磁屏蔽霍爾推力器技術(shù)的發(fā)展與展望

徐亞男，康小錄,2，余水淋,2

（1.上?？臻g推進研究所，上海 201112；2.上?？臻g發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

0 引 言

霍爾推力器經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，已經(jīng)大量應用于地球軌道衛(wèi)星和深空探測飛行器的位置保持、軌道轉(zhuǎn)移等空間任務，展現(xiàn)出良好的綜合性能和應用優(yōu)勢[1]。隨著航天活動在更遠的深空逐漸開展，比如未來探測遠太陽系行星及建設行星基地等航天任務，要求速度增量大幅度提高，而推力器壽命是影響速度增量的因素之一。然而目前霍爾推力器的壽命僅幾千到一萬小時，遠不能滿足要求，制約霍爾推力器壽命的主要因素是放電室通道壁面以及磁極表面的腐蝕，源于等離子體與兩者之間的相互作用[2]。為了減輕壁面腐蝕，延長推力器壽命，JPL首次提出了磁屏蔽（Magnetic shielding，MS），研究表明磁屏蔽使6 kW的霍爾推力器壁面腐蝕速率下降了3個數(shù)量級，效果顯著，且對其性能沒有造成明顯改變，因此具有良好的發(fā)展前景。

1 霍爾推力器磁屏蔽原理

減弱壁面腐蝕方面的研究可追溯至20世紀60年代，霍爾推力器發(fā)明者俄羅斯科學家Morozov和Savelyev在研究霍爾推力器的基本理論時就指出向陽極方向凸出的磁場構(gòu)形有利于減輕壁面腐蝕[3]。但當時只是指出了有這樣一種趨勢和現(xiàn)象，并未從實驗和機理上對這一問題進行系統(tǒng)論述。實質(zhì)上僅憑這一點并不能有效控制放電室壁面附近的電場進而達到預期效果。之后JPL提出了磁屏蔽，在Morozov理論的基礎上著重強調(diào)了壁面附近的磁力線必須近乎等勢才能發(fā)揮減輕壁面腐蝕的作用，并且在2009年從理論上提出了第一準則[4]。

圖1（a）中等離子體電勢?、電子溫度Te沿未磁屏蔽霍爾推力器放電室壁面分布曲線與沿放電室通道中心（圖2曲線）的分布隨軸向變化一致，而圖1（b）曲線圖中，磁屏蔽改變了兩者的分布，使沿放電室壁面的?與Te接近于常數(shù)。相比較于圖1（a）磁力線與壁面相交、沿磁力線有電場分量的磁場構(gòu)形，圖1（b）表示的是理想的磁屏蔽構(gòu)形，它的磁力線緊貼壁面并沒有與之相交；壁面處磁力線向陽極延伸，且保持等勢，表現(xiàn)出恒定不變的高電勢、低電子溫度的特點。

磁屏蔽的顯著效果依賴于霍爾推力器的放電特性。霍爾推力器放電室內(nèi)周向電子穩(wěn)定漂移的條件是電子數(shù)密度足夠小，否則過強的碰撞行為就會阻礙其形成，因此電子霍爾參數(shù)很大（β=ωce/νe＞＞1）。根據(jù)廣義歐姆定律

在垂直于磁力線方向上有

平行于磁力線方向上有

由式（3）能夠知道E⊥比E||大得多。而電場的形成與電子的運動有關(guān)，因此電子在平行于磁力線方向上的阻抗遠小于垂直于磁力線方向上的阻抗，由此可以得出磁力線的第一個特性——磁力線絕熱特性

圖1 放電室中心特性示意圖Fig.1 Basic features of accelerator and typical profiles along centerline

圖2 施加磁屏蔽前后的原理示意圖Fig.2 Schematic diagrams of unshielded Hall thruster (US) and magnetically shielded Hall thruster(MS)

