5 kW環(huán)型離子推力器試驗(yàn)研究

王彥龍，楊浩，李興達(dá)，江豪成，張?zhí)炱?/p>

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

5 kW環(huán)型離子推力器試驗(yàn)研究

王彥龍，楊浩，李興達(dá)，江豪成，張?zhí)炱?/p>

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

針對(duì)未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)對(duì)高功率電推力器的需求，蘭州空間技術(shù)物理研究所開(kāi)展了5 kW環(huán)型離子推力器的研制。環(huán)型離子推力器放電室設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)離子推力器有很大不同，面臨著放電不穩(wěn)定、不均勻、放電損耗過(guò)大等潛在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在原理樣機(jī)完成設(shè)計(jì)、制造工作后，開(kāi)展了試驗(yàn)研究工作，通過(guò)性能摸底試驗(yàn)對(duì)推力器電氣參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究并找到最佳的工作點(diǎn)，通過(guò)等離子體診斷試驗(yàn)對(duì)放電室內(nèi)等離子體密度和電子溫度分布情況進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)型放電室在很寬的放電電流范圍內(nèi)都有很高的穩(wěn)定性，在單陰極偏置的情況下推力器束流仍然具有較好的均勻性，初步驗(yàn)證了環(huán)型離子推力器概念的可行性，為下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

電推進(jìn)；環(huán)型離子推力器；試驗(yàn)研究；等離子體診斷

0 引 言

傳統(tǒng)離子推力器具有高比沖、高效率和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，但是柵極及可獲得的有效陽(yáng)極面積受限，目前的功率和推力水平還較低，只能應(yīng)用于一些推力要求不高的領(lǐng)域[1-4]。圖 1是一個(gè)較為典型的傳統(tǒng)離子推力器示意圖，放電室為“直段+錐段”結(jié)構(gòu)，放電陰極在推力器軸線(xiàn)上，而中和器布置在推力器外圍；柵極組件采用球面柵極，只在柵極的外環(huán)處進(jìn)行固定，跨度-間隙比較大。

2011年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）格林中心的Michael J.Patterson提出了環(huán)型離子推力器的概念[5]，如圖 2所示，其放電室為環(huán)型結(jié)構(gòu)，放電陰極不在推力器軸線(xiàn)上，而是在環(huán)型放電室的內(nèi)外環(huán)間位置，中和器則布置在推力器軸線(xiàn)上；柵極組件采用平面環(huán)型柵極，在柵極的內(nèi)環(huán)和外環(huán)處均進(jìn)行固定，具有較小的跨度-間隙比。與傳統(tǒng)離子推力器相比，環(huán)型離子推力器有許多潛在的優(yōu)勢(shì)：① 在相同束流引出面積下，環(huán)型放電室的陽(yáng)極面積是傳統(tǒng)離子推力器的2～3倍，使其能在更高的放電電流下工作；② 環(huán)型柵極組件的跨度和跨度-間隙比是傳統(tǒng)離子推力器的1/6～1/4，可以避免大尺寸柵極所面臨的制造、裝配和力熱穩(wěn)定性等問(wèn)題。這些都有利于提高推力器的功率和推力水平。目前，格林中心正在和密歇根大學(xué)、航空航天公司合作開(kāi)展相關(guān)研究工作[6-8]。

圖1 傳統(tǒng)離子推力器示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional ion engine

圖2 環(huán)型離子推力器示意圖Fig.2 Schematic diagram of annular ion engine

環(huán)型離子推力器放電室與傳統(tǒng)離子推力器相比有很大的不同，帶來(lái)了一些潛在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：① 放電陰極的位置不在推力器的軸線(xiàn)上，這種幾何不對(duì)稱(chēng)性潛在地帶來(lái)了放電不穩(wěn)定以及放電不均勻的可能性；②環(huán)型放電室的陽(yáng)極面積與放電室體積的比值較大，可能潛在地增加放電室的放電損耗。國(guó)外研究結(jié)果表明：通過(guò)合理的放電室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以解決以上存在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)中對(duì)高功率電推力器的需求[9-10]，從2014年開(kāi)始，蘭州空間技術(shù)物理研究所在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了5 kW環(huán)型離子推力器的研制工作，以驗(yàn)證環(huán)型離子推力器概念的可行性。在原理樣機(jī)完成設(shè)計(jì)、制造工作后，對(duì)其開(kāi)展了試驗(yàn)研究工作，通過(guò)性能摸底試驗(yàn)和等離子體診斷試驗(yàn)，從宏觀和微觀兩個(gè)角度對(duì)環(huán)型離子推力器的性能和機(jī)理進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)條件

