楊福全，胡 竟，郭德洲，谷增杰，王成飛，耿 海

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

LIPS-100離子推力器是針對(duì)200～300 km地球超低軌道[1-3]空間任務(wù)研制的一款產(chǎn)品，用于補(bǔ)償衛(wèi)星受到的大氣阻尼[4]，設(shè)計(jì)參數(shù)為推力1～20 mN，推力分辨率12μN(yùn)，比沖500～3 500 s。歐空局GOCE衛(wèi)星T5離子推力器[5-6]和日本SLATS計(jì)劃“燕”衛(wèi)星的12 cm離子推力器[7]是此類離子推力器在超低軌衛(wèi)星成功應(yīng)用的典型代表。對(duì)執(zhí)行此類任務(wù)的離子推力器，推力寬范圍連續(xù)精細(xì)可調(diào)和高總沖是最基本要求，而要實(shí)現(xiàn)這些要求，推力器必須具備工作穩(wěn)定性好和長(zhǎng)壽命等特性。LIPS-100離子推力器選擇了調(diào)節(jié)關(guān)系簡(jiǎn)單、靈活性高的電磁鐵發(fā)散場(chǎng)放電室。發(fā)散場(chǎng)放電室由擋板分成耦合等離子區(qū)和主放電區(qū)[8-9]。陰極出口平面、陰極極靴和擋板所包絡(luò)的等離子體區(qū)域稱為耦合等離子體區(qū)，擋板、陽(yáng)極和屏柵包絡(luò)的區(qū)域稱為主放電區(qū)。陰極極靴與擋板之間的環(huán)形通道稱為擋板通道。研究表明[10]，主放電區(qū)和耦合等離子體區(qū)之間存在一個(gè)電位陡然變化的“薄層”，即雙鞘層，位于擋板通道附近，因此擋板通道面積顯著影響進(jìn)入主放電區(qū)的原初電子的能量和速度分布[11]，進(jìn)而影響離子推力器的放電性能。美國(guó)、英國(guó)、日本等對(duì)發(fā)散場(chǎng)離子推力器擋板通道區(qū)域的等離子體特性、擋板通道面積進(jìn)行過(guò)理論研究和試驗(yàn)優(yōu)化[12]，國(guó)內(nèi)蘭州空間技術(shù)物理研究所對(duì)擋板通道面積進(jìn)行了理論推導(dǎo)[13]。

提高離子推力器放電穩(wěn)定性和降低陽(yáng)極電壓是實(shí)現(xiàn)推力寬范圍連續(xù)精細(xì)可調(diào)和長(zhǎng)壽命的重要措施。陽(yáng)極電壓高低決定了離子能量的大小，從而決定了離子對(duì)柵極濺射腐蝕的程度，陽(yáng)極電壓振蕩是表征放電穩(wěn)定性的主要參數(shù)，而放電穩(wěn)定性是保證推力寬范圍連續(xù)精細(xì)可調(diào)的前提。對(duì)于發(fā)散場(chǎng)離子推力器，擋板通道面積大小是影響陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極電壓振蕩的主要因素之一。日本的Ozaki等[14]針對(duì)12 cm離子推力器開(kāi)展了擋板通道面積對(duì)陽(yáng)極電壓的影響研究。作者在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，LIPS-100離子推力器的陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極電壓振蕩偏高，因此參考國(guó)外相關(guān)研究，提出了通過(guò)擋板通道面積優(yōu)化降低陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極電壓振蕩的措施。期望通過(guò)本文研究實(shí)現(xiàn)LIPS-100工作穩(wěn)定性和壽命指標(biāo)要求。

1 擋板通道面積優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 擋板通道面積設(shè)計(jì)理論分析

LIPS-100離子推力器的陽(yáng)極、陰極、陰極極靴、擋板的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。在放電室其他結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，由陰極極靴和擋板構(gòu)成的擋板通道面積有一個(gè)最佳值，通過(guò)陰極極靴直徑和擋板直徑的調(diào)整可以對(duì)通道面積進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 LIPS-100離子推力器放電室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagam of discharge chamber structure of LIPS-100 ion thruster chamber

發(fā)散場(chǎng)離子推力器陰極極靴直徑初始設(shè)計(jì)值可由經(jīng)驗(yàn)式（1）估算[15]。

式中：d2為陰極極靴內(nèi)徑；Dd為陽(yáng)極直徑。

根據(jù)式（1）可估算得到陰極極靴內(nèi)徑。

在發(fā)散場(chǎng)放電室中，擋板將放電室分成主放電區(qū)和等離子體耦合區(qū)，擋板與陰極極靴之間的環(huán)形通道截面積對(duì)放電室的電離效率有較大影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，在20 mN時(shí)，發(fā)散場(chǎng)離子推力器通過(guò)環(huán)形通道的電子密度存在以下經(jīng)驗(yàn)值：式中：A為擋板通道面積；Jp為電子密度；Ia為陽(yáng)極電流。

