曲面柵極朝向對離子推力器影響的試驗研究

郭德洲，胡 竟，楊福全，耿 海，李 娟，趙以德，李建鵬

（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

離子推力器具有比沖高、效率高、壽命長和調節(jié)范圍寬的特點，可以用來執(zhí)行航天器位置保持、軌道轉移、阻力補償、姿態(tài)控制和深空探測器主推進任務，已在美國、英國、日本、中國等得到了廣泛的研究和應用[1-2]。柵極是離子推力器的核心組件之一，其主要功能是聚焦并加速引出放電室工質氣體電離后產生的離子，該過程直接關系到推力器的推力、比沖、效率等重要性能參數。因此，柵極結構優(yōu)化一直是離子推力器的熱門研究方向。

目前國外離子推力器主要有兩種代表性的柵極構型結構：以美國XIPS-25、NSTAR、NEXT、NEXIS等為代表的離子推力器采用了凸面柵極構型設計[3-6]；以英國T5、T6等為代表的離子推力器采用了凹面柵極構型設計[7-8]。國外相關文獻提及不同的柵極構型對離子推力器工作特性有影響，但未進行系統(tǒng)性對比研究。日本NAL實驗室為了提升30 cm離子推力器性能，歷經LM-1-MK-1、LM-1-MK-2、LM-2、BBM-1四個階段，實現了放電損耗、推力器內部溫度和陽極電壓的降低，推進劑利用率的提高，使推力器性能得到了優(yōu)化[9]。然而由于四個階段中對推力器的參數進行了大量修改，包括改變放電室構型和柵極組件構型及其安裝方式，因而無法總結出柵極構型單一參數對推力器工作特性的影響規(guī)律。國內LIPS-200、LIPS-300、LIPS-400離子推力器均采用了凸面柵極構型設計[10-12]，還未開展凸面和凹面不同柵極構型對離子推力器工作特性影響的對比研究。

為了明確兩種主流柵極構型對離子推力器工作特性的影響，為國內離子推力器研制過程中柵極構型的選擇和優(yōu)化提供依據，本文基于蘭州空間技術物理研究所自主研制的LIPS-100離子推力器，開展兩種不同柵極構型下的放電損耗、束流密度分布和低溫啟動特性試驗對比研究，以得出兩種柵極構型的優(yōu)點和劣勢。

1 柵極工作原理及構型

為了保證離子推力器性能得到充分發(fā)揮，具備高比沖和高效率特性，應最大限度地引出放電室內電離所產生的離子。對于雙柵離子推力器而言，宜采用小孔離子光學設計，即屏柵大孔徑、加速柵小孔徑結構；柵極厚度盡可能薄，透明度盡可能高；柵間距盡可能小，形成獨特的離子光學聚焦引出系統(tǒng)。柵極組件中，靠近放電室的屏柵通常帶有上千伏的正電位，較放電室等離子體電勢稍低，其作用是使等離子體中的電子無法打到屏柵極上，也不能通過柵孔逃逸，電子基本上被放電室陽極表面吸收；下游加速柵通常帶有上百伏的負電位，其主要作用是阻止束流等離子體電子反流到放電室。因此，在屏柵和加速柵組成的靜電場作用下，放電室內等離子體中的離子被聚焦、加速引出。

柵極一般由屏柵、加速柵、屏柵安裝環(huán)、加速柵安裝環(huán)、柵極絕緣支撐部件構成，其中屏柵、加速柵分別固定至對應安裝環(huán)上。在工程應用中，柵極厚度≤0.5 mm，柵極幾何透明度≥60%，柵間距≤1.0 mm。考慮到應能夠耐受發(fā)射力學環(huán)境和具備良好熱穩(wěn)定性要求，口徑大于10 cm的柵極須額外增加柵極剛性：一是采用柵極安裝加強環(huán)設計，增強柵極抗形變能力；二是采用球面形式設計柵極，以保證各柵極在熱循環(huán)工況和力學環(huán)境中形變方向的一致性。

根據柵極球面朝向，柵極構型可以分為兩種：一是球面背向放電室的凸面柵極，如圖1所示；二是球面朝向放電室的凹面柵極，如圖2所示。

圖1 凸面柵極及在放電室中的位置示意圖Fig.1 Convex grid and schematic diagram of its position in the discharge chamber

