鉍工質陽極層推力器的研究與發展

徐宗琦，蔡東升，王平陽，杭觀榮，李林

（1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；2.上海空間推進研究所，上海 201112；3.上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112）

0 引言

霍爾推力器包括穩態等離子體推力器（Stationary Plasma Thruster，SPT）和陽極層推力器（Thruster with Anode Layer，TAL），兩者采用相同的電離與加速機制，但在結構尺寸設計和組成材料的選擇方面存在差異［5］。其中，SPT 成功完成了近地衛星姿態控制、軌道保持、軌道轉移等多項航天任務［6-8］，是中小型航天器動力系統的首選［9］。而深空探測任務對航天器的推進系統提出了高比沖和大推力的要求［10］，核電技術的成熟為該任務提供重要的能量保證，尋求一種高效率、高可靠性的電推力器成為當前面臨的主要難題［11］。研究表明，采用SPT 以氪作為工質在高功率運行時，電子運動行為的改變導致陽極能量沉積加劇，過高的陽極溫度限制比沖的提高［12］，無法滿足任務需要。雙級TAL 在放電通道內將電離區與加速區分離，使功率最大程度地用于離子加速，可減少電離消耗的過多功率，克服SPT 高功率運行的弊端。

在電推力器工質的選擇方面，綜合考慮穩定性、電離特性以及與航天器材料的兼容性，目前氙氣、氪氣、氬氣等惰性氣體被普遍應用于各種電推進裝置，取得較好效果［13］。其中，氙氣具有原子質量大、電離能低、電離碰撞截面大等優勢，在推進裝置的地面測試和空間任務中通常被率先使用。然而，氙氣是極為珍貴的惰性氣體，在其他領域也發揮不可或缺的作用。即使氣體被高壓貯存，其與固體的貯存密度也存在較大差距，造成在深空探測任務中必須攜帶大量高壓推進劑，增大發射成本和安全風險。因此，尋求適用于TAL 且性能優異的固體推進劑具有極大的研究價值，在此背景下，金屬鉍引起了科研機構的重點關注。

1 研究發展現狀

在電推進領域，關于鉍工質TAL 的研究主要集中于蘇聯和美國的科研單位，國內尚處于氙工質TAL 的研究階段。從20 世紀60 年代以來，蘇聯的中央機械制造研究院陸續開展了各種型號TAL 的理論和實驗研究工作，并將鉍列為可選擇工質之一。D-160 型為蘇聯首臺測試的鉍工質TAL，該推力器總質量為70 kg，采用雙級結構，并配置水冷系統冷卻磁路，工作電壓超過8 kV，極限功率約為140 kW，最高比沖接近8 000 s，效率達到0.70，成為目前驗證功率最高的TAL［14-15］。隨后，該研究機構完成了D-200 型TAL 的研制與測試，其采用了磁路輻射散熱的設計方法，與D-160 結構基本相似，質量僅為20 kg，功率范圍為10～34 kW，比沖范圍為2 000～5 200 s。其在功率為25 kW 條件下工作時，比沖為3 000 s，推力為1.13 N，效率為0.67［15］。隨后，中央設計制造研究院相繼研制出若干型號雙級TAL，并采用氙工質進行點火測試，包括D-80、D-100 和TM-50 等。其中，D-80 在以單級模式工作時，工作電壓范圍為300～1 700 V，比沖為1 630～4 140 s，功率為1.0～8.7 kW；以雙級模式工作時，放電電壓為100 V，功率為1.3～8.2 kW，比沖為1900～3600s［16］。D-100為單級TAL，工作電壓為300～600 V，比沖為1 460～2 770 s，功率為1.35～7.5 kW，效率為0.42～0.62［17］。TM-50質量約為30.5 kg，設計的最大功率為50 kW，比沖為3 000～7 000 s，以單級模式在25.4 kW 功率下工作時，推力、比沖分別為0.966 N 和3 325 s，效率為0.62［18］。各型號TAL 實物如圖1 所示，在多種TAL型號研制和測試過程中，大量的實驗數據表明，雙級結構設計更有利于TAL 在高功率狀態下運行，并獲得較高的效率［19］。

