碘工質(zhì)電推進儲供系統(tǒng)設計及實驗

周長斌，劉 佳，徐宗琦，王建維，王平陽

（1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240；2.上?？臻g發(fā)動機工程技術研究中心上海空間推進技術研究所，上海 201112）

0 引言

霍爾推力器是一種高效的空間電推進形式，具有高比沖、長壽命以及推力可調(diào)等優(yōu)點，故而在空間姿態(tài)控制、南北位置保持、軌道轉移等領域一直有著廣泛應用。傳統(tǒng)的霍爾和離子推力器一般采用超高純度的氙氣作為推進劑，獲得了較好的性能參數(shù)，滿足了大多航天任務需要。然而，氙氣在自然界儲量很少，獲取難度較大且高純度氙氣成本很高，純度為99.995% 的氙氣，美國的價格為4 000美元/kg，約合人民幣2.8 萬/kg，對于一臺目前研究較多的20 kW 的霍爾推力器，按照工作累計10 000 h 計算，需要攜帶1 404 kg 氙氣，價值3 931.2 萬元人民幣，功率高達幾百kW 的超高功率推力器需要攜帶的氙氣價值成本更高。碘的價格則十分便宜，99.99%+純度的碘單價為700 美元/kg，約合人民幣4 000 元/kg，僅為氙氣價格的18%[1]。同時，氙氣的儲存、運輸都依賴于較大質(zhì)量和體積的高壓氣瓶，這也增加了衛(wèi)星的發(fā)射成本和運行功耗。因此，如果要降低航天器在軌推進尺寸，減低重量，降低成本，需要尋求能夠替代氙工質(zhì)的推進劑。

相比于價格昂貴的氙，其他工質(zhì)如氬、氪雖價格稍低，但氬和氪的電離能比氙高，且同樣依賴于氣瓶儲存。汞對人和環(huán)境的危害極大，在測試和裝配中都會帶來安全問題。銫非常活躍，易燃易爆。鉍的相對原子質(zhì)量比氙大很多，在給定的放電電壓下可以產(chǎn)生更高的放電推力，峰值效率也非常高。此外，鉍的存儲密度是氙的6 倍，但是鉍的蒸汽壓非常低，這意味著需要高溫來防止其在推進器內(nèi)部冷凝。這也帶來了極大的設計挑戰(zhàn)和可能導致嚴重的功率損耗。

在縮減尺寸方面，標準大氣壓和常溫條件下的碘工質(zhì)呈現(xiàn)固態(tài)，無需高壓氣瓶，更易保存，可以顯著減少推進系統(tǒng)體積。在降低功耗方面，相比于其他可能的固體推進劑，碘的蒸汽壓相對較高，意味著碘在固體到氣體的轉化過程中消耗很少的能量。此外，在相同推進劑質(zhì)量流率的情況下，相對分子質(zhì)量更大的碘的電離能低于氙。在安全性方面，碘的毒性沒有汞高，也不如銫活躍，相較于腐蝕性強的銫、汞，碘的升華溫度較低，不太可能凝結在衛(wèi)星的外部加熱表面，因此，碘工質(zhì)應用于包含大量敏感元件的衛(wèi)星中時更穩(wěn)定。氙、碘以及鉍的物理性質(zhì)比較見表1[1]。

美國航空航天局太空技術任務理事會已批準了碘衛(wèi)星飛行項目，以便在小型航天器技術計劃下快速推行12U 結構的碘霍爾推進器技術。該項目于2015 財年正式開始，在空軍的支持下，NASA MSFC、NASA GRC 和Busek 公司之間建立合作伙伴關系完善推進技術[2]。

綜上所述，采用碘工質(zhì)取代氙氣作為霍爾推力器的推進劑，是降低運營成本、減小推進系統(tǒng)體積和質(zhì)量的最經(jīng)濟、最高效、最安全的途徑，也是當前空間推進的研究熱點，但是相關工質(zhì)供應系統(tǒng)尚未完善，針對碘工質(zhì)的儲供系統(tǒng)設計具有極大的必要性及應用前景。

