離子推力器碳基材料柵極研究進(jìn)展

郭德洲，顧　左，鄭茂繁，楊福全，孔令軒

（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）

離子推力器碳基材料柵極研究進(jìn)展

郭德洲，顧左，鄭茂繁，楊福全，孔令軒

（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）

柵極組件是離子推力器的關(guān)鍵部組件之一，直接影響推力器的性能和壽命。相比傳統(tǒng)金屬鉬，碳基材料具備較低的熱膨脹系數(shù)和較強(qiáng)的耐離子濺射性，是離子推力器柵極組件的理想材料，可以有效提高推力器的壽命和可靠性，碳基材料柵極組件已被國(guó)外先進(jìn)離子推力器廣泛采用。在調(diào)研國(guó)外碳基材料柵極研制過程的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)碳基材料研制水平，針對(duì)目前我國(guó)離子推力器的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展部署，提出開展碳基材料柵極組件制造的初步建議。

離子推力器；柵極；碳-碳復(fù)合材料；熱解石墨

0　引言

離子推力器與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在執(zhí)行衛(wèi)星平臺(tái)的南北位保和星際航行的主推進(jìn)等空間任務(wù)中得到應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是低推力、高比沖、推力可精確調(diào)節(jié)［1-2］。柵極組件是離子推力器的重要組成部分，其主要功能是聚焦并加速放電室工質(zhì)氣體電離后產(chǎn)生的離子。離子束引出過程直接關(guān)系到離子推力器的推力、比沖、效率等性能參數(shù)。

離子推力器放電室離子電離過程中產(chǎn)生大量熱量，柵極將經(jīng)歷高溫環(huán)境，受熱后會(huì)產(chǎn)生熱形變，柵孔對(duì)準(zhǔn)性變差，嚴(yán)重時(shí)可引起柵極短路及破壞；放電室下游區(qū)域存在CEX離子，對(duì)于雙柵離子推力器，速度較小的CEX離子易被帶負(fù)電位的加速柵吸引，大部分具有足夠的能量對(duì)加速柵材料造成濺射腐蝕。對(duì)于目前使用較多的鉬、鈦柵極而言，若要規(guī)避上述危害，柵間距和柵極厚度就要增大，這將降低柵極組件離子引出能力，進(jìn)而降低推力器性能。

隨著離子推力器空間應(yīng)用需求的不斷提高，柵極組件在高束流密度和高比沖下具備更好的熱穩(wěn)定性和耐濺射能力的需求愈加顯得迫切。由于碳具備熱膨脹系數(shù)小、離子濺射系數(shù)低等優(yōu)異特點(diǎn)，具備作為理想柵極材料的綜合潛質(zhì)。因此，國(guó)外離子推力器研究機(jī)構(gòu)歷經(jīng)數(shù)十年，從材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證等方面著手研究，最終確定碳-碳復(fù)合材料（C-C）和熱解石墨（PG）是較為理想的柵極材料（文中碳基材料特指這兩種材料），可以有效的提高推力器熱穩(wěn)定性和壽命［3-5］。文章在總結(jié)國(guó)外碳基材料柵極研制情況的基礎(chǔ)上，提出了開展碳基材料柵極研究的建議。

1　碳-碳復(fù)合材料柵極

1.1SIT-15離子推力器

SIT-15推力器設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過組合若干個(gè)小口徑SIT-15推力器，以滿足高功率、高比沖和大推力的空間推進(jìn)任務(wù)。Mueller等［6-7］針對(duì)SIT-15推力器開展C-C復(fù)合材料平面柵極制備，采用DuPont E55碳纖維單向預(yù)浸碳布研制了15 cm三柵SAND （Screen-Accelerator-Negative Decelerator）結(jié)構(gòu)，其中屏柵采用6層碳布呈［0°/+60°/-60°/-60°/+60°/0°］角度壓合而成，厚度為0.50 mm，采用電火花（EDM）開孔；加速柵和減速柵由兩層屏柵壓合而成，采用機(jī)械方式開孔，三柵都經(jīng)過化學(xué)氣相滲透（CVI）法致密化處理。同時(shí)，對(duì)柵極組成成分比例和壓合角度進(jìn)行了討論，如表1所列，提升碳纖維的質(zhì)量和體積比例，拉伸強(qiáng)度和模量、彎曲強(qiáng)度和模量得到明顯提升，達(dá)到鉬的80%左右。與Garner［8］和Meserole［9］采用的編織結(jié)構(gòu)相比，如表2所列，顯然多層單向預(yù)浸碳布?jí)汉戏绞街苽鋿艠O更優(yōu)。

