離子霍爾推力器束流中和與耦合研究進展

王同宇，張?zhí)炱?，陳娟娟，?樂

（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

離子推力器和霍爾推力器是目前航天器上使用最廣泛的動力裝置之一，相比而言，在同樣功率下，離子推力器比沖高、推力小，霍爾推力器比沖低、推力大。為有效發(fā)揮離子推力器高比沖、霍爾推力器大推力的優(yōu)勢，解決傳統(tǒng)離子和霍爾電推力器高比沖和大推力無法兼具的難題，提出了離子霍爾混合推力器概念。

離子霍爾混合推力器由環(huán)型離子推力器[1]和霍爾推力器[2]同軸嵌套組成。在兩種推力器同時工作情況下，由于束流等離子體電勢、密度、速度等方面的顯著差別，同時共用中和器，使得混合推力器束流特性與單一電推力器工作情況存在很大不同。離子霍爾混合電推力器的近羽流場等離子耦合是一個復雜的物理過程，分析離子推力器束流離子與霍爾推力器束流離子的耦合過程以及束流離子和電子中和反應(yīng)過程，可為離子霍爾混合推力器參數(shù)優(yōu)化提供技術(shù)支持。

在調(diào)研了國內(nèi)外離子霍爾混合推力器研究的基礎(chǔ)上，重點關(guān)注了推力器束流耦合研究進展，并初步分析了離子霍爾混合推力器束流耦合的特殊問題。

1 離子霍爾混合推力器

美國NASA的Dankanich等[3]在2006年對航天器搭載多個離子推力器或者霍爾推力器，以及混合搭載離子推力器和霍爾推力器的方案進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)合理的搭配使用離子推力器和霍爾推力器可以實現(xiàn)在保證可靠壽命的前提下提高功推比和功率。通過混合使用推力器一方面需要額外設(shè)計鑒定試驗及技術(shù)分析；另一方面飛行器搭載多個推力器會占用太多的空間，增加的推進劑補給線路及其他額外線路設(shè)計使航天器設(shè)計更加笨重，使得熱條件和操作環(huán)境的約束更多。所以相較單一的電推力器，使用多種不同的電推力器組合，有利于簡化電推進系統(tǒng)設(shè)計。

2011年NASA格倫研究中心的Patterson等[4]研究提出了一種離子霍爾混合推力器的設(shè)計概念，可以滿足未來電推進技術(shù)高比沖、大推力的技術(shù)要求。圖1為美國格林中心離子霍爾混合推力器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 離子霍爾混合推力器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Theoretical model of ion and Hall hybrid-thruster

離子霍爾混合推力器由新型環(huán)型離子推力器和傳統(tǒng)霍爾推力器同軸嵌套組成，外環(huán)為環(huán)型離子推力器，內(nèi)環(huán)為傳統(tǒng)型霍爾推力器。采用環(huán)型離子推力器有利于實現(xiàn)混合推力器一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，由于環(huán)型離子推力器的放電室和陽極呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，可以增大放電室內(nèi)部放電陽極面積，提高放電電流和等離子體分布均勻性，保持更小間距下的較高柵極離子透明度，解決大口徑柵極加工制造、熱變形及柵極熱穩(wěn)定性等技術(shù)難題[5-6]。

離子霍爾混合推力器中和器設(shè)計位于推力器外圍中心軸線上，既作為空心陰極為霍爾推力器等離子體產(chǎn)生提供電子源，又作為中和器為混合推力器提供用于束流中和的電子，該結(jié)構(gòu)可減小推力器外部輪廓，大幅減小推力器幾何結(jié)構(gòu)尺寸，便于加工制造組裝，具備應(yīng)用范圍更廣的優(yōu)勢。

