，,*，，，

1.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191 2.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074

陰陽極進(jìn)氣量對(duì)附加場磁等離子體推力器性能的影響

李澤峰1，湯海濱1,*，王寶軍1，楊文將1，溫鵬飛2

1.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191 2.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074

針對(duì)附加場磁等離子體推力器(AF-MPDT)陰陽極供氣量對(duì)推力器性能的影響進(jìn)行了研究。采用試驗(yàn)方法測量了穩(wěn)態(tài)AF-MPDT的束流參數(shù)以及放電電壓、放電電流、附加磁感應(yīng)強(qiáng)度等工況參數(shù)，測量計(jì)算了推力、效率等性能參數(shù)。通過改變陰陽極供氣比例，分析研究了初始?xì)怏w分布對(duì)推力器性能及物理機(jī)制的影響。研究結(jié)果顯示，陰極供氣比重增大時(shí)，推力器推力及效率相應(yīng)增大，但增大到一定比例，推力器出現(xiàn)工作不穩(wěn)定導(dǎo)致性能下降，說明陰陽極存在最佳的供氣比例，表明供氣比例對(duì)推力器性能具有重要影響。

附加磁場等離子推力器；電推進(jìn)；陰陽極供氣比例；推力器性能；物理機(jī)制

附加場磁等離子體推力器(AF-MPDT)是一種以電磁力為主要加速機(jī)制的電推進(jìn)裝置。相對(duì)于其他推力器，AF-MPDT具有大推力密度，可實(shí)現(xiàn)5×104～6×104m/s的比沖，效率高于50%[1]。同時(shí)，AF-MPDT高比沖、大推力的特點(diǎn)[2-3]使其具有潛力應(yīng)用于未來星際間貨物和人員輸運(yùn)等深空探測任務(wù)[4-6]。

AF-MPDT的試驗(yàn)和理論研究始于20世紀(jì)60年代，相關(guān)學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作機(jī)制等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，并得到了大量的數(shù)據(jù)和相應(yīng)結(jié)論，然而關(guān)于穩(wěn)態(tài)AF-MPDT供氣研究的相關(guān)工作相對(duì)較少。相關(guān)的研究工作中，Dennis E.Lileikis等研究了周向非對(duì)稱供氣對(duì)MPDT性能的影響,其研究顯示周向進(jìn)氣導(dǎo)致徑向和周向的動(dòng)量成分增加，推力等性能參數(shù)下降[7]。斯圖加特大學(xué)的相關(guān)研究顯示增大陽極供氣，可提高推力器穩(wěn)定性[8]。Lapointe等研究了進(jìn)氣量對(duì)MPDT的影響，結(jié)果顯示供氣量對(duì)MPDT的性能和穩(wěn)定性具有重要影響[9]。另外，Kelly等對(duì)供氣位置進(jìn)行了相關(guān)研究[10]。國內(nèi)方面，關(guān)有俊等針對(duì)進(jìn)氣方式對(duì)電弧離子體發(fā)生器的熱效率進(jìn)行了相關(guān)研究[11]。

由此可見，相關(guān)學(xué)者關(guān)于MPDT推進(jìn)劑供給的研究包括進(jìn)氣方式、進(jìn)氣位置以及進(jìn)氣量，并得到相關(guān)研究結(jié)論。然而針對(duì)供氣位置的供氣比例問題并沒有學(xué)者進(jìn)行深入的研究，推進(jìn)劑各供氣位置的供氣比例對(duì)于推進(jìn)劑的初始分布具有決定性影響，因而會(huì)直接影響MPDT放電室內(nèi)的電離、加速等物理機(jī)制，從而對(duì)推力器性能產(chǎn)生影響。在不改變推進(jìn)劑供給量的前提下，分析研究推進(jìn)劑各供氣位置的供氣比例對(duì)于推力器性能及物理機(jī)制的影響，對(duì)于推進(jìn)劑的高效利用以及推力器性能提升具有重要研究意義。同時(shí)，對(duì)于未來應(yīng)用MPDT的空間飛行器減小推進(jìn)劑攜帶量、提高有效載荷具有重要研究價(jià)值。

1 推力器工作原理

AF-MPDT工作時(shí)，通過放電室內(nèi)陰極和陽極之間的直流放電產(chǎn)生高溫電弧，電離推進(jìn)劑形成等離子體。等離子體在放電室內(nèi)經(jīng)過高溫加熱、電磁場作用、磁噴管約束等復(fù)雜過程噴出推力器形成推力。

