LIPS-300多模式離子推力器中和器優(yōu)化研究

賈艷輝，馮 杰，王 亮，陳娟娟，汪 忠，孫 威

（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

中和器是在離子推力器正常工作中，發(fā)射與束流離子電流相等的電子電流來滿足推力器保持電中性的組件。中和器穩(wěn)定高效的束流離子中和能力，是保證離子電推進(jìn)平臺(tái)應(yīng)用的關(guān)鍵，一方面通過對(duì)束流離子的中和保持航天器電中性；另一方面中和電子與束流離子高效的耦合，可以有效降低中和器和柵極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的離子濺射刻蝕損失率，因此，中和器性能及其與推力器的匹配性一直是電推進(jìn)研究的熱點(diǎn)問題之一，特別是隨著多模式離子推力器研發(fā)和應(yīng)用，該問題顯得更為重要。

自離子推力器研制之初，即意識(shí)到束流離子中和問題的重要性，先后提出了數(shù)學(xué)分析模型[1-5]、流體和粒子跟蹤計(jì)算機(jī)仿真模型[6-8]，模型對(duì)束流離子中和過程、等離子體分布和觸持極電壓等進(jìn)行了描述和預(yù)測(cè)。美國(guó)南加州大學(xué)研究者認(rèn)為現(xiàn)有理論分析和數(shù)值仿真模型還不能完全解釋束流的中和機(jī)理[9]，離子推力器束流中和過程的試驗(yàn)研究可以直接獲得宏觀的中和器電參數(shù)和束流等離子體參數(shù)，是目前指導(dǎo)離子推力器工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的最主要手段之一。因此，南加州大學(xué)、NASA格林中心和日本國(guó)家防御研究院等針對(duì)離子推力器束流中和問題采用LP探針、法拉第探針等對(duì)束流不同中和比例下束流等離子體分布、中和器參數(shù)等進(jìn)行了測(cè)量[10-11]。

面向全電推進(jìn)衛(wèi)星和深空探測(cè)應(yīng)用需求，研發(fā)了多模式離子推力器，為了進(jìn)一步優(yōu)化離子推力器多模式覆蓋下的性能和壽命，需要對(duì)束流寬范圍調(diào)節(jié)下中和器工作特性開展深入研究。以LIPS-300多模式離子推力器為研究對(duì)象，采用數(shù)值建模與地面試驗(yàn)方法分別對(duì)束流中和及中和器的參數(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，研究成果對(duì)離子推力器中和器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定參考意義。

1 離子推力器及其中和器簡(jiǎn)介

LIPS-300多模式離子推力器，束流口徑30 cm，如圖1所示，放電室采用四極環(huán)切磁場(chǎng)設(shè)計(jì)[12]，有效增加了束流均勻性，降低了柵極中心區(qū)域材料的濺射刻蝕率，提高了預(yù)期服役壽命。離子推力器主要性能指標(biāo)如表1所列。

圖1 LIPS-300離子推力器圖Fig.1 LIPS-300 ion thruster

表1 LIPS-300離子推力器主要性能參數(shù)Table 1 Key parameters of LIPS-300 ion thruster

30 cm口徑離子推力器采用LaB6發(fā)射體空心陰極，如圖2所示，發(fā)射電流0～5 A，該空心陰極已經(jīng)過SJ-9A和SJ-13衛(wèi)星在軌飛行驗(yàn)證，地面驗(yàn)證單支壽命超過20 000 h[13-14]。

2 仿真和試驗(yàn)

2.1 仿真模型

采用二維軸對(duì)稱建模，計(jì)算區(qū)域和邊界條件如圖3所示。Z和R分別為計(jì)算區(qū)域軸向和徑向長(zhǎng)度，Vp為等離子體電勢(shì)，Vsc為屏柵電勢(shì)，Vac為加速柵電勢(shì)，rsc為屏柵孔半徑，rac為加速柵孔半徑。計(jì)算區(qū)域的下界為柵極孔軸線，坐標(biāo)原點(diǎn)為計(jì)算區(qū)域的左下角。

采用泊松方程對(duì)計(jì)算區(qū)域的電勢(shì)進(jìn)行求解。對(duì)于二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，泊松方程表示為：

式中：Ф為靜電勢(shì)；e為電子電量；ni為離子數(shù)密度；ne為電子數(shù)密度；ε0為真空介電常數(shù)；r和z分別為計(jì)算區(qū)域徑向和軸向坐標(biāo)。采用有限差分方法結(jié)合高斯-賽德爾迭代法對(duì)式（1）電勢(shì)求解，之后采用線性差分方法求解電場(chǎng)。電勢(shì)求解邊界條件選取如圖3所示，兩柵極為等勢(shì)體，左邊界為放電室等離子體電勢(shì)，Ф＝Vsc+Vp，其余邊界取為Neumann邊界條件。

