LIPS-300離子推力器放電室設(shè)計及實驗研究

王 亮，張?zhí)炱?，江豪成，陳娟娟，王小?/p>

（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，蘭州 730000）

LIPS-300離子推力器放電室設(shè)計及實驗研究

王 亮，張?zhí)炱剑莱?，陳娟娟，王小?/p>

（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，蘭州 730000）

梳理了放電室工程化設(shè)計的基本流程，包括磁場位形設(shè)計、幾何構(gòu)型設(shè)計、磁極數(shù)設(shè)計、供氣方式設(shè)計以及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計，其中關(guān)鍵參數(shù)又包括長徑比、磁極位置、磁鋼尺寸、陰極位置等。按照上述流程，完成了LIPS-300放電室設(shè)計，并通過仿真分析、實驗數(shù)據(jù)對設(shè)計的結(jié)果進行了驗證，證明設(shè)計的柱形磁鐵四級場、直錐雙段放電室，無論放電損耗、束流平直度均優(yōu)于三級場放電室。

離子推力器；放電室；設(shè)計與實驗

0 引言

放電室是離子推力器維持放電并產(chǎn)生等離子體的區(qū)域，其設(shè)計原則是提高放電效率和柵極出口等離子體分布的均勻性[1]。放電室的設(shè)計是推力器設(shè)計的重點和難點，重點體現(xiàn)在推力器最重要的工程參數(shù)如放電損耗、工質(zhì)利用率以及束流平直度指標的高低決定了放電室性能，且這三項工程參數(shù)是推力、比沖、功率等性能參數(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)；難點體現(xiàn)在放電室和其他部組件存在較強的偶合關(guān)系，影響放電室性能的因素眾多，并且相互耦合，到目前為止也沒有一套系統(tǒng)的、定量的設(shè)計方法可以借鑒參考[2]。

針對LIPS-300離子推力器性能需求開展放電室設(shè)計?；诂F(xiàn)有設(shè)計規(guī)范和研制經(jīng)驗，將放電室設(shè)計依次分為五個方面：磁場位形設(shè)計、幾何構(gòu)型設(shè)計、磁極數(shù)設(shè)計、供氣方式設(shè)計以及關(guān)鍵幾何參數(shù)設(shè)計。關(guān)鍵幾何參數(shù)主要包括放電室長徑比、磁極位置、磁鋼尺寸、陰極位置等。通過上述設(shè)計流程完成了放電室方案設(shè)計。

仿真分析方面，利用PIC/MCC數(shù)值仿真方法對LIPS-300離子推力器不同工況下的放電室氣體放電過程進行數(shù)值仿真，重點對比了三、四級場放電室穩(wěn)態(tài)下粒子的密度分布、靜磁場分布、電位分布等，并分別討論不同工況下對應(yīng)的放電室性能，給出了四級場放電室優(yōu)化建議。

實驗驗證方面，開展了三、四級場放電室性能比對實驗，為剝離放電室與柵極組件偶合因素的影響，柵極組件統(tǒng)一采用變孔徑雙柵結(jié)構(gòu)，從實測結(jié)果看，無論大、小功率模式下，四級場放電室性能全面優(yōu)于三級場放電室，尤其在5 kW大功率工況下，放電損耗和束流發(fā)散角指標降低明顯。

1 方案設(shè)計

1.1 磁場位形選擇

對于離子推力器放電室磁場約束的優(yōu)化研究已經(jīng)開展了超過50年。經(jīng)歷了從均勻磁場、徑向磁場到發(fā)散場和環(huán)形會切場的演變[3]。目前國際上離子推力器采用的放電室磁場結(jié)構(gòu)主要有強發(fā)散場和環(huán)形會切場。其中英國T6推力器代表了強發(fā)散場最高水平，美國NEXT和XIPS-25推力器代表了環(huán)形會切場最高水平[4-6]。表1列出了國內(nèi)外成熟產(chǎn)品的放電室方案、束流平直度、放電損耗和工質(zhì)利用率的工程實現(xiàn)結(jié)果。