由于AF-MPDT工作過程的復(fù)雜性以及強(qiáng)耦合性，導(dǎo)致其加速機(jī)制非常復(fù)雜。如圖1所示，加速發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，產(chǎn)生推力的部分又可分為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的各種加速機(jī)制和發(fā)動(dòng)機(jī)外部的磁噴管效應(yīng)。前者主要包括4種等離子體加速機(jī)制[1]。

1)自身場加速：自身場加速產(chǎn)生軸向作用力和徑向作用力。軸向作用力直接產(chǎn)生推力，徑向部分導(dǎo)致中心電極處壓力不平衡來間接增加推力。

2)旋流加速：附加磁場與電流作用產(chǎn)生力使等離子體產(chǎn)生周向渦旋，理論上可通過物理噴管(或磁噴管)擴(kuò)張將大部分的渦旋動(dòng)能轉(zhuǎn)化為軸向能量。

圖1 AF-MPDT工作原理[12]Fig.1 AF-MPDT working principle diagram

3)霍爾加速：在強(qiáng)附加磁場和小推進(jìn)劑流率(大Hall參數(shù))條件下，根據(jù)歐姆定律，感生出周向電流，并與附加磁場作用，產(chǎn)生徑向力分量和軸向力分量。

4)氣動(dòng)加速：其機(jī)制與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)工作機(jī)制相似，主要是通過歐姆加熱和等離子體在噴管中的熱膨脹作用加速粒子噴出從而產(chǎn)生推力。

AF-MPDT的附加電磁線圈形成的具有收斂-擴(kuò)張的磁場分布，類似于具有物理壁面的拉瓦爾噴管，因此被稱作磁噴管。由于旋流加速效應(yīng)，從放電室噴出的等離子體具有較大周向動(dòng)能，其通過磁噴管將這一部分能量轉(zhuǎn)化為對(duì)推力有貢獻(xiàn)的軸向動(dòng)能。

由于各種加速機(jī)制強(qiáng)烈耦合在一起，導(dǎo)致AF-MPDT的加速機(jī)理研究十分復(fù)雜，同時(shí)AF-MPDT的結(jié)構(gòu)及推進(jìn)劑供給等工況參數(shù)對(duì)各加速機(jī)制具有重要影響。因此，目前AF-MPDT內(nèi)部各加速機(jī)制的研究仍有大量工作需要做。

2 試驗(yàn)裝置

2.1真空系統(tǒng)

圖2 真空系統(tǒng)示意[12]Fig.2 Vacuum system diagram

試驗(yàn)所用真空系統(tǒng)由真空倉、3級(jí)真空泵組、電氣控制設(shè)備以及其他外圍設(shè)備組成，如圖2所示。其中，真空倉直徑為1.8 m，長3.2 m。真空泵組第1級(jí)采用4臺(tái)旋片機(jī)械泵，第2級(jí)采用2臺(tái)羅茨泵，第3級(jí)采用2臺(tái)高真空油擴(kuò)散泵，抽速達(dá)到52 000 L/s，系統(tǒng)極限真空度可以達(dá)到5×10-4Pa。

2.2 AF-MPDT

試驗(yàn)使用的AF-MPDT結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，陰極為單孔空心陰極，陽極為擴(kuò)張型陽極，陰陽極之間通過絕緣體絕緣，保證放電只發(fā)生在放電室中。推進(jìn)劑采用兩路供氣，即陰極和陽極供氣，試驗(yàn)中使用氬氣作為推進(jìn)劑，通過改變陰陽極供氣比例的不同，研究推力器性能的變化。

圖3 試驗(yàn)用推力器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of experimental thruster

2.3 測量系統(tǒng)

圖4 推力測量原理Fig.4 Thrust measurement schematic

試驗(yàn)中通過測量推力器不同工況下的放電電壓、推力以及束流等參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行研究分析。推力測量采用間接測量的投靶法實(shí)現(xiàn)，原理如圖4所示[13]。經(jīng)AF-MPDT加速噴出的等離子體撞擊安裝在懸臂梁上的靶，使得懸臂梁產(chǎn)生變形造成靶的移動(dòng)，通過測量靶的位移計(jì)算得到推力值。國內(nèi)清華大學(xué)的唐飛等采用類似的間接標(biāo)靶法進(jìn)行微小推力測量[14]。國外喬治華盛頓大學(xué)的Ando等和斯圖加特大學(xué)的Hannah等也使用投靶法分別對(duì)MPD和電弧推力器進(jìn)行了推力測量人[15-16]。