圖1 陽極層推力器實物Fig.1 Objects of thruster with anode layer

21 世紀初期，美國與蘇聯啟動了太陽系外探測任務，NASA 噴氣推進實驗室、中央機械制造研究院以及斯坦福大學聯合開展了超高比沖陽極層霍爾推力器（VHITAL）項目［20］，研制出了采用鉍工質的雙級VHITAL-160 型TAL，如圖2 所示，該推力器延續了D-160 和D-200 樣機的設計結構。同樣采用雙級加速方法，設計功率范圍為25～36 kW，工質流量為9～11 mg/s，放電電壓為150 V，加速電壓為4 750～8 000 V，放電電流為5～6 A，加速電流為4.2～5.0 A，比沖為6 000～8 000 s，推力為0.65～0.71 N，推力效率為0.78～0.79［21］。然而，推力器實驗獲得的實際值與設計值略有偏差，實際功率范圍為25.24～36.755 kW，工質流量為8.0～9.8 mg/s，放電電壓為130 V，加速電壓為4 800～8 000 V，放電電流為4.85～5.85 A，加速電流為4.25～5.10 A，比沖為5 375～7 667 s，推力為0.527～0.618 N，推力效率為0.56～0.63［22］。

圖2 VHITAL-160 實物Fig.2 Objects of VHITAL-160

2008 年，美國密西根理工大學報道了直接采用鉍蒸氣進行霍爾推力器點火技術的研究，主要考察多孔鉍蒸發器幾何形狀和性能對鉍蒸氣流量的影響［23］。2012 年，Busek 公司在用于霍爾推力器的高密度推進劑調研中報道了采用鉍工質在陽極電壓分別為300、500 V 條件下推力器的性能參數，發現推功比高于BHT-1500 大約16%，并推測Bi 具有比Xe 更高的使用率［24］，放電通道在推力器未放電時和放電時的狀態如圖3 所示。2017 年，Busek 公司對鉍工質霍爾推力器進行深入研究發現，該推力器除了具有工質利用率高的優勢外，在熱設計方面存在較大的優化空間，適當地提高放電功率可以補償加熱功率，并降低能量損失。同時，羽流中心形態與氙工質相似，在大發散角位置發生電荷交換的離子數量較少，法拉第探針能夠收集到其所在位置99%的離子［25］。

圖3 鉍工質推力器放電通道Fig.3 Discharge channel of bismuth thruster

在有關鉍工質霍爾推力器的測試中，科研人員基本全部采用以惰性氣體為工質的空心陰極與鉍工質陽極進行聯試，而該方式的實際在軌應用不僅加劇了推進系統的復雜性，而且提高了經濟成本。因此，實現霍爾推力器陽極與陰極工質的一致性一直是科研單位追求的目標。2005 年，美國密西根理工大學MAKELA 等對LaB6發射體陰極進行鉍工質點火測試，研究發現，鉍貯箱溫度達到960 ℃在2～16 A 的放電電流范圍內，放電電壓具有與相同條件下采用氙工質點火相似的變化趨勢，但數值偏大，且僅依靠控制溫度的方法改變鉍工質流量會引起較大誤差［26］。2006 年，MAKELA等對鉍工質LaB6空心陰極在恒定質量流量下工作特性開展了深入研究工作，發現貯箱內過濾并加熱固體鉍的多孔不銹鋼的溫度影響鉍的蒸發與流動狀態，而鉍工質質量流量主要受陰極孔溫度的影響［27］。鉍工質陰極裝配和工作時狀態如圖4所示。

圖4 鉍工質空心陰極Fig.4 Bismuth hollow-cathode

國內主要有上海空間推進研究所［28］、核工業西南物理研究院［29］、哈爾濱工業大學［30］等單位開展了陽極層霍爾推力器的研究工作，在推力器結構設計、磁場優化以及壁面侵蝕等方面取得了一定的成果，目前尚無關于鉍工質的研究情況，根據國外已有的研究經驗，鉍工質TAL 在大功率的深空探測領域必將發揮積極優勢［31］。

