霍爾推力器加速通道－空心陰極耦合區(qū)物理研究進(jìn)展

孟天航，寧中喜，于達(dá)仁

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，能源科學(xué)與工程學(xué)院，150001哈爾濱)

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霍爾推力器加速通道－空心陰極耦合區(qū)物理研究進(jìn)展

孟天航，寧中喜，于達(dá)仁

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，能源科學(xué)與工程學(xué)院，150001哈爾濱)

摘要:重點(diǎn)介紹霍爾推力器耦合區(qū)物理過(guò)程的研究現(xiàn)狀．霍爾推力器的耦合區(qū)連接陰極與通道內(nèi)等離子體，控制通道入口電子參數(shù)，也通過(guò)耦合環(huán)境影響陰極自身的電子發(fā)射特性．由于耦合區(qū)處于推力器外部的負(fù)梯度弱磁場(chǎng)區(qū)，導(dǎo)致耦合區(qū)發(fā)生的物理過(guò)程十分復(fù)雜．分別從種子電子向通道內(nèi)傳導(dǎo)、羽流中和過(guò)程、等離子體橋電子的E×B漂移和耦合環(huán)境中的陰極放電等方面討論了耦合區(qū)的參數(shù)分布和影響因素，總結(jié)了耦合區(qū)的特點(diǎn)，指出了目前研究的難點(diǎn)與不足，并對(duì)后續(xù)研究給出了建議．

關(guān)鍵詞:霍爾推力器;空心陰極;耦合; E×B放電;電子傳導(dǎo)

霍爾推力器由陶瓷加速通道和外部的空心陰極兩部分構(gòu)成，二者是一直以來(lái)研究的重點(diǎn)．加速通道與陰極之間還存在一個(gè)區(qū)域，負(fù)責(zé)二者的電荷與能量交換，稱為耦合區(qū)．近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)物理過(guò)程也會(huì)影響整體性能．特別是陰極安裝位置和角度，對(duì)推力器性能有較顯著的影響．已見(jiàn)報(bào)的測(cè)試結(jié)果中，推力增量最大達(dá)到25 mN(6 kW推力器)，效率增加5%，比沖增量70 s［1］．物理層面上，該區(qū)域內(nèi)的電子傳導(dǎo)路徑、壓降形成機(jī)理、振蕩模式等與霍爾推力器尚未解決的異常電子傳導(dǎo)、陰極異常腐蝕等問(wèn)題有著密切的聯(lián)系，相關(guān)機(jī)制需要深入研究．

耦合區(qū)早期的研究主要是為了優(yōu)化陰極安裝位置，許多單位做了大量的枚舉法試驗(yàn)［1－12］，希望得到一個(gè)普適性結(jié)論．但研究結(jié)果表明，不同的推力器最優(yōu)安裝位置及角度并不相同．例如，有的推力器最優(yōu)位置在外磁極邊緣，最優(yōu)安裝角為平行于推力器軸線［2］;有的則在盡可能遠(yuǎn)處，45°角安裝［1］;還有的在中間位置［13］．此外，還發(fā)現(xiàn)了陰極位置和推力偏心［14］、陰極腐蝕［15］和推力器電磁波譜［16－20］等存在復(fù)雜關(guān)系．從這些非單調(diào)的趨勢(shì)可以看出，陰極的安裝位置并不是簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)近或內(nèi)置外置的問(wèn)題，而是與陰極當(dāng)?shù)氐拇艌?chǎng)、離子束流如何匹配的問(wèn)題［21－26］．安裝位置的優(yōu)化方法，還是應(yīng)該回歸耦合區(qū)E×B放電物理過(guò)程的研究．然而，由于以往推力器和陰極在設(shè)計(jì)時(shí)很少關(guān)注二者交界區(qū)的問(wèn)題，導(dǎo)致目前耦合區(qū)物理盲點(diǎn)較多，許多現(xiàn)象還無(wú)法解釋?zhuān)?/p>

本文介紹耦合區(qū)的研究現(xiàn)狀，回顧和分析取得的重要研究結(jié)論，總結(jié)遇到的主要問(wèn)題，并對(duì)需要繼續(xù)關(guān)注的問(wèn)題給出建議．