對(duì)于單個(gè)柵極孔，每個(gè)時(shí)間步從左邊界進(jìn)入到計(jì)算區(qū)域的離子數(shù)ΔN由式（2）確定。采用PIC方法對(duì)束流離子進(jìn)行跟蹤，假設(shè)中和器電子對(duì)離子推力器束流離子完全中和，電子數(shù)密度ne利用Boltzmann方程確定。粒子邊界的處理和束流引出過程模擬詳見文獻(xiàn)[16]。

2.2 試驗(yàn)流程

推力器束流中和試驗(yàn)在電推進(jìn)專用設(shè)備TS-6C上開展。TS-6C設(shè)備真空艙直徑4.2 m，長(zhǎng)6.0 m，極限真空度優(yōu)于5.0×10-5Pa，推力器滿功率工作時(shí)工作真空度優(yōu)于1.0×10-4Pa。中和器組件級(jí)性能測(cè)試在空心陰極專用地面測(cè)試設(shè)備TS-5A內(nèi)開展，真空艙直徑0.3 m，長(zhǎng)0.4 m，極限真空度優(yōu)于5.0×10-5Pa，3.0 mL/min氙氣供給下，真空度優(yōu)于2.0×10-2Pa。

在推力器上，分別通過調(diào)節(jié)中和器流率和推力器束流，研究中和器觸持極電壓變化特征，由于地面試驗(yàn)中氙氣供給管路較長(zhǎng)，要求每次調(diào)節(jié)完流率后，30 min進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以保障中和器實(shí)際流率與流量計(jì)顯示值一致。中和器電參數(shù)隨流率變化規(guī)律的組件級(jí)試驗(yàn)，通過逐步調(diào)節(jié)中和器供給流率，監(jiān)測(cè)并記錄觸持極電壓及電壓振蕩峰峰值變化規(guī)律。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖4是采用PIC模型計(jì)算的離子推力器加速柵下游區(qū)域軸向電勢(shì)分布，模型按照束流離子完全被中和進(jìn)行仿真，輸入束流密度5.19 mA/cm2、加速柵電壓-200 V。計(jì)算結(jié)果顯示，在加速柵下游1.6 mm處，束流電勢(shì)開始升高，最大值約5 V，這主要是由于1.6 mm以內(nèi)，加速柵負(fù)電位對(duì)局部電勢(shì)分布影響占主導(dǎo)，隨著與加速柵距離的增加，1.6 mm以外束流離子對(duì)局部電勢(shì)影響占主導(dǎo)。推力器穩(wěn)定工作時(shí)，束流區(qū)域必須有一定的正電勢(shì)才能保障中和電子趨向于束流運(yùn)動(dòng)，此電位即束流耦合電位，國(guó)外實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)在10 V左右，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的差別可能為仿真模型建模時(shí)未考慮中和器電子本身的逸出功及電子與離子的碰撞效應(yīng)。根據(jù)Harold Mirels建立的離子推力器束流中和一維分析模型[17]，當(dāng)束流不存在離子反流時(shí)，最高電位在柵極下游約1.4倍柵間距處，模型中柵極間距取值為1.0 mm，計(jì)算值為1.6 mm，與國(guó)外分析模型符合較好。

圖5是在TS-5A真空設(shè)備內(nèi)中和器組件模擬不引束流的二極管工作模式觸持極電壓及其振蕩峰峰值。試驗(yàn)顯示二極工作模式下，觸持極電壓及其振蕩峰峰值隨氙氣流率升高而降低，在0.8 mL/min時(shí)工作模式轉(zhuǎn)入振蕩峰峰值小于5 V的斑狀工作模式（通常定義中和器觸持極電壓振蕩峰峰值≤5 V時(shí)為斑狀模式，反之為羽狀模式，要保障推力器長(zhǎng)壽命，中和器必須工作在斑狀模式），因此，建議應(yīng)用中和器流率值大于0.8 mL/min，并考慮一定的裕度。

圖6是推力器工作在5 kW，引出束流3.7 A下的中和器觸持極電壓及其振蕩峰峰值隨流率的變化規(guī)律。引束流情況下，中和器在2.2 mL/min時(shí)過渡到斑狀模式，轉(zhuǎn)變點(diǎn)流率大于二級(jí)放電模式。圖5與圖6對(duì)比顯示，中和器工作在引束流時(shí)的三極模式下，觸持極電壓低于未引束流狀態(tài)。圖6說明，LIPS-300離子推力器中和器流率設(shè)置不能低于2.2 mL/min。