表1 氙、碘及鉍的性質(zhì)比較Tab.1 Comparison of the properties of bismuth，iodine and strontium

1 研究進展

目前國內(nèi)外進行的實驗大多采用直接加熱儲罐至約90℃，使碘固體升華為碘蒸汽，蒸汽壓大概為6.666 kPa[3]，并對管道進行加熱使其溫度比儲罐溫度約高20℃，以防止碘在管路中發(fā)生凝結，堵塞管路。比例調(diào)節(jié)閥控制陰極和推力器的工質(zhì)流量，如圖1 所示[3]。

圖1 碘工質(zhì)供應系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of iodine feed system

碘工質(zhì)相比目前電推進的通用工質(zhì)氙氣雖有很大的特殊性，但也有不少共性，所以碘工質(zhì)實驗系統(tǒng)大多在氙工質(zhì)實驗系統(tǒng)的基礎上進行設計。如圖2 所示，這是一種比較典型的采用氙氣預熱推力器，陰極使用氙氣供氣，推力器使用碘蒸汽供氣的實驗裝置[4]，該裝置設有反饋控制系統(tǒng)。

2015 年5 月，NASA 格林研究中心對工程樣機進行了系統(tǒng)耐久性測試（約80 h）[5]，如圖3 所示。該測試采用碘蒸汽和氙氣為工質(zhì)，測試了如羽流、溫度以及材料表現(xiàn)等。

圖2 氙氣供應陰極的實驗裝置圖Fig.2 Experimental device diagram of helium supply cathode

圖3 NASA GRC 實驗設置Fig.3 Experiment setup of NASA GRC

2016 年，NASA 馬歇爾太空飛行中心首次進行了集成實驗，將推力器和所有子系統(tǒng)組接成一體[6]，但在實際試驗中依然采用氙氣為陰極供氣。2017年，馬歇爾太空飛行中心改進實驗，實現(xiàn)推力器和陰極均采用碘蒸氣供氣[7]，如圖4 所示。該系統(tǒng)通過加熱儲罐使碘升華，通過比例調(diào)節(jié)閥能夠在短時間內(nèi)控制工質(zhì)流量，且能通過控制單元實現(xiàn)對儲罐、輸送管路以及比例調(diào)節(jié)閥的溫控。整個系統(tǒng)設置有6 個加熱單元進行溫控[6]，實現(xiàn)供氣和防止管道堵塞，但是依然存在著儲罐出口易堵塞以及比例調(diào)節(jié)閥的適配問題，由于碘對閥體材料的腐蝕，比例調(diào)節(jié)閥只能在較短時間內(nèi)實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的功能。

圖4 采用碘工質(zhì)的推進器系統(tǒng)圖Fig.4 Iodine electric propulsion system diagram

溫控設置見表2。所有的溫控單元都需要實現(xiàn)加熱和保溫，PFCV 的加熱單元在其內(nèi)部，以保證能提供碘升華的溫度以及防止碘在管道和元器件中凝結，每個溫控單元都是獨立的。溫度傳感器都放置于每個溫控單元最可能的最低溫度處。實驗時的熱控分為3 個階段：①在推力器點火前，儲罐、管路以及閥門的加熱源都打開，將每個元件加熱到工作所需的溫度；②推力器運行時，加熱單元需要保持各個元件的溫度以保證正常工作；③在推力器工作結束后，先關閉罐子和管路2、3 加熱單元的加熱源，管路加熱單元1 以及閥門的加熱源要在管路中的碘都沉積到冷卻的儲罐后再關閉，避免在管路和閥門內(nèi)形成碘的沉積造成堵塞。

