使用不同工質的會切磁場等離子體推力器

劉輝 蔣文嘉 寧中喜 崔凱 曾明 曹希峰 于達仁

(哈爾濱工業大學能源科學與工程學院,先進動力技術研究所,哈爾濱 150001)

(2018年2月28日收到;2018年4月11日收到修改稿)

會切磁場等離子體推力器是一種利用磁鏡約束等離子體產生推力的新型推力器,具有壽命長、推力大范圍連續可調等優點,在無拖曳控制領域具有較大的應用前景.分別采用Xe,Kr和Ar三種不同工質,開展了會切磁場等離子體推力器實驗.首先,對所用的推力器進行了簡要的原理和設計介紹;然后,對三種工質的點火電壓分別進行了測試,發現Xe是最容易點火成功的,Kr和Ar點火難度較大.在陽極電流、推力、效率和比沖等性能方面,三種工質在同等條件下也存在明顯的區別.分析發現,三者的工質利用率高低導致了性能上的差別,通過提升通流密度能夠大幅提升Kr和Ar的工質利用率.在羽流結構方面,法拉第測量結果表明三者都存在明顯的空心羽流,且離子電流密度峰值出現的角度隨著原子量的減小而逐漸減小.

1 引 言

1998年,會切磁場等離子體推力器被德國的泰勒斯公司提出[1],已經處于工程應用階段[2],其原理示意圖如圖1所示,Er為徑向電場.推力器的氮化硼通道被兩塊釤鈷2:17永磁體環繞,通過將兩塊永磁體相同極性的兩端對接在一起,在對接處產生了一個磁尖端,并形成了在磁尖端處以徑向磁場為主,其余部分以軸向磁場為主的磁場位型.除了特殊的磁場位型,通道內最強磁感應強度超過了0.45 T,因此很好地限制了等離子體與壁面的相互作用,延長了推力器的使用壽命[3].與霍爾推力器相似,電子由通道出口處的陰極發射進入通道內部電離通道內的工質,最終到陽極放電形成回路.這些特點,引起了較多科研機構的興趣,其中比較著名的有美國的麻省理工學院和斯坦福大學[4?6].

圖1 會切磁場等離子體推力器原理示意圖Fig.1.Principle schematic diagram of the cusped field plasma thruster principle.

目前,會切磁場等離子體推力器用于產生等離子體的工質一般是Xe[1,2,7].在其他領域,Kr和Ar被廣泛應用于產生等離子體,如產生用于極紫外光的激光等離子體[8,9]、微波電子回旋共振離子源[10]、磁約束等離子體[11]、核聚變[12]以及在等離子體基礎性物理方面的研究[13],推力器領域霍爾推力器等也有對Kr和Ar的研究[14?16],但是以上應用領域普遍存在于弱磁場和弱電場環境下.而會切磁場等離子體推力器具有高達0.45 T以上的強磁場,同時還有磁鏡對等離子體進行約束,特別是出口區強磁場的存在,使會切磁場等離子體推力器工作在高陽極電壓(500—1000 V),同時能夠在出口區形成接近陽極電壓的電勢降,形成強電場[17].這為研究強電磁場作用下等離子體的行為提供了基礎性條件.同時,Kr和Ar被視為Xe的替代品,因此研究Kr和Ar也具有比較現實的工程意義.

基于上述原因,本文進行了系統的實驗,研究了會切磁場推力器分別采用Xe,Kr和Ar時的各方面表現,并對其物理機制進行了分析.首先簡要介紹了實驗裝置、推力器和測量方法.然后對點火電壓、性能表現、離子電流密度、羽流分布和工質利用率進行了呈現和分析.

2 實驗步驟

圖2是實驗樣機的實物圖.該推力器質量約為2 kg,放電通道直徑為19 mm,軸向長度為74 mm,其對應的磁場位型如圖3所示(B為磁感應強度).該推力器具有兩級永磁體,其中長的一段靠近出口.

圖2 會切磁場等離子體推力器實驗樣機Fig.2.An experimental prototype of the cusped field thruster.

實驗在極限氣壓能達到1×10?3Pa量級的真空罐中進行.真空罐的長度為4 m,內徑為1.2 m.實驗所用到的三種工質純度均超過99.999%.推力采用三絲扭擺測量,錄波儀記錄陽極電流.陰極電子出口固定在水平35 mm和垂直60 mm到推進器通道出口中心.陰極流量固定為3 sccm(1 sccm=1 mL/min),電流保持為3 A.在此基礎上,獲取了會切磁場等離子體推力器采用三種不同工質時性能在不同陽極電壓、不同陽極流量下的變化規律.其中,陽極電源可以從0增加到1000 V,流量閥可以從0增加到50 sccm.