國內(nèi)開展離子霍爾混合推力器研究的機構(gòu)是蘭州物理空間技術(shù)研究所[7-8]，該所在完成環(huán)型離子推力器研制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了離子外環(huán)霍爾內(nèi)環(huán)的混合推力器結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了環(huán)型離子推力器和霍爾推力器組合時的磁路組件，以滿足推力器磁場設(shè)計準則，同時設(shè)計了環(huán)型套筒磁屏蔽結(jié)構(gòu)來隔離霍爾內(nèi)環(huán)與離子外環(huán)間的磁場相互干擾。目前離子霍爾混合推力器原理樣機的設(shè)計為：整體外圓直徑約57 cm、功率1.5～6.5 kW、推力80～210 mN、比沖1500～5000 s。

2 束流中和分析

通常認為離子束中和過程可以分為三個步驟：電子-離子摻混、電子-離子耦合及電中性等離子體束推進。電子-離子混摻過程中的主要影響因素是陰極的安裝位置，推力器的電中性等離子體主要是通過電子-離子的耦合產(chǎn)生的，因此對束流中和的研究也主要集中在電子-離子耦合方面。

2.1 離子推力器束流中和

離子推力器主要由空心陰極、放電室、離子光學系統(tǒng)和中和器四個部分組成。通過這些組件的協(xié)調(diào)工作，離子推力器可以順利完成預期的使命。中和器的作用是發(fā)射電子中和推力器產(chǎn)生的離子束流使其達到宏觀電中性。整個中和過程機制復雜，主要涉及粒子間相互作用、粒子與場之間相互耦合，這些物理機制將導致非磁化等離子體發(fā)生振蕩，而碰撞過程會導致等離子體振蕩的幅度隨時間衰減。振蕩過程使等離子體逐漸從非平衡態(tài)向近平衡態(tài)演化。當離子束不能發(fā)生有效中和時，很大一部分離子會返回到航天器表面。這一問題首先是由Staff[9]在1960年關(guān)于靜電推力器的論文中提出的。

圖2 離子推力器羽流示意圖Fig.2 Schematic diagram of ion thruster plume

在人們認識到離子推力器和霍爾推力器束流需要電子中和后，許多研究人員對離子束流中和現(xiàn)象進行了分析。French[10]發(fā)現(xiàn)在中和過程中電子電流密度存在著振蕩現(xiàn)象。Mirels[11]在1961年發(fā)現(xiàn)中和器位置和熱電子的運動可能對離子束中和影響不大。Marshall等[12]指出如果電子從束流區(qū)外部固定位置通過漂移運動進入束流區(qū)，在離子束的中心仍會產(chǎn)生虛陰極并使推力降低。

為了解決離子束中和過程的相關(guān)問題，研究者采用數(shù)值方法進行研究。1965年，Brauch等[13]采用二維數(shù)值模擬方法讓電子通過在束流區(qū)的振蕩來實現(xiàn)中和，同時理論描述了振蕩并非中和過程的唯一機制。之后還有研究表明空間電荷場的波動使得熵增加從而使電子混合，但是在中和器下游并未發(fā)現(xiàn)有波動現(xiàn)象存在。

1979年P(guān)arks等[14]利用理論分析的方法研究了羽流區(qū)等離子體的演化過程。假設(shè)束流離子和中和電子之間存在著一個靜電勢阱，呈麥克斯韋分布的電子在其約束下與束流離子不斷發(fā)生碰撞，另外，通過試驗測量束流中和過程中電子的溫度變化，發(fā)現(xiàn)在整個束流區(qū)域內(nèi)電子的溫度始終保持不變，且其與空間的電位之間滿足barometric定律。因此，在理論分析時假設(shè)空心陰極發(fā)射的電子呈熱平衡狀態(tài)，該分析得到了束流的密度和電位，以及目標粒子與推力器出口位置之間的距離滿足高斯定律。該模型最大的缺點在于假設(shè)束流離子被噴出后立刻達到了穩(wěn)態(tài)，整個分析過程忽略了動態(tài)束流的存在。

