LIPS-100離子推力器擋板通道面積優(yōu)化研究

楊福全，胡 竟，郭德洲，谷增杰，王成飛，耿 海

（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）

0 引言

LIPS-100離子推力器是針對200～300 km地球超低軌道[1-3]空間任務(wù)研制的一款產(chǎn)品，用于補(bǔ)償衛(wèi)星受到的大氣阻尼[4]，設(shè)計(jì)參數(shù)為推力1～20 mN，推力分辨率12μN(yùn)，比沖500～3 500 s。歐空局GOCE衛(wèi)星T5離子推力器[5-6]和日本SLATS計(jì)劃“燕”衛(wèi)星的12 cm離子推力器[7]是此類離子推力器在超低軌衛(wèi)星成功應(yīng)用的典型代表。對執(zhí)行此類任務(wù)的離子推力器，推力寬范圍連續(xù)精細(xì)可調(diào)和高總沖是最基本要求，而要實(shí)現(xiàn)這些要求，推力器必須具備工作穩(wěn)定性好和長壽命等特性。LIPS-100離子推力器選擇了調(diào)節(jié)關(guān)系簡單、靈活性高的電磁鐵發(fā)散場放電室。發(fā)散場放電室由擋板分成耦合等離子區(qū)和主放電區(qū)[8-9]。陰極出口平面、陰極極靴和擋板所包絡(luò)的等離子體區(qū)域稱為耦合等離子體區(qū)，擋板、陽極和屏柵包絡(luò)的區(qū)域稱為主放電區(qū)。陰極極靴與擋板之間的環(huán)形通道稱為擋板通道。研究表明[10]，主放電區(qū)和耦合等離子體區(qū)之間存在一個電位陡然變化的“薄層”，即雙鞘層，位于擋板通道附近，因此擋板通道面積顯著影響進(jìn)入主放電區(qū)的原初電子的能量和速度分布[11]，進(jìn)而影響離子推力器的放電性能。美國、英國、日本等對發(fā)散場離子推力器擋板通道區(qū)域的等離子體特性、擋板通道面積進(jìn)行過理論研究和試驗(yàn)優(yōu)化[12]，國內(nèi)蘭州空間技術(shù)物理研究所對擋板通道面積進(jìn)行了理論推導(dǎo)[13]。

提高離子推力器放電穩(wěn)定性和降低陽極電壓是實(shí)現(xiàn)推力寬范圍連續(xù)精細(xì)可調(diào)和長壽命的重要措施。陽極電壓高低決定了離子能量的大小，從而決定了離子對柵極濺射腐蝕的程度，陽極電壓振蕩是表征放電穩(wěn)定性的主要參數(shù)，而放電穩(wěn)定性是保證推力寬范圍連續(xù)精細(xì)可調(diào)的前提。對于發(fā)散場離子推力器，擋板通道面積大小是影響陽極電壓和陽極電壓振蕩的主要因素之一。日本的Ozaki等[14]針對12 cm離子推力器開展了擋板通道面積對陽極電壓的影響研究。作者在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，LIPS-100離子推力器的陽極電壓和陽極電壓振蕩偏高，因此參考國外相關(guān)研究，提出了通過擋板通道面積優(yōu)化降低陽極電壓和陽極電壓振蕩的措施。期望通過本文研究實(shí)現(xiàn)LIPS-100工作穩(wěn)定性和壽命指標(biāo)要求。

1 擋板通道面積優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 擋板通道面積設(shè)計(jì)理論分析

LIPS-100離子推力器的陽極、陰極、陰極極靴、擋板的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。在放電室其他結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，由陰極極靴和擋板構(gòu)成的擋板通道面積有一個最佳值，通過陰極極靴直徑和擋板直徑的調(diào)整可以對通道面積進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 LIPS-100離子推力器放電室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagam of discharge chamber structure of LIPS-100 ion thruster chamber

發(fā)散場離子推力器陰極極靴直徑初始設(shè)計(jì)值可由經(jīng)驗(yàn)式（1）估算[15]。

式中：d2為陰極極靴內(nèi)徑；Dd為陽極直徑。

根據(jù)式（1）可估算得到陰極極靴內(nèi)徑。

在發(fā)散場放電室中，擋板將放電室分成主放電區(qū)和等離子體耦合區(qū)，擋板與陰極極靴之間的環(huán)形通道截面積對放電室的電離效率有較大影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，在20 mN時，發(fā)散場離子推力器通過環(huán)形通道的電子密度存在以下經(jīng)驗(yàn)值：式中：A為擋板通道面積；Jp為電子密度；Ia為陽極電流。