在平行于磁力線的方向上忽略碰撞，電子動量方程為

在平行于磁力線方向上

電子溫度采用單位eV，從通道中心到壁面沿磁力線進行積分可以得到沿磁力線的電勢

其中下標“0”代表放電室通道中心的參數(shù)。

由式（7）可見沿磁力線電勢并不是常數(shù)，因為電子數(shù)密度在變化，而電子溫度有限恒定，造成Te0ln(ne0/ne)變化不可忽視，進而引起電勢變化明顯。若要實現(xiàn)磁力線等勢，就要盡量弱化該項對于電勢大小的影響[5]。通過將壁面附近的磁力線向陽極延伸，利用磁力線絕熱的特點使壁面附近的電子溫度等于陽極附近較低的電子溫度，則該項變化趨向于零，此時有?‖≈?0。同時在放電室通道尾段加工倒角且使壁面附近的磁力線盡量與之平行，則離子就會沿垂直于壁面的方向加速遠離，進一步減少離子與壁面的相互作用。

磁屏蔽從多個方面影響了壁面腐蝕速率。離子撞擊壁面時，若固體壁面中的晶格粒子接受的來自于離子的能量足以克服固體的束縛則會從壁面發(fā)射，造成壁面腐蝕。腐蝕速率是垂直入射到壁面的離子流ji⊥與濺射系數(shù)Y的函數(shù)

垂直入射到壁面的離子流ji⊥與離子數(shù)密度ni以及離子垂直入射的速度vi⊥有關(guān)，而放電室通道材料濺射系數(shù)Y與離子能量?i和離子入射的角度θi有關(guān)。磁屏蔽減小了壁面附近的離子數(shù)密度ni，進而減小了ji⊥；大幅降低了壁面附近與陽極之間的電勢降，通過降低壁面附近電子溫度減小了鞘層勢能，所以減小了離子入射到壁面上的能量?i，進而使Y變小，最終從理論上減小了腐蝕速率。

2 磁屏蔽研究現(xiàn)狀

2.1 磁屏蔽的提出與驗證

美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）首次提出了磁屏蔽的概念，在總時長10.4 kh的磨損實驗中XR-5（BPT-4000前身）5.6 kh后達到了零腐蝕狀態(tài)。之后JPL通過改造比沖為2 000 s、功率6 kW、電壓300 V的H6霍爾推力器，對比施加磁屏蔽實驗樣機H6MS與未施加磁屏蔽的H6US的仿真和實驗結(jié)果來驗證磁屏蔽的機理，實驗與仿真結(jié)果都很好地驗證了磁屏蔽的第一準則理論，如圖3和圖4所示，發(fā)現(xiàn)磁屏蔽可以使H6的腐蝕速率降低3個數(shù)量級。

圖3 MS與US/BL等離子體電勢對比[4]Fig.3 Comparison of plasma potential in MS and US thruster configurations[4]

圖4 MS與US/BL電子溫度對比[4]Fig.4 Comparison of electron temperature in MS and US thruster configurations[4]

如圖5所示此次JPL通過探針測量放電室參數(shù)以及CMM測量腐蝕的方法對磁屏蔽進行初步研究發(fā)現(xiàn)：從視覺上，相較于US，MS放電室內(nèi)等離子體與壁面之間的間隙更明顯，實驗后MS陶瓷壁幾乎被回濺的碳全部覆蓋，而US陶瓷壁仍有白色的部分，說明MS壁面腐蝕的速率小于碳回濺的速率；性能上施加磁屏蔽后效率由63.5%減到62.4%，比沖由1 950 s到2 000 s，推力由401 mN到384 mN[6]，可見磁屏蔽相較于會切場推力器、無壁霍爾推力器減輕壁面腐蝕的方法對推力器性能影響不大；放電電流振蕩方面，呼吸模式時，MS的頻率是8 kHz，幅度1 A，US頻率14 kHz，幅度0.8 A，MS有US沒有的80 kHZ的高頻振蕩，說明磁屏蔽可能使推力器不穩(wěn)定性增加；熱特性方面，放電室通道后30%溫度減少了60～80℃（12%～16%），有利于改善霍爾推力器熱設計；實驗測量表明最強磁場位置向下游移動，等離子體的位置也向下游移動，造成了電子溫度與等離子體電勢在放電室通道中心沿軸向的分布隨之向下游移動，如圖6（a）和圖6（b）所示，會引起背景壓力敏感性增加；從近場羽流特性方面，羽流發(fā)散角增加，這可能導致某些性能參數(shù)的下降以及磁極腐蝕的加重；從遠場等離子體特性方面，MS高價氙離子比例增加，有利于電流利用率的提高，進而改善性能。

