李文博， 廖 巖， 成渭民， 孫建寧， 高 前， 王尚民， 魏立秋*， 于達仁

(1.西安航天動力研究所陜西省等離子體物理與應用技術重點實驗室， 西安 710100；2. 哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院，哈爾濱 150001；3. 西安微電子技術研究所， 西安 710065；4. 蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000)

1 引言

霍爾推力器是一種典型的正交電磁場下的電推進裝置[1-3]，結構簡單，推功比高，被廣泛地應用于衛(wèi)星南北位置保持和軌道轉移等空間推進任務[4-5]。 隨著世界各國航天工業(yè)的不斷發(fā)展，深空探測和星際旅行項目[6]等空間探索活動對大功率電推進裝置的需求日益增加。 俄羅斯[7-8]、美國[9-10]、歐空局[11-12]和中國[13-14]等都開展了關于大功率霍爾推力器的理論和試驗研究。

霍爾推力器在軌點火成功關系著推進任務能否成功執(zhí)行[15-16]，因此，國內外研究人員對推力器的點火過程進行了深入研究。 李文博等[15]實驗研究了宏觀放電參數(shù)的改變對推力器點火沖擊電流的影響，結果表明隨著放電電壓和陽極流量逐漸增大，點火沖擊電流峰值會逐漸增大；Vial等[17]和Ellison 等[18]分別采用高速CCD 相機拍攝的方式得到了霍爾推力器點火過程中在不同時刻下羽流區(qū)正面和側面的變化圖像，同時由于推力器的點火過程通常約為數(shù)十微秒，且等離子體參數(shù)變化劇烈，常規(guī)的探針和光譜等實驗測量方法都受到了一定的限制，因此Taccogna 等[19]和劉輝等[20]采用particle-in-cell (PIC)數(shù)值模擬方法研究了推力器點火過程中等離子體參數(shù)的變化特性。

霍爾推力器點火啟動過程中的第一步就是從陰極引出用于電離中性原子所需的種子電子及隨后用于中和所產(chǎn)生離子的電子。 對于大功率霍爾推力器，陰極存在外置和中置2 種不同的工作方式。 Hofer 等[21]和Goebelr 等[22]研究發(fā)現(xiàn)在大功率霍爾推力器采用陰極中置結構可以減小推力器的耦合壓降，從而增大電壓利用率，提高加速電壓，增加了推力器的性能。 但是，當陰極所處工作位置不同時會影響點火過程中陰極初始所發(fā)射的電子進入放電通道的路徑，進而影響點火過程發(fā)生的快慢和建立的難易程度，而這對于推力器點火啟動過程有著重要的影響。

目前國內外尚無關于陰極中置和外置結構對大功率霍爾推力器點火過程影響的報道。 因此，為深入地了解陰極位置對大功率霍爾推力器點火過程的影響，本文在一臺10 kW 大功率霍爾推力器上實驗測量陰極中置和陰極外置2 種不同情況下的點火沖擊電流，采用PIC 數(shù)值模型計算不同陰極位置下點火啟動過程中的離子密度變化特性。

2 實驗過程與結果

實驗所用真空系統(tǒng)如圖1 所示，罐體長為5 m，直徑為2 m，具有5 個觀察窗，可以從多個角度觀察霍爾推力器的放電狀態(tài)。 同時真空系統(tǒng)包括1 臺粗抽干泵、3 臺低溫泵、6 臺氙氣泵和1 臺分子泵。 真空系統(tǒng)最低可以達到1×10-4Pa，在測量過程中保持工質流量為90 sccm 的情況下，真空度保持在9.8×10-3Pa 左右。 點火沖擊電流參數(shù)的測量采用的是橫河DL850 型號錄波儀，能夠進行高速、高分辨率的電流參數(shù)數(shù)據(jù)采集。

圖1 實驗用真空系統(tǒng)Fig.1 Vacuum system in test

圖2 為實驗所用的10 kW 大功率霍爾推力器，其具有多模式放電特性，推力器采用勵磁線圈的方式產(chǎn)生磁場，同時為了能夠在放電通道內部產(chǎn)生零磁點的磁場位型，采用3 組線圈的繞線方式，分別是內線圈、外線圈與附加線圈。 其中內外線圈產(chǎn)生的磁場方向相同，附加線圈產(chǎn)生相反的磁場。 同時，推力器的尺寸較大，能夠支持陰極內置與中置2 種工作模式。