束流參數(shù)測量通過探針系統(tǒng)完成，試驗(yàn)中的探針系統(tǒng)包括法拉第探針[17-18]和朗繆爾三探針[19-20]、探針安裝架、偏置電源、診斷電路以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，探針測量系統(tǒng)示意如圖5所示。通過調(diào)節(jié)位移機(jī)構(gòu)采集不同測點(diǎn)的探針測量信號(hào)，通過相應(yīng)的探針理論，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可以得到不同位置束流的離子電流密度、電子溫度、電子數(shù)密度等參數(shù)。

圖5 探針系統(tǒng)示意Fig.5 Probe system schematic

3 試驗(yàn)結(jié)果

推力測量試驗(yàn)在推力器穩(wěn)定工作的工況下進(jìn)行，設(shè)置推力器放電電流為150 A，推進(jìn)劑總量為21 mg/s。試驗(yàn)測量了陰極和陽極供氣比例分別為1∶4、1∶1以及4∶1時(shí)不同附加磁感應(yīng)強(qiáng)度下的推力值，工況參數(shù)如表1所示。

表1 推力測量工況參數(shù)Table 1 Condition parameters of thrust measurement

不同工況下的推力測量結(jié)果如圖6所示。

試驗(yàn)中保持推進(jìn)劑總質(zhì)量流率不變，推力器比沖:

推力器效率:

式中：Pjet為推進(jìn)功率；P為推力器總功率。由上述數(shù)據(jù)計(jì)算得到的推力器效率如圖7所示。

圖6 初步推力測量結(jié)果Fig.6 Preliminary thrust measurement results

圖7 計(jì)算得到的效率Fig.7 Calculated efficiency

由圖7可以得到，當(dāng)陰極供氣比例較低時(shí)(圖7中1∶4的曲線)，推力器效率隨附加磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，先增大后減小；當(dāng)陰極供氣比例較高時(shí)，推力器效率隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增大而增大的磁場范圍更廣，即推力器效率的最大值向磁感應(yīng)強(qiáng)度增大的方向移動(dòng)。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度一定時(shí)，隨著陰極供氣比例增大，推力器效率增大。

相同試驗(yàn)工況下，測得的推力器放電電壓數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 放電電壓結(jié)果Fig.8 Discharge voltage results

由圖8可以得到：當(dāng)供氣比例相同時(shí)，在一定范圍內(nèi)，推力器的放電電壓隨著附加磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大；當(dāng)附加磁場強(qiáng)度一定時(shí)，陰極供氣比例增大，推力器放電電壓隨之增大。

上述試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著陰極供氣比例增大，推力器的推力、比沖、效率等性能參數(shù)相應(yīng)增大，放電電壓也相應(yīng)增大。且供氣比例會(huì)改變其他工況參數(shù)對(duì)推力器性能參數(shù)的影響，如上述磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)效率的影響。

為得到推力器束流特性及研究供氣比例產(chǎn)生影響的原因，試驗(yàn)中同時(shí)使用法拉第探針和朗繆爾三探針對(duì)束流進(jìn)行了測量。探針試驗(yàn)測量了兩種不同工況下的束流參數(shù)，分別為放電電流180 A、附加磁線圈電流為40 A以及放電電流150 A、線圈電流64 A，如表2所示。

表2 探針測量工況參數(shù)Table 2 Condition parameters of probe diagnosis

探針的測量位置為軸向距離推力器出口平面300 mm處，過測量不同徑向位置，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9～圖10所示。

由圖可知，改變陰陽極供氣比例，束流發(fā)散角基本不變，但徑向每一測點(diǎn)，陰極供氣比例增大時(shí)的離子電流密度相應(yīng)增大。徑向各測點(diǎn)的電子溫度值也隨著陰極供氣比例的增大而增大。同時(shí)，陰陽極4∶1供氣比例工況下探針測得的束流參數(shù)對(duì)稱性更好，說明推力器工作更穩(wěn)定。

