，,，，

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源學(xué)院,哈爾濱 150001

一種提高空心陰極推力器推力的發(fā)射體外置方法

劉晨光，寧中喜*,孟天航，韓星，于達(dá)仁

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源學(xué)院,哈爾濱 150001

為提高空心陰極推力器的比沖，研究了空心陰極發(fā)射體外置的方法，對(duì)比研究了發(fā)射體外置和內(nèi)置兩種結(jié)構(gòu)的空心陰極推力器的推力和比沖，發(fā)現(xiàn)發(fā)射體外置的結(jié)構(gòu)相比較于內(nèi)置結(jié)構(gòu)能夠增加推力器的推力和比沖。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)射體外置的空心陰極推力器引出的離子電流、離子能量要明顯高于發(fā)射體內(nèi)置的空心陰極推力器，可以推斷發(fā)射體外置的陰極推力器存在離子加速噴出增大推力和比沖的機(jī)制。

空心陰極；微推力器；陰極模式；推力器模式；發(fā)射體外置

立方體衛(wèi)星(CubeSat)是近年來(lái)微型衛(wèi)星領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，這種微型衛(wèi)星通用性強(qiáng),研制周期短，而且立方體衛(wèi)星體積小,研制發(fā)射成本低,發(fā)射方式靈活，并易于組網(wǎng)，可同時(shí)獲得較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，適應(yīng)空間應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)[1]。對(duì)于立方體衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，受其自身體積的限制，給其提供一種體積小、能耗低、高效、高比沖、穩(wěn)定可靠的微推力推進(jìn)系統(tǒng)尤為重要。

空心陰極有可能發(fā)展成為一種低功率高比沖的微推力器，目前開(kāi)展了大量空心陰極微推力器(Hollow Cathode Thruster,HCT)的研究工作。英國(guó)南安普頓大學(xué)的Grubisic的研究顯示,T5陰極推力器以氬氣為工質(zhì)的條件下所能夠產(chǎn)生的比沖達(dá)到4 300 m/s，對(duì)應(yīng)推力約為0.4 mN，功率為79 W，效率為1.1%；匹配圓錐形陽(yáng)極的空心陰極推力器T5CA在3.2 A、1.8 A、和0.8 A的條件下比沖分別可以達(dá)到6 570 m/s、4 770 m/s和3 610 m/s，效率能夠分別達(dá)到4.5%、8.1%和17.7%[2]。T6空心陰極在高電壓羽流模式下以氬氣和氙氣為工質(zhì)比沖分別能夠達(dá)到5 500 m/s和4 500 m/s，但是所需功率將近1 kW，并且效率不足1%[3]。Gessini和Gabrield對(duì)T6空心陰極推力器的研究發(fā)現(xiàn),空心陰極推力器能夠在羽流模式工作狀態(tài)下獲得最高的比沖[4]。假設(shè)氣體工質(zhì)無(wú)熱損失，氣體焓全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能后所能獲得的比沖為[5]：

式中：Isp為比沖；T為氣體溫度；m為氣體質(zhì)量。而試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)顯示所獲得比沖要比理論值大，因此推測(cè)存在著高能粒子噴出增加比沖的機(jī)制[4]。已經(jīng)有研究證明，在空心陰極內(nèi)部存在著高能離子的產(chǎn)生，而產(chǎn)生高能離子的機(jī)理包括電勢(shì)波峰的形成[6]、二次電離[7]、三次電離[8]、多次碰撞[9]和磁等離子體動(dòng)力學(xué)等機(jī)制[10]。Grubisic對(duì)空心陰極推力器的推力產(chǎn)生機(jī)理的研究表明，陰極推力器產(chǎn)生推力的機(jī)理主要是電熱條件下的傳統(tǒng)氣動(dòng)推進(jìn)機(jī)理，并且推測(cè)離子的加速會(huì)產(chǎn)生增加推力的作用[5]。