圖2 10 kW 霍爾推力器Fig.2 10 kW high-power Hall thruster

圖3 為陰極中置和陰極外置情況下霍爾推力器穩(wěn)態(tài)放電狀態(tài)圖。 從圖中可以看出，陰極外置時，霍爾推力器羽流周向對稱性較差，且向陰極安裝一側進行傾斜，而陰極中置時，霍爾推力器的羽流形貌周向對稱性良好，聚焦效果較好，羽流發(fā)散角較小，有利于大功率霍爾推力器在軌工作時衛(wèi)星平臺其余器件安裝位置的選擇。

圖3 10 kW 大功率霍爾推力器陰極不同位置下放電圖Fig.3 Discharge diagram of 10 kW high-power Hall thrusters under different cathode positions

圖4 為陰極中置和陰極外置下大功率霍爾推力器的點火沖擊電流，在測試過程中內、外和附加勵磁電流分別為3 A，3 A 和1 A，放電電壓均為300 V，陽極流量均為90 sccm。 從圖4 可以看出，陰極中置和陰極外置2 種不同工作位置下霍爾推力器的點火沖擊電流的峰值均在百安培量級，為正常穩(wěn)態(tài)放電電流的數(shù)十倍。 與陰極外置結構相比，陰極中置結構下的點火沖擊電流峰值較小，并且推力器點火成功后向穩(wěn)態(tài)放電轉換過程中低頻振蕩放電電流的平均值和峰峰值明顯較低，推力器能夠較為平穩(wěn)地向穩(wěn)態(tài)放電過程進行轉換，但是點火沖擊峰值到來的時間會延遲。 這是由于當陰極外置時，在點火過程中陰極發(fā)射的電子首先會被推力器出口區(qū)的磁力線所捕獲，然后需要穿越更多的磁力線來建立放電過程，這很容易激起等離子體的放電不穩(wěn)定性，因此推力器點火成功后向穩(wěn)態(tài)放電轉換過程中低頻振蕩放電電流的平均值和峰值遠高于陰極中置的情況。

圖4 10 kW 大功率霍爾推力器不同陰極位置下點火沖擊電流Fig.4 Ignition pulse current of 10 kW high-power Hall thrusters under different cathode positions

圖5 為陰極中置和陰極外置2 種結構下推力器點火沖擊電流初始階段上升變化特性。 由圖可知，與陰極中置結構相比，陰極外置情況下霍爾推力器點火初始階段的沖擊電流上升斜率更大。 這是由于陰極中置安裝時，陰極初始所發(fā)射的電子所處的磁場環(huán)境強度較強，點火瞬間陰極發(fā)射的電子在進入放電通道的過程中所受到的束縛作用會明顯增強，電子的拉莫爾回旋半徑會明顯降低，這就使得點火瞬間陰極所發(fā)射的電子在向放電通道運動的過程中單次獲得的能量降低，能夠達到氙氣原子電離閾值的高能電子數(shù)量相對較少，從而能夠電離的氙氣原子數(shù)目也相對較低，因此，在點火初始階段沖擊電流的增長速率也相對較慢，與此同時也會導致推力器點火沖擊峰值較小和到來時間的延遲。

圖5 10 kW 大功率霍爾推力器不同陰極位置下點火啟動過程初始階段沖擊電流圖(實驗值)Fig.5 Pulse current at initial stage at ignition process for different cathode positions in 10 kW highpower Hall thruster (experimental value)

