碘工質(zhì)空間電推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

顏能文，郭 寧，谷增杰

（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）

0 引言

空間電推進(jìn)系統(tǒng)是一種先進(jìn)航天動(dòng)力系統(tǒng)，由于其具有比沖高的突出優(yōu)勢(shì)，執(zhí)行相同任務(wù)推進(jìn)劑消耗量相對(duì)于化學(xué)推進(jìn)降幅最高可達(dá)80%，因此，應(yīng)用電推進(jìn)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)航天器高承載比的最有效技術(shù)途徑，是當(dāng)前和未來(lái)我國(guó)航天裝備重要發(fā)展方向之一[1]。

主流空間電推進(jìn)系統(tǒng)目前均以氙氣作為工質(zhì)?？臻g電推進(jìn)系統(tǒng)使用的推進(jìn)級(jí)高純氙氣（純度99.999 5%），其本身價(jià)格昂貴導(dǎo)致氙氣電推進(jìn)系統(tǒng)成本高昂。碘工質(zhì)儲(chǔ)量豐富，價(jià)格相比于氙氣更為低廉，使用碘工質(zhì)能夠降低電推進(jìn)系統(tǒng)的成本。美國(guó)Busek公司就碘工質(zhì)應(yīng)用于電推進(jìn)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)研究并得出結(jié)論，碘工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展需要解決碘工質(zhì)的氧化性、氣化、流率控制、推力器優(yōu)化設(shè)計(jì)及工作點(diǎn)的選擇以及試驗(yàn)設(shè)備防護(hù)的問(wèn)題[2]。

1 碘工質(zhì)特性

碘的相對(duì)原子質(zhì)量略小于氙氣，但碘是雙原子分子，I和I2混合后的平均粒子質(zhì)量可能高于Xe，根據(jù)推力公式：

式中：T為推力器產(chǎn)生的推力；M為碘的相對(duì)原子質(zhì)量；Ib為束電流；Vb為束電壓。

可知，碘工質(zhì)產(chǎn)生的推力峰值要大于氙氣[3]。碘原子的碰撞截面大且第一電離能低于氙氣意味著推力器的離子產(chǎn)生成本的降低；在室溫和50 kPa條件下，碘工質(zhì)的貯存密度約為氙氣的3倍，對(duì)于工質(zhì)貯存單元體積固定的電推進(jìn)系統(tǒng)，使用碘工質(zhì)能夠提供更大的速度增量Δv從而提升飛行器續(xù)航能力[3]。

目前，空間電推進(jìn)系統(tǒng)使用的推進(jìn)級(jí)高純氙氣，價(jià)格高達(dá)10萬(wàn)元/m3，而應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)的通信衛(wèi)星平臺(tái)一般需要充裝數(shù)百公斤氙氣，未來(lái)應(yīng)用超大功率電推進(jìn)系統(tǒng)的航天器更是需要充裝上噸推進(jìn)級(jí)高純氙氣，成本極高[4]。碘在地球上的儲(chǔ)量豐富，是氙氣的25 000倍且提純技術(shù)較為簡(jiǎn)單，因此碘工質(zhì)的價(jià)格只有不到氙氣的一半，應(yīng)用碘工質(zhì)能夠大幅地降低電推進(jìn)系統(tǒng)的成本。此外，國(guó)內(nèi)最大的電推進(jìn)地面測(cè)試系統(tǒng)真空機(jī)組抽速在300 000 L/s量級(jí)，而使用氙氣工質(zhì)的超大功率電推進(jìn)系統(tǒng)一般要求真空機(jī)組抽速達(dá)到10 000 000 L/s量級(jí)，制造和運(yùn)行成本極為昂貴，與Xe相比，碘工質(zhì)可在常溫下凝結(jié)，使得對(duì)碘蒸氣進(jìn)行抽除的設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行成本顯著降低，因此，采用碘工質(zhì)將成為破解超大功率電推進(jìn)系統(tǒng)建造難題的重要選項(xiàng)。其碘的物化特性如表1所列[2]，

