離子推進(jìn)器C/C復(fù)合材料柵極研究

鄭茂繁，江豪成，張?zhí)炱?，?左

（蘭州物理研究所 真空低溫技術(shù)與物理國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 前言

離子推進(jìn)器是一種具有推力小、比沖高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的電推進(jìn)方式，其工作原理是利用電能將推進(jìn)劑電離，由柵極組件將離子加速引出，從而產(chǎn)生推力。離子推進(jìn)器的柵極組件（亦稱(chēng)離子光學(xué)系統(tǒng)）由屏柵極和加速柵極組成，它不但決定著離子推進(jìn)器的性能，還決定著推進(jìn)器的可靠性和壽命，是離子推進(jìn)器的重點(diǎn)研究對(duì)象。在離子推進(jìn)器研究初期，研制人員就開(kāi)始著手研究不同材料柵極的性能。到目前為止，美國(guó)研制了鉬、鈦、石墨和C/C復(fù)合材料等多種材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的柵極，如30 cm和57 cm大直徑C/C復(fù)合材料柵極[1-2]，并應(yīng)用于離子推進(jìn)器；日本研制了10 cm、14 cm和20 cm的C/C復(fù)合材料柵極，分別應(yīng)用于14 cm氙離子推進(jìn)器[3]和 μ10[4]、μ20電子回旋微波離子推進(jìn)器[5]，其中 μ10推進(jìn)器已執(zhí)行空間飛行任務(wù)；英國(guó)和德國(guó)也相繼開(kāi)展了C/C復(fù)合材料柵極的研究工作。

20世紀(jì)70年代，我國(guó)就開(kāi)始進(jìn)行離子推進(jìn)器的研究，先后研制了8 cm汞離子推進(jìn)器，9 cm和20 cm氙離子推進(jìn)器，柵極采用的都是金屬鉬柵極。目前我國(guó)離子推進(jìn)器的研究工作已進(jìn)入空間飛行試驗(yàn)階段，柵極仍選用金屬鉬柵極，其壽命在幾千h。隨著空間任務(wù)的發(fā)展，對(duì)電推進(jìn)技術(shù)的需求也不斷提高，特別是長(zhǎng)壽命、大容量通信衛(wèi)星對(duì)電推進(jìn)器壽命提出新要求。推進(jìn)器由于受金屬鉬柵極壽命的影響，離子推進(jìn)器壽命不能滿(mǎn)足長(zhǎng)達(dá) 10 000多 h壽命的要求。而C/C復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)小，離子濺射系數(shù)低，機(jī)械強(qiáng)度較高，是離子推進(jìn)器理想的柵極材料，可以較好地提高離子推進(jìn)器的壽命和可靠性。因此有必要跟蹤研究國(guó)外相關(guān)的研究狀況，根據(jù)我國(guó)的技術(shù)發(fā)展要求，開(kāi)展C/C復(fù)合材料推進(jìn)器柵極的研究。

1 C/C復(fù)合材料柵極的發(fā)展和應(yīng)用

早在 1990年代中期，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）在NASA的支持下，針對(duì)NASTAR 30 cm氙離子推進(jìn)器[1]就研制了30 cm的C/C復(fù)合材料柵極[1]。柵極組件以鉬柵極為基線，設(shè)計(jì)了球面形C/C復(fù)合材料的屏柵極和加速柵極，柵極安裝在C/C復(fù)合材料的安裝環(huán)上，采用陶瓷絕緣，如圖1所示。除緊固螺栓外，整個(gè)柵極組件沒(méi)有金屬材料。柵極由6層樹(shù)酯預(yù)浸料坯纖維布粘接制成，纖維層間的纖維呈60°對(duì)稱(chēng)排列，在平板模具上進(jìn)行碳化處理，再在半球形模具上，通過(guò)石墨化和化學(xué)氣相沉積（CVD）方法進(jìn)行致密化處理。柵極上的各孔采用激光打孔。

圖1 30 cm 離子推進(jìn)器的C/C復(fù)合材料柵極組件Fig. 1 C/C composite grid component for 30 cm ion thruster

之后，在美國(guó)制定的CBIO（Carbon Based Ion Optica）計(jì)劃中，JPL又對(duì)NASTAR 30 cm離子推進(jìn)器的C/C復(fù)合材料柵極進(jìn)行了局部改進(jìn)，即在柵極周邊增設(shè)了加強(qiáng)環(huán)，采用雙壁柱狀C/C復(fù)合材料安裝環(huán)，如圖2。推進(jìn)器用熱處理方法來(lái)調(diào)節(jié)屏柵極和加速柵極的曲率半徑。柵極組件進(jìn)行了力學(xué)振動(dòng)各種試驗(yàn)，與離子推進(jìn)器一起進(jìn)行了1 028 h的抗疲勞試驗(yàn)和2 000 h考核試驗(yàn)，通過(guò)各種試驗(yàn)后柵極組件未發(fā)生故障。