離子電流密度由法拉第探針測量.帶有平面集電極(直徑5 mm)的法拉第探針和屏蔽殼可以比較準確地獲得離子電流密度隨角度的分布規律.探針集電極和屏蔽殼為?30 V的偏置電壓,用來排斥電子,因此由平面集電極收集的粒子幾乎全是離子.電路中有一個RC模塊過濾100 kHz以上的噪聲.法拉第探針安裝在電機驅動的轉臺上,集電極端面距離推力器出口平面215 mm,用以測量0?—90?羽流離子的空間分布.

圖3 會切磁場等離子體推力器的磁場位型Fig.3.Magnetic field configuration of the cusped field thruster.

3 實驗結果與分析

3.1 推力器點火差異分析

表1給出了三種工質在不同流量下的點火電壓.從表1可以看出,三種工質的點火電壓都隨著流量的增加而逐漸遞減.其中,Xe在4 sccm,190 V就可以開始工作,隨著流量的增加,點火電壓還有較大幅度的降低,而Kr和Ar則分別需要在7 sccm,350 V和16.4 sccm,700 V才能成功點火.造成這種差別的原因是保持與Xe同樣大小的陰極電流時,Kr與Ar由于電離截面比Xe小很多,電離能也更高,這就需要更大的通流密度和更高的電壓才能點火成功.

3.2 性能比較與分析

實驗用的推力器在使用Xe為推進劑時,最大流量不超過10 sccm,否則會導致推力器過熱而無法正常工作.實驗時,Xe流量從3 sccm開始,增加到10 sccm.對于Kr,由圖4(a)可知同等質量流量下Kr的電流明顯大于Xe的電流,如果對Kr進行10 sccm以上的實驗,將容易導致推力器過熱.在實驗過程中發現,采用Ar時只有在不低于16.4 sccm/700 V時推力器才能啟動,成功啟動后下調流量至8 sccm同時將電壓升至800 V推力器依舊能工作,但繼續下調流量或者降低電壓,推力器將熄火.然后提高流量至10 sccm進行測試,電壓低于500 V時推力器將熄火,無法了解Ar工質工作在200—500 V之間的規律,需要提升工質流量使其能在更低的電壓下工作.從工程應用時攜帶相同質量燃料的角度考慮,Ar以與Xe相同的質量流量進行了測試,最大流量為19.7 sccm,以此更全面的比較三種工質的區別.

本文在800 V的陽極電壓下,比較會切磁場等離子體推力器采用三種不同工質時的陽極電流、推力、陽極效率和比沖隨著流量增加的變化規律,如圖4所示.在800 V電壓下對研究Xe和Kr隨流量的變化規律不失一般性.

表1 三種工質不同流量下的點火電壓(單位為V)Table1.Ignition voltages of three propellants under Different fluxes(in V).

圖4 三種工質的性能 (a)陽極電流;(b)推力;(c)陽極效率;(d)比沖Fig.4.Performance of the three propellants:(a)Anode current;(b)thrust;(c)anode efficiency;(d)specific impulse.

圖5 工質利用率隨電壓(a)和流量(b)的變化Fig.5.Propellant utilization rates variation with Different voltages(a)and fluxes(b).

陽極電流和推力隨流量變化的規律分別如圖4(a)和圖4(b)所示.流量增加時,三種工質的陽極電流和推力都近似于線性增加,此時法拉第探針測量結果得到的工質利用率也是近似線性增長,如圖5(a)所示,說明陽極電流和推力與工質利用率具有很強的相關性.由圖4(c)可知,即使在較低的流量下(3—6 sccm),Xe的陽極效率已經接近甚至超過Kr和Ar的最高效率.在所有的工況中,Xe,Kr和Ar的最高效率分別為32.57%,22.55%和15.25%.之所以有這么大的差別,是因為Kr和Ar相比于Xe具有更小的電離截面和更高的電離能[17],所以在同等條件下,三者的陽極效率逐次降低.當然,不論是何種氣體,陽極效率都隨著流量的增加而增加,尤其是從最低流量開始提高流量時這種變化更為明顯,這是因為流量的提升提高了工質利用率.但Kr和Ar的工質利用率始終處于較低水平(10 sccm時,Kr和Ar的工質利用率分別低于55%和10%),產生的推力有限,比沖也比Xe低很多,如圖4(d)所示.

工質利用率方面,當保持流量不變、提升電壓時,Xe的工質利用率在低電壓時隨著電壓的增加而迅速增加,在300 V時已經達到了90.35%;繼續提高電壓,其工質利用率提高有限,甚至略有下降.此時對應于Kr和Ar,工質利用率分別不超過55%和10%,且電壓從500 V提高到1000 V時Kr和Ar的工質利用率分別僅提升了2.7%,7.2%.說明繼續提高電壓無法有效促進Kr和Ar的電離.從碰撞致電離可知,電離程度與工質密度和電離截面密切相關,而電離截面受工質影響較大,難以改變.因此在電壓影響降低的情況下,提升工質密度能有效促進電離.結合圖5(a)可以看出,通過提升工質密度可以快速達到提升工質利用率的目的.實際上,從同等質量流量角度考慮,Kr的9.4 sccm,Ar的19.72 sccm對應著Xe的6 sccm,此時Xe,Kr,Ar在800 V陽極電壓下的推力分別為9.16,8.47,8.86 mN,比沖分別為1592,1472,1524 s,非常接近.因此當會切磁場等離子體推力器采用Kr和Ar時,應該使其工作在大通流密度下.