表1 碘工質(zhì)與氙氣工質(zhì)的物化特性Table1 Properties of iodine and xenon

綜上所述，碘工質(zhì)的第一電離能、碰撞截面峰值、價(jià)格和相關(guān)地面試驗(yàn)設(shè)備的成本等方面均要優(yōu)于氙氣，因此，采用碘工質(zhì)空間電推進(jìn)系統(tǒng)是大幅度降低空間電推進(jìn)系統(tǒng)成本的主要途徑。然而，盡管碘工質(zhì)在降低推進(jìn)系統(tǒng)成本方面優(yōu)勢(shì)明顯，但其具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，在低溫下有容易凝結(jié)的特點(diǎn)，因此，碘應(yīng)用于電推進(jìn)系統(tǒng)，必須針對(duì)這些特點(diǎn)解決一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)碘工質(zhì)的特性進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，下文將關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2 碘工質(zhì)推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

目前，美國(guó)Busek公司的碘工質(zhì)技術(shù)已經(jīng)在BHT-200、BHT-600、BHT-1000、BHT-1500、BHT-8000系列霍爾推力器以及BIT-3射頻離子推力器上進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)推力器系統(tǒng)進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，推力器整體性能與使用氙工質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果非常接近[5-6]。應(yīng)用碘工質(zhì)的BIT-3射頻離子推力器將于2018年搭載于12U的iSAT立方星完成全系統(tǒng)的空間飛行驗(yàn)證[7]。從國(guó)外研制情況看，碘工質(zhì)推力器設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)解決好以下問(wèn)題。

首先，須確保碘工質(zhì)與推力器結(jié)構(gòu)化學(xué)特性相容。碘工質(zhì)溫度越高，越容易與材料發(fā)生反應(yīng)。因此要選擇工作與碘工質(zhì)接觸部分工作溫度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料穩(wěn)定性好的推力器設(shè)計(jì)，來(lái)減少碘工質(zhì)的氧化性對(duì)推力器的影響。如將于2018年升空的BIT-3射頻離子推力器和配套的BRFC-1中和器，為避免工作于高溫條件的空心陰極與碘工質(zhì)接觸反應(yīng)，就在放電室和中和器均采用無(wú)陰極的射頻結(jié)構(gòu)[7]。

其次，須針對(duì)碘工質(zhì)電離特性，選擇優(yōu)化的工作點(diǎn)，提高推力器性能。Busek研究人員通過(guò)分析BHT-200推力器試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放電電壓維持在300 V左右時(shí)，碘工質(zhì)的各項(xiàng)放電性能要優(yōu)于氙氣，其中推力平均值高出氙氣12%[8]。該結(jié)果產(chǎn)生與碘是雙原子分子，直接電離產(chǎn)生的I2+貢獻(xiàn)的推力大于I+有關(guān)。當(dāng)羽流中的I2+比例超過(guò)總離子數(shù)的5.7%時(shí)，碘工質(zhì)產(chǎn)生的推力大于氙氣工質(zhì)產(chǎn)生的推力[11]。但是，碘分子的分解能僅為1.57 eV，進(jìn)入放電室后很容易被分解電離。要提高占比，就需要開(kāi)展推力器工作點(diǎn)優(yōu)化試驗(yàn)，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出優(yōu)化的工作點(diǎn)區(qū)間。

綜上可知，碘工質(zhì)推力器的設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)碘工質(zhì)特性，在充分利用雙原子特性、電離能低、碰撞截面峰值大等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也要防護(hù)碘工質(zhì)的化學(xué)活性給推力器可能造成的影響。

2.1 碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

目前主流電推進(jìn)系統(tǒng)的貯供系統(tǒng)是根據(jù)惰性氣體貯供需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而碘工質(zhì)常溫下為固態(tài)，且化學(xué)活性較強(qiáng)，因此，碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)需要采用不同于主流電推進(jìn)系統(tǒng)的貯供系統(tǒng)設(shè)計(jì)。下面對(duì)碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

國(guó)外進(jìn)行碘工質(zhì)推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)研究中，使用的兩種貯供系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1是BHT-200霍爾推力器試驗(yàn)的貯供系統(tǒng)，包括碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)和氙氣貯供系統(tǒng)（中和器供氣）。氙氣貯供系統(tǒng)的技術(shù)成熟不再贅述。碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)包括碘工質(zhì)貯存及氣化組件、傳輸管路及流量控制組件[9]。圖2是BIT-3射頻離子推力器的貯供系統(tǒng)，BIT-3的貯供系統(tǒng)只有碘工質(zhì)系統(tǒng)，增加了絕熱裝置和控制單元[10]。兩種系統(tǒng)的原理都是通過(guò)氣化組件將碘工質(zhì)加熱到一定溫度令其升華，貯箱壓力達(dá)到期望值后，打開(kāi)閥門(mén)，氣態(tài)工質(zhì)通過(guò)傳輸管路和流率控制組件進(jìn)入放電室放電。基于圖1、2可知，碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括碘工質(zhì)氣化組件設(shè)計(jì)和流率控制組件設(shè)計(jì)。