空心陰極是電推力器中的關(guān)鍵部件，作為電子源來(lái)中和電推力器羽流區(qū)的離子?？招年帢O具有低功率高電流密度的工作特點(diǎn)，工作所需功率較低?？招年帢O工作時(shí)，發(fā)射體通過(guò)熱機(jī)制向外輻射電子，電子與氣體工質(zhì)碰撞使中性氣體部分電離，而產(chǎn)生的離子少部分通過(guò)與中性氣體碰撞和擴(kuò)散等作用通過(guò)節(jié)流孔向外噴出，并且在發(fā)射體自持工作后，發(fā)射體的加熱機(jī)制主要為離子加熱機(jī)制，大部分離子通過(guò)鞘層電勢(shì)撞到發(fā)射體表面，發(fā)射體通過(guò)離子轟擊表面加熱而發(fā)射電子。大約只有2%的氣體工質(zhì)被電離成為高能粒子[11]。目前空心陰極推力器存在著效率低、離子加速在推力產(chǎn)生機(jī)制中所占比例低的問(wèn)題。本文提出一種將空心陰極推力器發(fā)射體外置來(lái)增大推力的方法，對(duì)比研究發(fā)射體外置和發(fā)射體內(nèi)置結(jié)構(gòu)推力變化，以及等離子體參數(shù)的差異。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

霍爾推力器和離子推力器等電推力器都是將氣體工質(zhì)電離產(chǎn)生離子，通過(guò)電場(chǎng)加速離子使大量離子高速噴出從而獲得較大推力和高比沖。考慮到空心陰極內(nèi)部同樣會(huì)產(chǎn)生等離子體，因此可以利用空心陰極內(nèi)部產(chǎn)生的離子向外加速噴出而增加空心陰極推力器的推力與比沖。

空心陰極中大部分離子在電場(chǎng)力作用下落在了發(fā)射體表面，可以稱空心陰極作為電子源的工作模式為陰極模式。而加速離子噴出增加推力需要將電場(chǎng)方向倒置，從而使離子受到向外的電場(chǎng)力，獲得加速度。因此提出將發(fā)射體外置的方法，將此種模式稱為推力器模式。研究表明，大部分的電離發(fā)生在陰極孔區(qū)，即在發(fā)射體的節(jié)流孔區(qū)存在較高的離子密度。因此，盡管在發(fā)射體區(qū)的離子落在發(fā)射體表面，仍會(huì)有相當(dāng)部分的離子在節(jié)流孔區(qū)被電場(chǎng)加速噴出，從而在理論上能夠增加空心陰極推力器的推力。發(fā)射體外置空心陰極推力器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，發(fā)射體作為負(fù)極安置在陰極管端部，而內(nèi)部的通氣管接到電源正極作為陽(yáng)極。陰極模式和推力器模式的工作原理對(duì)比如圖2所示。

圖1 空心陰極推力器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the hollow cathode thruster

圖2 陰極-推力器模式原理對(duì)比Fig.2 Comparison of principle in N-mode and T-mode

推力器推力大小是利用三絲扭擺裝置測(cè)量，采用扭矩平衡和光杠桿放大的原理，將推力器的微小推力轉(zhuǎn)化為光斑的大位移[12]。利用砝碼標(biāo)定的方法，測(cè)力不確定度在0.4%左右，通過(guò)改進(jìn)延長(zhǎng)扭擺，利用電磁力標(biāo)定方法能夠?qū)⒉淮_定度降到0.1%左右，靈敏度為0.05 mN/mm。由此，可以利用三絲扭擺裝置測(cè)量陰極推力器微牛級(jí)的力。在陰極推力器尾部，距出口1 cm處利用法拉第探針測(cè)量離子電流大小，探針接收電流的探頭是直徑為1 cm的圓形鉭鉑。加上偏置電壓-2 V，以消除電子電流的干擾。利用RPA探針測(cè)陰極推力器羽流區(qū)離子能量，測(cè)量示意如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在推力器模式和陰極模式的工作狀態(tài)如圖4所示，在流量為10 ml/min,電流為1 A的條件下，可以明顯對(duì)比出推力器模式由明亮的羽流噴射出，而陰極模式?jīng)]有羽流噴射出。因此推力器模式有利于陰極推力器中等離子體的引出。

圖3 探針測(cè)量示意Fig.3 Diagram of the probe measurements

圖4 陰極推力器工作模式對(duì)比Fig.4 Figures of the HCT in N-mode and T-mode

2.1 陰極推力器放電特性

圖5 推力器放電伏安特性Fig.5 Volt-ampere characteristics of the HCT

以氙氣為工質(zhì)，流量為10 mL/min，空心陰極推力器陰極模式和推力器模式下的伏安特性如圖5所示。隨電流的增大放電電壓降低，并且推力器模式下空心陰極推力器放電電壓要高于陰極模式下的放電電壓，因此相應(yīng)的工作功率也會(huì)高于陰極模式。如圖6所示，陰極推力器工作功率隨著電流增加而增加。在電流為1 A時(shí)，陰極模式下推力器的功率在10 W左右，而推力器模式下功率在15 W左右。推力器模式下工作功率高于陰極模式下的工作功率，是由于外置的發(fā)射體直接暴露于真空環(huán)境中，輻射散熱量要高于陰極模式，因此增加的功率補(bǔ)償了增加的輻射散熱。

