěn)定。

圖5　探針安裝位置圖

圖6　工作情況下的放電均勻性曲線圖

3.2工作特性研究

放電特性研究完成后，環(huán)型離子推力器安裝配套離子光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行工作特性研究。研究過程中，利用可移動(dòng)法拉第杯陣列裝置獲取推力器束流參數(shù)[30]，該裝置可測(cè)量推力器下游任意軸向和徑向位置的束電流密度的大小。

環(huán)型離子推力器樣機(jī)工作在NEXT離子推力器工作點(diǎn)，放電損耗結(jié)果如圖7所示，完全滿足不高于400 W/A設(shè)計(jì)要求；束流均勻性和平直度結(jié)果，如圖8和9所示。結(jié)果顯示束流均勻性保持在95%以上，束流平直度高于0.85，且二者隨著束流的增加而增加[30]。

圖7　推力器的放電損耗曲線圖

圖8　推力器的束流均勻性曲線圖

圖9　推力器的束流平直度曲線圖

3.3石墨平面離子光學(xué)系統(tǒng)研究

格倫研究中心將環(huán)型離子推力器分別裝配石墨平面和金屬球面離子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究[31]。結(jié)果如圖10、11所示，使用石墨平面離子光學(xué)系統(tǒng)后，固定工作情況樣機(jī)效率得到提升、束流輪廓更加平直。

圖10　石墨平面和金屬球面離子光學(xué)系統(tǒng)的性能特性

圖11　石墨平面和金屬球面的離子光系統(tǒng)束流輪廓

4　環(huán)型離子推力器未來發(fā)展

目前，格倫研究中心在研制放電室內(nèi)、外徑為25 cm和65 cm的環(huán)型離子推力器[28，31]，以實(shí)現(xiàn)推力器更高功率和更大推力的工作能力。除此之外，以大尺寸環(huán)型離子推力器為基礎(chǔ)多環(huán)離子推力器和混合推力器的研發(fā)，也為電推進(jìn)未來多任務(wù)的應(yīng)用提供有效途徑。

4.1多環(huán)離子推力器

多環(huán)離子推力器概念如圖12所示，由多個(gè)不同尺寸環(huán)型離子推力嵌套而成，每個(gè)尺寸的推力器擁有其各自調(diào)節(jié)范圍，且隨著尺寸的增加功率也隨之增大[28-32]。多環(huán)離子推力器的優(yōu)勢(shì)是通過制造不同環(huán)數(shù)或選擇不同尺寸的離子推力器工作，滿足航天多任務(wù)中高功率、寬調(diào)節(jié)范圍的要求。

4.2混合模式推力器

混合推力器概念如圖13所示，在環(huán)型離子推力器內(nèi)部（也有可能是外部）安裝霍爾或化學(xué)推力器，組成一種新型的推力器，推力器可在兩種不同的模式下工作[27-28，31]?；旌夏Ｊ酵屏ζ鲀?yōu)勢(shì)是結(jié)合兩種不同模式的推力器使其性能覆蓋范圍更廣，例如霍爾推力器和環(huán)型離子推力器的相結(jié)合可以使推力器的比沖范圍達(dá)到1 500～5 000 s[31]；環(huán)型離子推力器和化學(xué)推力器相結(jié)合，使混合推力器擁有高比沖和大推力的性能特性。

圖12　多環(huán)離子推力器概念圖

圖13　混合模式推力器概念圖

5　結(jié)論

環(huán)型離子推力器設(shè)計(jì)概念，在傳統(tǒng)離子推力器技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，使環(huán)型離子推力器即繼承原有發(fā)展技術(shù)，又實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，為電推進(jìn)研發(fā)提供一種新的模式。環(huán)型離子推力器樣機(jī)研究過程中，推力器放電陰極非對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)不會(huì)嚴(yán)重影響工作穩(wěn)定性和運(yùn)行壽命，具備高功率和大推力的能力，且石墨平面離子光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于改善推力器性能十分有效。環(huán)型離子推力器的優(yōu)秀設(shè)計(jì)理念、良好工作性能以及光明的發(fā)展前景，為未來新型電推進(jìn)發(fā)展提供了一個(gè)有參考價(jià)值的研究方向。

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THEREVIEW OFANNULAR ION THRUSTER

YANG Hao，ZHANG Tian-ping
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

The developmentof annular ion thruster provides a good platform for the ion thrusters thatw ill bew idely used in the future spacem ission.Comparew ith the traditional ion thruster，annular ion thruster has amore novel concept. Annular ion thruster increases the discharge area of anode in discharge chamber and reduces the erosion ow ing to the ion optics greatly.Thus thrusters’power level and operating life get improved.Base on the investigation about the developmentof annular ion thruster abroad，the paper introduces the early developmenthistory，current technical characteristics，research status and the prospects for development.It can provide a reference about the development of New-Type High Power Ion Thruster for the future.

annular ion thruster；technicalcharacteristics；research status

V 43

A

1006-7086（2016）01-0001-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.002

2015-11-06

楊浩（1989-），男，新疆昌吉人，碩士研究生，從事空間電推進(jìn)技術(shù)研究。E-mail：automouse@sina.cn。