表1 國外同類型推力器放電室技術(shù)方案匯總

強發(fā)散場相對于環(huán)形會切場，具有磁場結(jié)構(gòu)簡單，外形緊湊的優(yōu)點，但存在放電效率低，束流平直度較低等缺點，不適用于大口徑；環(huán)形會切場把磁場限制在陽極壁面很小的范圍，整個放電室大部分區(qū)域為近無場區(qū)，特別是屏柵極附近的大部分區(qū)域接近為無場區(qū)，具有放電效率高、束流平直度好、所需磁鋼磁感應(yīng)強度弱的優(yōu)點。在大口徑離子推力器上可通過增加磁極數(shù)量的方法保證最大無場區(qū)和閉合磁等勢線設(shè)計值，非常適合于大口徑離子推力器的磁場設(shè)計。如美國25 cm XIPS推力器采用四極環(huán)形會切場、36 cm NEXT推力器采用四極環(huán)形會切場、65 cm NEXIS推力器采用六極環(huán)形會切場。

對于磁鐵形狀有環(huán)形和柱形兩種選擇方式，柱形磁鐵的優(yōu)勢在于磁鐵置于屏柵筒外，磁場通過極靴導(dǎo)入放電室內(nèi)部，既保證了磁場強度的實現(xiàn)，又大幅降低了對磁鋼工作溫度的要求。

因此，30 cm的LIPS-300離子推力器采用柱形磁鐵環(huán)形會切場是一個較好的選擇。

1.2 幾何構(gòu)型設(shè)計

Mahalingam等[7]通過仿真計算，分析了放電室形狀對原初電子約束長度的影響，指出錐段-直段型放電室具有最長的原初電子約束長度，放電效率最高，并且隨著束流口徑的增加，該優(yōu)勢更加明顯。模擬結(jié)果如表2所列。另外，美國NSTAR、NEXT、NEXIS等推力器均采用錐段-直段型放電室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)。因此LIPS-300推力器放電室?guī)缀螛?gòu)型采用錐段-直段型。

表2 不同放電室形狀下的原初電子約束長度

1.3 磁極數(shù)設(shè)計

磁極數(shù)量需根據(jù)不同口徑、體積的放電室，并考慮近陽極壁磁場強度和放電室內(nèi)部磁空區(qū)域大小來確定。磁極越多、磁間距越小、表磁特征越靠近陽極、束流均勻性越好；但原初電子約束路徑越短，同樣達到一價電離能需要的陽極電壓就越高，放電損耗越高。因此需要對磁極數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，不是越多越好；

磁極個數(shù)設(shè)計原則是在最少磁極數(shù)下，實現(xiàn)最佳放電室磁場構(gòu)形，即磁場屏蔽放電室壁，無磁場“洞”，并且放電室大部分區(qū)域近無場區(qū)。Wizer等在模擬分析磁場結(jié)構(gòu)對NSTAR推力器性能影響的研究中指出口徑30 cm以上推力器不適合采用3極場；偶數(shù)級場減弱了放電室中心軸附近指向柵極的磁力線，因此偶數(shù)級比奇數(shù)級場束流更均勻。

根據(jù)Patterson等[8]的研究結(jié)論，在兩個磁極之間橫斷面上閉合磁等值線的最大磁場強度取0.005 T附近時，可以使陽極壁面離子的損失電流下降至10%左右。目前大多數(shù)離子推力器放電室內(nèi)閉合磁場等勢線的范圍基本在0.003～0.005 T之間[9]，結(jié)合原初電子約束長度以及30 cm的放電室直徑，優(yōu)選的磁極間距在110~130 mm之間。

根據(jù)上述建議的磁極間距，結(jié)合LIPS-300放電室結(jié)構(gòu)，在三級場的基礎(chǔ)上，在錐段中部增加一個磁極構(gòu)成四級磁場。通過仿真得到三、四級場的磁場分布如圖1、圖2所示。

圖1 三磁極場強分布云圖

圖2 四磁極場強分布云圖

從圖明顯看出，四磁極在放電室內(nèi)部形成的磁場分布要好于三磁極場強分布，再借鑒國外研制經(jīng)驗，LIPS-300離子推力器放電室選擇四磁極設(shè)計。