表1　柵極組成成分比例和強(qiáng)度、模量

表2　不同結(jié)構(gòu)C-C柵的強(qiáng)度和模量對(duì)比

此外，柵極安裝環(huán)采用G540石墨，安裝環(huán)與柵極之間使用滑石石瓷（MgO-SiO2）進(jìn)行絕緣。經(jīng)700 h考核試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):試驗(yàn)中束流引出穩(wěn)定，導(dǎo)流系數(shù)小于金屬鉬柵，這是由于加速柵和減速柵加厚導(dǎo)致；試驗(yàn)后加速柵小孔孔徑增大60～70μm，加速和減速柵質(zhì)量減少0.1～0.25 g。

1.2NSTAR離子推力器

NSTAR成功在DS-1航天器上得到應(yīng)用，完成對(duì)Braille小行星和Borelly彗星的探測(cè)任務(wù)。為滿足下一步更高壽命的空間探測(cè)任務(wù)需求，Brophy等［10］在前期SIT-15推力器C-C復(fù)合材料柵極的研制基礎(chǔ)上，針對(duì)NSTAR離子推力器進(jìn)一步研制了30 cm SAND球面柵。與上述SIT-15推力器使用石墨柵極安裝環(huán)不同的是，安裝環(huán)由AmocoT300碳纖維和SC1008酚醛樹脂加工而成。同時(shí)采用Mueller提到的［0°/+60°/-60°］S層合結(jié)構(gòu)、碳纖維比重和體積比例，以保證強(qiáng)度和模量。三柵厚度均為0.46 mm，小孔都采用500 W的CO2激光器加工，激光加工完成后結(jié)果發(fā)現(xiàn)柵極拱高比設(shè)計(jì)值要小，并且屏柵和加速柵的偏差不一致，造成柵極之間的不匹配，無法調(diào)節(jié)間距，經(jīng)測(cè)試流導(dǎo)受加工幾何形變影響變差。

在美國(guó)制定的CBIO（Carbon Based Ion Optics）計(jì)劃下［11］，2003年JPL對(duì)NSTAR C-C柵進(jìn)行了局部改進(jìn)解決制造中形變問題［4］，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1所示，并采用熱處理方法來調(diào)節(jié)屏柵極和加速柵極的曲率半徑。柵極組件通過9.1 grms隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)［12］，振動(dòng)試驗(yàn)前后束流引出基本一致。并后續(xù)進(jìn)行了1 000 h試驗(yàn)以確定耐離子濺射腐蝕能力［13］，試驗(yàn)中柵極性能穩(wěn)定，導(dǎo)流能力略有減小，試驗(yàn)后柵極組件未發(fā)生故障，加速柵腐蝕仍然為點(diǎn)槽特征，斑點(diǎn)測(cè)量最大腐蝕率為27μm/khr（相同工況下鉬柵斑點(diǎn)最大腐蝕率為186μm/khr）。

圖1　CBIO計(jì)劃C-C柵極組件示意圖

1.3NEXIS離子推力器

NEXIS是現(xiàn)有離子推進(jìn)NSTAR的擴(kuò)比改進(jìn)型，目標(biāo)為長(zhǎng)壽命、高功率、高比沖電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行外太陽(yáng)系大規(guī)?？茖W(xué)探測(cè)。Beatty等［14］針對(duì)20 kW NEXISDM離子推力器樣機(jī)研制了57 cm大直徑CC球面雙柵組件，柵極使用P30X碳纖維和酚醛樹脂制成，安裝環(huán)使用T300碳纖維和酚醛樹脂制成，碳布呈［0°/+60°/-60°/-60°/+60°/0°］ns夾角層合而成，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法致密化處理。此外，采用激光變透明度設(shè)計(jì)開孔，如圖2所示。屏柵透明度控制在±0.6%波動(dòng)范圍內(nèi)；加速柵透明度控制在±0.25%波動(dòng)范圍內(nèi)。經(jīng)測(cè)試證明該設(shè)計(jì)使得雙柵小孔同軸對(duì)準(zhǔn)度提高0.13 mm，柵間距穩(wěn)定性在5%以上。柵極組件通過10.0 grms隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)［15］，試驗(yàn)前后柵孔對(duì)準(zhǔn)性和柵間距基本一致。后續(xù)經(jīng)過大量束流引出試驗(yàn)和2 000 h考核試驗(yàn)后，柵極組件完好，推力器性能達(dá)到設(shè)計(jì)值且穩(wěn)定［16］。