2 性能優勢

隨著工業科技的發展，多種金屬、非金屬物質的開采和提純技術得到不斷提高，使得電推力器工質的選擇范圍不再局限于惰性氣體，目前被各國研究學者廣泛認為可作為霍爾推力器推進劑的物質見表1，并與氙和氪作性能對比［32］。從表中可以看出，鉍在電離能和經濟成本上具有明顯優勢，較大的原子質量有利于提高推力器的推力性能，但較高的熔點和沸點意味著對貯供、輸運系統提出了更高的要求，增大了該系統的設計難度，尤其體現在溫度控制的方式和兼容材料的選擇方面。

對2株乳酸菌產酸能力的測定結果見表6，R1和R2均具有較好的產酸能力，能有效地降低發酵體系的pH，從而產生酸醡肉特有的酸味，并且其產生的酸性環境能有效地抑制其他雜菌的侵染，防止發酵過程發生腐敗。對比2株乳酸菌的產酸能力可知，R1產酸能力優于R2，因此在實際發酵劑的配制過程中，可根據目標產品的風味要求調整2種菌株的使用配比。

表1 霍爾推力器可選擇工質對比Tab.1 Comparison of selected propellants for Hall thruster

將鉍工質與目前最常用的氙工質進行物理性質的深入對比，兩者的電離碰撞截面分別為8.0×10-16、4.8×10-16cm-2，貯存密度分別為9.8、1.6g/cm3，第一電離能分別為7.3、12.1 eV，第二電離能分別為16.1、21.2 eV［33］。因此，在相同外界條件下，鉍更易電離，且攜帶相同質量的推進劑時，鉍占用更小的空間，無需配置高壓氣瓶和減壓閥等附加設備，更適用于工作時間長、飛行距離遠的深空探測任務。然而，鉍工質的熔點與沸點溫度相差較大，在推力器貯供系統中可以實現以固態貯存，液態輸運、氣態電離的形式工作，鉍的熱力學性質成為重點研究的問題。眾所周知，液體的飽和蒸氣壓與溫度有關，通常情況下溫度越高，液體分子從表面溢出成為氣體分子的速率越大，導致液體上方的蒸氣壓力升高。當液體的蒸發速率與氣體的液化速率相等時，對應的蒸氣壓力即為液體在此溫度的飽和蒸氣壓。2008 年，美國密西根理工大學MASSEY 研發一種鉍工質新型多孔鉬蒸發器，其中鉍飽和蒸氣壓與溫度的關系為［34］

式中：A=13.317，B=-10 114，C=-0.86，均為常數；T為鉍蒸氣溫度。

對于霍爾推力器，鉍工質從陽極蒸發的質量流量與陽極溫度的關系為［34］

式中：Av為鉍蒸氣蒸發截面積；m為鉍原子質量；k為玻爾茲曼常數；Ta為陽極溫度。

鉍液體密度為［35］

式中：c1=10.028 g/cm3，c2=1.213 kg/（m3·K），為常數；當液體鉍溫度為545～1 500 K 時，Tref=544.55 K。

鉍蒸氣密度可通過理想氣體狀態方程確定，即：

式中：M為鉍的摩爾質量；R為氣體常數。

當鉍蒸氣溫度為1 173 K 時，鉍的蒸氣壓力約為113.51 Pa，密度約為3.65×10-3kg/m3。

鉍工質相對較低的蒸氣壓能夠帶來諸多優勢，在推力器的地面測試中，原理樣機和診斷設備的背壓更接近宇宙空間，測得的數據結果更能反映推力器在軌的真實情況。在推力器的在軌運行中，鉍工質更適合長期貯存，管路和貯箱內的低壓環境可免去額外的溫度控制［25］。綜上所述，鉍工質的優勢主要體現在以下幾個方面：①使用成本低；② 貯存密度高；③電離碰撞截面大；④ 工質利用率高；⑤ 常溫易凝固，無毒無污染。