圖2 CBIO C/C復(fù)合材料柵極組件Fig. 2 CBIO C/C composite grid component

在CBIO計(jì)劃的基礎(chǔ)上，JPL給20 kWNEXIS DM離子推進(jìn)器樣機(jī)研制了57 cm大直徑C/C復(fù)合材料柵極[2]。該柵極組件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造上繼承了30 cm的C/C復(fù)合材料柵極組件的技術(shù)。推進(jìn)器經(jīng)過(guò)2 000 h抗疲勞考核試驗(yàn)后，柵極組件完好，而且推進(jìn)器也獲得了良好性能。

日本早在20世紀(jì)90年代研制了14 cm的C/C復(fù)合材料柵極[3]，并在14 cm氙離子推進(jìn)器上進(jìn)行了3 184 h的抗疲勞考核試驗(yàn)；在μ10、μ20微波離子推進(jìn)器上研制了推進(jìn)器三柵C/C復(fù)合材料柵極[5]，其中μ10微波離子推進(jìn)器在地面通過(guò)了18 000 h壽命考核試驗(yàn)；2003年發(fā)射的“隼鳥(niǎo)號(hào)”（Hayabusa）探測(cè)器采用了μ10微波離子推進(jìn)器作為星際航行的主推進(jìn)，完成任務(wù)后已于2010年6月13日成功返回地面。德國(guó)對(duì)熱解石墨、高密度石墨和C/C復(fù)合材料也開(kāi)展了專(zhuān)項(xiàng)研究，定量分析離子對(duì)柵極材料的濺射作用，并建立了氙離子濺射C材料的數(shù)值模型[6]。

2 C/C復(fù)合材料柵極的特性分析

離子推進(jìn)器的作用是引出和加速離子，產(chǎn)生推力。離子推進(jìn)器的特點(diǎn)是屏柵極和加速柵極間距?。ǎ? mm）、壁很?。ā?.5mm）、透明度高（＞60%）。在離子加速時(shí)柵極易遭受離子濺射轟擊，電離和加速過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這些熱量會(huì)對(duì)很薄的柵極產(chǎn)生影響，由于熱量分布不均勻易產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力，影響離子推進(jìn)器的性能。針對(duì)這些特點(diǎn)和問(wèn)題，要求柵極材料具有耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、離子濺射率低、密度小和強(qiáng)度高等特性。與目前離子推進(jìn)器常用的純鉬等金屬柵極相比，C/C復(fù)合材料就具有熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、離子濺射率較低和密度低等特點(diǎn)，是制造離子推進(jìn)器柵極較為理想的材料。

2.1 耐濺射性

離子推進(jìn)器在加速柵極下游生成的離子會(huì)對(duì)加速柵極表面產(chǎn)生濺射刻蝕，在小孔周?chē)纬缮畈刍蛏羁樱收呅闻帕?。離子對(duì)加速柵極的濺射刻蝕會(huì)使小孔直徑擴(kuò)大，不能有效地阻止電子返流，從而導(dǎo)致離子推進(jìn)器工作故障，降低離子推進(jìn)器壽命。

離子對(duì)C/C復(fù)合材料的濺射率比金屬鉬小得多，最新研究數(shù)據(jù)表明：離子對(duì)碳纖維和熱解石墨的濺射率大致相同，多晶石墨的濺射率比碳纖維和熱解石墨的大約高40%[1]。表1是幾種材料對(duì)氙離子的濺射特性[6-8]。

表1 幾種材料對(duì)氙離子的濺射特性Table 1 Xe+ sputter characteristics of grid materials

一般來(lái)說(shuō)，熱解石墨C和C/C復(fù)合纖維材料的濺射率基本相同。由表1可知，C和C/C復(fù)合材料的耐濺射性最好。

2.2 熱應(yīng)力

在推進(jìn)器工作過(guò)程中，柵極的溫度分布沿徑向呈正態(tài)分布，在熱應(yīng)力作用下，會(huì)產(chǎn)生熱膨脹。由于柵極徑向溫度分布差異較大，對(duì)平板柵極來(lái)說(shuō)，徑向膨脹超過(guò)其周向膨脹，內(nèi)部應(yīng)力加強(qiáng)，抑制徑向應(yīng)力擴(kuò)展，致使平板柵極幾何變形，常使其中央增高，形成拱形。要減小形變，就要減小柵極的徑向膨脹，為此要選擇熱膨脹系數(shù)非常小和性能穩(wěn)定的材料。最理想的情況是熱膨脹系數(shù)接近0，但是沒(méi)有任何一種金屬其熱膨脹系數(shù)為0。碳基材料（如熱解石墨、C/C復(fù)合材料和多晶碳）的熱膨脹系數(shù)很小，在微負(fù)和微正之間，能使柵極的徑向熱膨脹降到最低，使其形變減到最小，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也很小，可提高柵極的可靠性。