同樣，在不同氣體工質(zhì)流量條件下，推力器模式下的推力器工作功率要高于內(nèi)置發(fā)射體推力器，如圖7所示，放電電流為1.5 A，功率隨工質(zhì)流量增加而降低，并且推力器模式下推力器工作功率要比陰極模式下的推力器工作功率高5 W左右。

圖6 功率特性Fig.6 Power characteristics of the HCT

圖7 不同工質(zhì)流量下的電功率Fig.7 Power of HCT at different gas flow

2.2 陰極推力器推力特性

為評(píng)估發(fā)射體外置后空心陰極推力器所產(chǎn)生推力的變化，對(duì)比測(cè)試了發(fā)射體內(nèi)、外置兩種結(jié)構(gòu)在相同條件下所產(chǎn)生推力大小。以氙氣為工質(zhì)，變化工質(zhì)流量，對(duì)比冷氣、陰極模式和推力器模式下的推力與比沖。如圖8所示，推力大小基本與工質(zhì)流量呈線性關(guān)系，并且在推力器模式下，相比較于陰極模式推力增加了0.2～0.4 mN，增加幅度最大達(dá)到4倍。

盡管推力器模式所需功率高于陰極模式，但推力器模式下的推力功率比仍高于陰極模式，如圖9所示，并且推力功率比基本與流量呈線性關(guān)系。因此將發(fā)射體外置能夠有效地增大推力，并且提高推力功率比，對(duì)于提高推力器效率具有一定意義。

圖8 不同工質(zhì)流量下的推力Fig.8 Thruster of the HCT at different gas flow

圖9 推力功率比Fig.9 Thrust power ratio of the HCT at different gas flow

對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的空心陰極推力器的比沖，如圖10所示，兩種結(jié)構(gòu)的空心陰極推力器工作在1.5 A和相同工質(zhì)流量條件下，推力器模式的空心陰極推力器比沖要高于陰極模式，而且隨著工質(zhì)流量增加，比沖降低。比沖表征工質(zhì)的平均速度大小，在相同流量條件下，推力器模式下工質(zhì)平均速度要高于陰極模式。在流量為2 ml/min時(shí)，推力器模式工質(zhì)平均速度遠(yuǎn)高于陰極模式。假設(shè)發(fā)射體外置的空心陰極推力器存在加速離子的機(jī)制，由此，平均速度由離子速度和中性氣體速度構(gòu)成:

由于電離度較小，在離子的數(shù)量一定條件下，離子速度遠(yuǎn)高于中性氣體的速度，因此在小流量時(shí)，推力器模式下，比沖要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出內(nèi)置時(shí)，當(dāng)流量逐漸增大時(shí)，由于離子所占比例減少，因此中性氣體的速度在總的平均速度中所占比重增加，因此總體的平均速度下降。

圖10 不同流量下的比沖Fig.10 Specific impluse of the HCT at different gas flow

研究發(fā)射體外置結(jié)構(gòu)的空心陰極，在一定工質(zhì)流量、不同工作電流條件下，比沖大小變化如圖11所示。氙氣流量為2 mL/min，電流在1～2 A之間變化，發(fā)現(xiàn)比沖基本不發(fā)生變化，因此比沖的大小主要與工質(zhì)流量相關(guān)。因此為了獲得更高的效率，可以使空心陰極工作在低電流條件下。

圖11 不同工作電流下的比沖Fig.11 Specific impluse of the HCT at different current

2.3 離子電流測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

利用法拉第探針偏置電壓為-2 V條件下，法拉第探針接收電流面積為0.8 cm2,所測(cè)得離子電流如圖12所示。推力器模式下，在推力器尾部獲得的離子電流在5 mA左右，在陰極模式下，能夠獲得的離子電流在0.5～1 mA左右，由此可以證明外置發(fā)射體后在陰極推力器發(fā)射出的離子量增多。根據(jù)式(2)，離子比例增加可以增加整體平均速度，從而可以一定程度上解釋外置發(fā)射體后推力和比沖的增加。結(jié)合離子電流和推力比沖的對(duì)比結(jié)果，推力器模式下，離子占?xì)怏w工質(zhì)的比例高于陰極模式下的比例。

