離子推力器束流下降原因分析

馬 林，孟 偉

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

離子推力器是電推進的一種，其特點是推力小，比沖高，廣泛應(yīng)用于空間推進任務(wù)，如航天器姿態(tài)控制、位置保持、軌道機動和星際飛行等任務(wù)[1]。離子推力器在工作啟動后，其束流隨工作時間的推移出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，并且隨時間推移趨于穩(wěn)定。由于離子推力器引出的束流與推力成正比[2]，其束流的下降，直接導(dǎo)致推力的減小，嚴重影響離子推力器的性能。

離子推力器引出束流主要與離子光學(xué)系統(tǒng)（亦稱柵極組件）、放電室推進劑流量，以及放電電流和電壓相關(guān)。柵極組件的幾何參數(shù)和加速電壓直接影響束流的大??；放電室推進劑流量不但限制了束流極限值，而且其流量的穩(wěn)定性也會引起束流的變化；放電電流大小也確定束流的大小，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，束流通常占放電電流的20%左右，而放電電壓的變化同樣會引起束流的變化。從國外文獻調(diào)研來看，目前還沒有關(guān)于離子推力器在啟動后，束流隨時間而減小的相關(guān)報道。

為了尋找引起離子推力器在工作啟動后，束流隨時間下降的原因，文章通過分析影響束流下降的6個故障因素，并通過試驗驗證，確定引起束流下降的主要原因。

1 原因分析與驗證

1.1 影響束流下降的原因

離子推力器在工作啟動后，發(fā)現(xiàn)其引出束流在2 h內(nèi)存在連續(xù)減小，特別是在前30 min內(nèi)變化顯著，如圖1所示。

圖1 推力器束流下降示意圖

通過對離子推力器引出束流在其工作啟動時，連續(xù)下降的測試數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)致推力器束流連續(xù)下降的原因有6個方面的因素。其中由于條件保障原因造成的條件事件有3個：供電電源異常（X1）、氣路漏氣（X2）及暴露大氣的影響未消除（X3）；由離子推力器本身原因造成的固有事件有3個：柵極組件固有特性（X4）、磁場固有特性（X5）及陰極固有特性（X6）。

1.2 分析與驗證

原因分析及驗證如下：

（1）供電電源異常

首先對地面電源進行了排查，沒有發(fā)現(xiàn)異常。并用測試的離子推力器進行了問題復(fù)現(xiàn)試驗，試驗結(jié)果基本符合。由此確認供電源處于正常狀態(tài)。

（2）氣路漏氣

在進行問題復(fù)現(xiàn)試驗前，對試驗設(shè)備真空室內(nèi)氣路管路進行仔細的檢漏，確認管路不存在漏點后開展試驗，束流下降問題得到了復(fù)現(xiàn)。并采用2臺推力器進行試驗都出現(xiàn)這種現(xiàn)象，初步分析氣路漏氣的可能性較小。由此確認氣路不漏氣。

（3）離子推力器暴露大氣的影響未消除

為了消除大氣影響的測試，進行了專項試驗。試驗中，采用離子推力器、星用PPU電源和地面供氣系統(tǒng)進行。先對中和器和陰極通氙氣1 h，同時抽空排氣；中和器和陰極再用小電流預(yù)熱1 h；然后在陽極小電流下，放電起弧1 h。在離子推力器完成了消除暴露大氣影響的預(yù)處理后，進行了4次室溫啟動工作3 h試驗，如圖2所示?？煽闯鳇c火啟動試驗束流變化的重復(fù)性較好，由此認為已消除了大氣的影響。

（4）柵極固有特性的影響

柵極組件對束流的影響分為雙柵間距的熱形變和柵極孔徑的熱形變。雙柵間距變大將導(dǎo)致束流減??；柵極孔徑變大使放電室中氣體密度減小，導(dǎo)致束流的減小。