圖2 凹面柵極及在放電室中的位置示意圖Fig.2 Concave grid and schematic diagram of its position in the discharge chamber

離子推力器工作的基本原理源于等離子體及等離子體邊界物理學，電子與氣體原子的相互作用、能量和動量轉移、帶電粒子由等離子體內部向邊界的輸運過程等，上述過程的發(fā)生都被限制在等離子體邊界之內，由此可以推定等離子體的幾何形狀必然影響發(fā)生在等離子體中的這些過程，進而影響等離子體的特征。建立這種結構與工作特性相關的幾何參數，就是所謂的放電室“特征長度”[13]。特征長度Lc表示為

式中：Ωp為原初電子區(qū)的體積；Ap為原初電子區(qū)包圍面積。顯然，柵極球面朝向不同，原初電子區(qū)體積Ωp不同，造成放電室特征長度Lc不同，進而影響離子推力器工作特性。具體表現為：

（1）在工質利用率一定的情況下，放電損耗主要決定離子推力器放電室工作性能的優(yōu)劣。放電損耗ε表示為

式中：Va和Ia分別為放電電壓和放電電流；Vck和Ick分別為陰極觸持電壓和陰極觸持電流；Ib為束電流。按照放電室內功率和能量守恒關系，與放電損耗ε相關的結構幾何參數之一為放電室表面積和體積[14]。兩種柵極構型導致放電結構參數不同，通過放電損耗測試試驗，可以對比分析得出兩種柵極構型對放電室的影響。

（2）表征柵極離子光學系統(tǒng)的一個重要指標是引出離子束流密度均勻性，一般用束流平直度Fb來表征，定義為平均離子束流密度與峰值離子束流密度的比值

由于球面柵極自身結構存在一個幾何“焦點”，球面朝向不同，離子引出會出現一定程度的“發(fā)散”或“會聚”，使得峰值離子束流密度不同。兩種柵極構型的“焦點”不同，通過束流密度分布測試試驗，可以對比分析得出兩種柵極構型對束流平直度的影響。

（3）柵極熱特性是影響離子引出過程穩(wěn)定性和機動性的重要因素，尤其是低溫啟動特性。由于球面柵極自身結構存在一個變形預設方向（球面朝向方向），球面朝向不同，在啟動熱環(huán)境下的柵極應變方向不同，兩種柵極構型的熱特性不同。通過低溫啟動特性測試試驗，可以對比分析得出兩種柵極構型對離子推力器啟動熱弛豫過程的影響。

2 試驗設備與方法

在蘭州空間技術物理研究所自主研制的LIPS-100離子推力器上進行了兩種不同柵極構型下的放電損耗、束流密度分布和低溫啟動特性等性能測試試驗。除了對柵極球面朝向和對應的補償進行了設計外[15]，在不改變柵極其余結構參數的情況下制作了兩種構型柵極系統(tǒng)。為了保證試驗參數的一致性，試驗均在LIPS-100離子推力器工程樣機上進行，推力工況為20 mN。離子推力器實物如圖3所示。

圖3 LIPS-100離子推力器實物圖Fig.3 LIPS-100 ion thruster

放電損耗測試試驗在TS-6S離子推力器性能測試設備中進行，該設備真空室直徑1.5 m，長度4 m，極限壓力5×10-5Pa。通過測試推力器工作過程中的電參數，按照式（2）計算得出放電損耗值。本次試驗中，電參數為推力器工作2 h熱穩(wěn)定后的4 h內電參數平均值，其中，電子反流極限電壓測試是通過逐步降低加速柵電壓絕對值，監(jiān)測束電流變化情況獲得的[14]。