圖12 不同氣流下的離子電流Fig.12 Ion current of the HCT at different gas flow

圖13為相同電流和氣體流量條件時(shí)兩種模式下RPA所測(cè)得的離子電流伏安特性，可以看出，推力器模式下的離子電流要高出陰極模式下的離子電流20倍左右。發(fā)射體外置后，由于陰極內(nèi)部電勢(shì)高于外部，離子逆著電勢(shì)梯度向外運(yùn)動(dòng)，而內(nèi)置發(fā)射體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部電勢(shì)低于觸持極，離子逆電勢(shì)梯度向陰極內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，因此推力器模式下能夠獲得的離子多于陰極模式。同時(shí)由圖14，推力器模式下可以獲得的離子能量主要分布在7 eV左右，而陰極模式下獲得的離子能量分布較均勻。同樣由于在陰極模式下，離子主要向陰極推力器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，少量離子通過(guò)碰撞及擴(kuò)散可以運(yùn)動(dòng)到推力器外部，但碰撞多次后，離子能量分布較均勻。而外置發(fā)射體時(shí)，陰極推力器中離子向外部運(yùn)動(dòng)，碰撞次數(shù)相較于內(nèi)置結(jié)構(gòu)大為減少，能量分布更為集中。

氣體工質(zhì)15 ml/min流量下，不同電流2 A、1.8 A和1.4 A，離子能量分布如圖15所示。隨著電流增加，離子能量主要分布在10 eV左右，隨電流的變化量不大。在一定程度上說(shuō)明陰極推力器工作較為穩(wěn)定。而增加的電流沒(méi)有轉(zhuǎn)化為離子的能量，可能是增加的電流轉(zhuǎn)化為了壁面的熱量或者氣體工質(zhì)的內(nèi)能。有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖13 發(fā)射體內(nèi)、外置結(jié)構(gòu)RPA離子電流伏安特性Fig.13 Ion current-voltage characteristics of the HCT

圖14 發(fā)射體內(nèi)、外置結(jié)構(gòu)RPA離子能量分布特性Fig.14 Ion energy distribution of the HCT in N-mode anf T-mode

圖15 15 ml/min不同放電電流條件下離子能量分布Fig.15 Ion energy distribution of the HCT at different current,the flow rate is 15 mL/min

3 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)射體內(nèi)置的空心陰極推力器產(chǎn)生推力能夠靠加熱內(nèi)部氣體工質(zhì)獲得高溫高壓氣體，氣體工質(zhì)膨脹噴出獲得一定推力，并且可以工作在低電流低功率條件下，大約10 W左右。然而所獲得的推力較小，比沖低，只有200～300 m/s，因此推進(jìn)效率低。試驗(yàn)結(jié)果證明發(fā)射體外置的方法能夠使空心陰極推力器的推力增加。在小流量條件下，推力和比沖的增加幅度顯著，比沖能夠達(dá)到1 300 m/s。并且由于發(fā)射體外置使得發(fā)射體輻射散熱強(qiáng)度增加，發(fā)射體外置的空心陰極推力器的工作功率要稍高于發(fā)射體內(nèi)置的空心陰極推力器，大約為10～20 W。并且根據(jù)離子參數(shù)的測(cè)量結(jié)果，在空心陰極推力器出口下游的1 cm處，發(fā)射體外置結(jié)構(gòu)的離子通量要比發(fā)射體內(nèi)置結(jié)構(gòu)模式下高。并且發(fā)射體外置后，離子能量增加。根據(jù)離子能量診斷試驗(yàn)結(jié)果，離子能量高于陰極與陽(yáng)極間的電位，高能離子的產(chǎn)生有助于增加推力器的比沖。發(fā)射體外置結(jié)構(gòu)增加離子數(shù)量密度，存在加速離子而增加推力的機(jī)制。

由于空心陰極推力器在小流量工質(zhì)條件下能夠獲得高比沖，并且在低電流條件下工作功率較低，因此為了匹配立方體衛(wèi)星能夠提供的功率，研究重點(diǎn)是發(fā)射體外置的陰極推力器在低電流、低流量下獲得大推力，從而提高推進(jìn)效率。

References)

[1] 李曉寧,竇驕,任廣偉.立方體衛(wèi)星的發(fā)展與應(yīng)用[J].國(guó)際太空，2015(8)：41-45.