1　霍爾推力器耦合區(qū)物理過(guò)程分析

圖1　等離子體橋亮線

從幾何上劃分，耦合區(qū)一般是指陰極出口和通道出口之間的等離子體區(qū)域．該區(qū)域中，陰極發(fā)射出的電子束在磁場(chǎng)作用下彎曲，形成從陰極出口連接至內(nèi)磁極端面上的一條亮線(圖1) ;同時(shí)，在E× B場(chǎng)中進(jìn)行漂移，形成一個(gè)扇面結(jié)構(gòu)(圖2)．該發(fā)光扇面是通常所稱的等離子體橋，它是電子傳導(dǎo)至通道內(nèi)和羽流下游的主要通道．

圖2　等離子體橋扇面

與等離子體橋相關(guān)的電子軌跡十分復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)的做法是統(tǒng)計(jì)電子的分布和波動(dòng)特性．該區(qū)域可歸納出:電子向通道內(nèi)傳導(dǎo)，羽流中和過(guò)程，等離子體橋電子的E×B漂移以及耦合環(huán)境中的陰極放電等4個(gè)過(guò)程．首先介紹等離子體參數(shù)分布，包括電子密度和電子溫度的分布，之后簡(jiǎn)述相關(guān)影響因素的研究結(jié)果．

1．1種子電子向通道內(nèi)傳導(dǎo)

1．1．1參數(shù)分布

Khartov［27］等發(fā)現(xiàn)，電子在陰極出口處密度最高，等效電子溫度最低，在靠近通道出口或向羽流下游遷移過(guò)程中等效電子溫度會(huì)逐漸升高．電子能量分布(EEDF)從麥?zhǔn)戏植贾饾u變?yōu)榉躯湻植?，快電子組分逐漸增加，如圖3所示．

圖3　不同位置處的電子溫度分布函數(shù)［27］

1．1．2影響因素分析

種子電子的傳導(dǎo)過(guò)程受振蕩、壁面碰撞和陰極位置影響較大．Smith等［28］對(duì)近場(chǎng)區(qū)電子軌跡進(jìn)行了蒙特卡洛模擬，結(jié)果(表1)表明，外磁極壁面處碰撞、磁場(chǎng)不對(duì)稱性和庫(kù)倫碰撞會(huì)增強(qiáng)種子電子向通道內(nèi)傳導(dǎo)．耦合區(qū)內(nèi)可測(cè)得的螺旋振蕩也有相似的作用，從該模擬可以看出，電子的擴(kuò)散系數(shù)在螺旋振蕩算例中有所增加，但其機(jī)理還不明確．有觀點(diǎn)認(rèn)為［29－30］，是螺旋振蕩所產(chǎn)生的周向電場(chǎng)漂移Eφ×B增強(qiáng)了種子電子的傳導(dǎo)．此外，還發(fā)現(xiàn)種子電子電流值對(duì)陰極位置、角度和發(fā)射的電子電流擴(kuò)散角十分敏感．這些參數(shù)微小的調(diào)節(jié)會(huì)引起種子電子電流值劇烈的變化．

Raitses等［31］發(fā)現(xiàn)，種子電子和中和電子的傳導(dǎo)過(guò)程還與真空背壓有關(guān)．過(guò)去一直認(rèn)為真空背壓主要提供粒子反流．而Raitses認(rèn)為，背壓還影響種子電子傳導(dǎo)的阻抗．背壓升高，碰撞頻率增高，傳導(dǎo)阻抗減小，有利于減小耦合電壓，提高電壓利用率．在其實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，背壓超過(guò)某一臨界，耦合區(qū)內(nèi)的螺旋振蕩會(huì)消失．

此外，Alberede等［32］還觀察到通道出口空間電勢(shì)、電子密度跟隨羽流離子密度波動(dòng)而波動(dòng)的現(xiàn)象．Alberede認(rèn)為，當(dāng)離子密度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的陰極與出口間電勢(shì)分布會(huì)改變，使陰極發(fā)射的電子具有不同的作用:離子密度谷值來(lái)臨時(shí)，相應(yīng)的會(huì)有一部分電子作為種子電子向陽(yáng)極傳導(dǎo);但離子密度峰值來(lái)臨時(shí)，陰極發(fā)射的電子主要用于中和這部分離子．

表1　種子電子電流影響因素?cái)?shù)值模擬結(jié)果［28］

1．2羽流中和過(guò)程

1．2．1參數(shù)分布

Alberede的研究［32］引出了一個(gè)暗含的問(wèn)題:種子電子和中和電子是否有交界? Morozov等［33］曾提出“中和機(jī)制轉(zhuǎn)換區(qū)域”的概念:該區(qū)域中離子由被閉環(huán)漂移的電子中和轉(zhuǎn)換成被陰極發(fā)射的電子中和．但當(dāng)時(shí)并未找到直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)．