圖5 H6實驗圖Fig.5 Experimental devices of H6

圖6 H6US與H6MS放電特性測量值對比Fig.6 Plasma potential (relative to cathode) and electron temperature measured on the channel centerline in the US and MS configurations

2.2 大功率霍爾推力器磁屏蔽

深空探測以及載人航天等任務的陸續(xù)提出對霍爾推力器提出了大功率、長壽命等要求。大功率對霍爾推力器意味著更高的電子溫度、更嚴重的壁面腐蝕以及磁飽和等問題，探究磁屏蔽霍爾推力器在大功率下的效果是必要的。目前磁屏蔽大功率霍爾推力器的研究主要包括JPL聯(lián)合美國國家航空航天局（NASA）研制的12.5 kW的HERMeS、意大利5 kW的HT5K LL、密歇根大學聯(lián)合JPL研究9 kW的H9以及上?？臻g推進研究所的5 kW磁屏蔽霍爾推力器。

HERMeS是為NASA一系列探月探火任務研發(fā)的高級電推進系統(tǒng)中的磁屏蔽霍爾推力器單元，采用中心安裝陰極，設計比沖為3 000 s，壽命50 kh[7]。對其不同的設計構(gòu)型制定了包括推進劑均勻性測試、磁屏蔽特性測試、性能測試、熱特性測試、背景壓力敏感性測試、磨損測試、電結(jié)構(gòu)設計測試、加速區(qū)特性測試、磁極腐蝕測試以及環(huán)境測試各方面的研究計劃[8]。在7次短期（約200 h）磨損試驗中，采用SLA方法量化腐蝕，由于采用了磁屏蔽技術(shù)，HERMeS各技術(shù)研發(fā)單元在不同放電電壓、磁場強度以及背景壓力下均未出現(xiàn)明顯的壁面腐蝕；當中心安裝的陰極觸持極與內(nèi)磁極端面齊平的時候，其腐蝕對于放電電壓不敏感，隨場強增加而加重，其位置向上游設置會改善腐蝕狀況[9]。

磁屏蔽帶來的羽流發(fā)散角增大會使磁極腐蝕加重，另外采用內(nèi)部安裝陰極也會加重內(nèi)磁極腐蝕，因此對內(nèi)磁極腐蝕進行重點研究。數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)其端面腐蝕隨振蕩的幅度增大而加重，500 V和600 V時較300 V和400 V振蕩幅度大[10]。對HERMeS內(nèi)磁極端面腐蝕隨工況變化的研究發(fā)現(xiàn)，其速率對于放電電壓變化不敏感，隨磁場強度變大單調(diào)增加，隨背景壓力升高而減小；內(nèi)磁極腐蝕一部分可能來源于陰極羽流產(chǎn)生的高能離子，且對比內(nèi)磁極前端覆蓋鉬與石墨的腐蝕速率發(fā)現(xiàn)入射的離子角度較大[11]。數(shù)值仿真由于將陰極羽流看作單獨的流體，其離子能量在石墨的濺射閾值之下，并不能體現(xiàn)出陰極羽流對于內(nèi)磁極的明顯腐蝕，與實驗結(jié)果不符。但JPL對磁屏蔽H6磁極腐蝕的機制研究發(fā)現(xiàn)磁極的腐蝕主要由低速、高速兩種離子撞擊產(chǎn)生，低速離子包括陰極羽流的低能離子以及放電室內(nèi)壁附近的低能等離子體通過交換電荷產(chǎn)生的離子；高速離子主要是推力器羽流邊緣的離子，在高電勢等離子體和磁極前端之間存在電勢較大的靜電通路使這部分撞擊在磁極上的高能離子數(shù)增多，并加劇了近場羽流振蕩使高能離子入射角增大[12]。因此消除高電勢等離子體和磁極前端的靜電通路可減輕磁極腐蝕，HERMeS選擇將推力器主體與陰極導通，可消除推力器主體的較大負電勢。綜合上述研究，關(guān)于磁極腐蝕的機理仍需要深入研究。