束流密度分布測試試驗在TS-6B離子推力器性能測試設備中進行，該設備真空室直徑2.0 m，長度5 m，極限壓力1.6×10-5Pa。采用法拉第探針在離子推力器柵面下游一定距離處測試束流密度，測試方式包括單探針掃描測試和法拉第陣列測試。法拉第探針由防護套、電流收集盤、絕緣墊等組成，測試原理為：在收集極和外殼間加載偏置負電壓，阻擋束流中的電子到達電流收集盤，使束流中的離子到達探針的電流收集盤形成探針電流，再用收集離子的電流值除以電流收集盤面積即得到離子的電流密度。束流密度分布測試基于單探針掃描測試原理，即法拉第探針安裝在可移動的探針支架上，探針在推力器徑向可連續(xù)移動測試，移動軌跡垂直于推力器中心軸線。束流發(fā)散角測試基于法拉第陣列測試原理，即法拉第陣列探針在測試截面內呈陣列環(huán)形分布，將探測截面劃分成若干均分的圓環(huán)段，每個圓環(huán)段內具有一個法拉第探針，且法拉第探針位于圓環(huán)段的中心，法拉第探針所屬圓環(huán)段即為對應法拉第探針的探測區(qū)域。采用積分和線性插值可計算出90%總束流值對應的束流發(fā)散角。

低溫啟動特性測試試驗在TS-6A離子推力器性能測試設備中進行，該設備真空室直徑2.0 m，長度5 m，極限壓力1.6×10-5Pa。低溫啟動特性測試過程為：由推力器冷套裝置提供低溫環(huán)境，用基于LabVIEW平臺的自動測試系統(tǒng)監(jiān)測推力器啟動過程中的電參數，統(tǒng)計推力器達到額定電參數的啟動時長。

采用地面供氣系統(tǒng)為試驗供氣。該系統(tǒng)主要由氙氣瓶、調壓模塊及流量控制模塊組成，推進劑流量控制精度優(yōu)于±（0.8%讀數＋0.2%滿量程）。采用地面供電系統(tǒng)為試驗供電，所有電源穩(wěn)定度均優(yōu)于±0.04%。

3 結果與討論

3.1 放電損耗測試試驗

在柵極引出離子束功率一定情況下，離子推力器總效率取決于放電損耗，放電損耗越小，離子推力器總效率越高[16]。表1為同一臺LIPS-100離子推力器工程樣機上分別裝配兩種不同構型的柵極時，平衡后的工作電參數。從表1可以計算出：凸面柵極構型下，放電損耗為294.5 W/A；凹面柵極構型下，放電損耗為310.2 W/A。與凸面相比，凹面柵極放電損耗增加了5.3%。

表1 不同柵極構型下LIPS-100離子推力器主要工作電參數Tab.1 Major performance parameters of LIPS-100 ion thruster at different grid optical system

這一現象可能由兩種因素耦合造成：一種因素是，雖然兩種柵極構型放電室內的陰極、陽極和磁場完全相同，但是凹面柵極構型使得在放電室表面積不變的情況下，放電室體積縮小，電子碰撞電離中性原子的概率及其總路徑降低，放電效率隨之降低。另外一種因素是，由于離子推力器放電室離子電離過程中產生的大量熱量輻射至柵面，且柵極徑向溫度分布存在差異，在邊緣約束條件下的工作過程中，不均勻溫度場引起的熱應力不能得到充分釋放，使柵極中心發(fā)生熱形變。對于給定球面朝向的兩種曲面柵極，凸面柵極構型中屏柵中心的較大熱形變使屏柵與加速柵熱態(tài)柵間距減小，柵極中心區(qū)域離子引出效率增大，放電效率提高；凹面柵極構型熱態(tài)柵間距增大，柵極中心區(qū)域離子引出效率和放電效率降低，表1中凹面柵極構型的加速截獲電流增大，電子反流極限電壓的絕對值降低，也證明了這一分析的正確性。

3.2 束流密度分布測試試驗

束流密度均勻性影響離子推力器的壽命和可靠性，束流平直度越大代表束流密度越均勻[17]。

兩種不同的柵極構型在20 mN推力工況下引出束流輪廓分別如圖4和圖5所示，可以看出，凸面柵極引出束流離開柵面后呈發(fā)散狀；凹面柵極引出束流呈先收縮再發(fā)散的“束腰”狀。這些不同的現象由兩方面因素導致，一是凸面柵離子光學系統(tǒng)幾何“焦點”位于屏柵上游放電室內，而凹面柵“焦點”位于加速柵下游；二是引出離子由于空間電荷效應產生了自發(fā)散。鑒于束流輪廓差異性，采用束流發(fā)散角測試裝置對柵極引出束流進行了束流發(fā)散角測量，試驗中該裝置距離柵面0.5 m。