如果假設(shè)閉環(huán)漂移電子向陽(yáng)極遷移，而中和電子向羽流遷移，則該轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)?huì)是電子電流的分流區(qū)域．可以通過(guò)分析電子分流過(guò)程，來(lái)近似表征中和機(jī)制的轉(zhuǎn)換過(guò)程．

近年有一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象似乎是分流過(guò)程的痕跡．首先，Bugrova等［34］與Bacal等［35］的研究表明，通道內(nèi)與通道外電子凈通量方向相反．從電荷守恒角度，需要存在一個(gè)電子注入?yún)^(qū);從速度場(chǎng)連續(xù)性角度，需要存在一個(gè)零凈通量區(qū)．陰極出口區(qū)電子的流線分布［36］見(jiàn)圖4．

圖4　耦合放電近陰極區(qū)825 nm光強(qiáng)分布［36］

耦合區(qū)內(nèi)阻抗(與陰極負(fù))軸向分布［37］見(jiàn)圖5．由4、5可以看出，陰極羽流確實(shí)發(fā)生了分流過(guò)程．特別是通道與近場(chǎng)區(qū)模擬出的電子流線分布［38］(圖6)顯示，存在電子通量散度大于零的區(qū)域．

圖5　等離子體橋軸向阻抗分布［37］

圖6　通道與近場(chǎng)區(qū)電子通量分布［38］

中和過(guò)程一直延伸至遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)．Sekerak等［39］所測(cè)量的參數(shù)分布中，空間電勢(shì)從出口向外逐漸下降，電子溫度逐漸降低;電子數(shù)密度顯示，羽流會(huì)逐漸向中軸線聚攏．此外，羽流中電子具有較強(qiáng)的定向性，宏觀速度與離子束流方向基本一致．Bacal［35］認(rèn)為，陰極中和離子束流過(guò)程中會(huì)從后者獲得能量．

1．2．2影響因素分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量到近場(chǎng)區(qū)存在多種振蕩．這些振蕩會(huì)影響電導(dǎo)特性，從而影響中和過(guò)程．例如，1．1．2節(jié)已經(jīng)敘述的電位和電子密度跟隨離子浪涌呈周期性變化．除了這種由于低頻振蕩引起的軸向離子浪涌以外，Knoll等［40］還測(cè)量到周向1～10 MHz的螺旋振蕩、周向80～100 MHz的螺旋振蕩、軸向1～5 MHz離子振蕩(圖7)，甚至是2．2～2．4 GHz的振蕩(圖8)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)周向16～28 kHz的螺旋振蕩［39，41］．伴隨這些振蕩，Dannenmayer等［42］測(cè)量到EEDF，特別是高能尾部的組分會(huì)周期性增減．高能尾部周期性增減對(duì)加速通道內(nèi)的深層次影響還不清楚．

圖7　近場(chǎng)區(qū)離子電流振蕩頻率與α角的關(guān)系［40］

圖8　近場(chǎng)區(qū)離子電流振蕩頻譜［40］

WU和Walker等［13］發(fā)現(xiàn)，陰極位置對(duì)中和過(guò)程影響也很大．實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量到推力器羽流電位高于殼體兩翼磁感線包絡(luò)區(qū)的電位．Walker認(rèn)為，中和電子需要跨越兩翼的磁感線去中和離子束流，其路徑看似與推力器內(nèi)部無(wú)關(guān)，但沿程碰撞引起的振蕩最終會(huì)被耦合進(jìn)電源中，從而影響推力器性能．因此，陰極在外磁路中的位置會(huì)影響中和電子的路徑，從而影響放電穩(wěn)定性．

1．3等離子體橋電子的E×B漂移

1．3．1參數(shù)分布

與霍爾推力器等漂移假設(shè)不符，耦合區(qū)表現(xiàn)出比較明顯的周向不均勻性．Khartov等［27］的實(shí)驗(yàn)中，電子溫度在周向上不均勻，在陰極通道圓周上的對(duì)頂點(diǎn)處電子溫度比陰極出口高．Smith［30］的模擬中，電子密度在等離子體橋E×B漂移下游1/4π～1/2π范圍內(nèi)較高(圖9)．與之對(duì)應(yīng)的是該圓周角范圍內(nèi)較低的離子通量［43］(圖10)，以及朝向陰極的離子速度分量［14］．目前，尚不清楚這種周向不對(duì)稱性會(huì)對(duì)霍爾推力器放電過(guò)程產(chǎn)生哪些深層次的影響．