圖9 束流離子電流密度結(jié)果Fig.9 Plume ion current density results

圖10 束流電子溫度結(jié)果Fig.10 Plume electron temperature results

4 分析與討論

由試驗(yàn)結(jié)果可以得到，陰極供氣比例增大，推力器推力、比沖、效率幾個(gè)性能參數(shù)都相應(yīng)增大。通過放電電壓和束流參數(shù)的分析，推力器性能參數(shù)增大的原因，主要?dú)w因于兩點(diǎn)：1)放電電壓增大，功率增大，電場注入等離子體內(nèi)的能量增加；2)等離子體電離率增大，推力器內(nèi)部的電磁加速效應(yīng)增強(qiáng)。

帶電粒子在正交的電磁場作用下會(huì)產(chǎn)生電場漂移作用，而推力器內(nèi)部存在著復(fù)雜的碰撞機(jī)制。推力器內(nèi)部的霍爾參數(shù)定義為帶電粒子的角速度與碰撞頻率之比，即：

式中：Ω為霍爾參數(shù)；ωb為帶電粒子角速度；νc為帶電粒子碰撞頻率；q為粒子帶電量；B為附加磁感應(yīng)強(qiáng)度大?。籲為帶電粒子濃度。

當(dāng)Ω?1時(shí)，帶電粒子在發(fā)生碰撞前能夠完成多個(gè)完整的擺線回旋漂移運(yùn)動(dòng)，因此它們形成的電流組分方向主要偏向E×B方向；當(dāng)Ω?1時(shí)，帶電粒子在發(fā)生碰撞前，幾乎不能完成漂移運(yùn)動(dòng)，因此其形成的電流組分方向接近平行于電場方向；當(dāng)Ω≈1時(shí)，帶電粒子形成的平行于電場和垂直于電場的電流組分相當(dāng)。

由上述霍爾參數(shù)理論描述知，當(dāng)其他參數(shù)保持不變，增大附加磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，霍爾參數(shù)變大，因而帶電粒子向垂直于電場方向的運(yùn)動(dòng)增大，從而使得到達(dá)電極的行程增加，導(dǎo)致放電電壓增大。當(dāng)推力器內(nèi)附加磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，由于陽極表面附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于陰極表面附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁場仿真結(jié)果見圖11)，減小陽極供氣增大陰極供氣，陽極附近的霍爾參數(shù)增大效果要大于陰極附近霍爾參數(shù)的減小效果，從而增大帶電粒子的垂直電場運(yùn)動(dòng)成分，增大放電電壓。陰極供氣比例增大，放電電壓增大，從而使得注入等離子體內(nèi)部的能量增大。由束流區(qū)電子溫度分布可看出，陰極供氣比例較大時(shí)，電子溫度較大，驗(yàn)證了其被注入的能量更高。

電離度定義為離子濃度與中性氣體濃度之比，由法拉第探針測得的離子電流密度知，陰極供氣比例增大時(shí)，總的離子電流增大，說明離子濃度增大，同時(shí)總的供氣濃度不變，說明電離度增大。由朗繆爾三探針測得的束流電子數(shù)密度，同樣可以反映這一點(diǎn)。這是因?yàn)?，一方面帶電粒子到達(dá)陽極的路徑變長，使得有效碰撞電離增強(qiáng)；另一方面電壓增大，使得推力器內(nèi)部電場強(qiáng)度增大，有效電場電離增強(qiáng)。等離子體電離度增大，中性氣體的電離越充分，電磁場作用在帶電粒子上的電磁加速效應(yīng)增強(qiáng)，因而推力器的性能參數(shù)增大。

圖11 推力器內(nèi)部磁場強(qiáng)度分布仿真結(jié)果Fig.11 Internal magnetic filed distribution simulation results of thrust

為驗(yàn)證上述理論，并進(jìn)一步研究最佳供氣比例問題，在磁線圈電流分別為40 A、64 A工況下繼續(xù)增大陰極供氣進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 進(jìn)一步試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Further experimental results