環(huán)型離子推力器原理樣機(jī)如圖 3所示，采用桁架式結(jié)構(gòu)作為整個(gè)推力器的承力結(jié)構(gòu)，保證了整機(jī)強(qiáng)度的同時(shí)大大地減輕了整機(jī)重量；采用了雙陰極設(shè)計(jì)，兩支主放電陰極對(duì)稱(chēng)分布在放電室內(nèi)外環(huán)之間，平時(shí)一支陰極工作，而另外一支作為備份，以提高推力器的可靠性和工作壽命；放電室磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的環(huán)尖磁場(chǎng)，可以有效約束等離子體；離子光學(xué)系統(tǒng)為鉬金屬平面環(huán)型雙柵極；中和器絕緣安裝在推力器軸線(xiàn)上；工質(zhì)氣體從放電室底部分兩路分別進(jìn)入到放電室內(nèi)，可以保證輸送到放電室內(nèi)的工質(zhì)氣體分布均勻。推力器最大外廓外尺寸約為Φ 570 mm×370 mm（長(zhǎng)度包含了中和器長(zhǎng)度），試驗(yàn)設(shè)計(jì)功率5 kW，比沖5 000 s，推力150 mN。

試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所TS-6電推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，TS-6是一個(gè)直徑2 m、長(zhǎng)度6 m的圓柱形真空試驗(yàn)艙，有2組共5臺(tái)機(jī)械泵、2臺(tái)羅茨泵和3臺(tái)擴(kuò)散泵，工作真空度不低于6.5 × 10-3Pa，可滿(mǎn)足環(huán)型離子推力器試驗(yàn)真空要求；電源系統(tǒng)可提供試驗(yàn)的12路供電需求；推進(jìn)劑供給系統(tǒng)可提供試驗(yàn)的5路供氣需求；操作控制系統(tǒng)可對(duì)電流、電壓、流率和設(shè)備真空度、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。等離子體診斷試驗(yàn)中使用的等離子體診斷系統(tǒng)將結(jié)合診斷試驗(yàn)方案在第4節(jié)中進(jìn)行介紹。

圖3 環(huán)型離子推力器原理樣機(jī)Fig.3 Prototype model of the annular ion engine

2 性能摸底試驗(yàn)

環(huán)型離子推力器是一種新型離子推力器，由于其放電室與傳統(tǒng)離子推力器有較大不同，有必要通過(guò)大范圍地調(diào)節(jié)電氣參數(shù)，摸清電氣參數(shù)變化規(guī)律，驗(yàn)證概念的可行性和設(shè)計(jì)的合理性。

在不引束流，保持主觸電流和中觸電流不變的情況下，大范圍地調(diào)節(jié)了放電電流（注：“主觸”是指主放電陰極的觸持極，“中觸”是指中和器陰極的觸持極）。圖 4是不引束流情況下放電室的電流-電壓關(guān)系曲線(xiàn)。

圖4 不引束流情況下放電室的電流-電壓關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relation curve of current and voltage in discharge chamber performance test

由圖 4可知：隨著放電電流的增大，陽(yáng)極電壓和主觸電壓逐漸減小，而中觸電壓則逐漸增大。調(diào)節(jié)過(guò)程中，當(dāng)放電電流低于3 A時(shí)，主陰極工作一段時(shí)間后會(huì)無(wú)法自持而發(fā)生息弧；受電源能力限制，放電電流最高調(diào)節(jié)到了22 A左右；在3～22 A范圍內(nèi)，環(huán)型放電室工作都能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

在引束流的情況下，以放電損耗為判據(jù)，研究工質(zhì)流率對(duì)放電室性能的影響。圖 5是放電損耗與放電室總流率的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖5 放電損耗與放電室總流率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relation curve of discharge loss and total flow rate of the discharge chamber

由圖 5可知：隨著總流率增加，放電損耗先是逐漸減小后又逐漸增大，當(dāng)總流率為23.5 sccm時(shí)放電室放電損耗最低。保持放電室總流率為23.5 sccm不變，調(diào)節(jié)陰極和陽(yáng)極流率分配，得到圖 6中放電損耗與陰極流率的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖6 放電損耗與陰極流率關(guān)系Fig.6 Relation curve of discharge loss and flow rate of the cathode

由圖 6可知：放電損耗也是先逐漸減小后又逐漸增大，當(dāng)陰極流率為2 sccm時(shí)，放電室放電損耗最低。由此確定了放電室的最佳流率點(diǎn)。

在最佳流率點(diǎn)處，在引束流的情況下，保持主觸電流和中觸電流不變，大范圍地調(diào)節(jié)了放電電流。圖 7是引束流情況下放電室的電流-電壓關(guān)系曲線(xiàn)。