表2 溫控設置Tab.2 Setting of temperature control

查閱國內(nèi)相關文獻，目前哈爾濱工業(yè)大學通過對裝有碘的儲罐外表面包裹加熱帶進行加熱產(chǎn)生碘蒸汽，并使用熱節(jié)流管對流量進行控制，對會切場推力器進行了相關實驗研究，實現(xiàn)了點火[8]，如圖5所示。

2 實驗測量與分析

2.1 熱輻射加熱儲罐的設計

目前傳統(tǒng)的儲罐采用外加伴熱帶進行加熱，使儲罐內(nèi)部的碘固體受熱升華，產(chǎn)生蒸汽壓，從而將碘蒸汽通過管路輸送到推力器和陰極，但是外部伴熱的加熱效率相對較低，且容易產(chǎn)生內(nèi)部受熱不均勻、在出口通道內(nèi)易發(fā)生凝結堵塞的問題。

成都王討長沙王，使陸機都督三十七萬眾，圍洛陽四匝。夜鼓噪，京師屋瓦皆裂。[注] 《太平御覽》卷七百六十七《雜物部二·瓦》，第3403頁下欄。

圖5 點火實驗Fig.5 Ignition test

為解決上述問題，本文創(chuàng)新性的提出在儲罐內(nèi)部設置熱輻射加熱源，如圖6(a)所示。實物如圖6(b)所示，該儲罐使用彈簧將固體碘固定在底部支撐板和固定加熱面之間，采用非接觸式的加熱方式，對加熱面進行加熱，使碘固體升華為碘蒸氣逸出。采用這加熱方式能夠有效的解決出口處內(nèi)部發(fā)生凝結的問題，從而只需要對外部伴熱進行設置；同時，內(nèi)部加熱不需要考慮不銹鋼罐體的熱阻，能夠減小加熱調(diào)節(jié)時罐體熱慣性的影響，從而實現(xiàn)更為靈敏的溫度調(diào)節(jié)。

儲罐采用316 不銹鋼制造，分為上下兩部分：上端側面開有3 個孔與法蘭接頭焊接，分別用于連接真空泵抽真空、連接輸運碘蒸汽的管道以及連接壓力傳感器，電加熱片位于側面出氣孔上部；下端儲罐用于儲存碘，內(nèi)部設置有彈簧，隔板以及隔網(wǎng)，上、下罐體之間使用墊圈保證密封。

2.2 碘的飽和蒸汽壓測量

由于在儲供系統(tǒng)中需要通過儲罐的壓力信號來反饋調(diào)節(jié)儲罐溫度，所以需要實驗測量碘的飽和蒸汽壓和溫度的關系，實驗裝置如圖7 所示。將儲罐與壓力傳感器、真空泵連接，儲罐外部纏繞有保溫材料，實驗使用的壓力傳感器為訂制加工的帶有散熱片的膜片式壓力傳感器，精度為0.5%，量程為0～35 kPa，輸出0～5 V 的電壓信號，能夠滿足高溫及耐腐蝕的工作需求；使用富斯特FX16 真空泵抽氣，使儲罐內(nèi)部趨近于真空，所有連接均采用法蘭連接保證密封。

圖6 熱輻射加熱儲罐Fig.6 Thermal radiation heat tank

圖7 碘升華實驗裝置圖Fig.7 Picture of iodine sublimation experimental device

實驗之前先對裝置的氣密性進行檢測，將所有元件連接好，使用真空泵對系統(tǒng)抽真空至壓力傳感器輸出電壓信號不再變化——穩(wěn)定至0.012 V（即84 Pa），然后關閉閥門和真空泵，使系統(tǒng)保壓，測試結果如圖8所示。儲罐能在2 h 內(nèi)穩(wěn)定維持壓力，后期會出現(xiàn)不可避免的壓力上升，但基本能滿足測量的需求。

在實驗前，向罐子內(nèi)部裝填100 g 碘晶體（純度為99.8%），然后用真空泵將系統(tǒng)抽真空，考慮到之后的實驗工作區(qū)間，本實驗在70～90 ℃內(nèi)每隔5 ℃設置一個溫度區(qū)間，測量相應溫度下的蒸汽壓，實驗結果如圖9 所示。