近幾年，許多關(guān)于離子推力器離子束中和過程的數(shù)值模擬研究陸續(xù)出現(xiàn)。

Othmer等[15-17]采用三維PIC模型進行中和過程的模擬，重新對中和機理進行了更深入的研究，揭示了“噴注速度比”這一重要的物理量。

噴注速度比為：

Brieda等[18]使用了名為DRACO的三維等離子體模擬軟件，采用全粒子PIC方法對單離子推力器近羽流區(qū)中和過程進行了模擬。通過“多域模型”獲得了中和電子的速度分布，所謂“多域模型”是將近陰極區(qū)與近羽流區(qū)進行區(qū)分，這種模型使計算具有很高的真實度。將該模型與其他預混合束流模型和浮動陰極電位模型進行了比較，近羽流數(shù)值模擬研究結(jié)果表明陰極電子的引入導致了束流核心的振動。要獲得類似于玻爾茲曼分布的密度分布須要實現(xiàn)振動的衰減，但是在模型中沒有得到相應(yīng)的結(jié)果。

Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)束流中和與傳播過程是兩個耦合的過程，熱電子在冷離子中最初的擴散過程會在束流中形成一個正電勢阱。這個伴隨束流離子傳播的勢阱會束縛隨后進入的熱電子，隨著沿束流方向電勢阱與被束縛電子之間的作用電子離子的耦合得以實現(xiàn)。

2.2 霍爾推力器束流中和

不同于離子推力器，霍爾推力器沒有柵極結(jié)構(gòu)，霍爾推力器由陶瓷加速通道和空心陰極兩部分構(gòu)成，空心陰極不僅給推力器提供放電室電離電子，又作為中和器中和離子束流。在空心陰極和加速通道之間存在一個區(qū)域，叫做耦合區(qū)，研究認為束流中和在這個區(qū)域已經(jīng)發(fā)生。Alebarede等[20]的研究甚至懷疑霍爾推力器使工質(zhì)發(fā)生電離的電子和中和電子是否存在交界，試驗發(fā)現(xiàn)在陰極出口電子會呈現(xiàn)線性分布如圖3所示。

圖3 耦合放電近陰極區(qū)光強分布圖Fig.3 The light distribution of coupling discharge near the cathode

Sommerville等[21]通過實驗發(fā)現(xiàn)，陰極的位置對推力器近場束流中和有顯著影響，當陰極距離加速通道越遠時，電子則須要克服磁場區(qū)域作用才能到達離子束流。實驗證明可以通過降低陰極電勢同時提高近場束流電勢保證電子能到達束流離子區(qū)域。此外，發(fā)現(xiàn)霍爾推力器束流中和電子傳導過程與背壓有關(guān)，隨著背壓增大，碰撞頻率增大，傳導阻抗減小，有利于減小束流耦合電壓[20]。

Hofer等[22]的試驗表明，將陰極放置在推力器的中央可以減小束流發(fā)散角并且可以產(chǎn)生軸對稱的羽流，另一方面中央放置的陰極會消除外加能量產(chǎn)生的偏航扭矩從而可以帶來推力的微小提升。

Smith等[23]對近場區(qū)電子行為進行了蒙特卡洛模擬，研究表明，電子能量分布從通道口往束流下游遷移過程中，電子溫度會逐漸升高，其能量分布也從麥克斯韋分布逐漸變?yōu)榉躯溈怂鬼f分布。Knoll等[24]實驗測量到近場區(qū)存在多種振蕩，這些振蕩會影響電導特性，影響束流及電子的特性，從而影響中和過程。

2.3 混合推力器束流中和基本問題

蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的離子霍爾混合推力器具有離子外環(huán)、霍爾內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)，共用一個中和陰極。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，有霍爾工作模式、離子工作模式和混合工作模式。存在的問題有：其中一種推力器工作時啟動另一推力器的過程對混合推力器束流中和的影響以及對中和器產(chǎn)生的影響；一種推力器工作時關(guān)閉另一推力器的過程對混合推力器束流中和的影響以及對中和器的影響；一種推力器工作時改變另外一個推力器的工況對推力器束流中和的影響以及對中和器的影響。由此可見，中和器的適應(yīng)能力決定推力器能否可靠工作。