圖1 碘工質(zhì)BHT-200推力器貯供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Iodine BHT-200 feed system diagram

圖2 碘工質(zhì)BIT-3貯供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Iodine BIT-3 feed system diagram

圖1、圖2中氣化組件原理基本相同。碘工質(zhì)被加熱到60℃以上即可升華，對(duì)加熱系統(tǒng)的功率要求不高，但對(duì)加熱器的溫度精度要求較高[11]。試驗(yàn)中一般要求傳輸管路的溫度高出貯箱約15℃，防止碘工質(zhì)在傳輸管路中凝結(jié)，造成管路堵塞。Busek公司在碘工質(zhì)試驗(yàn)時(shí)，將碘工質(zhì)貯存器保持在90℃，傳輸管路保持在113℃[12]。目前常用的加熱方法是將加熱帶纏在貯箱和傳輸管路上，根據(jù)溫度傳感器和壓力傳感器的測(cè)量示數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)加熱功率[11]。為了獲得良好的恒溫環(huán)境，要對(duì)貯箱進(jìn)行絕熱處理。

工質(zhì)的流率控制是影響推力器工作穩(wěn)定性的主要因素，是碘工質(zhì)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。工質(zhì)流率不穩(wěn)定會(huì)影響推力器的性能穩(wěn)定性，如引起比沖波動(dòng)，推力不穩(wěn)定等問(wèn)題。碘工質(zhì)的流率調(diào)節(jié)與氙氣流率調(diào)節(jié)不同的是碘工質(zhì)首先要從固態(tài)升華為氣態(tài)。工質(zhì)的氣化需要揮發(fā)組件來(lái)完成且碘工質(zhì)的工作溫度高，現(xiàn)有的流率調(diào)節(jié)閥不可用。因此，相比于完善的氙氣流率控制系統(tǒng)，碘工質(zhì)的流率調(diào)節(jié)尚有很大的改善空間。BIT-3射頻離子推力器和BHT-200霍爾推力器的碘工質(zhì)試驗(yàn)中采用了不同的流率控制方法。BIT-3射頻離子推力器試驗(yàn)采用的是開(kāi)環(huán)流率控制方法，控制原理是：試驗(yàn)前通過(guò)測(cè)定碘工質(zhì)加熱溫度與前級(jí)壓力ps以及工質(zhì)流率的關(guān)系圖，作為試驗(yàn)中調(diào)節(jié)流率的依據(jù)。根據(jù)推力器束流變化，通過(guò)調(diào)節(jié)貯箱的溫度來(lái)完成工質(zhì)流率的調(diào)節(jié)。

BHT-200霍爾推力器的貯供系統(tǒng)采用了閉環(huán)流率控制方法，其原理是：以束流的測(cè)量信號(hào)作為反饋，通過(guò)反饋電路發(fā)出的調(diào)控信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)加熱溫度，再由一個(gè)比例流率控制閥來(lái)控制傳送到放電室的工質(zhì)流率大小，整個(gè)過(guò)程都是通過(guò)指令由系統(tǒng)自身完成。圖1中px與ps分別表示氙氣工質(zhì)貯箱和碘工質(zhì)貯箱出氣口的氣體壓力[2]。

兩種調(diào)節(jié)方法相比，前者依據(jù)溫度—流率關(guān)系曲線，通過(guò)調(diào)節(jié)碘工質(zhì)貯存器的加熱溫度控制流量，屬開(kāi)環(huán)控制，控制精度低、調(diào)節(jié)速度慢，但成本較低，適用于簡(jiǎn)易的功能性試驗(yàn)；后者傳輸管路接有特制的比例流量控制閥，采用閉環(huán)控制法控制精度高、反饋調(diào)節(jié)速度快，但成本更高，適用于碘工質(zhì)推力器的性能試驗(yàn)。