LI X N,DOU J,REN G W.Development and application of CubeSat[J].Space International,2015(8): 41-45 (in Chinese).

[2] GRUBISIC A N.Microthrusters based on the T5 and T6 hollow cathode[D].Southampton:Southampton University,2009.

[3] GRUBISIC A N,GABRIEL S B.Assessment of the T5 and T6 hollow cathodes as reaction control thrusters[J].Journal of Propulsion and Power,2016,32(4): 810-819.

[4] GESSINI P,GABRIEL S.Thrust characterization of a T6 Hollow Cathode[C].The 29th International Electric Propulsion Conference,Princeton University,October 31-November 4,2005.

[5] GRUBISIC A N,GABRIEL S B.Thrust production mechanisms in hollow cathode microthrusters[C].IEEEAC,Big Sky,Mar.6-13,2010.

[6] KAMEYAMA I.Effects of neutral density on energetic ions produced near high-current hollow cathodes: CR-204154,E-10945,NAS 1.26:204154[R].Washington DC:NASA,1997.

[7] GALLIMORE A D,MIKELLIDES I,GOEBEL D,et al.Erosion processes of the discharge cathode assembly of ring-cusp gridded ion thrusters[J].Journal of Propulsion and Power,2007,23(6): 1271-1278.

[8] WILLIAMS G J.Measurement of doubly charged ions in ion thruster plumes[C].International Electric Propulsion Conference,Electric Rocket Propulsion Society,2001.

[9] FOSTER J E,PATTERSON M J.Downstream ion energy distributions in a hollow cathode ring cusp discharge[J].Journal of Propulsion and Power,2005,21(1): 144-151.

[10] GOEBEL D M,JAMESON K K,KATZ I,et al.Potential fluctuations and energetic ion production in hollow cathode discharges[J].Physics of Plasmas,2007,14(10).

[11] 安秉健.自持空心陰極關(guān)鍵尺寸影響與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

AN B J.Research ofinfluence and design criteria of hallow cathode key dimensions[D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2014 (in Chinese).

[12] 寧中喜，范金蕤.三絲扭擺微推力在線測(cè)量方法及不確定度分析[J].測(cè)控技術(shù)，2012，31(5):45-48.

NING Z X,FAN J R.On line measurement method of three-wire torsion pendulum micro thrust and analysis of its uncertainty[J].Measurement & Control Technology,2012,31(5):45-48 (in Chinese).

(編輯：高珍)

Investigationonthemethodofimprovingtheperformanceofhollowcathodethrusterwithanouteremitter

LIU Chenguang,NING Zhongxi*,MENG Tianhang,HAN Xing,YU Daren

SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China

To improve the performance of the hollow cathode as a thruster,a hollow cathode thruster with an emitter mounted on the top of the keeper was developed.It is found that the thrust and specific impulse generated by hollow cathode with the outer emitter are higher than those produced by hollow cathode.A further study shows that the ion current and ion energy in hollow cathode with an outer emitter are both higher than those in hollow cathode,and it infers that there exist ions acceleration in thrust production mechanism in hollow cathode thruster with an outer emitter causing improvements in thrust and specific impulse.

hollow cathode; micro thruster;cathode mode; thruster mode;outer emitter

http://zgkj.cast.cn

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0079

V439+.2

A

2017-05-11；

2017-09-02；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 16:00:58

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170924.1600.002.html

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61571166,新型寬范圍自適應(yīng)熱發(fā)射空心陰極研究)

劉晨光(1993-)，男，碩士研究生，1036558146@qq.com，研究方向?yàn)殡娡七M(jìn)

*通訊作者：寧中喜(1980-)，男，副教授，ningzx@hit.edu.cn，研究方向?yàn)殡娡七M(jìn)

劉晨光,寧中喜,孟天航,等.一種提高空心陰極推力器推力的發(fā)射體外置方法[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2017,37(5)：40-46.LIUCG,NINGZX,MENGTH,etal.Investigationonthemethodofimprovingtheperformanceofhollowcathodethrusterwithanouteremitter[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2017,37(5)：40-46(inChinese).