圖9　通道出口(r，φ)平面電子密度的分布［30］

圖10　(0，π)圓周角內(nèi)羽流離子通量分布［43］

1．3．2影響因素分析

E×B漂移過(guò)程與很多參數(shù)有關(guān)．首先，耦合區(qū)的周向不對(duì)稱性與陰極流量有關(guān)，流量較大時(shí)，偏陰極一側(cè)離子通量較大［36］(圖11)．其次，通道出口處電子密度的周向?qū)ΨQ性受放電電壓影響較大，通道出口處的單探針測(cè)量表明，電壓升高，近陰極區(qū)電子溫度升高，且周向更不均勻［27］．此外，周向?qū)ΨQ性與勵(lì)磁電流的正反有關(guān)，推力器勵(lì)磁電流反向前后，可以肉眼觀察到等離子體橋扇面也反向做E×B漂移，與此同時(shí)通道束流也一定程度上發(fā)生了偏斜［37］(圖12)．最后需要指出，周向不均勻性不單指等離子體橋漂移扇面引起的不對(duì)稱，還包括由于振蕩引起的密度與電位的周向塊區(qū)(圖13)．實(shí)驗(yàn)中這些振蕩的色散關(guān)系比較雜亂，已知的驅(qū)動(dòng)因素有電離［44］、磁場(chǎng)梯度［45］，甚至是電子混合過(guò)程［33］，且仍在不斷挖掘．

圖11　耦合區(qū)陰極所在(r，z)平面內(nèi)525 nm光強(qiáng)分布［36］

圖12　磁場(chǎng)反向前后羽流離子電流徑向分布［37］

1．4耦合環(huán)境中的陰極放電

實(shí)驗(yàn)表明陰極放電特性受耦合環(huán)境(如磁場(chǎng)、電場(chǎng)和背壓等)影響較大．已有研究結(jié)果包括:磁場(chǎng)降低了三極管放電的電壓(圖14)，改變了內(nèi)腔放電氣壓［25］(圖15)，將陰極電勢(shì)降內(nèi)的電位振蕩幅值減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)［23］，并降低了陰極羽流內(nèi)離子的速度［46］(圖16)．這些現(xiàn)象充分體現(xiàn)了有磁場(chǎng)的陰極放電特性與三極管放電的差異性．陰極外部供氣后推力器推力增大［10］(圖17)，又說(shuō)明近陰極區(qū)物理過(guò)程的干預(yù)會(huì)對(duì)下游產(chǎn)生影響．因此，在研究耦合區(qū)內(nèi)物理過(guò)程時(shí)，掌握耦合場(chǎng)中陰極電子源的特性是必要的．

圖13　推力器通道內(nèi)電位周向分布模擬結(jié)果［38］

圖14　軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)陰極放電電壓的影響［25］

圖15　軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)陰極內(nèi)腔氣壓的影響［25］

圖16　磁場(chǎng)對(duì)陰極出口區(qū)離子速度分布的影響［46］

圖17　陰極出口噴冷氣對(duì)推力器推力的影響［10］

2　耦合區(qū)參數(shù)分布特點(diǎn)總結(jié)

本文介紹了霍爾推力器－陰極耦合區(qū)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了耦合區(qū)參數(shù)分布特點(diǎn)和已發(fā)現(xiàn)的影響因素．耦合區(qū)有如下幾個(gè)特點(diǎn):

1)軸不對(duì)稱性．把三維物理過(guò)程視為軸對(duì)稱是霍爾推力器的一個(gè)基礎(chǔ)性假設(shè)．耦合區(qū)可能是唯一一個(gè)不滿足該假設(shè)的區(qū)域．

2)近壁面過(guò)程的貢獻(xiàn)較?。c加速通道和陰極不同，耦合區(qū)幾乎是一個(gè)開(kāi)放的空間，缺乏壁面約束，因此相對(duì)于等離子體－壁面相互作用，一些不穩(wěn)定性的影響更加突出［47］．