2.3 材料堅(jiān)固性

造成柵極組件損傷的因素很多，有制造、安裝、發(fā)射振動(dòng)和電弧等，以及由于彈性變形而造成柵極斷裂的損傷，這都與材料的堅(jiān)固性相關(guān)，選材時(shí)要關(guān)注強(qiáng)度和韌性。材料結(jié)構(gòu)失效模式大致有3種。

1）高強(qiáng)度、低彈性模量材料耐沖擊性差，容易破裂。而對(duì)于強(qiáng)度和彈性模量均較高的石英玻璃鋼，在壓力快速增加并沖擊下也容易產(chǎn)生破碎。

2）低強(qiáng)度、低彈性模量材料，因應(yīng)力超過(guò)極限而產(chǎn)生破碎失效。例如硅樹(shù)脂橡膠的強(qiáng)度和彈性模量均很低，當(dāng)其受沖擊力時(shí)，會(huì)發(fā)生彈性變形，并將動(dòng)力能轉(zhuǎn)化為張力能；由于低彈性模量延遲張力的累積作用，當(dāng)材料繼續(xù)發(fā)生強(qiáng)形變直到張力超過(guò)極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生破碎。在正常條件下，張力能能夠恢復(fù)為動(dòng)力能，使彈性變形后的材料恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，這是材料的高韌性特性。

3）高彈性模量材料的形變能力強(qiáng)，在強(qiáng)度超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí)，雖然不破損，但也會(huì)由于形變過(guò)大而造成柵極組件短路失效。當(dāng)材料受沖擊時(shí)，高彈性模量迅速提高材料內(nèi)部應(yīng)力水平，在發(fā)生塑性變形開(kāi)始前，材料儲(chǔ)存的張力能小，由于延展性的作用，冷加工件材料的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，盡管幾何形狀發(fā)生變化，但材料仍不會(huì)破壞；當(dāng)加工沖擊的強(qiáng)度超過(guò)極限應(yīng)力時(shí)，方會(huì)產(chǎn)生破損。

對(duì)于柵極組件來(lái)說(shuō)，當(dāng)超過(guò)材料的屈服應(yīng)力時(shí)，即使不發(fā)生破裂，也會(huì)產(chǎn)生失效。材料失效可用失效點(diǎn)張力方程來(lái)預(yù)測(cè)，

式中：εmax為最大張力能；V為每單位體積；σf為失效強(qiáng)度；E為彈性模量。

材料的最大張力能越大，就越能抵抗損傷。表2給出了幾種材料的最大張力能[1]，強(qiáng)度定義為最大屈服強(qiáng)度。

表2 幾種材料的最大張力能等參數(shù)Table 2 Maximum strain energy and other properties of some materials

由表2可知，除金屬Ti外，C/C復(fù)合材料具有較大的最大張力能，但C/C復(fù)合材料存在層流分離的危險(xiǎn)。

2.4 靜電吸附性

屏柵極和加速柵極間存在電場(chǎng)，使雙柵間形成靜電力作用，靜電力f可用下式來(lái)估算[1]，

式中：U為雙柵間的電壓；ε為介電常數(shù)，為8.842×10-12C2·N-1·m-2；d為雙柵間距。

假設(shè)平板柵極為均勻圓盤(pán)，其半徑為r，厚度為t，則其表面靜電力偏移量（吸引變形量）δ可用下式來(lái)估算：

式中μ為泊松比。

由式(2)和(3)可知，雙柵間的靜電力吸引變形量不但與雙柵間距、柵極半徑、柵極厚度和柵間電壓有關(guān)外，還與材料的彈性模量和泊松比相關(guān)。

3 C/C復(fù)合材料柵極的加工制造

作為離子推進(jìn)器柵極組件的材料，C基材料與金屬材料相比具有防濺射、熱膨脹很小和小孔排列穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較低，抗振性差。由表2可知，C/C復(fù)合材料的強(qiáng)度比熱解石墨大得多，可見(jiàn)C/C復(fù)合材料是制作離子推進(jìn)器柵極組件的較理想材料。下面簡(jiǎn)單介紹C/C復(fù)合材料柵極的制造。