圖8 裝置氣密性檢測結果Fig.8 Air tightness test result of device

將實驗結果與NIST 數(shù)據(jù)比較（見表3），NIST的蒸汽壓數(shù)據(jù)由Antonie 方程計算得到。經(jīng)比較可得，計算結果與實驗結果基本吻合，這說明實驗中可以通過測得的碘的飽和蒸汽壓反映儲罐內(nèi)碘蒸氣的溫度變化。

圖9 飽和蒸汽壓測量結果Fig.9 Saturated vapor pressure measurement results

表3 碘蒸汽壓與溫度對應關系Tab.3 Corresponding relationship between iodine vapor pressure and temperature

實驗結束之后清洗儲罐并觀察，通過實驗前后儲罐內(nèi)表面對比，如圖10 所示，可以很明顯地看出儲罐雖然已經(jīng)選取316 不銹鋼來制造，但儲放于其中的碘仍然對儲罐內(nèi)表面造成很大的侵蝕。

圖10 實驗前后儲罐表面對比圖Fig.10 Comparison of tank surface before and after experiment

2.3 調(diào)節(jié)性能對比

為了對熱輻射和外部伴熱兩種加熱方式的調(diào)節(jié)性能進行分析，本文設置兩組實驗進行對比，實驗裝置如圖11 所示，圖11(a)為使用電加熱片輻射加熱固定隔網(wǎng)，隔網(wǎng)距離電加熱片2 cm；圖11(b)為采用外部伴熱裝置加熱下端儲罐，分別在隔網(wǎng)表面以及儲罐內(nèi)壁安放熱電偶測量兩個位置的溫度隨時間變化情況。

圖11 溫度調(diào)節(jié)實驗Fig.11 Temperature regulation experiment

實驗步驟如下：在相同的加熱功率下，分別將隔網(wǎng)以及儲罐內(nèi)壁加熱到120 ℃；溫度穩(wěn)定至120 ℃后，調(diào)節(jié)溫控器將目標溫度調(diào)至100 ℃；溫度穩(wěn)定至100 ℃后，關閉電源，使裝置自然冷卻。測量結果如圖12所示。

圖12 溫度隨時間變化關系Fig.12 The variation of temperature with time

表4 兩種加熱方式調(diào)節(jié)時間Tab.4 Regulation time of two kinds of heating methods

分析兩組數(shù)據(jù)，得到相應的參數(shù)見表4。從表4中可以看出：采用熱輻射加熱的方式比采用外部伴熱的方式調(diào)溫更加迅速，能夠更快地升溫至所需溫度，且從高溫到低溫的降溫調(diào)整也更迅速，從而能夠更快速地對溫度在某一區(qū)間內(nèi)進行調(diào)節(jié)。這表明，熱輻射加熱方式在反饋系統(tǒng)中能夠?qū)π盘栕龀龈焖俚捻憫?，從而實現(xiàn)更高效的流量調(diào)節(jié)。

2.4 質(zhì)量流量測量標定

碘蒸汽在管道中的流動可是看做是水平圓管內(nèi)充分發(fā)展的不可壓縮層流，所以管道內(nèi)兩點間壓降和管內(nèi)質(zhì)量流量m˙的關系為[1]

式中：P1和P2分別為調(diào)節(jié)閥前后管道壓力；R為管道半徑；Δl為兩點間距；μ為黏度（通常取0.6）；M為碘的摩爾質(zhì)量；T為氣體溫度；C為常數(shù)；γ為修正參數(shù)。

常數(shù)C可以通過測量儲罐的蒸汽壓P0以及管路出口處的壓力Pb來測量。后續(xù)實驗將會依據(jù)式（1）確定常數(shù)C，從而確定反饋系統(tǒng)中的輸入信號與流量的控制關系，幫助實現(xiàn)更穩(wěn)定更精準的流量調(diào)節(jié)。