相關(guān)研究表明[13]，擋板通道面積可利用放電室等離子體密度、放電參數(shù)、平均磁場、束流等進(jìn)行理論估算[13]，計(jì)算如式（3）所示。

式中：e為電子電量；為通道內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度；α為Bohm擴(kuò)散修正系數(shù)；為主放電區(qū)平均電子密度；為耦合區(qū)平均電子密度；Varc為弧電壓；Vkeeper為陰極觸持電壓；d2為陰極極靴內(nèi)徑；d1為擋板外徑；Iarc為陽極電流；Ibeam為束流。

由于理論計(jì)算公式在推導(dǎo)的過程中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡化處理，因此通過理論計(jì)算只能得到粗略的初值。擋板通道面積、陰極極靴直徑、擋板直徑的優(yōu)化值須結(jié)合試驗(yàn)手段并借助經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行幾輪迭代才能確定。

1.2 擋板通道面積優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）設(shè)計(jì)了LIPS-100離子推力器原理樣機(jī)陰極極靴內(nèi)徑、擋板直徑和擋板通道面積初始值，并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)優(yōu)化。但是短期磨損試驗(yàn)表明，陽極電壓和陽極電壓振蕩均偏高，分別為42 V和20～25 V，使得柵極的濺射腐蝕超出預(yù)期，導(dǎo)致推力器壽命不滿足設(shè)計(jì)要求，陽極電壓振蕩偏高還表明放電室工作不穩(wěn)定。

相關(guān)理論研究表明[16-17]，在電磁場作用下陰極發(fā)射的電子從耦合等離子區(qū)通過擋板通道擴(kuò)散到主放電區(qū)的過程中，會引起等離子體密度梯度和電勢梯度的較大變化。由于主放電區(qū)的電勢與陽極電壓相關(guān)，如果耦合等離子區(qū)電子密度增大，擋板通道兩側(cè)的電子密度梯度將增大而電勢梯度將減小，因此通過增大耦合等離子區(qū)電子密度有可能使陽極電壓下降。在其他參數(shù)不變的情況下，減小擋板通道面積可使等離子區(qū)電子密度增大。但是陽極電壓下降會導(dǎo)致原初電子能量減小，從而影響放電室氣體電離率，因此可通過減小暴露在放電室內(nèi)的擁有陰極電位的結(jié)構(gòu)表面積來降低離子的損失，從而平衡電離率下降導(dǎo)致的等離子體產(chǎn)量的下降。而降低擋板面積是可采取的一項(xiàng)有效措施[14]。

基于上述理論基礎(chǔ)，進(jìn)行了LIPS-100離子推力器工程樣機(jī)擋板通道面積再優(yōu)化設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是同時減小擋板通道面積和擋板面積，結(jié)合之前的擋板與陰極極靴設(shè)計(jì)尺寸d10/d20，通過計(jì)算初步確定了兩組優(yōu)化的陰極極靴內(nèi)徑和擋板直徑，并設(shè)計(jì)加工了陰極極靴和擋板，它們的直徑尺寸從小到大分別表示為d21、d22和d11、d12。

2 擋板通道面積設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 優(yōu)化試驗(yàn)

離子推力器放電室參數(shù)包括各電極的電參數(shù)、放電室的幾何參數(shù)、磁場位形和磁場大小，而放電室的幾何參數(shù)與磁場直接相關(guān)，并影響到放電室的等離子體參數(shù)，進(jìn)而影響到放電室中各電極的參數(shù)和壽命，迄今尚未見到準(zhǔn)確描述離子推力器放電室?guī)缀螀?shù)、電參數(shù)與磁場位形之間關(guān)系的公認(rèn)的方法。因此，推力器的設(shè)計(jì)優(yōu)化還需通過試驗(yàn)優(yōu)化最終確定。

本文針對兩組不同尺寸的陰極極靴和擋板組合，通過正交試驗(yàn)最終優(yōu)選一組陰極極靴內(nèi)徑、擋板直徑組合。在20 mN推力、3 500 s比沖工況下共進(jìn)行了4個組合的性能優(yōu)化試驗(yàn)[18]。為了保證性能變化只與陰極極靴和擋板尺寸有關(guān)，試驗(yàn)中推力器放電室其他的結(jié)構(gòu)特征尺寸、束電壓、束電流、放電室總流率等參數(shù)均保持不變，只通過調(diào)節(jié)陽極電流、勵磁電流獲取最佳的放電參數(shù)。優(yōu)化前與優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

由表1的數(shù)據(jù)可知，組合d11/d21的放電室綜合性能最優(yōu)，該組合下陽極電壓比優(yōu)化前降低約4 V，陽極電壓振蕩降低了約一半；放電功耗比優(yōu)化前的125 W降低了約11 W，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果；優(yōu)化后擋板通道面積和擋板面積分別減小2.58 cm2和0.5 cm2，通道面積減小了約19%。