磁屏蔽H6可在300～700 V較大電壓范圍實現(xiàn)較好的效果，但是在800 V、9 kW的工況下出現(xiàn)了內(nèi)磁極飽和[13]，于是承襲H6的中心安裝六硼化鑭陰極、陽極分配器以及放電室結(jié)構(gòu)，對磁路重新設計，外磁線圈采用單個線圈，采用石墨做磁極前端保護材料，將推力器主體與陰極導通并在推力器主體上安裝正方形片作為散熱片，設計了磁屏蔽H9。研究了陽極流量均勻性、磁場構(gòu)形、性能以及遠場測量，其在4.5～9 kW、300～800 V條件下，推力291～436 mN，最大總效率63.4%，最大比沖2 950 s[14]。

在5 kW磁屏蔽霍爾推力器的研究上，意大利的V.Giannetti在16 mT、20 mT、25 mT磁場強度、250～500 V、2.5～7.5 kW以及內(nèi)外安裝陰極不同的條件下對HT5K LL進行了研究，250 h的磨損試驗后利用ADE（電子顯微鏡）系統(tǒng)測量腐蝕發(fā)現(xiàn)磁屏蔽方法使腐蝕速率下降了一個數(shù)量級，性能最大值下降了3%[15]。上?？臻g推進研究所對磁屏蔽技術(shù)進行了嘗試，初步觀察到陶瓷放電室壁面被碳覆蓋的現(xiàn)象，證明其有減輕壁面腐蝕的效果。

2.3 小功率霍爾推力器磁屏蔽

小霍爾（＜ 500 W，＜ 7 cm）比沖高、推力與功率之比大、尺寸小，但是其通道面積與體積之比大，會導致腐蝕速率快、壁面電子損失嚴重、容易達到磁飽和、發(fā)熱嚴重等問題，使壽命短成為其一大缺點。

以加州大學Ryan W.Conversano為首的（聯(lián)合JPL）團隊基于樣機MaSMi-40（300 W）和MaSMi-60（500 W）進行小霍爾磁屏蔽的研究。MaSMi-40采用海博科高導磁鐵鈷合金來代替鐵作為導磁體，雙室陽極結(jié)構(gòu)改善推進劑分配均勻性，設計如圖7所示的大面積散熱器改善小霍爾受熱嚴重的問題，在275 V、325 W下，由于磁飽和內(nèi)壁沒有實現(xiàn)完全磁屏蔽[16]。之后進行了改善設計了MaSMi-60，保證放電室通道足夠?qū)挘３蛛p室陽極不變，成功實現(xiàn)了完全磁屏蔽[17]。在160～750 W、200～400 V下對MaSMi-60進行一系列的實驗研究后發(fā)現(xiàn)：壽命可至少延長10倍；擴散段出現(xiàn)了過屏蔽，磁極腐蝕嚴重，且不穩(wěn)定性增加；最佳性能表現(xiàn)為推力33 mN、比沖1 370 s，效率29%，不如大功率霍爾推力器磁屏蔽實現(xiàn)效果好[18]。其二維仿真顯示沿通道中性粒子密度沒有明顯下降，說明有很多氙原子沒有經(jīng)過電離就噴出了推力器；還發(fā)現(xiàn)有20%電離發(fā)生在放電室之外[19]，結(jié)合羽流診斷分析總結(jié)其原因可得：較小的徑向磁場對電子束縛不夠，引起電流利用率減?。环烹娛叶桃约瓣枠O分配不夠均勻，電離平均自由程相對于電離區(qū)過長，氙原子來不及電離就被噴出，減小了推進劑利用效率；磁屏蔽擴散段以及等離子體向下游轉(zhuǎn)移引起束發(fā)散角增加。最后給出了改善方法：增強磁場強度，改進陽極設計，改善壁面下游過屏蔽的情況。