圖2　57 cm C-C柵變透明度設(shè)計(jì)圖（a）屏柵；（b）加速柵

2　熱解石墨柵極

2.1NSTAR離子推力器

Haag等［17-18］在前期研制8 cm PG平面柵的基礎(chǔ)上，于2003年針對(duì)NSTAR推力器研制了30 cm PG球面雙柵結(jié)構(gòu)，安裝環(huán)同樣由PG制成。柵極尺寸與DS-1所使用的30 cm推力器（鉬柵）相同，小孔由機(jī)械方式加工。柵極組件組裝測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在離中心1/2半徑處存在柵間距變小的問題。不同工況與鉬柵對(duì)比試驗(yàn)表明:離子引出穩(wěn)定，束流小于金屬鉬柵；對(duì)離子的有效透明度較低；阻止電子返流能力較鉬柵強(qiáng)，如圖3所示。2004年在NSTAREMT1C上進(jìn)行了9.2 grms驗(yàn)收級(jí)（參照DS-1）隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)［19］，振動(dòng)后結(jié)構(gòu)完好。

圖3　PG柵和鉬柵性能對(duì)比曲線圖

2.2T6離子推力器

英國(guó)針對(duì)BepiColombo水星探測(cè)任務(wù)研制的T6離子推力器，早先采用的是22 cm金屬鉬SAND球面結(jié)構(gòu)，后續(xù)于2007年改為雙柵結(jié)構(gòu)［20］，提高柵極組件結(jié)構(gòu)可靠性，屏柵仍采用鉬柵，加速柵極改為PG柵，厚度提至1.2 mm，給濺射腐蝕留有裕量，加速柵柵孔采用計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)（CNC）機(jī)械加工。此外，柵極組件采用柔性安裝結(jié)構(gòu)，以降低鉬、PG和安裝環(huán)三者不同的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致的變形問題。經(jīng)地面引出測(cè)試，束流和推力達(dá)到設(shè)計(jì)值［21］；長(zhǎng)壽命考核結(jié)果，如圖4所示，加速柵腐蝕最大深度為0.033 mm （6 056 h），理論壽命可以勝任BepiColombo和Alpha-Bus空間任務(wù)。

圖4　T6PG離子推力器加速柵腐蝕測(cè)量結(jié)果曲線圖

2.3HIPEP離子推力器

HIPEP離子推力器用于木星月星探測(cè)任務(wù)（JIMO），高功率和長(zhǎng)壽命是首要需求。鉬柵不能滿足高束流密度下引出的嚴(yán)格要求，為此，F(xiàn)oster等［22］針對(duì)HIPEP推力器研制了41 cm×91 cm矩形平面PG雙柵結(jié)構(gòu)，柵孔沒有繼承NSTAR推力器的小孔結(jié)構(gòu)，而是采用大孔徑（HIPEP柵極有效面積約是NSTAR的6倍，孔數(shù)卻只有NSTAR的1/5）。后續(xù)于2005年進(jìn)行正弦振動(dòng)和10.0 grms隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)［23］，振動(dòng)后經(jīng)超聲檢測(cè)表明結(jié)構(gòu)完好。并于2006年進(jìn)行20.8 kW下2 000 h考核試驗(yàn)［24］，性能穩(wěn)定，預(yù)計(jì)壽命可以達(dá)到16年。