3 組成結構與工作原理

TAL 與穩態等離子推力器相比，在放電室、陽極/氣體分配器、磁路材料選擇和結構設計方面均有所不同。TAL 的放電室通常采用石墨或耐削蝕的金屬制成，且離子加速通道較短，減少了放電通道壁面成分的濺射產額［36］。TAL 的陽極既具有極高電勢，也作為工質進入放電室的入口，為提高工質流動的均勻性，通常設計為中空多層多孔結構。因此，陽極/氣體分配器通常選用熔點高、導熱性強、熱碰撞系數小的材料制成，根據推力器的功率由低到高依次可選擇不銹鋼、石墨及鉬等［28］。其中，金屬鉬在D-160型和VHITAL-160 型等大功率TAL 上得到應用。根據分析和研究結果推斷，采用雙級結構設計的陽極更有利于充分發揮鉍工質的性能優勢，同時可以提高鉍工質利用率和推力器效率。雙級結構主要目的是將電離與加速過程解耦，其中陽極/氣體分配器作為第一陽極，包裹陽極/氣體分配器的金屬護環作為第二陽極，兩者之間電勢差約為150～250 V，為工質的電離提供能量；通道邊緣的金屬護環作為陰極，第二陽極與陰極之間電勢差可達幾千伏，為離子的加速提供能量。合理的磁場強度和位形是TAL 能夠穩定工作的重要保證，為使磁極能夠承載強磁場，且在高溫條件下磁性不發生改變，需使用居里溫度較高且磁飽和強度較大的導磁材料作為磁路組件，DT4 和1J22 居里溫度分別為770 ℃和980 ℃，是目前常用的磁路材料［26］。考慮到大功率推力器強烈的熱效應，通常使用中心磁柱與4 個外磁柱的布局提供外加磁場，磁極形狀和勵磁線圈的安匝比決定磁場的空間位形，勵磁電流的強度決定磁場強度。雙級TAL 的結構如圖5所示［37］。

圖5 雙級陽極層推力器結構Fig.5 Diagram of a two-stage thruster with anode layer

鉍工質TAL 與傳統TAL 的工作原理基本相同，其主要特點體現在鉍的貯供系統和電離加速機制方面。固體鉍金屬受熱后以蒸氣形式進入放電室與電子發生碰撞而被電離為鉍等離子體，鉍離子被軸向電場加速噴出產生推力。可通過控制輸運管路溫度使管路內的鉍工質以液體或氣體形式輸運至陽極/氣體分配器內，中性鉍粒子依次經過電離階段與加速階段后進入羽流區域。空心陰極主要起到兩個作用：①為放電室內鉍工質的電離提供種子電子；② 中和羽流離子。