相關(guān)研究表明[13]，擋板通道面積可利用放電室等離子體密度、放電參數(shù)、平均磁場(chǎng)、束流等進(jìn)行理論估算[13]，計(jì)算如式（3）所示。

式中：e為電子電量；為通道內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度；α為Bohm擴(kuò)散修正系數(shù)；為主放電區(qū)平均電子密度；為耦合區(qū)平均電子密度；Varc為弧電壓；Vkeeper為陰極觸持電壓；d2為陰極極靴內(nèi)徑；d1為擋板外徑；Iarc為陽(yáng)極電流；Ibeam為束流。

由于理論計(jì)算公式在推導(dǎo)的過(guò)程中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡(jiǎn)化處理，因此通過(guò)理論計(jì)算只能得到粗略的初值。擋板通道面積、陰極極靴直徑、擋板直徑的優(yōu)化值須結(jié)合試驗(yàn)手段并借助經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行幾輪迭代才能確定。

1.2 擋板通道面積優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）設(shè)計(jì)了LIPS-100離子推力器原理樣機(jī)陰極極靴內(nèi)徑、擋板直徑和擋板通道面積初始值，并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)優(yōu)化。但是短期磨損試驗(yàn)表明，陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極電壓振蕩均偏高，分別為42 V和20～25 V，使得柵極的濺射腐蝕超出預(yù)期，導(dǎo)致推力器壽命不滿足設(shè)計(jì)要求，陽(yáng)極電壓振蕩偏高還表明放電室工作不穩(wěn)定。

相關(guān)理論研究表明[16-17]，在電磁場(chǎng)作用下陰極發(fā)射的電子從耦合等離子區(qū)通過(guò)擋板通道擴(kuò)散到主放電區(qū)的過(guò)程中，會(huì)引起等離子體密度梯度和電勢(shì)梯度的較大變化。由于主放電區(qū)的電勢(shì)與陽(yáng)極電壓相關(guān)，如果耦合等離子區(qū)電子密度增大，擋板通道兩側(cè)的電子密度梯度將增大而電勢(shì)梯度將減小，因此通過(guò)增大耦合等離子區(qū)電子密度有可能使陽(yáng)極電壓下降。在其他參數(shù)不變的情況下，減小擋板通道面積可使等離子區(qū)電子密度增大。但是陽(yáng)極電壓下降會(huì)導(dǎo)致原初電子能量減小，從而影響放電室氣體電離率，因此可通過(guò)減小暴露在放電室內(nèi)的擁有陰極電位的結(jié)構(gòu)表面積來(lái)降低離子的損失，從而平衡電離率下降導(dǎo)致的等離子體產(chǎn)量的下降。而降低擋板面積是可采取的一項(xiàng)有效措施[14]。

基于上述理論基礎(chǔ)，進(jìn)行了LIPS-100離子推力器工程樣機(jī)擋板通道面積再優(yōu)化設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是同時(shí)減小擋板通道面積和擋板面積，結(jié)合之前的擋板與陰極極靴設(shè)計(jì)尺寸d10/d20，通過(guò)計(jì)算初步確定了兩組優(yōu)化的陰極極靴內(nèi)徑和擋板直徑，并設(shè)計(jì)加工了陰極極靴和擋板，它們的直徑尺寸從小到大分別表示為d21、d22和d11、d12。

2 擋板通道面積設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 優(yōu)化試驗(yàn)

離子推力器放電室參數(shù)包括各電極的電參數(shù)、放電室的幾何參數(shù)、磁場(chǎng)位形和磁場(chǎng)大小，而放電室的幾何參數(shù)與磁場(chǎng)直接相關(guān)，并影響到放電室的等離子體參數(shù)，進(jìn)而影響到放電室中各電極的參數(shù)和壽命，迄今尚未見(jiàn)到準(zhǔn)確描述離子推力器放電室?guī)缀螀?shù)、電參數(shù)與磁場(chǎng)位形之間關(guān)系的公認(rèn)的方法。因此，推力器的設(shè)計(jì)優(yōu)化還需通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化最終確定。

本文針對(duì)兩組不同尺寸的陰極極靴和擋板組合，通過(guò)正交試驗(yàn)最終優(yōu)選一組陰極極靴內(nèi)徑、擋板直徑組合。在20 mN推力、3 500 s比沖工況下共進(jìn)行了4個(gè)組合的性能優(yōu)化試驗(yàn)[18]。為了保證性能變化只與陰極極靴和擋板尺寸有關(guān)，試驗(yàn)中推力器放電室其他的結(jié)構(gòu)特征尺寸、束電壓、束電流、放電室總流率等參數(shù)均保持不變，只通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)極電流、勵(lì)磁電流獲取最佳的放電參數(shù)。優(yōu)化前與優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

由表1的數(shù)據(jù)可知，組合d11/d21的放電室綜合性能最優(yōu)，該組合下陽(yáng)極電壓比優(yōu)化前降低約4 V，陽(yáng)極電壓振蕩降低了約一半；放電功耗比優(yōu)化前的125 W降低了約11 W，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果；優(yōu)化后擋板通道面積和擋板面積分別減小2.58 cm2和0.5 cm2，通道面積減小了約19%。