表1 擋板通道面積優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test resultsof performance optim ization

2.2 優(yōu)化后的推力寬范圍調(diào)節(jié)試驗(yàn)

根據(jù)擋板通道面積優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，LIPS-100離子推力器工程樣機(jī)采用d11/d21組合的陰極極靴內(nèi)徑、擋板直徑優(yōu)化方案，并進(jìn)行了寬推力范圍調(diào)節(jié)試驗(yàn)，以驗(yàn)證采用該方案的推力器在1～20 mN寬范圍調(diào)節(jié)過程中的放電室性能。寬范圍推力調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果如表2所列。

表2 推力寬范圍調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test resu ltsofw ide range thrust throttle

從表2可以看出，在推力寬范圍調(diào)節(jié)過程中，陽極電壓大部分在38 V以下，陽極電壓振蕩均在15 V以下，大部分集中在10 V左右，比優(yōu)化前的20～25 V降低一半。結(jié)果表明，擋板通道面積優(yōu)化后推力器在寬范圍工作過程中陽極電壓和陽極電壓振蕩均保持在較低值。陽極電壓降低后放電室離子能量也相應(yīng)降低，從而減緩了離子對柵極的濺射腐蝕，保證了推力器壽命滿足設(shè)計(jì)要求。推力器工作寬范圍內(nèi)陽極電壓振蕩降低還表明放電室工作穩(wěn)定性得到了提高，從而可以保證推力寬范圍連續(xù)精細(xì)可調(diào)的實(shí)現(xiàn)。

2.3 優(yōu)化后的短期磨損試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的效果，在LIPS-100離子推力器工程樣機(jī)上進(jìn)行了20 mN工況下的200 h短期磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中設(shè)備條件和各輸入?yún)?shù)保持與優(yōu)化試驗(yàn)時一致，試驗(yàn)采取工作23 h、停機(jī)1 h的循環(huán)方式進(jìn)行。由試驗(yàn)結(jié)果得到200 h內(nèi)推力變化曲線和陽極電壓輸出曲線，分別如圖2和圖3所示。

圖2 短期磨損試驗(yàn)中推力輸出曲線Fig.2 Curve of thrustoutput in shortperiod wear test

圖3 短期磨損試驗(yàn)中陽極電壓變化曲線Fig.3 Curve of anode voltage in shortperiod wear test

由圖2可以看出，短期磨損試驗(yàn)過程中，在相同輸入電、氣參數(shù)條件下，20 mN工況推力變化在19.8～20.6 mN之間。由圖3可知，試驗(yàn)過程中陽極電壓保持在37.4～38.9 V之間。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，整個試驗(yàn)過程中推力器工作穩(wěn)定，放電室性能優(yōu)良。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[19-20]中陽極電壓與屏柵極鉬材料濺射產(chǎn)額的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算了LIPS-100離子推力器不同陽極電壓下單荷氙離子和雙荷氙離子對屏柵極鉬材料的濺射產(chǎn)額。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式（4）[21]，計(jì)算了陽極電壓與屏柵極壽命的關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知，對應(yīng)優(yōu)化前和優(yōu)化后陽極電壓42 V和38 V下的屏柵極壽命分別為9 523 h和1 4681 h，優(yōu)化后的壽命達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖4 不同陽極電壓下屏柵極壽命曲線Fig.4 The lifetime of the screen grid asa function of anode voltage

式中：Tsg為屏柵極壽命；ts為屏柵極厚度；φi為柵極離子透明度；e為電子電荷；ρ為屏柵極材料密度；Fb束流平直度；rb為屏柵極開孔區(qū)域半徑；φs為屏柵極幾何透明度；R+++為引出束流中雙荷離子比；Ib為束電流；m為屏柵極材料密度；Y+為單荷氙離子對鉬材料的濺射產(chǎn)額；Y++為雙荷氙離子對鉬材料的濺射產(chǎn)額。

4 結(jié)論

通過對擋板通道面積對放電室性能影響的分析，采用減小陰極極靴直徑和擋板直徑的方法進(jìn)行了擋板通道面積的優(yōu)化，在理論設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上通過組合試驗(yàn)確定了優(yōu)化的擋板通道面積。優(yōu)化后推力器的額定工作點(diǎn)和寬范圍工作穩(wěn)定性、放電性能均得到較大提高。陽極電壓比優(yōu)化前降低約5 V，陽極電壓振蕩值比優(yōu)化前減小一半。陽極電壓降低減弱了離子對柵極組件的濺射腐蝕，使得屏柵極壽命比優(yōu)化前提高了50%以上，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。