3)動(dòng)力學(xué)特征．電子從陰極發(fā)射之后，經(jīng)歷了由麥?zhǔn)戏植肌⒏飨蛲韵蚍躯湻植?、各向異性過(guò)渡的過(guò)程，導(dǎo)致使用普通的流體或是粒子方法描述耦合區(qū)都有可能失準(zhǔn)，正如噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在近陰極區(qū)遇到的困難一樣［48－50］．

3　展望

3．1物理層面

耦合區(qū)的研究已經(jīng)進(jìn)入到了電子傳導(dǎo)層面，但耦合區(qū)的特殊性導(dǎo)致該區(qū)域很難直接套用加速通道內(nèi)部或空心陰極內(nèi)部的成熟結(jié)論．又由于以往不太重視這種交界區(qū)的問(wèn)題，導(dǎo)致許多現(xiàn)象還缺乏合理的解釋?zhuān)槍?duì)已發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，但不僅限于這些現(xiàn)象，建議在物理層面上，未來(lái)研究應(yīng)關(guān)注如下問(wèn)題:

1)陰極電子源在耦合環(huán)境中的特性．陰極處于電子傳導(dǎo)的源頭，它下游物理過(guò)程的描述需要陰極特性作為鋪墊．以往陰極設(shè)計(jì)不考慮這些問(wèn)題，相關(guān)機(jī)理認(rèn)識(shí)還很有限．

2)耦合區(qū)內(nèi)振蕩的成因及影響．以往研究振蕩問(wèn)題多集中在加速通道內(nèi)部，對(duì)出口以外的振蕩問(wèn)題，例如近陰極區(qū)振蕩［51］、微波輻射［30，33］、對(duì)整體動(dòng)力學(xué)的影響［32，，46］等問(wèn)題，還沒(méi)有深入討論過(guò)．

3)周向不對(duì)稱性的影響．漂移扇面的周向不對(duì)稱性可能引發(fā)的連鎖反應(yīng)，例如對(duì)加速通道內(nèi)部對(duì)稱性的影響以及對(duì)振蕩的貢獻(xiàn)［52］等，還未評(píng)估過(guò)．

4)適應(yīng)耦合區(qū)的研究手段．包含非接觸式診斷方法、瞬態(tài)測(cè)量方法以及適合耦合區(qū)特點(diǎn)的模型和算法．

3．2工程層面

在實(shí)際工程應(yīng)用層面上，建議留意如下問(wèn)題:

1)大型推力器的耦合區(qū)優(yōu)化．大推力器加速通道和陰極的關(guān)鍵尺寸、工作特性和主導(dǎo)效應(yīng)與中小推力器存在較大差異［53－54］，可能需要單獨(dú)研究大型推力器的耦合問(wèn)題．

2)壽命后期耦合問(wèn)題．壽命后期加速通道與陰極工作特性的漂移，可能在后期伴生出新的物理效應(yīng)［55－56］，相關(guān)的認(rèn)識(shí)有助于進(jìn)一步了解壽命演化過(guò)程．

3)微波輻射問(wèn)題．了解耦合區(qū)微波輻射的發(fā)射特性，有助于減小霍爾推力器對(duì)航天器整體的通訊干擾．

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(編輯楊波)

Research status of physics in the coupling area between hall thruster acceleration channel and hollow cathode

MENG Tianhang，NING Zhongxi，YU Daren
(Harbin Institute of Technology，School of Energy Science and Engineering，150001 Harbin，China)

Abstract:This article introduced the research status of the physics of coupling zone in Hall thrusters．The coupling zone is the area that links hollow cathode and Hall thruster channel．It determines the electron parameters on the inlet of the channel and the discharge characteristics of the hollow cathode．With negative-gradient weak magnetic field in this area，the local physics are highly complicated．The article chose four different facets to discuss the parameter distribution and influencing factors of this area: the transport of seed electrons towards the anode，the process of ion beam neutralization，the E×B drift of plasma bridge electrons and the hollow cathode discharge in coupling environment．By summarizing the characteristics of this area，the difficulties and shortcomings of current studies were analyzed and suggestions for further studies were given．

Keywords:hall thruster; hollow cathode; coupling; E×B discharge; electron transport

通信作者:于達(dá)仁，yudaren@ hit．edu．cn．

作者簡(jiǎn)介:孟天航(1989—)，男，博士研究生;于達(dá)仁(1966—)，男，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授．

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(61571166)．

收稿日期:2015－11－23．

doi:10．11918/j．issn．0367-6234．2016．01．002

中圖分類(lèi)號(hào):O539，V439

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367－6234(2016) 01－0013－08