陰極的穩(wěn)定性及位置對推力器工作至關(guān)重要，混合推力器的多種工作模式啟動過程，可能會導致陰極不穩(wěn)定，造成推力器束流中和發(fā)生震蕩進而造成推力器放電不穩(wěn)定，甚至造成推力器突然熄火的危險。推力器工作的瞬態(tài)變化甚至會使中和電子與沿程束流離子碰撞引起的振蕩最終耦合進電源中，從而影響推力器性能，因此這對陰極技術(shù)提出了很高的要求。

3 推力器組束流耦合試驗

3.1 離子推力器組束流耦合

美國NASA格林研究中心[25-26]對離子推力器組工作情況進行了一系列研究，將4個7 kW的離子推力器組成如圖4擺放的組合，比較了不同推力器組合工作在高中低三個功率等級情形下的束流特性與單獨一個推力器工作時的束流特性，研究發(fā)現(xiàn)：相鄰兩個或者三個推力器以相同功率同時工作時，其比沖、推力以及效率與單一推力器工作時相比基本不變，但是推力器柵極沖擊電流增大。通過分析實驗數(shù)據(jù)認為當多個離子推力器同時工作時束流環(huán)境中中性氣體密度增大，導致束流中CEX碰撞頻率增大，而不是相鄰推力器CEX離子電流的遷移造成的。

調(diào)整一個離子推力器的出口平面方向，使得兩束束流形成大約10°的夾角，發(fā)現(xiàn)對束流特性影響很小。表明當兩束呈小角度的等離子體之間的耦合對整體束流特性影響較小。

盡管實驗驗證了離子推力器組工作的可靠性，但是實驗中每個推力器工作在相同的功率下，并沒有對離子推力器組在不同的工作功率情況下的束流特性進行研究。

圖4 “3+1”NEXT離子推力器組圖[25]Fig.4 “3+1” configuration NEXT multi-thruster array

3.2 霍爾推力器組束流耦合

霍爾推力器的組合可以顯著的提高推力系統(tǒng)的功率水平[27]，但是方案是否可靠需要對推力器束流之間的相互作用進行分析研究。Lobbia等[28]對霍爾推力器組的性能進行了實驗，如圖5所示，實驗測試了推力器工作在200 V、300 V、400 V情況下的表現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)霍爾推力器組中每個推力器產(chǎn)生的推力都大于推力器單獨工作時的推力水平。并且隨著推力器數(shù)量的增多，也會對推力器的推力帶來較小的增幅，實驗也表明推力器組同時工作也會使推力器的效率和比沖產(chǎn)生微小的增幅。

圖5 四霍爾推力器組實驗圖[28]Fig.5 Acluster of four Hall thrusters[28]

美國密歇根大學Beal等[29]使用阻滯勢分析儀（RPA）對霍爾推力器組束流等離子體耦合情況進行了研究，試驗表明，相比單一霍爾推力器，霍爾推力器組束流中低能離子數(shù)量顯著增大，尤其在推力器中心線低角度附近。研究者認為這一現(xiàn)象主要是兩束束流中初始離子的彈性散射造成的。

Saverdi等[30]在對HT-100霍爾推力器組進行試驗時發(fā)現(xiàn)，當兩臺并列放置的霍爾推力器同時工作時，其束流發(fā)散角相比單一推力器時增大9%，同時在偏離推力器中心線的低角度區(qū)域，低能離子質(zhì)量濃度有明顯的增加趨勢。

3.3 混合推力器束流耦合關(guān)鍵問題

離子霍爾混合推力器獨特的設(shè)計，使得束流特性更加復雜，主要有以下幾個問題。

3.3.1 束流電勢差異

前文提到離子霍爾混合推力器束流不同于傳統(tǒng)單一電推力器產(chǎn)品，在推力器混合工作模式下，將有兩束能量、密度、電勢不同的束流從兩個同軸通道口噴出，電推力器束流服從高斯分布：

