LIPS-300多模式離子推力器中和器優(yōu)化研究

賈艷輝，馮 杰，王 亮，陳娟娟，汪 忠，孫 威

（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）

0 引言

中和器是在離子推力器正常工作中，發(fā)射與束流離子電流相等的電子電流來滿足推力器保持電中性的組件。中和器穩(wěn)定高效的束流離子中和能力，是保證離子電推進平臺應用的關鍵，一方面通過對束流離子的中和保持航天器電中性；另一方面中和電子與束流離子高效的耦合，可以有效降低中和器和柵極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的離子濺射刻蝕損失率，因此，中和器性能及其與推力器的匹配性一直是電推進研究的熱點問題之一，特別是隨著多模式離子推力器研發(fā)和應用，該問題顯得更為重要。

自離子推力器研制之初，即意識到束流離子中和問題的重要性，先后提出了數(shù)學分析模型[1-5]、流體和粒子跟蹤計算機仿真模型[6-8]，模型對束流離子中和過程、等離子體分布和觸持極電壓等進行了描述和預測。美國南加州大學研究者認為現(xiàn)有理論分析和數(shù)值仿真模型還不能完全解釋束流的中和機理[9]，離子推力器束流中和過程的試驗研究可以直接獲得宏觀的中和器電參數(shù)和束流等離子體參數(shù)，是目前指導離子推力器工程設計優(yōu)化的最主要手段之一。因此，南加州大學、NASA格林中心和日本國家防御研究院等針對離子推力器束流中和問題采用LP探針、法拉第探針等對束流不同中和比例下束流等離子體分布、中和器參數(shù)等進行了測量[10-11]。

面向全電推進衛(wèi)星和深空探測應用需求，研發(fā)了多模式離子推力器，為了進一步優(yōu)化離子推力器多模式覆蓋下的性能和壽命，需要對束流寬范圍調(diào)節(jié)下中和器工作特性開展深入研究。以LIPS-300多模式離子推力器為研究對象，采用數(shù)值建模與地面試驗方法分別對束流中和及中和器的參數(shù)特點進行了研究，研究成果對離子推力器中和器的優(yōu)化設計具有一定參考意義。

1 離子推力器及其中和器簡介

LIPS-300多模式離子推力器，束流口徑30 cm，如圖1所示，放電室采用四極環(huán)切磁場設計[12]，有效增加了束流均勻性，降低了柵極中心區(qū)域材料的濺射刻蝕率，提高了預期服役壽命。離子推力器主要性能指標如表1所列。

圖1 LIPS-300離子推力器圖Fig.1 LIPS-300 ion thruster

表1 LIPS-300離子推力器主要性能參數(shù)Table 1 Key parameters of LIPS-300 ion thruster

30 cm口徑離子推力器采用LaB6發(fā)射體空心陰極，如圖2所示，發(fā)射電流0～5 A，該空心陰極已經(jīng)過SJ-9A和SJ-13衛(wèi)星在軌飛行驗證，地面驗證單支壽命超過20 000 h[13-14]。

2 仿真和試驗

2.1 仿真模型

采用二維軸對稱建模，計算區(qū)域和邊界條件如圖3所示。Z和R分別為計算區(qū)域軸向和徑向長度，Vp為等離子體電勢，Vsc為屏柵電勢，Vac為加速柵電勢，rsc為屏柵孔半徑，rac為加速柵孔半徑。計算區(qū)域的下界為柵極孔軸線，坐標原點為計算區(qū)域的左下角。

采用泊松方程對計算區(qū)域的電勢進行求解。對于二維軸對稱結(jié)構(gòu)，泊松方程表示為：

式中：Ф為靜電勢；e為電子電量；ni為離子數(shù)密度；ne為電子數(shù)密度；ε0為真空介電常數(shù)；r和z分別為計算區(qū)域徑向和軸向坐標。采用有限差分方法結(jié)合高斯-賽德爾迭代法對式（1）電勢求解，之后采用線性差分方法求解電場。電勢求解邊界條件選取如圖3所示，兩柵極為等勢體，左邊界為放電室等離子體電勢，Ф＝Vsc+Vp，其余邊界取為Neumann邊界條件。

對于單個柵極孔，每個時間步從左邊界進入到計算區(qū)域的離子數(shù)ΔN由式（2）確定。采用PIC方法對束流離子進行跟蹤，假設中和器電子對離子推力器束流離子完全中和，電子數(shù)密度ne利用Boltzmann方程確定。粒子邊界的處理和束流引出過程模擬詳見文獻[16]。

2.2 試驗流程

推力器束流中和試驗在電推進專用設備TS-6C上開展。TS-6C設備真空艙直徑4.2 m，長6.0 m，極限真空度優(yōu)于5.0×10-5Pa，推力器滿功率工作時工作真空度優(yōu)于1.0×10-4Pa。中和器組件級性能測試在空心陰極專用地面測試設備TS-5A內(nèi)開展，真空艙直徑0.3 m，長0.4 m，極限真空度優(yōu)于5.0×10-5Pa，3.0 mL/min氙氣供給下，真空度優(yōu)于2.0×10-2Pa。