由圖 7看出，與不引束流時(shí)不同，隨著放電電流的增大，陽(yáng)極電壓逐漸增大，而主觸電壓和中觸電壓則逐漸減小，陽(yáng)極和中和器的電流-電壓特性發(fā)生了變化。引束流時(shí)放電電流的調(diào)節(jié)范圍在6～16.5 A之間，除偶爾發(fā)生的打火外，推力器都能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，這不僅驗(yàn)證了環(huán)型放電室的工作穩(wěn)定性，也在一定程度上驗(yàn)證了離子光學(xué)系統(tǒng)的靜電設(shè)計(jì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到了環(huán)型離子推力器放電室的性能曲線(xiàn)，如圖 8所示。

圖7 引束流情況下放電室的電流-電壓關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Relation curve of current and voltage in discharge chamber under beam extraction

圖8 放電室性能曲線(xiàn)Fig.8 Curve of the discharge chamber performance

引入離子發(fā)生器推力大小為

其中：T為推力；M為氙原子質(zhì)量；e為電子質(zhì)量；Ib為束流；Vb為束電壓。

由圖 8知：曲線(xiàn)的拐點(diǎn)出現(xiàn)在工質(zhì)利用率為85%時(shí)，此時(shí)放電損耗約為250 W/A，對(duì)應(yīng)的推力器束流約為1.5 A，根據(jù)式（1）計(jì)算可得推力約為125 mN。

推力器設(shè)計(jì)推力值為150 mN，放電損耗不大于200 W/A，實(shí)際推力值小于設(shè)計(jì)值，放電損耗大于預(yù)期值。

試驗(yàn)中無(wú)論是在不引束流還是引束流情況下，環(huán)型放電室都在很寬的放電電流范圍內(nèi)表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性，說(shuō)明環(huán)型放電室可以支持很高的放電電流，從而提高推力器的功率水平；在單個(gè)放電陰極偏置的情況下，束流仍然具有較好的均勻性，說(shuō)明放電室磁場(chǎng)構(gòu)型較為合理；但是放電室的放電損耗還相對(duì)較高。

圖9 環(huán)型離子推力器原理樣機(jī)束流引出狀態(tài)下照片F(xiàn)ig.9 Prototype model of the annular ion engine operating under beam extraction

3 等離子體診斷試驗(yàn)

放電室內(nèi)的等離子體特性直接決定著推力器的宏觀性能，開(kāi)展等離子體診斷試驗(yàn)，獲得放電室內(nèi)等離子體分布情況和基本特性參數(shù)范圍，可以從微觀角度更好地了解放電室內(nèi)電離情況，為放電室優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

郎繆爾探針是一種成熟的接觸式低溫等離子體診斷技術(shù)，可以獲得等離子體密度、電子溫度等等離子體特性參數(shù)，NASA在太陽(yáng)電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用（NASA’s Solar Electric Propulsion Technology Applications Readiness，NSTAR）離子推力器上成功進(jìn)行過(guò)相關(guān)試驗(yàn)[11-14]。本次試驗(yàn)中使用的是郎繆爾雙探針，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠準(zhǔn)確地獲得放電室內(nèi)部的等離子體特性參數(shù)。圖 10是試驗(yàn)艙內(nèi)正在進(jìn)行調(diào)試的等離子體診斷系統(tǒng)，包括探針、移動(dòng)裝置和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。為將探針伸入放電室內(nèi)部，需要在推力器外殼和陽(yáng)極筒上開(kāi)孔。郎繆爾探針的探頭由直徑0.5 mm的鎢絲制成，外部包裹著陶瓷，直徑6 mm，沿推力器半徑方向伸入放電室內(nèi)；移動(dòng)裝置包括三維移動(dòng)臺(tái)和步進(jìn)電機(jī)，試驗(yàn)前手動(dòng)調(diào)節(jié)三維移動(dòng)臺(tái)使探針準(zhǔn)確進(jìn)入放電室內(nèi)部并能沿徑向正常移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)試驗(yàn)中探針的徑向移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度為1 mm；控制信號(hào)和測(cè)量電流/電壓信號(hào)通過(guò)艙內(nèi)同軸電纜由穿艙法蘭實(shí)時(shí)傳輸至艙外數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，通過(guò)分析探針的電壓-電流特性曲線(xiàn)，得出放電室內(nèi)對(duì)應(yīng)位置處的等離子體基本特性參數(shù)。