3　綜合分析與對(duì)比

3.1熱穩(wěn)定性和耐濺射性

柵極在典型推力器工作過程中經(jīng)歷溫度范圍為200～675 K［8］，對(duì)于高束流密度和高比沖推力器，其上限溫度將更高，并且柵極溫度沿徑向方向存在差距，中間區(qū)域較高。鉬的熱膨脹系數(shù)為5.2×10-6K-1，在上述溫度下鉬柵容易發(fā)生熱變形，嚴(yán)重影響到離子光學(xué)引出效率。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明［6，9，18］:C-C復(fù)合材料在173～773 K溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為-1.8～-0.51×10-6K-1，PG的熱膨脹系數(shù)也同樣接近0甚至負(fù)值。顯然碳基材料能使柵極的熱膨脹得到明顯改善，柵間距值基本可以保持設(shè)計(jì)值，柵極引出離子性能趨于穩(wěn)定，可顯著提高推力器熱穩(wěn)定性和可靠性。

離子濺射腐蝕主要有兩種模式［25］:一種是對(duì)加速柵小孔壁的腐蝕，可導(dǎo)致阻止電子返流的能力喪失，進(jìn)而造成柵極組件失效；另一種是對(duì)柵極表面的腐蝕，形成的凹槽和凹坑（groove-pit），造成加速柵極破裂失效。碳基材料在200～1 000 eV氙離子能量下，入射角0°～60°濺射產(chǎn)額試驗(yàn)［26］，如圖5所示，PG和C-C復(fù)合材料的濺射產(chǎn)額基本相同，離子對(duì)碳基材料的濺射率約為鉬的1/7。采用碳基材料制備柵極，可顯著提高柵極壽命，提供長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定的推力器性能，進(jìn)而有效提升推力器壽命和可靠性。

圖5　氙離子對(duì)C-C和PG的濺射產(chǎn)額曲線圖

3.2結(jié)構(gòu)與制備工藝

C-C柵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證開孔后能承受發(fā)射力學(xué)環(huán)境要求，對(duì)碳纖維排布要求較高，需預(yù)留柵孔的位置，以保證密集開孔過程中碳纖維絲束盡可能不遭到破壞能連續(xù)，從而保證強(qiáng)度。由于柵孔為六角陣列排布，所以C-C柵常由若干層碳布呈［0°/+ 60°/-60°］s夾角層合而成，如圖6所示。此外，C-C柵需經(jīng)過化學(xué)氣相滲透或沉積（CVI/CVD）處理，以減少空隙率和增加強(qiáng)度。為避免毛刺與撕裂、分層缺陷和孔壁表面損傷等制孔缺陷問題，打孔常采用EDM和激光方式［27-28］。兩者都屬于無接觸式加工，前者通過電火花放電產(chǎn)熱，后者使光束聚焦為高能量光點(diǎn)，都可使材料局部熔化或氣化，特別適合在硬、脆、軟的各種材料上進(jìn)行多數(shù)量、高密度的群孔加工。

圖6　C-C柵碳纖維排布示意圖

PG柵制備過程較為直接，其中PG是由碳?xì)浠衔铮ǔＳ眉淄椋┰谡婵窄h(huán)境下高溫（1 800～2 000℃）分解生成的，單體碳原子可直接氣相沉積在模具上，同層每六個(gè)碳原子在同一平面形成正六邊環(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，第二片層相對(duì)第一片層存在水平偏移（A-B結(jié)構(gòu)），PG柵層間呈A-B-A-B-A-……規(guī)律堆積，該結(jié)構(gòu)使得其相對(duì)C-C復(fù)合材料孔隙小［19］?？追植疾皇芴荚臃植加绊?，最后直接加工出柵孔。PG柵不存在纖維狀毛刺，可直接采用CNC機(jī)械方式開孔。但是，PG質(zhì)地較脆，對(duì)組裝及加工工藝要求非常嚴(yán)格。

3.3力學(xué)性能

在推力器搭載火箭升空和爆炸螺栓解鎖過程中，柵極作為推力器力學(xué)薄弱部件，將承受較大的振動(dòng)和沖擊。因此在設(shè)計(jì)柵極時(shí)，必須考慮柵極材料在上述力學(xué)環(huán)境中的失效強(qiáng)度。材料力學(xué)性能如表3所列，材料的最大張力能越大，其越能抵抗發(fā)射力學(xué)環(huán)境［4］，顯然，C-C復(fù)合材料最大張力能是鉬的2.44倍，PG是鉬的86%，C-C復(fù)合材料在抗結(jié)構(gòu)失效性能上比鉬優(yōu)異，PG略差。