圖7 小霍爾實物圖[16]Fig.7 Miniature Hall thruster[16]

2014年Conversano在150～300 V、1～2.3 A工作條件下進行實驗，在275 V、1.2 A下發(fā)現(xiàn)MaSMi隨溫度變化有jet以及diffuse兩種不同的工作模式，放電室溫度的升高改變了磁場進而使工作模式由jet向diffuse不可逆轉(zhuǎn)換。低溫下是jet模式，推力12～13 mN，陽極效率24%，電流振蕩波峰幅度是平均電流的2.5～4倍，波谷幅度為10%平均電流（進入暫時關(guān)機狀態(tài)）；370～390 ℃時，出現(xiàn)了diffuse模式，推力11～12 mN，陽極效率21%，振蕩幅度是平均電流的20%[20]，圖8是兩種模式放電電流振蕩對比圖。jet模式由于磁屏蔽作用較強，高價離子的比例增加，如圖9所示，視覺上diffuse模式相對于jet模式羽流光輝更暗，沿軸向延伸距離短，更發(fā)散一些。且Diffuse模式由于內(nèi)磁極磁飽和磁屏蔽的效果較差，壁面腐蝕更嚴重；磁場對于電子的束縛不夠，軸向上更多的電子向陽極移動，導致了陽極溫度的上升。

圖8 jet與diffuse模式放電電流振蕩[20]Fig.8 Comparison of the discharge current oscillations measured during operation of the MaSMi Hall thruster in the low-temperature jet mode and the high-temperature diffuse mode[20]

圖9 275 V，1.2 A下的MaSMi羽流圖[20]Fig.9 MaSMi's plasma discharge while operating at 275 V and 1.2 A[20]

2017年，意大利研究了平均直徑小于5 cm、功率小于300 W的磁屏蔽小功率霍爾推力器MSHT100[21]，從推力器的推力性能、磁屏蔽放電室通道壁的改進以及采用氪做推進劑等方面進行了研究，將總沖從75 kNs提高到了200 kNs。Lou Grimaud等人設計并研究了200 W的ISCT200-MS，以在小霍爾上驗證磁屏蔽的概念，利用LIF技術(shù)比較離子速度分布并計算電場，同時測量離子流密度以計算發(fā)散角和效率，研究發(fā)現(xiàn)磁極仍有腐蝕；推進劑利用效率下降，其它性能變化不大；LIF測量表明壁面附近離子密度、能量下降[22]。

2.4 磁屏蔽霍爾推力器對熱設計的影響

Ira Katz等人提出磁屏蔽可能對熱設計也產(chǎn)生影響，經(jīng)過與未施加磁屏蔽的基本構(gòu)形（BL）的對比發(fā)現(xiàn)磁屏蔽大幅度減少了通道下游以及附近推力器表面的熱負載，但是由于通道下游面積占推力器內(nèi)所有承受熱負荷的面積的比例小，其作用較小[23]；除此之外的陽極、放電室通道上游磁屏蔽都使熱負荷增加。

2.5 磁屏蔽霍爾推力器振蕩模式轉(zhuǎn)換

Michael J.Sekerak等利用樣機H6MS以及NASA300MS-2對磁屏蔽霍爾的振蕩模式進行了研究，定義了模式一呼吸振蕩，模式二陰極振蕩以及模式三電離振蕩[24]。研究發(fā)現(xiàn)磁場強度的大小變化會引起模式的轉(zhuǎn)換，隨場強增大振蕩模式由一轉(zhuǎn)換到二，再到三；輻條狀波動在場強較大的振蕩模式中出現(xiàn)，推測其產(chǎn)生可能源于磁路的飽和；陰極振蕩優(yōu)化了T/P和陽極效率；電離振蕩中推力達到峰值，若場強減小，推力將下降5%～6%；輻條狀波動以及強烈的陰極振蕩不會互相影響也不會影響放電電流；對于磁屏蔽霍爾，振蕩的模式轉(zhuǎn)換會對其性能產(chǎn)生影響。