其中ρ0是初始離子質(zhì)量濃度。

式中：M為離子質(zhì)量；Ib為束流電流；vb為束電壓，R為束流初始寬度；h(t)為描述束流發(fā)散的量。由于5 kW級環(huán)型離子推力器屏柵極電壓為1 500 V，加速柵電壓為-250 V，霍爾推力器陽極電壓為300 V，由此可以知道離子霍爾混合推力器中離子推力器出口離子質(zhì)量濃度低于霍爾推力器出口離子質(zhì)量濃度，如圖6所示。這種情況導致最直接的問題是在推力器出口位置徑向形成電勢梯度，為了防止離子霍爾兩個部分產(chǎn)生電勢差而對推力器產(chǎn)生損傷，應(yīng)該首先啟動中和陰極，保證推力器發(fā)射的離子能夠快速中和形成準中性等離子體。

圖6 5 kW級環(huán)型離子推力器及1.5 kW級霍爾推力器束流質(zhì)量濃度分布圖Fig.6 The distribution of 5 kW ion thruster and 1.5 kW Hall thruster's beam mass density

3.3.2 束流離子速度差異

另一個特殊的問題是數(shù)值上環(huán)型離子通道口噴出的離子速度是霍爾通道噴出的2倍多，因此束流耦合模型中需要處理快離子和慢離子的耦合過程。一價慢離子和快離子之間碰撞如果產(chǎn)生電離，屬于基態(tài)重離子之間的碰撞電離，這類電離一般比電子碰撞電離更難發(fā)生，需要的膨脹能量在數(shù)百電子伏以上。假設(shè)考慮離子間的彈性碰撞，能量損失系數(shù)為：

由式（3）可知，質(zhì)量為M，動能為ε的離子即使與另一離子最外層質(zhì)量為m的電子碰撞，也只能把很小的一部分動能傳遞給電子。所以快離子和慢離子之間碰撞產(chǎn)生的電離可以忽略，只需要分析之間的彈性碰撞造成的能量變化對束流特性的影響，結(jié)合研究分析，當兩束速度不同的束流相互作用時，低能離子的密度會在束流邊界區(qū)域呈現(xiàn)增加的趨勢。

離子霍爾混合推力器有多種工作模式，離子工作模式、霍爾工作模式、離子霍爾工作模式。在推力器工作模式轉(zhuǎn)換的過程中，束流耦合的瞬態(tài)變化以及如何自適應(yīng)反應(yīng)是相當復雜的問題。

結(jié)合離子推力器組和霍爾推力器組實驗結(jié)果，認為當兩束束流作用時，首先電荷交換離子密度會明顯上升，并會在橫向快速下降。當霍爾部分工作過程中，啟動環(huán)型離子部分，推力器下游的背景氣體壓力的瞬變，會使霍爾束流的離子能量發(fā)生瞬變，這個變化可能引起電子的振蕩會造成霍爾部分的放電不穩(wěn)定；反之，當環(huán)型離子工作時，突然啟動霍爾部分，背景氣體壓力的變化對離子束流的影響較小。這對推力器共用陰極的設(shè)計提出了更高的要求。

4 結(jié)論

在調(diào)研國內(nèi)外離子霍爾混合推力器研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，著重關(guān)注由新型推力器帶來的離子和霍爾推力器束流耦合問題，介紹了離子推力器組和霍爾推力器束流組耦合研究進展；分析了束流中和研究方法的演變及成果，初步梳理了離子霍爾混合推力器束流耦合的關(guān)鍵技術(shù)難點及可能的解決辦法，為推動我國離子霍爾混合推力器的研發(fā)提供參考。

等離子體推力器束流耦合問題是電推力器技術(shù)經(jīng)典問題之一，但是目前仿真研究手段及研究成果都不成熟。對離子束流耦合的深入研究不僅有利于離子霍爾混合推力器的技術(shù)發(fā)展，也將促進電推力器羽流理論的不斷成熟。