在推力器上，分別通過調(diào)節(jié)中和器流率和推力器束流，研究中和器觸持極電壓變化特征，由于地面試驗中氙氣供給管路較長，要求每次調(diào)節(jié)完流率后，30 min進行數(shù)據(jù)采集，以保障中和器實際流率與流量計顯示值一致。中和器電參數(shù)隨流率變化規(guī)律的組件級試驗，通過逐步調(diào)節(jié)中和器供給流率，監(jiān)測并記錄觸持極電壓及電壓振蕩峰峰值變化規(guī)律。

3 計算結(jié)果與分析

圖4是采用PIC模型計算的離子推力器加速柵下游區(qū)域軸向電勢分布，模型按照束流離子完全被中和進行仿真，輸入束流密度5.19 mA/cm2、加速柵電壓-200 V。計算結(jié)果顯示，在加速柵下游1.6 mm處，束流電勢開始升高，最大值約5 V，這主要是由于1.6 mm以內(nèi)，加速柵負電位對局部電勢分布影響占主導，隨著與加速柵距離的增加，1.6 mm以外束流離子對局部電勢影響占主導。推力器穩(wěn)定工作時，束流區(qū)域必須有一定的正電勢才能保障中和電子趨向于束流運動，此電位即束流耦合電位，國外實際測量數(shù)據(jù)在10 V左右，仿真與試驗結(jié)果的差別可能為仿真模型建模時未考慮中和器電子本身的逸出功及電子與離子的碰撞效應。根據(jù)Harold Mirels建立的離子推力器束流中和一維分析模型[17]，當束流不存在離子反流時，最高電位在柵極下游約1.4倍柵間距處，模型中柵極間距取值為1.0 mm，計算值為1.6 mm，與國外分析模型符合較好。

圖5是在TS-5A真空設備內(nèi)中和器組件模擬不引束流的二極管工作模式觸持極電壓及其振蕩峰峰值。試驗顯示二極工作模式下，觸持極電壓及其振蕩峰峰值隨氙氣流率升高而降低，在0.8 mL/min時工作模式轉(zhuǎn)入振蕩峰峰值小于5 V的斑狀工作模式（通常定義中和器觸持極電壓振蕩峰峰值≤5 V時為斑狀模式，反之為羽狀模式，要保障推力器長壽命，中和器必須工作在斑狀模式），因此，建議應用中和器流率值大于0.8 mL/min，并考慮一定的裕度。

圖6是推力器工作在5 kW，引出束流3.7 A下的中和器觸持極電壓及其振蕩峰峰值隨流率的變化規(guī)律。引束流情況下，中和器在2.2 mL/min時過渡到斑狀模式，轉(zhuǎn)變點流率大于二級放電模式。圖5與圖6對比顯示，中和器工作在引束流時的三極模式下，觸持極電壓低于未引束流狀態(tài)。圖6說明，LIPS-300離子推力器中和器流率設置不能低于2.2 mL/min。

圖7是推力器分別工作在5 kW、4 kW和3 kW時中和器的放電特征。隨著中和器氙氣流率的增加，在改變引出束流值時，觸持極電壓及其振蕩峰峰值無明顯變化，而流率較低時，中和器工作電參數(shù)容易受到引出束流值的影響。圖7說明，在一定流率供給下，中和器隨束流的增加，觸持極電壓降低，振蕩峰峰值升高，這主要是由于，中和器工作在斑狀模式下，放電表現(xiàn)為負阻特性，即觸持極電壓隨發(fā)射電子電流升高而降低。

圖6 引出束流3.7 A時的觸持極電壓及其振蕩峰峰值隨中和器氙氣流率的變化規(guī)律曲線Fig.6 The keeper voltage and its peak-to-peak oscillation versus to Xe flow rate on 3.7 Aion beam current

圖7 不同引出束流下中和器觸持極電壓及其振蕩分布曲線Fig.7 The keeper voltage and its peak-to-peak oscillation versus to ion beam value

4 結(jié)論

通過數(shù)值仿真獲得了加速柵下游區(qū)域的電勢軸向分布，計算結(jié)果顯示中和器電子與束流離子間耦合電勢約5 V，束流電勢峰值出現(xiàn)在加速柵下游約1.6 mm處，與文獻報道結(jié)果符合較好。

實驗測量了在不引與引束流情況下中和器觸持極電壓及其振蕩峰峰值，實驗結(jié)果顯示離子推力器引束流時中和器觸持極電壓低于未引束流工況，結(jié)果與中和器斑狀模式下負阻特性相符；在引束流時，中和器斑狀-羽狀模式流率轉(zhuǎn)變點由0.8 mL/min提高到2.2 mL/min，需要進一步開展研究；建議LIPS-300離子推力器中和器流率設置為≥2.2 mL/min，以保證中和器始終工作在優(yōu)化的斑狀模式。

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