LIPS-100離子推力器擋板通道面積優化研究

楊福全，胡 竟，郭德洲，谷增杰，王成飛，耿 海

（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）

0 引言

LIPS-100離子推力器是針對200～300 km地球超低軌道[1-3]空間任務研制的一款產品，用于補償衛星受到的大氣阻尼[4]，設計參數為推力1～20 mN，推力分辨率12μN，比沖500～3 500 s。歐空局GOCE衛星T5離子推力器[5-6]和日本SLATS計劃“燕”衛星的12 cm離子推力器[7]是此類離子推力器在超低軌衛星成功應用的典型代表。對執行此類任務的離子推力器，推力寬范圍連續精細可調和高總沖是最基本要求，而要實現這些要求，推力器必須具備工作穩定性好和長壽命等特性。LIPS-100離子推力器選擇了調節關系簡單、靈活性高的電磁鐵發散場放電室。發散場放電室由擋板分成耦合等離子區和主放電區[8-9]。陰極出口平面、陰極極靴和擋板所包絡的等離子體區域稱為耦合等離子體區，擋板、陽極和屏柵包絡的區域稱為主放電區。陰極極靴與擋板之間的環形通道稱為擋板通道。研究表明[10]，主放電區和耦合等離子體區之間存在一個電位陡然變化的“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入主放電區的原初電子的能量和速度分布[11]，進而影響離子推力器的放電性能。美國、英國、日本等對發散場離子推力器擋板通道區域的等離子體特性、擋板通道面積進行過理論研究和試驗優化[12]，國內蘭州空間技術物理研究所對擋板通道面積進行了理論推導[13]。

提高離子推力器放電穩定性和降低陽極電壓是實現推力寬范圍連續精細可調和長壽命的重要措施。陽極電壓高低決定了離子能量的大小，從而決定了離子對柵極濺射腐蝕的程度，陽極電壓振蕩是表征放電穩定性的主要參數，而放電穩定性是保證推力寬范圍連續精細可調的前提。對于發散場離子推力器，擋板通道面積大小是影響陽極電壓和陽極電壓振蕩的主要因素之一。日本的Ozaki等[14]針對12 cm離子推力器開展了擋板通道面積對陽極電壓的影響研究。作者在前期的研究中發現，LIPS-100離子推力器的陽極電壓和陽極電壓振蕩偏高，因此參考國外相關研究，提出了通過擋板通道面積優化降低陽極電壓和陽極電壓振蕩的措施。期望通過本文研究實現LIPS-100工作穩定性和壽命指標要求。

1 擋板通道面積優化設計

1.1 擋板通道面積設計理論分析

LIPS-100離子推力器的陽極、陰極、陰極極靴、擋板的結構關系如圖1所示。在放電室其他結構參數確定的情況下，由陰極極靴和擋板構成的擋板通道面積有一個最佳值，通過陰極極靴直徑和擋板直徑的調整可以對通道面積進行優化。

圖1 LIPS-100離子推力器放電室結構示意圖Fig.1 Schematic diagam of discharge chamber structure of LIPS-100 ion thruster chamber

發散場離子推力器陰極極靴直徑初始設計值可由經驗式（1）估算[15]。

式中：d2為陰極極靴內徑；Dd為陽極直徑。

根據式（1）可估算得到陰極極靴內徑。

在發散場放電室中，擋板將放電室分成主放電區和等離子體耦合區，擋板與陰極極靴之間的環形通道截面積對放電室的電離效率有較大影響。根據經驗值，在20 mN時，發散場離子推力器通過環形通道的電子密度存在以下經驗值：式中：A為擋板通道面積；Jp為電子密度；Ia為陽極電流。

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

式中：e為電子電量；為通道內的平均磁感應強度；α為Bohm擴散修正系數；為主放電區平均電子密度；為耦合區平均電子密度；Varc為弧電壓；Vkeeper為陰極觸持電壓；d2為陰極極靴內徑；d1為擋板外徑；Iarc為陽極電流；Ibeam為束流。

由于理論計算公式在推導的過程中進行了適當的假設和簡化處理，因此通過理論計算只能得到粗略的初值。擋板通道面積、陰極極靴直徑、擋板直徑的優化值須結合試驗手段并借助經驗公式進行幾輪迭代才能確定。

1.2 擋板通道面積優化設計

根據式（1）、式（2）、式（3）設計了LIPS-100離子推力器原理樣機陰極極靴內徑、擋板直徑和擋板通道面積初始值，并進行了適當的試驗優化。但是短期磨損試驗表明，陽極電壓和陽極電壓振蕩均偏高，分別為42 V和20～25 V，使得柵極的濺射腐蝕超出預期，導致推力器壽命不滿足設計要求，陽極電壓振蕩偏高還表明放電室工作不穩定。

相關理論研究表明[16-17]，在電磁場作用下陰極發射的電子從耦合等離子區通過擋板通道擴散到主放電區的過程中，會引起等離子體密度梯度和電勢梯度的較大變化。由于主放電區的電勢與陽極電壓相關，如果耦合等離子區電子密度增大，擋板通道兩側的電子密度梯度將增大而電勢梯度將減小，因此通過增大耦合等離子區電子密度有可能使陽極電壓下降。在其他參數不變的情況下，減小擋板通道面積可使等離子區電子密度增大。但是陽極電壓下降會導致原初電子能量減小，從而影響放電室氣體電離率，因此可通過減小暴露在放電室內的擁有陰極電位的結構表面積來降低離子的損失，從而平衡電離率下降導致的等離子體產量的下降。而降低擋板面積是可采取的一項有效措施[14]。