圖2 離子推力器室溫啟動3 h點火啟動試驗束流特性

a.雙柵間距熱形變對束流的影響

初步估算離子推力器工作從室溫到熱平衡時，柵極組件雙柵間距的變化對束流的影響，如圖3所示。束流與雙柵間距為單調(diào)減的關(guān)系。

圖3 離子推力器柵極組件雙柵間距對束流的影響

造成雙柵間距變化的因素有2種，一種是溫度變化時，屏柵與加速柵間支撐高度隨溫度變化，使雙柵間距變化，離子推力器從室溫工作2 h，由于屏柵與加速柵間支撐高度隨溫度升高而增大，使雙柵間距變大。因此，離子推力器從室溫工作到熱平衡時，柵極組件雙柵間距使束流減小了3 mA，如圖3所示；另一種是由于屏柵和加速柵溫度分布不均勻，造成雙柵間距變化，離子推力器從室溫工作2 h，內(nèi)側(cè)屏柵溫度高于外側(cè)加速柵溫度，使雙柵間距變小。

b.柵極孔徑熱形變對束流的影響

在放電室流量一定時，放電室氣體密度與柵極組件氣體流導(dǎo)成反比，初步估算時可近似認為束流與放電與柵極組件氣體流導(dǎo)成反比。離子推力器從室溫工作2 h，加速柵平均溫度變化140℃，使加速柵極小孔直徑增大，致使小孔氣體流導(dǎo)率增大，使束流減小約1 mA。

（5）磁場固有特性影響的排查

離子推力器啟動后，推力器放電室磁路磁鐵溫度將逐漸上升并趨于平衡，由于磁鐵的剩磁溫度系數(shù)和內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)不為0，因此，放電室磁場將隨溫度變化而變化，與此對應(yīng)的放電電流也將變化，引起束流變化，熱平衡過渡時間通常約3 h。離子推力器熱平衡實驗證明：推力器由室溫到熱平衡，磁場變化對束流的影響不超過1%。

（6）陰極固有特性的影響

為了驗證陰極發(fā)射性能的熱效應(yīng)對束流的影響，進行了使離子推力器整體處于熱平衡狀態(tài)引束流的試驗。試驗中，陰極及中和器點火啟動成功后，維持放電室處于放電狀態(tài)而不引出束流，持續(xù)工作3 h，當離子推力器整體巳基本達到熱平衡狀態(tài)時，引出束流。束流隨時間變化，如圖4所示，圖中曲線1~3為離子推力器室溫下啟動直接引束流的結(jié)果，曲線4～6為離子推力器放電3 h后，再引束流的3次試驗結(jié)果。

圖4 放電室放電3 h后引束流與工作啟動引束流的比較

由圖4可以看出，當推力器工作3 h后，引出的束流仍然下降約50 mA。在離子推力器整體處于熱平衡狀態(tài)，即磁場和機械熱變已處于穩(wěn)定，束流下降認為是由陰極發(fā)射體熱效應(yīng)造成的。試驗驗證了陰極固有特性對束流下降的影響。

2 分析定位

通過上述驗證分析可得：

（1）供電電源異常、氣路漏氣及暴露大氣的影響未消除等原因可以被排除；

（2）因離子推力器工作時間2 h，柵極組件熱效應(yīng)使柵間距和柵孔徑變化，使束流減小4 mA，約占工作時間2 h束流下降總值的6%，故柵極組件固有特性是造成束流下降的原因之一，但影響??；

（3）因離子推力器工作時間2 h，磁場固有的熱效應(yīng)特性使束流減小8 mA，約占工作時間2 h束流下降總值的12%，故磁場固有特性是造成束流下降的原因之一，但影響??；

（4）離子推力器工作時間2 h，陰極固有特性使束流下降約51 mA，約占工作時間2 h束流下降總值的81%。因此，陰極固有特性的影響是引起束流下降的主要因素。

3 結(jié)論

通過對離子推力器束流下降原因的分析，經(jīng)過建立故障樹，并對底事件進行排查驗證，分析定位，得到引起離子推力器束流下降因素有：

（1）柵極組件的熱效應(yīng)引起柵間距和柵孔徑的變化；

（2）磁鐵的熱效應(yīng)引起磁場變化；

（3）陰極固有特性。

其中陰極固有特性是引起束流下降的主要因素，柵極組件和磁鐵也能引起束流下降，但是影響小，不是主要因素。

[1]鄭茂繁，江豪成，張?zhí)炱?，?離子推進器熱特性測試與分析[J].真空與低溫，2011，17（2）：96-100.

[2]鄭茂繁，江豪成.離子推進器性能評價方法[J].真空與低溫，2012，18（4）：223-227.