陰極擋板對30 cm氙離子推力器性能影響的研究

胡　竟，江豪成，王　亮，王小永，顧　左

（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）

陰極擋板對30 cm氙離子推力器性能影響的研究

胡竟，江豪成，王亮，王小永，顧左

（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）

束流分布是表征離子推力器性能的關鍵技術指標，直接影響到離子推力器的工作穩定性和可靠性。針對引出束流分布不均勻導致30 cm氙離子推力器離子光學系統打火保護的問題，開展了陰極擋板性能試驗，研究分析了陰極擋板對離子光學系統引出束流的影響作用關系，以及設置陰極擋板前后和設置不同規格陰極擋板時推力器放電室性能變化規律。試驗表明：設置陰極擋板可有效提高離子光學系統引出束流分布的均勻性，進而改善推力器的連續工作穩定性；同時，設置陰極擋板后，推力器在高功率工作模式下的放電室陽極電壓、放電損耗與未設置陰極擋板相比有明顯增大，且放電室陽極電壓、放電損耗隨陰極擋板直徑的增大而增大。研究為提高30 cm氙離子推力器工作穩定性提供技術指導。

氙離子推力器；束流分布；陰極擋板；工作穩定性

0　引言

離子推力器具有比沖高、壽命長、工作模式可調等顯著特點，采用離子推力器已成為提升航天器整體性能與技術水平的重要手段，美國、俄羅斯、歐洲等國外航天技術先進國家和地區在二十世紀90年代中期，就已經實現了電推力器在航天器中的商業應用，取得了顯著的經濟效益［1-2］。進入21世紀后，電推力器在航天領域的應用更是日益廣泛，截至2013年，世界上采用電推進作為推進系統的航天器已達到兩百顆以上，其應用范圍從應用初期地球同步軌道（GEO）衛星單純的東西或南北位保拓展到了全位保（包括東西位保、南北位保、偏心率修正、動量輪卸載及壽命末期離軌等）和軌道提升。美國波音公司開發并采用XIPS-25 cm離子推力器承擔衛星全部推進任務的首個全電推進衛星平臺BSS-702SP平臺也即將進入應用階段［3］。

30cm氙離子推力器是針對某型衛星平臺15年在軌期間的位置保持、軌道轉移及動量輪卸載等任務需求研制的考夫曼型離子推力器，該推力器將在5 kW高功率工作模式和3 kW低功率工作模式下為衛星提供滿足要求的推力、比沖。現已實現推力器在兩種工作模式下的連續工作穩定性和開關機工作穩定性。束流分布作為表征離子推力器性能的關鍵技術指標，直接影響到離子推力器的工作穩定性和可靠性。鑒于30cm氙離子推力器離子光學系統中心區域小孔引出束流密度遠大于邊緣區域小孔的引出束流密度，束流分布均勻性較差，多次出現離子光學系統打火導致推力器保護的情況。針對引出束流密度分布不均勻導致推力器離子光學系統打火保護的問題，為提高離子光學系統引出束流的均勻性，需進一步改善離子推力器放電室內等離子體分布的均勻性。

基于30 cm氙離子推力器放電室現有結構，為提高離子光學系統引出束流的均勻性，在放電主陰極前方設置陰極擋板，開展了陰極擋板對30 cm氙離子推力器性能影響的試驗研究，分析了陰極擋板對離子光學系統引出束流的影響作用關系，以及設置陰極擋板前后和設置不同規格陰極擋板時推力器放電室性能變化規律，從而最終實現改善離子光學系統引出束流均勻性，提高推力器工作穩定性的目標。

1　試驗產品與設備

試驗用離子推力器為30 cm氙離子推力器原理樣機，放電主陰極與中和器均為LaB6空心陰極，離子光學系統采用鉬材料雙柵極結構。

試驗在TS-6A設備上開展，如圖1所示，真空室為Φ2 000 mm（內徑）×5 000 mm（直段），采用低溫泵、粗抽機組、分子泵和渦旋泵機組進行抽氣，真空室極限壓力可達1.0×10-4Pa，工作壓力優于1.0×10-3Pa。

圖1　30 cm氙離子推力器陰極擋板試驗設備示意圖

同時，采用束流測量裝置對推力器光學系統軸線方向70°范圍內的束流進行測試。利用地面試驗電源為推力器及設備提供供電，并由具備閉環調節功能的地面氙氣供氣單元進行供氣。