表3　不同柵極材料力學(xué)性能

3.4耐電壓特性

柵間電場(chǎng)直接影響離子推力器的推力，理論上電場(chǎng)越強(qiáng)推力越大，但隨電場(chǎng)加強(qiáng)會(huì)引起場(chǎng)致發(fā)射電弧導(dǎo)致柵極短路，同時(shí)降低柵極組件可靠性。柵極耐壓特性受到材料和柵極光潔度兩方面的影響，而對(duì)于不同材料，耐壓特性存在差距；對(duì)于同種材料而言，柵極表面若受到破壞，會(huì)使其耐壓特性降低，因此耐離子濺射的材料，耐壓特性也較為穩(wěn)定。

Goebel等［29-30］對(duì)碳基材料耐電壓特性進(jìn)行專項(xiàng)研究，并和金屬鉬對(duì)比，結(jié)果如圖7所示，其中鉬柵的安全電場(chǎng)為40～50 kV/cm，C-C柵安全電場(chǎng)為23～35 kV/cm，PG柵安全電場(chǎng)為20～30 kV/cm。

圖7　不同柵極材料極限電場(chǎng)曲線圖

在推力器工作階段，柵極局部熱形變和離子濺射磨損將使上述值發(fā)生變化:C-C和PG具備良好的熱穩(wěn)定性和耐濺射性，變化幅度較??；對(duì)于鉬柵而言，安全電場(chǎng)將隨著推力器長(zhǎng)時(shí)間使用而降低。因此，碳基材料具備良好的耐電壓特性，完全適用于現(xiàn)有的離子推力器。

4　發(fā)展建議

碳基材料是用于制造熱穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命離子推力器柵極的理想材料，已被國(guó)外先進(jìn)離子推力器廣泛采用。20世紀(jì)70年代中期，蘭州空間技術(shù)物理研究所在國(guó)內(nèi)率先開展離子推力器的研究，先后自主研制了8 cm汞離子推力器和LIPS系列氙離子推力器，采用的均是金屬鉬柵極。但是對(duì)下一步用于深空探測(cè)主推進(jìn)任務(wù)的大推力、高束流密度、高比沖離子推力器，金屬鉬柵已經(jīng)成為制約其發(fā)展的重要因素。因此，有必要跟進(jìn)國(guó)外相關(guān)的研究進(jìn)展，開展碳基材料柵極研制。

結(jié)合C-C復(fù)合材料和PG柵極對(duì)比分析，建議優(yōu)先開展C-C柵極研究?？上葟男〕叽鐤艠O研究著手，在滿足小尺寸推力器性能的基礎(chǔ)上，逐步將制備理論和加工工藝發(fā)展成熟，進(jìn)一步指導(dǎo)開展大尺寸推力器柵極制造。此外，建議同步進(jìn)行C-C柵極安裝環(huán)研制，使整個(gè)柵極組件均采用C-C復(fù)合材料，這樣不僅可以提高推力器的熱穩(wěn)定性和壽命，還可以實(shí)現(xiàn)推力器減重。

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THE INVESTIGATION OFCARBON-BASEDMATERIAL GRID FOR ION THRUSTER

GUO De-zhou，GU Zuo，ZHENG Mao-fan，YANG Fu-quan，KONG Ling-xuan
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

Ion optics system，one of key components for ion thruster，isa determining factor that influences the performance and durability of ion thruster.Carbon-based materials，including carbon-carbon compositematerial and pyrolytic graphite，have shown nearly an orderofmagnitude improvement in sputtererosion resistance and coefficientof thermalexpansion overmolybdenum.Carbon is the perfectmaterial for grid，whichwas demonstrated that it can enhance the performance and life of ion thrustereffectively，and has been successfully applied in a series of advanced ion thrusters.Development of carbon-based material grid and the character of carbon-basedmaterials are investigated in this paper.Aiming at long-term progress strategy of ion thruster，preliminary suggestions for fabrication carbon-basedmaterial grid are put forward in view of the domestic development levelof carbon-basedmaterials.

ion thruster；ion optics；carbon-carbon compositematerial；pyrolytic graphite

V439+.4

A

1006-7086（2016）03-0125-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.001

2016-01-25

郭德洲（1989-），男，甘肅蘭州人，碩士研究生，主要從事電推進(jìn)技術(shù)研究。E-mail:guodezhou510@163.com。