2.6 磁屏蔽霍爾推力器振蕩背景壓力敏感性

由于地面實驗不能完全實現(xiàn)太空中的真空狀態(tài)，艙內(nèi)壓力會對于推力器性能產(chǎn)生影響，而由于磁屏蔽霍爾的等離子體向下游轉(zhuǎn)移，對其影響更甚。Richard R.Hofer[25]等研究了磁屏蔽霍爾的背景壓力敏感性，將陰極放置在R/Rm=0、R/Rm=2.64、R/Rm=4.9（Rm表示放電室平均半徑）3個不同的位置，每個位置下分別恒定流量或者放電電流，多個工況下研究推力、振蕩RMS值、放電電流、陰極耦合、電荷交換隨艙內(nèi)壓力的變化。研究發(fā)現(xiàn)：如圖10所示，內(nèi)部安裝陰極的情況下對壓力最不敏感；磁屏蔽改善了霍爾腐蝕對壓力的敏感性，因為未施加磁屏蔽時壓力變化引起的等離子體向下游轉(zhuǎn)移會導致腐蝕區(qū)也向下游移動，但磁屏蔽中磁力線特性不會隨壓力變化，即腐蝕不會受壓力影響；放電室內(nèi)電子傳導機制可能會對霍爾推力器背景壓力敏感性產(chǎn)生影響，高壓（＞ 20 uTorr-Xe）下交換電荷作用將增加該機制，具體機理需要進一步進行羽流實驗測量和仿真確定。

圖10 陰極中心安裝/外部安裝羽流[24]Fig.10 Photographs of an 8 kW commercial Hall thruster operating at 500 V, 16 A with an internal cathode or an external cathode[24]

3 總結(jié)及展望

磁屏蔽技術(shù)顯著地減小了霍爾推力器的壁面腐蝕，有利于延長其壽命，但是同時也帶來不利。并且作為一項新技術(shù)，磁屏蔽與推力器各個方面的作用規(guī)律仍有待研究，基于目前的研究現(xiàn)狀對其未來發(fā)展方向提出幾點建議：

1）探究磁屏蔽的作用機理以及其如何影響放電室等離子體、羽流以及推力器的腐蝕狀況，做好理論研究工作，以指導其更加成熟的發(fā)展。

2）為將磁屏蔽技術(shù)廣泛應用到各種霍爾推力器上，全面提高各類霍爾推力器壽命，可針對不同類型霍爾推力器的磁屏蔽設計制定工程準則，提高磁屏的技術(shù)成熟度，加快其廣泛應用的步伐。

3）磁屏蔽霍爾推力器是一項系統(tǒng)工程，需要考慮磁屏蔽的實現(xiàn)與霍爾推力器本身的性能、熱特性、結(jié)構(gòu)設計、環(huán)境適應性等等各方面的關(guān)系，對此進行系統(tǒng)研究并總結(jié)規(guī)律以實現(xiàn)霍爾推力器設計最優(yōu)化。

4）實現(xiàn)磁屏蔽的過程中會造成磁極腐蝕加劇、性能略有下降等問題，需要更深入地研究找出改善以上問題的方法。

5）小霍爾推力器磁屏蔽技術(shù)的實現(xiàn)是難點，可針對此方面進行著重研究。

6）目前國內(nèi)關(guān)于霍爾推力器磁屏蔽技術(shù)的研究成果公開發(fā)表的較少，仍需要大量試驗及測試，從而得出霍爾推力器磁屏蔽技術(shù)設計的總結(jié)性規(guī)律以及配套的實驗測量設備和評估腐蝕狀況的方法 。