3 PIC 數(shù)值模型與結果

3.1 PIC 數(shù)值模型中電子布置方式改進

為了更加深入地了解陰極中置和陰極外置2種不同工作位置對大功率霍爾推力器點火啟動過程中等離子體參數(shù)變化特性的影響，本文采用哈爾濱工業(yè)大學等離子體推進實驗室所建立的PIC數(shù)值模型計算了陰極不同工作位置下的離子密度變化特性，該模型已經(jīng)被廣泛地應用于計算霍爾推力器的點火瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)放電過程[23-25]。 在PIC 模擬中分別設置不同的電子進入方式，陰極中置時電子源布置方式如圖6(a)所示，電子從模擬區(qū)域的左下角沿軸向進入模擬區(qū)域，陰極外置時電子源布置方式如圖6(b)所示，電子從模擬區(qū)域的右上角進入模擬區(qū)域。

圖6 10 kW 大功率霍爾推力器模擬區(qū)域電子布置方式Fig.6 Electronic layout of 10 kW high-power Hall thruster simulation area

但是在采用陰極中置的模型進行推力器點火過程模擬時發(fā)現(xiàn)，在合理的參數(shù)設置下無論如何調節(jié)放電電壓等宏觀參數(shù)都不能夠實現(xiàn)推力器成功點火。 圖7(a)和圖7(b)分別為未能成功模擬點火過程中的電子速度分布圖像和10 kW 霍爾推力器磁力線分布特性。 從圖中可以明顯地看出電子運動速度的流線與磁場磁力線的分布近乎一致，這意味著在霍爾推力器點火過程模擬中，電子從陰極發(fā)射后被周圍強磁場區(qū)的磁力線束縛，并且只沿著磁力線運動。 同時，從圖7(b)可以看出推力器中間位置的磁場方向近似與推力器中軸線方向平行。 由此可以推斷，在霍爾推力器點火模擬過程中，大部分電子都沿著磁力線運動到了模擬區(qū)域右側的自由邊界處，只能電離該位置從放電通道擴散出去的極少一部分工質氣體，并且不能將電子引入到放電通道內與高密度的中性氣體發(fā)生碰撞電離，因此造成了模擬中出現(xiàn)點火困難這一現(xiàn)象。

圖7 10 kW 大功率霍爾推力器模擬區(qū)域電子運動速度流線圖和磁力線分布圖Fig.7 Streamline diagram of electron velocity and distribution diagram of magnetic field line in the simulation area of 10 kW high power Hall thruster

前期的文獻調研表明，大功率霍爾推力器都能夠點火成功穩(wěn)定運行，進一步考慮到電子被磁力線束縛，導致電子不能有效地進入放電通道區(qū)域，對此有2 種不同的解決方案:①將計算模擬區(qū)域變大，在更大的模擬區(qū)域中，軸向的磁力線能夠環(huán)繞進入模擬區(qū)域，電子也能夠沿著磁力線運動到放電通道內部完成有效的碰撞電離；②改變電子入射的方向，將陰極中置的放置方式改為如圖8 所示的方式，電子從軸向邊界以上的一個區(qū)域邊界向上發(fā)射電子，電子能夠在已有模擬區(qū)域內的磁力線作用下進入放電通道。 由于軸向磁場在有限的空間內很難彎曲形成閉合磁力線，考慮到計算時間的可行性，在本模型中選擇采用第二種方式進行近似處理。

圖8 10 kW 大功率霍爾推力器模擬區(qū)域簡化電子布置方式Fig.8 Simplified electronic layout in simulation area of 10 kW high Power Hall thruster

3.2 點火過程中等離子體參數(shù)變化特性

在對陰極中置時模擬區(qū)域的電子布置方式進行進一步簡化之后，發(fā)現(xiàn)霍爾推力器點火模擬能夠成功實現(xiàn)。 因此，分別計算了陰極中置和陰極外置兩種不同陰極位置下霍爾推力器點火沖擊電流和相同時刻下的離子密度分布特性，分別如圖9、圖10 和圖11 所示。 圖9 中綠色的時間點分別對應著圖10 和圖11 中不同陰極位置下離子密度的時間點。 從圖9 可以看出，與陰極中置相比，當大功率霍爾推力器陰極外置時，點火初始階段霍爾推力器的點火沖擊電流增長速率較快，這和圖5 所示實驗結果的規(guī)律性是一致的。