推進(jìn)器將選用的P30X單纖維[6]在石碳酸中進(jìn)行碳化碾壓復(fù)合，復(fù)合后的材料經(jīng)高溫處理后彈性模量達(dá)到690 GPa。環(huán)形安裝盒與安裝面采用T300碳纖維制作。C/C復(fù)合材料柵極的制造過(guò)程如下：

1）訂購(gòu)材料坯料，選用酚醛樹(shù)脂。

2）制作石墨沉積模具。該模具用于控制碳-酚碾壓形狀，以確定柵極形狀。NEXIS模具由一個(gè)凹面和多槽凸面壓模構(gòu)成，來(lái)保證內(nèi)外面光滑與球面半徑，圖3是NEXIS離子推進(jìn)器C/C復(fù)合材料柵極的凹面和凸面成型模具。

圖3 NEXIS凹面和凸面模具Fig. 3 The concave and convex NEXIS moulds

3）進(jìn)行碳-酚碾壓復(fù)合。單向纖維預(yù)浸坯料交替疊放在模具中，與模具緊密結(jié)合，進(jìn)行多次碾壓成型，保證層與層之間結(jié)合緊密。

4）碳化處理。將碾壓纖維板放入石碳酸中，在無(wú)氧環(huán)境中退火以降低純碳。這個(gè)過(guò)程降低了碾壓纖維板的強(qiáng)度和質(zhì)量，需要進(jìn)行致密化處理以增加密度，提高結(jié)構(gòu)完整性。

5）CVD致密化或滲透處理。通過(guò)CVD工藝增加碾壓纖維板的碳含量，以增強(qiáng)C/C纖維碾壓板的密度和強(qiáng)度。

6）高溫石墨化處理（僅對(duì)柵極適用）。這種工藝有助于增加材料彈性模量和硬度，增強(qiáng)抗發(fā)射振動(dòng)的能力，控制球面曲率半徑。

7）加工前需確認(rèn)柵極孔的中心數(shù)據(jù)和排列，以保證激光鉆孔的正確性，控制孔的位置，保證孔中心線與柵極球面頂?shù)闹行木€同軸。

8）用粘接劑將屏柵極連接到安裝環(huán)上，再經(jīng)CVD工藝沉積致密化處理。

9）在鉆孔和連接后，因柵極表面的平整性和光潔性可能遭受破壞，需最后進(jìn)行CVD致密化或滲透處理，以保證柵極的平整和光潔。

10）為了釋放C/C材料的碳?xì)浠衔锖推渌麚]發(fā)成分，將離子推進(jìn)器的柵極組件在高溫、低壓環(huán)境中工作幾h進(jìn)行烘干。

11）用坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)。

12）進(jìn)行柵極組件組裝，調(diào)整雙柵間距，再進(jìn)行最終產(chǎn)品檢查。

4 結(jié)束語(yǔ)

C/C復(fù)合材料柵極因其有很小的熱膨脹系數(shù)和較低的離子濺射系數(shù)，是用來(lái)制造長(zhǎng)壽命、高可靠離子推進(jìn)器柵極的理想材料，近年來(lái)在美國(guó)和日本等國(guó)的離子推進(jìn)器中被廣泛應(yīng)用。根據(jù)離子推進(jìn)器柵極的特點(diǎn)，要求材料厚度非常?。ㄐ∮?.5 mm）、光潔度非常高、導(dǎo)電性能好、機(jī)械強(qiáng)度高。然而目前國(guó)內(nèi)研制生產(chǎn)的C/C復(fù)合材料的厚度都在2 mm以上，如果要研制厚度在1 mm以下的C/C復(fù)合材料，需要研究特殊的加工工藝，而且還要研究密集鉆孔方法。通過(guò)工藝改進(jìn)，雖然國(guó)內(nèi)可以生產(chǎn)1 2 mm之間的C/C復(fù)合材料板，但是對(duì)離子推進(jìn)器性能還有一定的影響。為此，建議在離子推進(jìn)器金屬鉬柵極的技術(shù)條件下，研制C/C復(fù)合材料柵極，在保證一定機(jī)械強(qiáng)度的前提下，C/C復(fù)合材料板盡量減薄。柵極孔采用激光打孔工藝，屏柵極可以與鉬屏柵極互換。還可以采用鉬柵極作為屏柵極，C/C復(fù)合材料柵極作為加速柵極，這樣也可以延長(zhǎng)離子推進(jìn)器壽命。

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