2.5 實驗系統(tǒng)設計

為了使流量控制更加精準，需要設置反饋控制系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)設置如圖13 所示。圖13 中管路和元器件均纏繞有伴熱帶，防止碘蒸汽在管路中發(fā)生凝結；與儲罐相連的壓力傳感器用于測定碘蒸汽的壓力；計量閥用于控制碘蒸汽流量；取樣鋼瓶用于收集碘蒸汽，鋼瓶外部使用冰袋進行冷卻，加速收集；真空泵用于封閉系統(tǒng)的抽真空；直流電源為電加熱片提供電源，從而加熱碘固體，使固體升華產(chǎn)生碘蒸汽；計量閥前后的壓力傳感器用于反映管路中的流量變化；反饋控制系統(tǒng)處理接收的傳感器的電流信號，得到管路的流量變化，從而調(diào)節(jié)加熱片的加熱功率，控制碘的升華速率，實現(xiàn)流量的平穩(wěn)控制。

實驗將通過測量取樣鋼瓶實驗前后的質(zhì)量變化確定一定時間內(nèi)收集的碘蒸汽的質(zhì)量，從而得到平均質(zhì)量流量。

圖13 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.13 Experimental system schematic

3 總結與展望

在國內(nèi)外相關實驗結果的論證下，碘作為空間推進劑是完全可行的，而且具有很好的發(fā)展前景，經(jīng)過初步的實驗驗證，本文設計的熱輻射加熱儲罐相比于傳統(tǒng)的外部伴熱儲罐具有更好的調(diào)節(jié)性能，但目前的相關實驗數(shù)據(jù)還不完備，需要后續(xù)的實驗補充相關數(shù)據(jù)，從而完善儲供系統(tǒng)的設計。

當前儲供系統(tǒng)的設計面臨著諸如材料、降低壓損以及流量控制等難題，但并不是不可攻克的。結合國內(nèi)外相關文獻，提出以下4 點可行的發(fā)展思路。

1）低壓條件下的流量穩(wěn)定。由于碘的蒸汽壓遠小于氙氣供應的壓力，一般低于6.666 kPa[9]，所以整個系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)，由于霍爾推力器陽極可能會隨著工作過程壓力增大，這可能會影響到系統(tǒng)碘蒸汽供應的穩(wěn)定性，甚至造成回流，所以需要進行相關的系統(tǒng)設計，減小系統(tǒng)壓降，防止碘凝結堵塞管路。

2）優(yōu)化加熱方式。采用熱輻射加熱方式對碘工質(zhì)進行加熱，確定熱輻射功率與碘蒸汽流量的對應控制關系，在實驗中監(jiān)控相應溫度、壓力信號實現(xiàn)反饋控制。

3）質(zhì)量流量控制計的選擇與標定。對流量控制計進行訂制，使其能夠輔助溫度調(diào)節(jié)實現(xiàn)陰陽極流量的精準控制，主要有以下幾個方面進行改良：選用能防止碘腐蝕的材料；閥體內(nèi)表面添加涂層，減緩腐蝕；增大通道直徑，降低壓降；增加內(nèi)加熱源，防止碘凝結堵塞；使測量能和碘的物性相匹配[10]。

4）材料兼容性。由于碘的腐蝕性及較高的工作溫度，絕大多數(shù)金屬合金都易被碘腐蝕，故要選取合適的材料來制造儲罐等元器件：從目前研究來看，哈氏合金對碘蒸汽具有很好的耐腐蝕性，故可以采用哈氏合金制造儲罐、管路以及閥體等；對元器件進行特殊涂層處理[11]，盡可能延緩腐蝕，提升使用壽命；對實驗所用真空艙進行防護，內(nèi)壁采用石墨涂層，防止碘蒸汽腐蝕內(nèi)壁，同時在艙內(nèi)設置碘蒸汽收集裝置[12]。