表1 擋板通道面積優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test resultsof performance optim ization

2.2 優(yōu)化后的推力寬范圍調(diào)節(jié)試驗(yàn)

根據(jù)擋板通道面積優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，LIPS-100離子推力器工程樣機(jī)采用d11/d21組合的陰極極靴內(nèi)徑、擋板直徑優(yōu)化方案，并進(jìn)行了寬推力范圍調(diào)節(jié)試驗(yàn)，以驗(yàn)證采用該方案的推力器在1～20 mN寬范圍調(diào)節(jié)過(guò)程中的放電室性能。寬范圍推力調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果如表2所列。

表2 推力寬范圍調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test resu ltsofw ide range thrust throttle

從表2可以看出，在推力寬范圍調(diào)節(jié)過(guò)程中，陽(yáng)極電壓大部分在38 V以下，陽(yáng)極電壓振蕩均在15 V以下，大部分集中在10 V左右，比優(yōu)化前的20～25 V降低一半。結(jié)果表明，擋板通道面積優(yōu)化后推力器在寬范圍工作過(guò)程中陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極電壓振蕩均保持在較低值。陽(yáng)極電壓降低后放電室離子能量也相應(yīng)降低，從而減緩了離子對(duì)柵極的濺射腐蝕，保證了推力器壽命滿足設(shè)計(jì)要求。推力器工作寬范圍內(nèi)陽(yáng)極電壓振蕩降低還表明放電室工作穩(wěn)定性得到了提高，從而可以保證推力寬范圍連續(xù)精細(xì)可調(diào)的實(shí)現(xiàn)。

2.3 優(yōu)化后的短期磨損試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的效果，在LIPS-100離子推力器工程樣機(jī)上進(jìn)行了20 mN工況下的200 h短期磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備條件和各輸入?yún)?shù)保持與優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)一致，試驗(yàn)采取工作23 h、停機(jī)1 h的循環(huán)方式進(jìn)行。由試驗(yàn)結(jié)果得到200 h內(nèi)推力變化曲線和陽(yáng)極電壓輸出曲線，分別如圖2和圖3所示。

圖2 短期磨損試驗(yàn)中推力輸出曲線Fig.2 Curve of thrustoutput in shortperiod wear test

圖3 短期磨損試驗(yàn)中陽(yáng)極電壓變化曲線Fig.3 Curve of anode voltage in shortperiod wear test

由圖2可以看出，短期磨損試驗(yàn)過(guò)程中，在相同輸入電、氣參數(shù)條件下，20 mN工況推力變化在19.8～20.6 mN之間。由圖3可知，試驗(yàn)過(guò)程中陽(yáng)極電壓保持在37.4～38.9 V之間。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中推力器工作穩(wěn)定，放電室性能優(yōu)良。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[19-20]中陽(yáng)極電壓與屏柵極鉬材料濺射產(chǎn)額的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算了LIPS-100離子推力器不同陽(yáng)極電壓下單荷氙離子和雙荷氙離子對(duì)屏柵極鉬材料的濺射產(chǎn)額。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式（4）[21]，計(jì)算了陽(yáng)極電壓與屏柵極壽命的關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知，對(duì)應(yīng)優(yōu)化前和優(yōu)化后陽(yáng)極電壓42 V和38 V下的屏柵極壽命分別為9 523 h和1 4681 h，優(yōu)化后的壽命達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖4 不同陽(yáng)極電壓下屏柵極壽命曲線Fig.4 The lifetime of the screen grid asa function of anode voltage

式中：Tsg為屏柵極壽命；ts為屏柵極厚度；φi為柵極離子透明度；e為電子電荷；ρ為屏柵極材料密度；Fb束流平直度；rb為屏柵極開(kāi)孔區(qū)域半徑；φs為屏柵極幾何透明度；R+++為引出束流中雙荷離子比；Ib為束電流；m為屏柵極材料密度；Y+為單荷氙離子對(duì)鉬材料的濺射產(chǎn)額；Y++為雙荷氙離子對(duì)鉬材料的濺射產(chǎn)額。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)擋板通道面積對(duì)放電室性能影響的分析，采用減小陰極極靴直徑和擋板直徑的方法進(jìn)行了擋板通道面積的優(yōu)化，在理論設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上通過(guò)組合試驗(yàn)確定了優(yōu)化的擋板通道面積。優(yōu)化后推力器的額定工作點(diǎn)和寬范圍工作穩(wěn)定性、放電性能均得到較大提高。陽(yáng)極電壓比優(yōu)化前降低約5 V，陽(yáng)極電壓振蕩值比優(yōu)化前減小一半。陽(yáng)極電壓降低減弱了離子對(duì)柵極組件的濺射腐蝕，使得屏柵極壽命比優(yōu)化前提高了50%以上，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。