2　試驗方法及內容

開展試驗前，需首先確定陰極擋板與放電主陰極的安裝位置關系。圖2所示為陰極擋板與放電主陰極的安裝位置關系示意圖。

圖2　陰極擋板安裝位置示意圖

如圖2所示，將陰極擋板安裝在放電主陰極頂前方20 mm處。同時，為實現不同規格擋板的快速更換，利用十字槽盤頭螺釘將擋板固定在安裝塊上。在不影響放電室性能的前提下，通過支撐桿將擋板安裝塊焊接在陰極安裝法蘭上。在此基礎上，結合30 cm氙離子推力器不設置陰極擋板時的束流分布特點，確定分別采用Φ40 mm、Φ70 mm兩種直徑規格的陰極擋板。如圖3所示為30 cm氙離子推力器結構及其供電原理示意圖。

試驗過程中，在離子推力器正常供氣及穩定工作情況下，對不設置陰極擋板及分別設置Φ40 mm、Φ70 mm陰極擋板等三種工況中的低功率工作模式、高功率工作模式下的引出束流特性進行測試，同時，每隔10 min對放電室性能參數進行一次測試。

圖3　30 cm氙離子推力器結構及其供電原理示意圖

為確保不同工況間的試驗具有可對比性，在滿足并不影響30 cm氙離子性能要求的前提下，將不同試驗工況中加速柵極電壓、放電主陰極觸持極電流、中和器觸持極電流均分別設置在-300 V、2.8 A和1.8 A。

3　試驗結果與分析

3.1束流特性分析

試驗過程中，推力器在三種工況、兩類工作模式下的引出束流分布變化規律如圖4、圖5所示。

圖4　低功率模式下束電流密度的分布曲線對比圖

圖5　高功率模式下束電流密度的分布曲線對比圖

從圖4、圖5研究結果可得六個方面結論：

（1）設置陰極擋板可有效改善推力器離子光學系統引出束流分布的均勻性，但Φ40 mm陰極擋板與Φ70 mm陰極擋板對束流分布的影響程度基本一致；

（2）未設置陰極擋板情況下，推力器離子光學系統的引出束流分布均勻性較差，其邊緣區域小孔利用率低。在低功率工作模式下，引出束流密度分布呈倒“V”型，中間區域束流密度遠大于邊緣區域束流密度，在高功率工作模式下，高束流密度區域有所擴展，但仍遠高于邊緣區域束流密度；

（3）設置陰極擋板情況下，推力器引出束流分布的均勻性較好，離子光學系統邊緣區域小孔得到有效利用，從而降低了中間區域的引出束流密度，因此在低功率和高功率工作模式中，引出束流密度分布呈中間區域均偏低的倒“U”型；

（4）由于推力器磁場分布不均勻，使得放電室內等離子體分布產生差異，導致離子光學系統引出束流密度分布不對稱；

（5）設置陰極擋板后，推力器在高功率工作模式中的放電損耗有所增大，放電室內溫度顯著提高，導致陰極擋板受熱產生塑性變形，邊緣區域產生翹曲，同樣導致放電室內等離子體分布產生差異；

（6）隨著陰極擋板直徑增大，放電室中心區域的電子濃度將會逐漸減少，進而逐漸降低該區域的等離子密度，導致推力器的引出束流在離子光學系統中心區域偏小，存在“凹坑”，在高功率工作模式下，該“凹坑”效應會明顯提升。

3.2放電室性能分析

試驗過程中，推力器在三種工況、兩類工作模式下的放電室性能參數如表1、表2所列。

如表1、表2所列數據，通過對測試的工作參數計算得到推力器性能指標可以發現：

（1）在低功率工作模式下，推力器未設置陰極擋板及設置不同規格的陰極擋板時，產生相同的推力、比沖，放電室所消耗的功率不同。其中，在設置Φ40 mm陰極擋板時，放電損耗最小，約為170 W/A；

（2）在高功率工作模式下，推力器產生推力、比沖基本相同時，設置陰極擋板后，放電室消耗功率與未設置陰極擋板相比有明顯增大，同時，隨著擋板直徑的增大，放電損耗會逐漸增大；