3.3 羽流測量及分析

在3.1和3.2節發現三種工質在點火電壓和性能表現上存在著顯著差異,為進一步了解使用不同工質時帶來的區別,用法拉第探針測量了推力器的羽流,得到了三種工質在同等流量(10 sccm)下隨著電壓變化時的法拉第測量結果,如圖6所示.

從圖6可以看出,在0?—15?的離子電流密度不及峰值的5%,說明三種工質都存在空心羽流現象,但是三者在空心羽流上表現出的程度非常接近,離子電流密度均在0.3—0.9 A/m2.三種工質雖然在空間分布上存在差異,但是當電壓越高時,峰值增加,半高寬變窄,同時Xe與Kr在0?—15?的離子電流密度越來越小,空心羽流更加嚴重.由圖5(a)可知,在700—1000 V時,Xe和Kr的工質利用率基本不變,因此排除工質利用率的影響.

產生上述現象的原因可以通過電離區位置、羽流區電勢分布和會切磁場等離子體推力器羽流聚焦的方法解釋.

圖6 離子電流密度分布 (a)Xe;(b)Kr;(c)ArFig.6. Ion current density distribution: (a)Xe;(b)Kr;(c)Ar.

會切磁場等離子體推力器主要存在兩個電離區:通道內電離區和出口電離區,如圖7紫色部分所示,其中前者是主要電離區.電壓的提高,會切磁場等離子體推力器會進入低電流模式,出口區電離受到抑制,且電壓越高受到的抑制越嚴重,同時加速區徑向電場Er變強,更多的離子會沿著錐形輪廓離開推力器[18],如圖7所示.斯坦福大學采用激光誘導熒光和浮動發射探針分別測量了會切磁場等離子體推力器高低功率下的電勢分布和速度分布,也發現高功率(高電壓)時電勢呈空心錐形分布,高速離子沿錐形輪廓噴出,低電位時羽流區的電勢降則分布比較均勻[6].綜合來看,電壓的提高使推力器進入低電流模式,出口電離區受到抑制,更多的離子集中到錐形輪廓離開推力器,因此電壓增加導致愈加嚴重的空心羽流,峰值增加、半高寬變窄.

圖6中,Xe,Kr和Ar的峰值大致在38?,30?和25?,即峰值出現的角度隨著工質原子量的減小而逐漸減小.同時,因為通道內電離區是主電離區,被加速向II區,出口電離區部分被加速向III區,因此I區對應的空心羽流離子密度非常低,這也造成了不同工質下空心羽流程度接近的現象.

在電勢分布上,文獻[15]的研究結果指出:羽流區存在一定的電勢降.根據熱化電勢理論可知,羽流區的等電勢線基本與磁力線重合[19].在羽流聚焦方面,會切磁場等離子體推力器主要通過調整磁分界面的朝向影響加速區電場分布來控制羽流發散角,但對處于加速區之外的出口電離區的等離子體無法起到聚焦作用[20].在三種工質中,Xe在出口電離區的電離程度最高,而這部分電離無法被聚焦,然后在羽流區電勢降的作用下,沿著發散的磁力線向大角度運動,從而Xe的峰值出現在大角度處.因此,峰值出現的角度隨著工質原子量的減小而逐漸減小.

圖7 羽流離子發散路徑Fig.7.Ion divergence path in plume.

4 結 論

本文通過對會切磁場等離子體推力器采用Xe,Kr和Ar三種不同工質進行實驗測試,發現Xe在4 sccm,190 V就能完成點火,而Kr和Ar則分別需要在7 sccm、350 V，16.43 sccm、700 V完成點火,存在明顯的差異.在陽極電流、推力、效率和比沖等性能方面,三種工質在同等條件下也存在明顯的差異.通過對工質利用率的分析發現,三者在流量為10 sccm時,工質利用率Xe比Kr和Ar分別大了接近1倍和10倍,同等電壓不同流量下的工質利用率也存在著明顯的差距,因此導致了性能上的顯著差異.通過對工質利用率的分析,發現通過提升通流密度能夠大幅提升工質利用率.在羽流方面,法拉第測量結果表明三者都存在明顯的空心羽流,且離子電流密度峰值出現的角度隨著原子量的減小而逐漸減小.