圖7是推力器分別工作在5 kW、4 kW和3 kW時(shí)中和器的放電特征。隨著中和器氙氣流率的增加，在改變引出束流值時(shí)，觸持極電壓及其振蕩峰峰值無明顯變化，而流率較低時(shí)，中和器工作電參數(shù)容易受到引出束流值的影響。圖7說明，在一定流率供給下，中和器隨束流的增加，觸持極電壓降低，振蕩峰峰值升高，這主要是由于，中和器工作在斑狀模式下，放電表現(xiàn)為負(fù)阻特性，即觸持極電壓隨發(fā)射電子電流升高而降低。

圖6 引出束流3.7 A時(shí)的觸持極電壓及其振蕩峰峰值隨中和器氙氣流率的變化規(guī)律曲線Fig.6 The keeper voltage and its peak-to-peak oscillation versus to Xe flow rate on 3.7 Aion beam current

圖7 不同引出束流下中和器觸持極電壓及其振蕩分布曲線Fig.7 The keeper voltage and its peak-to-peak oscillation versus to ion beam value

4 結(jié)論

通過數(shù)值仿真獲得了加速柵下游區(qū)域的電勢(shì)軸向分布，計(jì)算結(jié)果顯示中和器電子與束流離子間耦合電勢(shì)約5 V，束流電勢(shì)峰值出現(xiàn)在加速柵下游約1.6 mm處，與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果符合較好。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了在不引與引束流情況下中和器觸持極電壓及其振蕩峰峰值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示離子推力器引束流時(shí)中和器觸持極電壓低于未引束流工況，結(jié)果與中和器斑狀模式下負(fù)阻特性相符；在引束流時(shí)，中和器斑狀-羽狀模式流率轉(zhuǎn)變點(diǎn)由0.8 mL/min提高到2.2 mL/min，需要進(jìn)一步開展研究；建議LIPS-300離子推力器中和器流率設(shè)置為≥2.2 mL/min，以保證中和器始終工作在優(yōu)化的斑狀模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]StaffRW.ElectrostaticPropulsion[J].ProceedingsoftheIRE，1960，48（4）：548-553.

[2]French P.Circular beam neutralization，progress in astronau?tics and rocketry，volume 5：electrostatic propulsion[M].Aca?demicPress，NewYork，1961：237-250.

[3]MirelsH.Onionrocketneutralization，progressinastronautics and rocketry，volume 5：electrostatic propulsion[M].Academ?icPress，NewYork，196：1373-381.

[4]KooyersGP.Computersimulationoftheelectronmixingmech?anisminionpropulsion[J].AIAAJournal，1963，1（11）：2525-2528.

[5]Parks D E，Mandell M J，Katz I.Fluid model of plasma outside ahollowcathodeneutralizer[C]//AIAA，1981.

[6]WheelockA，CookeD，GatsonisN.ComputationalModelingof Ion Beam-Neutralizer Interactions in Two and Three Dimen?sions[R].AIAAPaper，2004.

[7]Wheelock A，Cooke D L，Gatsonis N A.Computational Analy?sis of Current Coupling of Ion Beam-Neutralizer Interactions[J].AIAA，2005，3692：10-13.

[8]Mikellides I G，Goebel D M，Snyder J S，et al.Neutralizer hol?low cathode simulations and validation with experiments[R].AIAA，2009.

[9]Ding N，Polansky J，Downey R，et al.Experimental studies of ion beam neutralization：preliminary results[J].AIP Confer?enceProceedingsAIP，2011，1333（1）：401-406.

[10]Foster J E，Williams G J，Patterson M J.Characterization of anionthrusterneutralizer[J].Journalofpropulsionandpower，2007，23（4）：828-835.

[11]FosterJE，PattersonM，PencilE，etal.Neutralizercharacter?ization of a NEXT multi-thruster array with electrostatic probes[R].AIAAPaper，2006.

[12]Zhang T P.Electric propulsion development for DFH-4SP satelliteplatform[R].IACC，2014.

[13]YanhuiJ.Currentstatusof 5aLab6hollowcathodelifetests in lanzhouinstituteofphysics（LIP）[C]//LondonWASET，2015.

[14]楊威，陳繼巍，賈艷輝，等.離子推力器空心陰極點(diǎn)火可靠性評(píng)價(jià)研究[J].真空與低溫，2015，21（2）：96-102.

[15]Wang J，Anderson J，Polk J.3D Particle Simulations of Ion OpticsPlasmaFlow[C]//AIAA，2005.

[16]賈艷輝.LIPS-200離子推力器壽命預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)研究[D].蘭州：中國(guó)空間技術(shù)研究院，2012.

[17]Mirels H，Rosenbaum B M.Ananlysis of 1D Ion Rocket with GridNeutralization[R].NASATND，2012.