（3）在推力器內部設置陰極擋板對中和器性能無影響。在三種試驗工況中，中和器觸持極輸出電壓基本不變；

（4）在放電主陰極前設置陰極擋板對其工作性能存在顯著影響。三種試驗工況中，設置陰極擋板后的放電主陰極觸持極輸出電壓比未設置陰極擋板的輸出電壓小，同時，在陰極擋板與觸持極頂間距保持一致的情況下，觸持極電壓隨陰極擋板直徑的增大而逐漸減小。

表1　推力器在低功率工作模式的性能參數

表2　推力器在高功率工作模式的性能參數

4　結論

為提高30cm氙離子推力器離子光學系統引出束流分布的均勻性，開展了陰極擋板對推力器性能影響的試驗研究，分析了陰極擋板對離子光學系統引出束流分布的影響作用關系，以及設置擋板前后和設置不同規格陰極擋板時推力器放電室性能變化規律。試驗結果表明：設置陰極擋板可有效提高推力器引出束流分布的均勻性，進而改善推力器的工作穩定性。同時，設置陰極擋板后，推力器在高功率工作模式下的放電室陽極電壓、放電損耗與未設置陰極擋板相比有明顯增大，且放電室陽極電壓、放電損耗隨陰極擋板直徑的增大而增大。

項目在下一階段將深入開展相關試驗研究，并結合數值模擬和理論分析的手段，進一步分析陰極擋板對30 cm氙離子推力器性能的影響機理，以有效改善30 cm氙離子推力器工作穩定性。

［1］張天平，田華兵，孫運奎.離子推進系統用于GEO衛星南北位保使命的能力與效益［J］.真空與低溫，2010，16（2）：72-77.

［2］張天平，李小平，陳繼巍，等.LIPS-200離子推力器束流模型及其應用［J］.真空與低溫，2011，11（3）：136-139，165.

［3］張天平，陳娟娟，李興坤.中高功率離子推力器的性能參數研究分析［J］.真空與低溫，2012，18（1）：9-20.

［4］陳琳英，江豪成，鄭茂繁.離子推力器束流密度分布測量［J］.真空與低溫，2007，13（3）：155-158.

［5］陳琳英，宋仁旺.氙離子推力器束流分布特性研究［J］.火箭推進，2007，33（4）：20-22.

［6］King H J，Poeschel R L，et al.Low voltage 30 cm ion thruster development［R］.NASA-CR，1993.

［7］SenguptaA.Experimentalandanalyticalinvestigationofaringcusp ion thruster：discharge chamber physics and performance［D］.UniversityofsouthernCalifornia，2005.

［8］WilliamsGJ.Theuseoflaser-inducedfluorescencetocharacterize discharge cathode erosion in a 30 cm ring-cusp ion thruster［D］.UniversityofMichigan，2000.

STUDY ON PERFORMANCES OF 30 cm XENON ION THRUSTER SUBJECTED TO CATHODE BAFFLE

HU Jing，JIANG Haocheng，WANG Liang，WANG Xiaoyong，GU Zuo
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

Beam distribution is an important technical parameter to indicate the performance of ion thruster，it directly influences the working stability and reliability of ion thruster.Aiming at the problem of spark down of the ion optics system for 30 cm Xenon ion thruster because of the beam distribution imbalance，the cathode baffle test was developed and the relationship between the cathode baffle and the beam distributions was observed.The influence of fore-and-back setting cathode baffle and setting different types cathode baffle on the discharge chamber performance were researched.The results showed that setting cathode baffle could effectively improve beam distributions of the ion optics system，and the working stability of the ion thruster.The anode voltage and discharge loss was enhanced after setting cathode baffle in the high power mode，and with the diameter of the cathode baffle’s increasing.Above research will certainly provide technical guidance for improving working stability for the 30 cm Xenon ion thruster.

Xenon ion thruster；beam distribution；cathode baffle；working stability

V439+.1

A

1006-7086（2015）02-0103-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.010

2015-02-04

真空低溫技術與物理重點實驗室基金項目（9140C550211120C5501）

胡竟（1988-），男，寧夏吳忠人，助理工程師，碩士，主要研究放電等離子電推力器技術與應用工作。E-mail：hjing37615486@163.com。