比例流量控制閥也是貯供系統(tǒng)的重要組成。試驗(yàn)中，碘工質(zhì)的溫度接近或高于100℃，目前大多數(shù)的流率控制閥的工作溫度為45～55℃，在碘工質(zhì)的工作溫度下，流率控制閥的控制精度和工作性能已不能保證。為了滿足試驗(yàn)要求的工質(zhì)流率，Busek公司在試驗(yàn)中使用的比例流量控制閥能在100～130℃的溫度下正常工作[10]，但要求前級(jí)壓力不小于1.3×104Pa[11]。

綜上，碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括貯存與氣化器設(shè)計(jì)、流量控制器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案應(yīng)重點(diǎn)保證：第一，氣化后的氣體壓力與流量控制器前級(jí)壓力需求相協(xié)調(diào)；第二，氣態(tài)碘傳輸路徑上，各零部件應(yīng)維持足夠高的溫度，確保不會(huì)出現(xiàn)碘的凝結(jié)。

2.2 碘工質(zhì)在航天器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)分析

碘工質(zhì)應(yīng)用于空間任務(wù)航天器時(shí)，碘工質(zhì)與航天器以及推力器和貯供系統(tǒng)的化學(xué)兼容性需要進(jìn)行考慮。首先，可能存在碘工質(zhì)被電離噴出后沉積在航天器表面的問(wèn)題。美國(guó)華盛頓大學(xué)就碘工質(zhì)在航天器表面的吸附和脫附平衡問(wèn)題進(jìn)行了研究[17]。

推力器羽流如果碰撞到航天器表面，將復(fù)合為碘分子。碘分子的脫附速率如式（2）：

式中：Γout為碘分子的脫附速率；pv為航天器表面材料在溫度T時(shí)的飽和蒸氣壓；p∝為航天器表面所處的背景壓力；M為碘分子質(zhì)量；T為所處的溫度；α為表征粒子沉積狀態(tài)的數(shù)值，一般情況下α=1。很顯然，當(dāng) pv和 p∝相等的時(shí)候，Γout=0，在太空中，p∝為零。

相應(yīng)的，推力器羽流離子碰撞到航天器表面，可引起的碘的吸附速率為：

式中：Γin為蒸發(fā)速率；j為碘離子電流密度；Z為碘離子所帶的電荷數(shù)。

吸附物為單原子離子，脫附物為復(fù)合的雙原子分子，要保證碘工質(zhì)不會(huì)在航天器表面沉積，須保證Γout＞0.5Γin，即：

試驗(yàn)中，取碘離子電流密度典型值j=0.05 mA/cm2。通過(guò)計(jì)算，當(dāng)航天器表面的溫度T高于-75℃時(shí)，羽流在航天器表面的吸附速率小于碘分子的脫附速率，不會(huì)造成航天器表面的沉積問(wèn)題。從一般設(shè)計(jì)看，高于-75℃溫度要求還是容易實(shí)現(xiàn)的。

其次，碘工質(zhì)與空間電推進(jìn)系統(tǒng)材料的相容性也是碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。NASA研究人員就碘工質(zhì)與材料的相容性做了測(cè)試，試驗(yàn)列出了碘工質(zhì)與測(cè)試材料在一定溫度、一定時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，200℃以下，與碘工質(zhì)完全不發(fā)生反應(yīng)的推進(jìn)系統(tǒng)材料有鎳、鉻鎳鐵合金、鉑、金、鉬、鉭、314不銹鋼和316不銹鋼。通過(guò)比對(duì)材料成本、物理特性和工藝特性，316不銹鋼可作為貯箱和傳輸管路的備選材料[13]。

由此可見(jiàn)，航天器采用碘工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng)，避免碘工質(zhì)羽流沉積在航天器上造成污染，其關(guān)鍵在于進(jìn)行合理的航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保對(duì)羽流沉積敏感的區(qū)域，其表面溫度高于特定值。而碘工質(zhì)與電推進(jìn)系統(tǒng)的相容性則重在材料的選擇和推力器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)分析

碘工質(zhì)化學(xué)活性強(qiáng)且在低溫下易凝結(jié)。試驗(yàn)時(shí)，如試驗(yàn)系統(tǒng)不針對(duì)碘的特性進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，羽流中的碘離子會(huì)復(fù)合為分子，沉積在真空艙內(nèi)壁上，造成真空室污染[17]，或沉積在真空泵內(nèi)，氧化結(jié)構(gòu)并堵塞通道，導(dǎo)致真空泵性能下降甚至損壞真空泵。為了保護(hù)真空泵和真空艙，國(guó)外研究人員采取了以下措施：