為了在開(kāi)孔數(shù)盡量少的情況下獲得較為全面和典型的放電室內(nèi)等離子體特性，同時(shí)盡可能減小磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在考慮推力器結(jié)構(gòu)約束條件的情況下，設(shè)計(jì)了等離子診斷試驗(yàn)方案。圖 11是探針運(yùn)動(dòng)路徑及測(cè)量點(diǎn)示意圖，磁極之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較弱（小于50高斯），可以獲得較為準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。探針從兩相鄰磁極的中間位置處沿徑向進(jìn)入放電室內(nèi)部，每次試驗(yàn)選擇一個(gè)軸向位置，探針沿放電室徑向移動(dòng)，對(duì)不同位置處進(jìn)行測(cè)試；通過(guò)切換工作陰極，可以對(duì)靠近陰極位置和陰極對(duì)面位置處進(jìn)行測(cè)試。放電室中間位置處的等離子體測(cè)量結(jié)果最有代表性，陰極1工作時(shí)測(cè)量點(diǎn)定義為1和2，陰極2工作時(shí)測(cè)量點(diǎn)定義為1′和2′。

圖10 等離子體診斷系統(tǒng)及郎繆爾探針Fig.10 Plasma diagnostic system and Langmuir probe

圖11 探針運(yùn)動(dòng)路徑及測(cè)量點(diǎn)示意圖Fig.11 Schematic diagram of motion paths of the probe and measurement points

圖12是等離子體密度隨放電電流變化曲線(xiàn)，隨著放電電流增大等離子體密度呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明放電室內(nèi)電離程度提高，靠近陰極位置處的等離子體密度高于陰極對(duì)面位置。圖 13是電子溫度隨放電電流變化曲線(xiàn)，靠近陰極位置處電子溫度相對(duì)較高，隨著放電電流增大電子溫度也是呈增加趨勢(shì)。等離子體密度在1011～1012cm-3量級(jí)，而電子溫度在3～5 eV范圍內(nèi)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，靠近放電陰極位置（位置1）處等離子體密度和電子溫度最高。

圖12 等離子體密度隨放電電流變化曲線(xiàn)Fig.12 Curve of the plasma density varies with discharge current

圖13 電子溫度隨放電電流變化曲線(xiàn)Fig.13 Curve of the electron temperature varies with discharge current

4 結(jié) 論

環(huán)型離子推力器放電室設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)離子推力器有很大不同，本文針對(duì)環(huán)型離子推力器可能出現(xiàn)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)展了試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)型放電室在很寬的放電電流范圍內(nèi)都有很高的穩(wěn)定性，且在單陰極偏置的情況下束流仍然具有較好的均勻性，初步驗(yàn)證了環(huán)型離子推力器概念的可行性。試驗(yàn)中推力器引出束流1.5 A，對(duì)應(yīng)推力125 mN，放電損耗約250 W/A，放電室內(nèi)等離子體密度在1011～1012cm-3量級(jí)，而電子溫度在3～5 eV范圍內(nèi)。需要說(shuō)明的是，目前推力器的放電損耗還相對(duì)較高，這將是下一步優(yōu)化研究的方向。

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Research on the Experiment of 5 kW Annular Ion Thruster

WANG Yanlong，YANG Hao，LI Xingda，JIANG Haocheng，ZHANG Tianping
（Key Laboratory of Vacuum and Cryogenics Technology and Physics，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Lanzhou Institute of Physics has developed a 5 kW annular ion engine to meet the needs of high-power electric thrusters in deep space exploration.The discharge chamber design of annular ion engine is very different from that of the traditional ion engine，facing a series of potential technical risks，such as unstable/non-uniform discharge，excessive discharge loss.After completed design and manufacture of the prototype， the experimental research work was carried out.The change rule of electric parameters of the thruster has been studied and the optimum working point was found through performance test，the distribution of plasma density and electron temperature in discharge chamber has been studied through plasma diagnostic test.Test result indicates that the annular discharge chamber works stably in a wide range of discharge current，the beam current is still well uniformed although the single discharge cathode is not on the axis line of the discharge chamber.It has preliminarily demonstrated the feasibility of the concept of the annular ion engine，and has laid technical foundation for further optimization design.

electric propulsion；annular ion engine；experimental research；plasma diagnosis

V439+.1

A

2095-7777（2017）03-0232-06

[責(zé)任編輯：楊曉燕，英文審校：任樹(shù)芳]

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.005

王彥龍，楊浩，李興達(dá)，等.5 kW環(huán)型離子推力器試驗(yàn)研究[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（3）：232-237.

Reference format：Wang Y L，Yang H，Li X D，et al.Research on the experiment of 5 kW annular ion thruster[J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（3）：232-237.

2017-03-15

2017-04-30

王彥龍（1988- ），男，碩士，工程師，主要研究方向：電推進(jìn)技術(shù)與工程化研究。

通信地址：甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)飛雁街100號(hào)（730000）

電話(huà)：（0931）4585154

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張?zhí)炱剑?963- ），男，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：航天器推進(jìn)技術(shù)與工程。本文通信作者。

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