1.4 供氣方式設(shè)計

想要實現(xiàn)高的束流均勻性，則放電室內(nèi)等離子體的分布要均勻，等離子體分布取決于原初電子和中性原子的分布，因此在離子推力器設(shè)計中，供氣方式的設(shè)計是不能忽視的。好的磁場將原初電子束縛在陽極壁面附近，因此供氣點也因該布置在上述區(qū)域。借鑒NSTAR、NEXT進氣方式[10]，LIPS-300離子推力器采用正-反雙向多點供氣方式。正向陽極分配環(huán)位于陰極處，孔中心軸方向與錐段陽極表面平行；反向陽極分配環(huán)位于下游極靴處，孔中心軸方向與柱段陽極表面平行。

1.5 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

1.5.1 放電室長徑比

放電室長徑比是離子推力器放電室特征參數(shù)之一，與放電室中的離子產(chǎn)生速率和放電室中中性原子密度直接相關(guān)。選擇較長的離子推力器放電室的長度，增大推進劑工質(zhì)氣體分子在離子推力器的駐留時間，有利于提高Kaufman離子推力器的性能。但是較大的放電室的長度，要減小放電室中的原初電子的密度，不利于提高等離子體密度。

借鑒國外同類推力器研制經(jīng)驗，考慮到柵極磁極靴要放入放電室內(nèi)，并且為了保證磁場強度，磁極靴環(huán)寬度一般大于10 mm，Sovey等[11]發(fā)明的RC3離子推力器伸入放電室30 mm，BBM-1伸入放電室10 mm[12]，NEXT推力器設(shè)計40 cm束流在PM樣機時伸入放電室36 mm[13]。因此，LIPS-300下游極靴伸入放電室約15 mm。

目前離子推力器長徑比無理論或經(jīng)驗公式可借鑒。表3給出了國內(nèi)外典型離子推力器長徑比，在0.456～1范圍內(nèi)分布。LIPS-300離子推力器放電室長徑比取0.68。

表3 國內(nèi)外典型推力器長徑比

1.5.2 磁極位置

Deshpande等[10]通過仿真分析給出：磁環(huán)對間距設(shè)計最佳值為11～16 cm，陰極磁環(huán)厚度設(shè)計最佳值為3～4 cm[14]。根據(jù)其磁極布局指導(dǎo)意見，結(jié)合Ansoft磁場仿真，完成最終磁極位置的確定，如圖3所示。

圖3 最終設(shè)計的四級場磁場分布圖

1.5.3 磁鋼尺寸

磁極在陽極筒內(nèi)表面區(qū)域形成的磁場具有表面磁場特性，也就是說在距離陽極筒內(nèi)表面相同距離的界面上，磁場強度相同；該磁場位形保證電子只有通過碰撞或者湍流輸運擴散才能夠穿越磁力線和陽極碰撞而消失，提高電子利用率；國內(nèi)外指導(dǎo)意見為閉合磁勢線強度Bcc＝5×10-3T[15]。

相鄰的磁極極性相反，把磁場限制在較小的范圍，整個放電室大部分區(qū)域為近無場區(qū)。原初電子區(qū)幾乎擴展到整個放電室，形狀成為最大化的矩形空間，深度更加均勻，原初電子幾乎可以直接達到整個放電室，可增強引出束流的分布均勻性。

按上述指導(dǎo)意見，遵循保證磁性能穩(wěn)定前提下重量最小的原則，完成磁鋼仿真設(shè)計。

1.5.4 陰極位置

陰極頂?shù)奈恢脹Q定了原初電子的發(fā)射位置，陰極頂位于最大軸向場強處，陰極出口附近磁等勢線略微沿軸向突出后，隨即迅速衰減。形成的磁力線在陰極出口處沿徑向發(fā)散，磁場強度沿軸線快速衰減，約束原初電子遠離中心軸，并減小中心軸處對原初電子的約束，以達到兼顧電離效率和束流均勻性的目的。