第一，在真空艙內(nèi)部、羽流后一定距離處安置羽流屏。NASA格林研究中心的研究人員在真空艙內(nèi)安放了通液氮的V型冷肼來(lái)沉積碘工質(zhì)羽流[18]，不僅能減少附著到真空艙內(nèi)壁的碘工質(zhì)，還可以有效地降低真空泵的負(fù)擔(dān)。

第二，在真空艙內(nèi)安裝暖燈。羽流屏不能完全的避免碘工質(zhì)在艙內(nèi)的沉積，可以在試驗(yàn)結(jié)束后打開(kāi)暖燈，將真空艙內(nèi)壁上殘留的碘工質(zhì)進(jìn)行加熱升華并抽出[19]。

第三，采用用油擴(kuò)散泵做主泵。碘工質(zhì)的特性會(huì)對(duì)試驗(yàn)中使用的真空泵造成損耗，尤其是主泵。Busek公司在碘工質(zhì)試驗(yàn)中選取可以通過(guò)換油來(lái)排出沉積在泵腔內(nèi)碘工質(zhì)的油擴(kuò)散泵作為主泵[20]。

綜上，碘工質(zhì)電推進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵在采取各種必要措施，避免碘在真空室、泵腔內(nèi)沉積，造成真空系統(tǒng)污染或?qū)е抡婵毡脫p壞。

3 結(jié)論及建議

碘工質(zhì)在電離特性、價(jià)格和對(duì)設(shè)備要求方面的優(yōu)勢(shì)使得碘工質(zhì)具有成為未來(lái)電推進(jìn)系統(tǒng)主流推進(jìn)劑的條件。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，碘工質(zhì)推進(jìn)系統(tǒng)必將成為未來(lái)空間電推進(jìn)系統(tǒng)的重要選擇。因此，我國(guó)應(yīng)迅速展開(kāi)對(duì)碘工質(zhì)空間電推進(jìn)技術(shù)的研究，以適應(yīng)航天電推進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)分析碘工質(zhì)在霍爾推力器和射頻離子推力器上應(yīng)用的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，我國(guó)發(fā)展碘工質(zhì)電推進(jìn)技術(shù)，需要做到以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)符合碘工質(zhì)放電特性的推力器

由于碘工質(zhì)與氙氣工質(zhì)在放電特性、物理特性的差異，碘工質(zhì)推力器的設(shè)計(jì)在類(lèi)型選擇、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工況設(shè)置等方面與氙氣推力器也有所不同。另外，由于碘工質(zhì)在放電室內(nèi)生成的副產(chǎn)品較多，加速特性與氙氣也有所不同，在推力器設(shè)計(jì)中也應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化。

（2）研制性能穩(wěn)定的碘工質(zhì)氣化組件

固態(tài)工質(zhì)氣化組件穩(wěn)定性是碘工質(zhì)推力器能夠正常工作的首要條件。氣化組件穩(wěn)定性可以通過(guò)分析貯供系統(tǒng)的吸熱和散熱情況并改善絕熱裝置來(lái)提高，為碘工質(zhì)流率的調(diào)節(jié)提供保障。

（3）突破高精度流率控制關(guān)鍵技術(shù)

高精度的流率控制是貯供系統(tǒng)的核心技術(shù)，也是航天器能夠正常在軌運(yùn)行的必要條件。基于比例流量控制閥的閉環(huán)式流率控制法是實(shí)現(xiàn)碘工質(zhì)高精度流率控制最有效途徑，研發(fā)可在高溫條件下使用，與碘材料相容的比例流率控制閥是突破該技術(shù)的關(guān)鍵。閉環(huán)式流率控制法的精度可以通過(guò)改善控制單元來(lái)提高。

（4）確保碘工質(zhì)與電推進(jìn)系統(tǒng)的相容性

相容性是對(duì)碘工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng)的特殊要求。碘工質(zhì)的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重腐蝕、表面沉積等問(wèn)題，大幅影響電推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和正常工作。碘工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)中需要考慮兼容性的方面包括推力器、貯供系統(tǒng)、地面試驗(yàn)和航天器污染等。