由進(jìn)一步試驗(yàn)結(jié)果可以看到，放電電壓和推力等性能參數(shù)變化趨勢相同，說明上述理論正確。同時(shí)可以看到，在附加磁場線圈電流40 A的工況下，直到陽極供氣減為0，推力仍然在增加；而在附加磁場線圈電流64 A的工況下，推力值在陽極供氣減為0前出現(xiàn)下降，該工況下的推力器放電電壓曲線如圖13所示，可知，該工況下推力產(chǎn)生下降的原因是推力器出現(xiàn)工作不穩(wěn)定。因此，增大陰極供氣比例有利于提高推力器性能，但陽極供氣過小，會(huì)導(dǎo)致推力器工作不穩(wěn)定反而使性能下降，所以存在最佳的供氣比例，且最佳供氣比例與附加磁感應(yīng)強(qiáng)度等工況參數(shù)有關(guān)。

圖13 不穩(wěn)定工況放電電壓Fig.13 Discharge voltage diagram of unstable condition

5 結(jié)束語

通過試驗(yàn)手段，測量了AF-MPDT不同陰陽極供氣比例下的性能參數(shù)、工況參數(shù)以及束流參數(shù)，分析研究了供氣比例對(duì)推力器工作機(jī)制產(chǎn)生的影響，研究結(jié)果顯示：

1)增大陰極供氣比例，有利于提高推力器放電電壓和電離度，從而提高推力器性能。

2)推力器正常工作下，增大陰極供氣比例，束流參數(shù)對(duì)稱性更好，推力器工作更穩(wěn)定。

3)當(dāng)陽極供氣比例降低到一定程度，放電電壓出現(xiàn)波動(dòng)，推力器工作不穩(wěn)定，因此存在最佳的供氣比例。

4)AF-MPDT的陰陽極最佳供氣比例與附加磁感應(yīng)強(qiáng)度等工況參數(shù)有關(guān)。

5)放電電流一定，在一定范圍內(nèi)增大放電電壓是提升MPDT性能的方向；同時(shí)，推進(jìn)劑各供氣位置的最佳供氣比例有利于推進(jìn)劑的高效利用，提高推力器性能。

6)AF-MPDT的陰陽極存在最佳的供氣比例得到驗(yàn)證，并分析了其對(duì)于推力器霍爾效應(yīng)等物理過程的影響，但陰陽極最佳供氣比例的確定方法、影響因素，以及對(duì)于推力器工作機(jī)制的更深入影響需要進(jìn)一步研究。

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(編輯：高珍)

Studyontheinfluenceofcathodeandanodepropellantmassflowratesonapplied-fieldmagnetoplasmadynamicthrusterperformance

LI Zefeng1，TANG Haibin1,*，WANG Baojun1，YANG Wenjiang1，WEN Pengfei2

1.SchoolofAstronautics,BeihangUniversity，Beijing100191,China2.BeijingAerospaceExperimentalTechnologyResearchInstitute，Beijing100074，China

The effects of cathode and anode propellant mass flow rates on applied-field magnetoplasmadynamic thruster(AF-MPDT)performance were studied.The plume parameters and thruster working parameters including discharge voltage,discharge current and applied magnetic field were measured,and performance parameters including thrust,specific impulse and efficiency were calculated.By changing the proportion of anode and cathode gas supply,the influence of initial gas distribution on the performance and physical mechanism of the thruster was analyzed.The results show that both thrust and efficiency increase with the proportion of cathode gas supply,but when it increases to a certain percentage the thruster performance declines due to instability,which indicates the existence of the best proportion of anode and cathode gas supply and its significant influence on thruster performance.

applied-field magnetoplasmadynamic thruster；electric propulsion；proportion of anode and cathode gas supply；thruster performance；physical mechanism

http://zgkj.cast.cn

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0078

V439+.2

A

2017-05-04；

2017-07-11；錄用日期2017-09-12；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-09-24 16：01：01

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170924.1601.004.html

國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃(JCKY2017)

李澤峰(1991-)，男，碩士研究生，Mr.LZF@buaa.edu.cn，研究方向?yàn)榭臻g等離子體電推進(jìn)

*通訊作者：湯海濱(1970-)，男，教授，thb@buaa.edu.cn，研究方向?yàn)榭臻g等離子體電推進(jìn)

李澤峰,湯海濱,王寶軍,等.陰陽極進(jìn)氣量對(duì)附加場磁等離子體推力器性能的影響[J].中國空間科學(xué)技術(shù),2017,37(5)：9-16.LIZF,TANGHB,WANGBJ,etal.Studyontheinfluenceofcathodeandanodepropellantmassflowratesonapplied-fieldmagnetoplasmadynamicthrusterperformance[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2017,37(5)：9-16 (inChinese).