基于上述理論基礎，進行了LIPS-100離子推力器工程樣機擋板通道面積再優化設計，本次設計的目標是同時減小擋板通道面積和擋板面積，結合之前的擋板與陰極極靴設計尺寸d10/d20，通過計算初步確定了兩組優化的陰極極靴內徑和擋板直徑，并設計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 擋板通道面積設計驗證

2.1 優化試驗

離子推力器放電室參數包括各電極的電參數、放電室的幾何參數、磁場位形和磁場大小，而放電室的幾何參數與磁場直接相關，并影響到放電室的等離子體參數，進而影響到放電室中各電極的參數和壽命，迄今尚未見到準確描述離子推力器放電室幾何參數、電參數與磁場位形之間關系的公認的方法。因此，推力器的設計優化還需通過試驗優化最終確定。

本文針對兩組不同尺寸的陰極極靴和擋板組合，通過正交試驗最終優選一組陰極極靴內徑、擋板直徑組合。在20 mN推力、3 500 s比沖工況下共進行了4個組合的性能優化試驗[18]。為了保證性能變化只與陰極極靴和擋板尺寸有關，試驗中推力器放電室其他的結構特征尺寸、束電壓、束電流、放電室總流率等參數均保持不變，只通過調節陽極電流、勵磁電流獲取最佳的放電參數。優化前與優化后的設計參數與試驗結果如表1所列。

由表1的數據可知，組合d11/d21的放電室綜合性能最優，該組合下陽極電壓比優化前降低約4 V，陽極電壓振蕩降低了約一半；放電功耗比優化前的125 W降低了約11 W，達到了優化設計的預期結果；優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 擋板通道面積優化試驗結果Tab.1 Test resultsof performance optim ization

2.2 優化后的推力寬范圍調節試驗

根據擋板通道面積優化試驗結果，LIPS-100離子推力器工程樣機采用d11/d21組合的陰極極靴內徑、擋板直徑優化方案，并進行了寬推力范圍調節試驗，以驗證采用該方案的推力器在1～20 mN寬范圍調節過程中的放電室性能。寬范圍推力調節試驗結果如表2所列。

表2 推力寬范圍調節試驗結果Tab.2 Test resu ltsofw ide range thrust throttle

從表2可以看出，在推力寬范圍調節過程中，陽極電壓大部分在38 V以下，陽極電壓振蕩均在15 V以下，大部分集中在10 V左右，比優化前的20～25 V降低一半。結果表明，擋板通道面積優化后推力器在寬范圍工作過程中陽極電壓和陽極電壓振蕩均保持在較低值。陽極電壓降低后放電室離子能量也相應降低，從而減緩了離子對柵極的濺射腐蝕，保證了推力器壽命滿足設計要求。推力器工作寬范圍內陽極電壓振蕩降低還表明放電室工作穩定性得到了提高，從而可以保證推力寬范圍連續精細可調的實現。

2.3 優化后的短期磨損試驗

為了進一步驗證優化后的效果，在LIPS-100離子推力器工程樣機上進行了20 mN工況下的200 h短期磨損試驗，試驗過程中設備條件和各輸入參數保持與優化試驗時一致，試驗采取工作23 h、停機1 h的循環方式進行。由試驗結果得到200 h內推力變化曲線和陽極電壓輸出曲線，分別如圖2和圖3所示。

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

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

由圖2可以看出，短期磨損試驗過程中，在相同輸入電、氣參數條件下，20 mN工況推力變化在19.8～20.6 mN之間。由圖3可知，試驗過程中陽極電壓保持在37.4～38.9 V之間。上述試驗結果表明，整個試驗過程中推力器工作穩定，放電室性能優良。

根據相關文獻[19-20]中陽極電壓與屏柵極鉬材料濺射產額的經驗公式，計算了LIPS-100離子推力器不同陽極電壓下單荷氙離子和雙荷氙離子對屏柵極鉬材料的濺射產額。根據經驗式（4）[21]，計算了陽極電壓與屏柵極壽命的關系，如圖4所示。由圖4可知，對應優化前和優化后陽極電壓42 V和38 V下的屏柵極壽命分別為9 523 h和1 4681 h，優化后的壽命達到了設計預期。

圖4 不同陽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為屏柵極開孔區域半徑；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+為單荷氙離子對鉬材料的濺射產額；Y++為雙荷氙離子對鉬材料的濺射產額。

4 結論

通過對擋板通道面積對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行了擋板通道面積的優化，在理論設計值基礎上通過組合試驗確定了優化的擋板通道面積。優化后推力器的額定工作點和寬范圍工作穩定性、放電性能均得到較大提高。陽極電壓比優化前降低約5 V，陽極電壓振蕩值比優化前減小一半。陽極電壓降低減弱了離子對柵極組件的濺射腐蝕，使得屏柵極壽命比優化前提高了50%以上，達到了預期目標。