圖4 凸面柵極構型束流引出狀態(tài)Fig.4 Ion beam extraction state of convex grid optical system

圖5 凹面柵極構型束流引出狀態(tài)Fig.5 Ion beam extraction state of concave grid optical system

表2為同一臺LIPS-100離子推力器工程樣機上分別裝配兩種不同柵極構型時，引出束流發(fā)散角測試結果。從表2可以看出，凹面柵極構型束流發(fā)散角明顯較凸面小，90%束流發(fā)散角比凸面的降低18.6%，95%束流發(fā)散角降低25.4%，同樣證明了上述分析的正確性。

表2 不同柵極構型下引出束流發(fā)散角測試結果Tab.2 Ion beam divergence angle parameters at different grid optical system

基于兩種柵極構型引出束流輪廓及發(fā)散角的測試結果，為了對兩種柵極構型的引出束流平直度進行對比，采用束流密度分布裝置測量柵極不同位置處的束流密度：在柵極下游以步進方式垂直離子推力器中心軸方向水平掃描，步長為2 mm。圖6為同一臺LIPS-100離子推力器工程樣機上分別裝配兩種不同柵極構型時，距離柵面100 mm處測量的引出束流密度徑向分布曲線。

圖6 不同柵極構型下引出束流密度徑向分布曲線Fig.6 Ion beam current density distributions at different grid optical system

從圖6中可以得出，凸面柵極構型下，束流密度峰值為4.4 mA/cm2，測量截面處束徑為184 mm，束流平直度為0.51；凹面柵極構型下，束流密度峰值為12.2 mA/cm2，測量截面處束徑為112 mm，束流平直度為0.41。這說明柵極構型對離子推力器束流密度分布有較大影響，同樣的束電流下，凹面柵極構型引出束流平直度比凸面的下降了19.6%。束流密度均勻性變差，是由于凹面結構使引出離子聚焦，束徑縮小39%，束流密度峰值提升了1.8倍。同時，補充進行了凹面柵極構型在不同距離測量截面下引出束流密度徑向分布測試，測量結果如圖7所示，可以看出，在柵面下游20～100 mm之間，束徑持續(xù)縮小，束流密度峰值同步提高。由于受限于束流密度分布裝置沿離子推力器軸向方向行程的限制，該試驗未捕獲到束流從聚焦到發(fā)散的轉折截面，但根據圖7的趨勢性，初步分析轉折點約在柵面下游距離150～200 mm處，這也與表2中距離柵面0.5 m處測量的發(fā)散角測試結果和圖5中束流輪廓分析結論相吻合。

圖7 凹面柵極構型在不同測量距離下引出束流密度徑向分布曲線Fig.7 Ion beam current density distributions at various downstream position of concave grid optical system

此外，與凸面柵極構型相比，凹面柵極引出束徑縮小，束流密度均勻性變差，束流密度峰值增大。由于中心區(qū)域電荷交換（CEX）離子與束流密度呈正相關，因此，凹面柵極CEX離子密度提高，邊緣區(qū)域CEX離子密度降低，這將小幅降低加速柵中心區(qū)域結構的磨損壽命。同時，凹面柵極加速柵中心區(qū)域熱流密度增大，雙柵熱形變一致性得到改善，熱態(tài)柵間距較為穩(wěn)定[18]。表1中凹面柵極的加速截獲電流增大，電子反流極限電壓的絕對值降低，兩者較凸面柵極的變化幅度均不大，間接證明了這一分析的正確性。

3.3 低溫啟動特性測試試驗

工程研制過程中，離子推力器常溫和高溫啟動不是難題，低溫啟動是在軌應用策略中的一個重要環(huán)節(jié)，在真空深冷環(huán)境和放電室內部熱環(huán)境的耦合作用下，保證柵極啟動安全間距和縮短啟動時間是個技術難題。在放電室構型及磁場布局一定的情況下，低溫啟動時長是表征柵極離子光學系統(tǒng)的一個重要指標。

