30 cm口徑離子推力器熱特性模擬分析

孫明明，張?zhí)炱剑?亮

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

0 引言

30 cm口徑離子推力器(LIPS-300型)是針對新一代大型桁架式結(jié)構(gòu)衛(wèi)星平臺全電推進(jìn)應(yīng)用目的而研制[1]，從推力器尺寸的變化及某些關(guān)鍵部組件的更新顯示出這是一款結(jié)構(gòu)相對較新的推力器產(chǎn)品，因此對LIPS-300的各項(xiàng)性能需要開展深入研究，而其熱性能參數(shù)作為重要的研究方向，可以直接反映出推力器的能量損失及其所接觸的航天器表面熱特性，因此需要作為推力器重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。在LIPS-300離子推力器的基礎(chǔ)上開展熱分析，分析結(jié)果對熱設(shè)計(jì)方面會具有指導(dǎo)意義。

1 邊界條件

由于離子推力器基本原理是依靠氣體放電并中和產(chǎn)生推力，因此熱模型需要從離子推力器放電腔內(nèi)部各類帶有能量的粒子沉積開始進(jìn)行討論。對于環(huán)形會切場推力器能量沉積過程中占有主導(dǎo)地位的是等離子體云團(tuán)向放電腔不同內(nèi)表面的輻射[2-3]。

熱邊界條件的獲得根據(jù)LIPS-300目前實(shí)際工作性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，LIPS-300目前有兩種工作模式分別為大推力模式(功率5 kW)和小推力模式(功率2 kW)，文章根據(jù)推力器一般工作模式即大推力模式計(jì)算邊界條件并開展分析。

熱邊界條件計(jì)算過程根據(jù)推力器氣體放電能量沉積理論編寫軟件生成。從理論出發(fā)首先需要考慮放電過程中各類能量粒子的產(chǎn)生率和損失率，從而計(jì)算各類粒子密度，并根據(jù)密度計(jì)算在不同能量沉積部件上形成的電流，最后根據(jù)電流計(jì)算出能量分布。推力器放電穩(wěn)定后能量平衡等式為：

(1)

對于主陰極和中和器發(fā)射體溫度根據(jù)Richard-Dushman公式預(yù)估，即：

(2)

根據(jù)公式(2)以及空心陰極的發(fā)射電流Ie估算出陰極發(fā)射體溫度Tcath，如圖1所示，當(dāng)發(fā)射電流達(dá)到17.6 A，反推出發(fā)射體溫度為1 821 ℃，由于發(fā)射體采用LaB6材料，需要較高的溫度才能克服逸出功并產(chǎn)生電子，參考30 cm口徑推力器較高的發(fā)射電流和前期研究者開展的空心陰極熱試驗(yàn)結(jié)果[4]，認(rèn)為結(jié)果是合適且可信的。

如圖2所示為LIPS-300大推力模式下的熱功耗計(jì)算，結(jié)果為LIPS-300總熱耗共463.24 W，其中陽極筒占345.63 W，陰極觸持、屏柵以及加速柵則分別加載剩余功耗。

根據(jù)圖2中LIPS-300熱功耗計(jì)算結(jié)果，將功率以面熱流形式加載在相應(yīng)部件表面。由于推力器實(shí)際工作參數(shù)以及真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境，是在真空環(huán)境下工作，因此只考慮熱傳導(dǎo)和輻射影響，設(shè)置推力器工作條件和空間環(huán)境溫度22 ℃，并在所有可能對外輻射的表面設(shè)置發(fā)射率以模擬真實(shí)地面試驗(yàn)。推力器加載熱邊界條件如表1所列。

圖1 空心陰極發(fā)射體溫度預(yù)估值

圖2 LIPS-300大推力模式熱功耗計(jì)算

2 推力器有限元建模

推力器模型為與真實(shí)推力器1∶ 1的PRO/E模型，使用ANSYS-Workbench有限元分析軟件開展熱學(xué)分析工作，利用PRO/E與ANSYS的接口，將結(jié)構(gòu)實(shí)體導(dǎo)入有限元軟件平臺進(jìn)行分析。

實(shí)體模型導(dǎo)入后進(jìn)行細(xì)化操作，包括各模塊的尺寸公差、連接關(guān)系、相互接觸面等，適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的布爾操作以及表面通孔、突起的修復(fù)。中和器陰極由于處于推力器外部，其對推力器內(nèi)部整體溫度分布影響微弱，主要影響推力器前外殼及接觸表面，因此在建模過程中將其忽略。其次對于柵極系統(tǒng)，真實(shí)推力器柵極表面約有17 000個小孔，在有限元模型中是無法建模并劃分網(wǎng)格的，因此在模型處理過程中將柵極小孔全部填充處理，而通過在有限元軟件中對柵極組件設(shè)置幾何透光率(加速柵為27%，屏柵為67%)等效處理為開孔狀態(tài)。