圖4為沿中心軸磁場強度曲線，橫坐標為歸一化的放電室長度，0表示陰極法蘭安裝處，為放電室的最底部；1表示柵極出口處，為放電室的最頂部。從圖中看，最強磁場強度出現(xiàn)在0.24處，對應(yīng)的磁場強度取得最大值9.3×10-3T。結(jié)合以上陰極頂設(shè)計指導(dǎo)及磁場分布結(jié)果，LIPS-300陰極頂?shù)奈恢脼榉烹娛铱傞L度的0.24處。

圖4 中心軸磁場強度曲線

2 仿真分析

利用PIC/MCC數(shù)值仿真方法對LIPS-300離子推力器不同工況下的放電室氣體放電過程進行數(shù)值仿真，并用PIC方法跟蹤氣體放電過程中帶電粒子的運動。圖5、圖6為高功率工況下三極場和四極場不同結(jié)構(gòu)下的磁場分布。

圖5 三極場磁場分布圖

圖6 四極場磁場分布圖

結(jié)果顯示相比三極磁場分布，四極場結(jié)構(gòu)下的放電室內(nèi)部磁等勢線分布更加均勻，靠近陽極表面的磁力線梯度變化較大，錐段磁力線分布較密集，而放電室內(nèi)部等離子體產(chǎn)生的主要區(qū)域為陽極錐段，因此四極場結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的磁力線分布能更好的約束電子在放電室內(nèi)的運動，使其平均自由程增大，電子和原子之間的碰撞頻率加大，工質(zhì)利用率和束流平直相比原來均有所提高。

圖7、圖8為三極場和四極場結(jié)構(gòu)下的自洽電勢分布。計算結(jié)果顯示，四極場結(jié)構(gòu)下運動等離子體產(chǎn)生的自洽電勢其最大值要遠遠大于三極場結(jié)構(gòu)，即四極場結(jié)構(gòu)下運動的等離子體產(chǎn)生的自洽電勢增大，其在放電室內(nèi)的電場強度增大，帶電粒子受到電場強度的加速作用提高，粒子能量提高速度增加，在電場加速作用下，粒子能量能很快達到中性原子離化能，工質(zhì)利用率和束流平直度均有所提高。利用數(shù)值仿真模型模擬放電室氣體放電過程中程序自動統(tǒng)計到的仿真結(jié)果（如放電電流、離化產(chǎn)生的束流等）計算得到，5 kW功率模式工質(zhì)利用率和束流平直度將從原來85%的0.44增至91%的0.65；2.4 kW功率模式工質(zhì)利用率和束流平直度將從原來的84%的0.43增至90%的0.64。

圖7 三極場結(jié)構(gòu)下自洽電勢分布圖

圖8 四極場結(jié)構(gòu)下自洽電勢分布圖

3 實驗驗證

分別對三、四級場放電室配合變孔徑雙柵開展了放電室性能摸底優(yōu)化實驗，實驗測試結(jié)果典型值如圖9和表4。

圖9 三、四級場束流分布圖

表4 三、四級場性能實驗數(shù)據(jù)

從表4實測結(jié)果看，無論大、小功率模式下，四級場放電室性能全面優(yōu)于三級場放電室，尤其在大功率放電損耗和大功率發(fā)散角方面的提升明顯。

4 結(jié)論

對離子推力器放電室設(shè)計流程進行了規(guī)范，包括磁場位形設(shè)計、幾何構(gòu)型設(shè)計、磁極數(shù)設(shè)計、供氣方式設(shè)計以及關(guān)鍵幾何參數(shù)設(shè)計等五方面。并應(yīng)用到LIPS-300離子推力器放電室設(shè)計，通過仿真和實驗數(shù)據(jù)分析，得出對于30 cm離子推力器，四級場放電室性能全面優(yōu)于三級場放電室性能。尤其是5 kW工況下，束流平直度由三級場的0.44提高到四級場的0.57，束發(fā)散角由三級場的46.8°縮小到四級場的30.9°。將在現(xiàn)有設(shè)計的基礎(chǔ)上，在LIPS-300研制過程中進一步優(yōu)化放電室磁場強度、流率分配、放電室震蕩抑制和放電室長壽命方面深入開展研究。

參考文獻：

[1]趙以德，江豪成.離子推力器束流均勻性改善方法研究[J].真空與低溫，2015，21（3）：157-160.