為了驗證柵極構型對離子推力器低溫啟動特性的影響，選擇目前離子推力器在軌低溫最大包絡（-90℃）進行低溫啟動特性測試試驗。圖8為同一臺LIPS-100離子推力器工程樣機上分別裝配兩種不同柵極構型時，低溫啟動過程束流監(jiān)測結果。其中，在前期LIPS-100離子推力器工程樣機上摸底試驗中，凸面柵極構型在-90℃低溫環(huán)境下推力器啟動時柵間閃爍頻繁，甚至造成放電室熄弧現象，因此調整為分階段啟動試驗流程，即通過調整放電電流實現從小束流到額定束流的逐步低溫啟動。從圖8可以看出，1 500 s左右時，實現了凸面柵極構型額定滿功率低溫啟動，此時，離子推力器溫度監(jiān)測顯示為-20℃。凹面柵極構型在10 s左右實現了額定滿功率低溫啟動。兩種不同柵極構型低溫啟動特性基本具備可重復性。

圖8 不同柵極構型下-90℃低溫啟動特性曲線Fig.8 Start-up characteristic of different grid optical system at-90℃

造成低溫啟動特性差異較大的因素主要為離子推力器的啟動熱特性。正如前文所述，由于啟動過程中離子推力器放電室電離過程引起的熱傳導及熱輻射使柵極產生不均勻溫度場，柵極熱形變導致兩種不同柵極構型在啟動過程出現了柵間距差異。具體表現為，在真空深冷環(huán)境下的低溫啟動瞬態(tài)過程中，加速柵溫度遠沒有達到常溫及高溫啟動的程度，而屏柵受其上游的影響，勢必發(fā)生遠大于加速柵的熱形變。其中，凸面柵極構型中屏柵中心較大熱形變使柵極系統(tǒng)中屏柵與加速柵啟動瞬間柵間距過小，柵極離子光學系統(tǒng)啟動瞬間會發(fā)生欠聚焦，部分引出離子直接轟擊到加速柵上，形成瞬間電通路，從而導致束流閃爍頻繁，嚴重時可導致柵極電源過載。而凹面柵極構型啟動瞬間柵間距增大只能短暫降低柵極離子光學聚焦效果，達不到形成通路的程度。此外，凹面柵極的聚焦“束腰”特性導致的加速柵中心區(qū)域熱流密度較凸面柵極高，凹面加速柵可以很快達到熱平衡。因此，凹面柵極構型低溫啟動特性表現優(yōu)異。

4 結論

為了明確兩種主流曲面柵極朝向結構對離子推力器工作性能的影響，在同一臺LIPS-100離子推力器工程樣機上開展了兩種不同柵極構型下的放電損耗、束流密度分布和低溫啟動特性等性能對比試驗研究，得到如下結論：

（1）與凸面構型柵極相比，凹面構型柵極的放電損耗增加了5.3%。這是由于凹面構型柵極在保持放電室表面積不變的情況下，放電室體積縮小，因而放電效率降低。同時，凹面柵極工作時熱態(tài)柵間距增大，柵極中心區(qū)域離子引出效率和放電效率降低。

（2）柵極構型對離子推力器束流密度分布有較大影響，同樣的束電流下，凹面柵極構型束流發(fā)散角比凸面構型的降低了18.6%，但束流平直度下降了19.6%。這是由于凹面結構使引出離子聚焦，束徑縮小，束流密度峰值提高，同時，也導致柵極中心區(qū)域CEX離子密度和熱流密度提高，一方面小幅度降低了加速柵中心區(qū)域結構的磨損壽命；另一方面改善了雙柵熱形變的一致性。

（3）凹面構型柵極低溫啟動特性表現優(yōu)異。這是由于低溫啟動瞬態(tài)過程中，凸面構型柵極中心柵間距過小，局部形成瞬間電通路，導致束流閃爍頻繁，使低溫啟動困難。凹面構型柵極啟動瞬間柵間距增大，不會出現束流閃爍現象。

綜合而言，兩種柵極構型各有利弊，在不同的應用領域可以選取合適的柵極構型設計。建議在陽照區(qū)工作壽命要求較高的電推進系統(tǒng)中選擇凸面構型柵極，更多需要在陰影區(qū)低溫環(huán)境下工作的電推進系統(tǒng)選擇凹面構型柵極設計。此外，對于機動性較強、多模式工況連續(xù)工作或結構布局相對緊湊的航天動力系統(tǒng)，建議選擇凹面構型柵極。