圖9 10 kW 大功率霍爾推力器不同陰極位置下點火啟動過程初始階段沖擊電流圖(模擬值)Fig.9 Pulse current at initial stage of ignition process for different cathode positions in 10 kW highpower Hall thruster (simulated value)

圖10 陰極中置時點火啟動階段離子密度分布Fig. 10 Ion density distribution during ignition process with cathode mounted in the center

圖11 陰極外置時點火啟動階段離子密度分布Fig. 11 Ion density distribution during ignition process with cathode mounted outside

從圖10 和圖11 中可以看出，在相同的點火時刻下，與陰極中置結構相比，陰極外置結構下的離子密度明顯較高，并且電離區(qū)域向放電通道內部移動的趨勢更加明顯。 結合圖5 所示的2 種不同陰極位置下點火初始階段的電流增長速率可知，盡管陰極中置的情況下陰極所發(fā)射的電子距離放電通道位置更近，但是初始點火啟動過程仍然速度較慢。 這主要是由于不同的陰極位置使得陰極所發(fā)射初始電子所處的磁場環(huán)境不同。 從圖7(b)可以看出，當陰極外置時，陰極所發(fā)射初始電子所處的磁場強度明顯弱于陰極中置的情況下(盡管陰極中置情況下電子發(fā)射位置進行了一定的修改，但該處的磁場強度仍然相對較強)。 因此，陰極外置情況下陰極初始發(fā)射的電子受到磁力線的束縛作用相對較小，能夠在電場力和碰撞等作用下快速進入放電通道內部，在這個過程中電子能夠從陰極和陽極之間的軸向電場中更快地獲得足夠的能量來電離中性原子，推力器的點火過程相對更快地發(fā)生，并且發(fā)現(xiàn)點火初始階段的電流增長速率明顯較大。 而在陰極中置的結構下，盡管陰極所處的位置距離放電通道更近，但是由于陰極初始發(fā)射的電子所處的磁場強度較強，電子受到其束縛作用在電場中的移動速度緩慢，導致電子在陰極和陽極之間的軸向電場獲得達到氙氣原子電離能的速度也相對較慢，與中性原子發(fā)生碰撞電離的速率較低，推力器的點火過程演化得也比較慢，且點火初始階段沖擊電流的增長速率較慢。

對比圖10 和圖11 可以看出，當采用陰極中置結構時，霍爾推力器點火啟動過程中羽流的周向對稱性更好，不會出現(xiàn)陰極外置情況下向一側偏心的情況，這對于霍爾推力器的在軌應用是非常重要的。 盡管霍爾推力器具有軸對稱結構，但由于陰極工作位置的非軸對稱安裝，使得霍爾推力器的羽流存在周向不對稱性，這一現(xiàn)象在小功率及中等功率的霍爾推力器在軌應用中不是非常明顯。 大功率霍爾推力器通常尺寸和重量較大，而且推力器在軌服役過程中需要經(jīng)歷多次點火啟動過程，如果在在軌應用過程中出現(xiàn)羽流周向對稱性差的問題，就會對衛(wèi)星平臺其余器件安裝位置的選擇帶來嚴重的影響。 甚至由于大功率霍爾推力器羽流的不對稱性會使得一側的電子元件或太陽能帆板長期受到離子羽流的轟擊而提前失效，進而縮短衛(wèi)星平臺的服役壽命。

4 結論

1)與陰極外置結構相比，陰極中置結構下大功率霍爾推力器的點火沖擊電流峰值更小，霍爾推力器點火啟動成功后向穩(wěn)態(tài)放電轉換過程中低頻振蕩放電電流的平均值和峰值較小，有利于霍爾推力器穩(wěn)定地向穩(wěn)態(tài)放電過程進行轉換；但點火過程初始階段的電流增加速率更慢，點火沖擊電流峰值出現(xiàn)較晚。

2)與陰極外置結構相比，陰極中置結構下推力器的點火過程演化速率較慢，在這個過程中產(chǎn)生的離子密度也相對較低。

3)與陰極外置結構相比，陰極中置結構下推力器點火啟動過程中羽流的周向對稱性更加良好，有利于大功率霍爾推力器在軌工作時衛(wèi)星平臺其余器件安裝位置的選擇。