[2]Wirz R，Katz I.Plasma processes of DC ion thruster discharge chambers[M].Pasadena，CA：Jet Propulsion Laboratory，Na?tionalAeronauticsandSpaceAdministration，2005.

[3]Matossian J N，Beattie J R.Characteristics of ring-cusp dis?charge chambers[J].Journal of Propulsion and Power，1991，7（6）：968-974.

[4]HuddlesonJ，Brandon-CoxJ，WallaceN，etal.Anoverviewof the T6 gridded ion propulsion system pre-development activi?ties for Alpha-Bus[C]//4th International Spacecraft Propul?sionConference，2004.

[5]Herman D，Gallimore A D.Discharge cathode electron energy distribution functions in a 40 cm next-type ion engine[C]// 41stJointPropulsionConference，2005.

[6]Tighe W G，Chien K R，Solis E，et al.Performance evaluation of the XIPS 25 cm thruster for application to NASA discovery missions[R].AIAAPaper，2006.

[7]Mahalingam S，Menart J A.Primary electron modeling in the discharge chamber of an ion engine[J].AIAA paper，2002，4262：7-10.

[8]Patterson M J，Haag T W，Rawlin V K，et al.NASA 30 cm ion thrusterdevelopmentstatus[R].AIAA，1994.

[9]Sanghera A，DeTurris D.Performance Characterization of a 15-cm Ion Thruster with Simulated Beam Extraction[C]//43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference&Ex?hibit，2007：5219.

[10]DoernerR，TynanGR，OyerzabalE，etal.PlasmaSurfaceIn?teraction Studies for Next-Generation Ion Thrusters[C]//40th JointPropulsionConferenceandExhibit，2004：11-14.

[11]Sovey J S，Dever J A，Power J L.Retention of Sputtered Mo?lybdenum on Ion Engine Discharge Chamber Surfaces[C]// 27th International Electric Propulsion Conference，Pasadena，California，2001：15-19.

[12]KitamuraS，MiyazakiK，HayakawaY，etal.Performanceim?provement of 150 mN xenon ion thrusters[J].Acta Astronauti?ca，2003，52（1）：11-20.

[13]SoulasGC，DomonkosMT，PattersonMJ.PerformanceEval?uationoftheNEXTIonEngine[C]//39thJointPropulsionCon?ference and Exhibitcosponsored.Huntsville，Alabama，2003：20-23.

[14]Deshpande S S，Ogunjobi T，Menart J A.Computational Study of Magnet Placement on the Discharge Chamber of an IonEngine[R].AIAA，2005.

[15]吳先明，張?zhí)炱?磁體幾何尺寸對環(huán)形會切場離子推力器性能影響研究[J].真空與低溫，2015，21（2）：78-81.

DESIGN AND EXPERIMENTAL STUDY ON LIPS-300 ION THRUSTER DISCHARGE CHAMBER

WANG Liang，ZHANG Tian-ping，JIANG Hao-cheng，CHEN Juan-juan，WANG Xiao-yong
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Insitute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The essential design procedure about discharge chamber are presented in this paper，it includes magnetic field，geometric texture，the number of magnetic poles，neutral atoms distribution method and the key parameters.It is divided into length diameter ratio，poles position，magnet size，cathode position.Design and development of discharge chamber of LIPS-300 ion thruster was completed following the procedure noted above.At last，the performance of the discharge chamber is analyzed and tested by simulated analysis and actual experimental data.The ultimate result is the discharge loss and beam flatness of four ring-cusp magnetic fields is better than those of three rings.

ion thruster；discharge chamber；design and experimental

V439

A

1006-7086（2016）06-0344-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.06.007

2016-08-22

王亮（1980-），男，陜西大荔人，碩士，高級工程師，主要從事電推進技術(shù)與工程研究。E-mail：shanghewl@163.com。