表1 LIPS-300離子推力器材料特性

如圖3所示為LIPS-300離子推力器有限元模型。

LIPS-300所加載的輻射關(guān)系、類型以及材料表面發(fā)射率如表2所列。

圖3 LIPS-300離子推力器有限元模型

表2 LIPS-300離子推力器熱輻射類型及發(fā)射率

3 熱特性分析結(jié)果

在建模完成的LIPS-300離子推力器能量沉積部位加載相應(yīng)的熱邊界條件，首先在推力器內(nèi)部、外部所有受真實(shí)固定約束處加載固定載荷，運(yùn)算過程為先運(yùn)算穩(wěn)態(tài)熱分析，其次將穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果作為輸入條件進(jìn)一步求解熱應(yīng)力分布，結(jié)果如圖4所示，受篇幅所限，僅給出最為關(guān)心的個別部件溫度分布和應(yīng)力形變位移。

圖4 推力器穩(wěn)態(tài)熱分析及熱形變仿真結(jié)果

4 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

從上述結(jié)果看出，推力器穩(wěn)態(tài)工作時內(nèi)部溫度較高，在推力器高溫薄弱環(huán)節(jié)上、下磁鋼處的溫度范圍達(dá)到了296～330 ℃的范圍，這已經(jīng)超出了推力器磁鋼的工作允許范圍。推力器若長期在此溫度下工作會嚴(yán)重影響SmCo永磁鐵的磁性能，從而影響放電性能，導(dǎo)致推力器不能正常輸出額定參數(shù)。

其次推力器內(nèi)部的放電腔即上、下陽極筒由于高溫引起的形變位移也是重要考慮因素，熱形變過大會導(dǎo)致陽極筒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重失調(diào)，從而影響推力器的放電性能。

由于推力器屬于電真空器件，工作環(huán)境為真空，因此只能考慮通過傳導(dǎo)或輻射將推力器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量引出，以達(dá)到降低內(nèi)部器件工作溫度的目的。因此增大面-面之間的輻射換熱(即提高表面紅外發(fā)射系數(shù))是可采取的措施。推力器現(xiàn)有表面均為不處理鋁本色表面，其發(fā)射率為0.16～0.18，以提高表面發(fā)射系數(shù)為目標(biāo)考慮，對推力器前后外殼內(nèi)外表面，前后屏柵筒外表面，采用提高發(fā)射率手段(提高表發(fā)射率可以采用電鍍氧化物、熱控涂層等多種方式)，將上述推力器6個表面的發(fā)射率提高至0.75～0.8之間后重新開展運(yùn)算，結(jié)果如圖5所示，僅給出關(guān)心部位的溫度分布和熱形變位移。

從比對結(jié)果來看，通過提高推力器內(nèi)外部件的表面發(fā)射率，可以有效降低推力器內(nèi)部部件溫度。推力器內(nèi)部關(guān)鍵部件的整體溫度分布得到了優(yōu)化，最為關(guān)心的磁鋼降溫幅度一般均在100 ℃左右，在某些部位降溫幅度甚至達(dá)到120 ℃左右，磁鋼溫度已經(jīng)能夠滿足工作溫度上限要求。

圖5 推力器熱設(shè)計(jì)優(yōu)化后穩(wěn)態(tài)熱分析及熱形變仿真結(jié)果

由于溫度梯度的降低，因此推力器整體熱形變位移也隨之明顯下降，對推力器工作可靠性有了大幅的提升和保障。

5 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果來看，提高推力器表面發(fā)射系數(shù)可以有效的增大推力器內(nèi)部的輻射交換熱流，從而達(dá)到降低推力器整體溫度的目的。目前雖尚未對30 cm口徑推力器開展熱試驗(yàn)，但從前期對20 cm口徑LIPS-200推力器進(jìn)行的表面處理熱試驗(yàn)結(jié)果來看，降溫幅度基本在70～80 ℃。

對于表面涂層的選擇，電鍍本色陽極化是一種簡單且有效的方式，但陽極化處理在大幅提高發(fā)射率的同時，吸收率也會隨之提高并且使得原有推力器表面鋁本色的導(dǎo)電狀態(tài)發(fā)生了改變，因此本著最大限度降低推力器內(nèi)部溫度分布的目的出發(fā)，熱設(shè)計(jì)建議為在推力器內(nèi)部部件(前、后屏柵筒)外表面可以選擇采用陽極化這一穩(wěn)定且較為簡易的工藝進(jìn)行處理，而對于推力器前后外殼外表面可以選擇導(dǎo)電多層熱控涂層鍍膜，以滿足外表面高發(fā)射率且低吸收率的需求，且不會破壞推力器外殼表面導(dǎo)電的狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

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