4 關鍵技術

與惰性氣體作為工質的TAL 相比，鉍工質TAL 的關鍵技術主要有以下幾個方面：貯供的設計、磁場的設計以及陰極的設計。

4.1 貯供的設計

雖然鉍工質能夠以常溫常壓貯存而無需減壓閥等配套裝置，但是增加了高溫加熱器以及保溫隔熱材料之后，提高了貯供系統的復雜程度。目前，國外研究學者對于鉍貯供系統的設計和實驗表明，鉍以液態或氣態在管路內流動均具有可行性，兩者各有利弊［38-41］。其中，鉍蒸氣流動技術較為成熟，實施方式為將蒸發器直接埋入鉍固體粉末中，并施加大電流持續加熱，利用歐姆熱效應使固體鉍熔化，蒸發管中心附近鉍的溫度最高，液體鉍進一步受熱蒸發，在蒸氣壓的推動下鉍蒸氣擴散并進入輸運管路和陽極/氣體分配器，貯罐內蒸發器內外的液體鉍在液面高度差引起的壓強作用下不斷補充進入蒸發管內，直至鉍工質消耗完畢；鉍液體流動技術較為新穎，實施方式為將貯箱直接加熱至鉍熔化溫度以上，使貯箱內的鉍固體成為液體，再依靠電磁泵和熱式流量計將鉍液體輸運至推力器工質入口，由高溫多孔過濾篩進一步加熱，使液體成為蒸氣進入陽極/氣體分配器。鉍蒸氣流動依靠蒸氣壓的作用，結構簡單，但蒸發器和輸運管壁理論上均需保持不低于鉍的蒸發溫度而消耗較多能量，且僅依靠調節溫度間接控制鉍蒸氣流量，誤差較大；鉍液體流動僅需保持貯罐和輸運管壁不低于鉍的熔化溫度，消耗能量較少，依靠熱式流量計控制鉍液體流量的方式提高了精度，但管路還需安裝電磁泵和多孔過濾篩，結構復雜，兩者的可靠度對貯供系統工作的穩定性影響較大［42-43］。總之，加熱方式的選擇和溫度控制的方法是固體工質電推力器貯供系統的研究重點，結合鉍工質自身特性的貯供設計也是未來需要研究和掌握的關鍵技術之一。

4.2 磁場的設計

TAL 是依靠電磁場對等離子體的作用而穩定工作，電場與磁場的耦合程度決定推力器的性能，而放電室內電勢變化通常也由磁場強度分布決定。磁場設計的基本準則是電子被磁化而離子不被磁化并提高工質的電離率，減小羽流發散角。與SPT不同的是，TAL 無磁屏，當使用鉍作為工質并以高功率工作時，需要強磁場約束高溫高速電子，另外鉍原子的質量和電離特性也是磁場位形和強度設計的決定因素。磁場設計是否合理可通過模擬和實驗的方式判斷，模擬法是基于推力器的仿真模型，先使用有限元仿真軟件獲得磁感應強度的空間分布狀態，再采用粒子或流體法模擬鉍的電離與加速過程，接著根據等離子體參數的數值和分布計算推力與比沖，最后對磁場的合理性進行評估與優化；實驗法是在推力器工作過程中，通過改變內外線圈的安匝比實時調節磁場強度和位形，觀測推力或等離子體羽流參數的變化情況，獲得最佳的磁場參數。磁場的設計較為復雜，且鉍工質TAL 工作時形成的極高溫環境可能會引起磁路結構的導磁能力發生改變，因此還存在諸多需要思考和解決的問題。

4.3 陰極的設計

發射電子的能力是衡量陰極的主要標準，空心陰極技術成熟，是與TAL 聯試中主要采用的陰極。空心陰極消耗的電功率和工質的質量流量影響整個推力器的效率，其設計目的是既滿足推力器工作所需電流，又減少工質和功率的消耗。根據國外的研究情況，鉍工質空心陰極尚處于原理樣機的探索驗證階段，鉍工質TAL 與氙工質LaB6空心陰極耦合點火是目前國外開展推力器地面實驗的主要實施方式，但以此方式進行空間在軌工作仍需攜帶高壓氣瓶和減壓閥等裝置，并未實現全固體工質電推進的目標，因此研發鉍工質空心陰極具有重要意義。從組成結構上分析，鉍工質空心陰極也需從發射體、陰極管、觸持極以及加熱器等主要部件進行分析與設計，試驗難點在于維持鉍的蒸發溫度、監測鉍的質量流量等，另外還需考慮材料與鉍的兼容性以及高溫環境的穩定性等［44］。

5 結束語

近年來，中等功率電推進技術的日臻成熟為未來拓寬電推力器功率量級奠定基礎，數十甚至上百千瓦的大功率電推力器必將成為新的研發對象。鉍工質TAL 將鉍的性能優勢與TAL 的工作原理相結合，且采用雙級設計更有利于實現大功率、高效率和高比沖的目標。然而目前仍存在若干關鍵技術需要突破和掌握，核心在于整個推進系統的溫度控制、材料選擇以及結構布局等方面。其中，溫度控制包括貯箱的加熱與保溫，以及陽極和陰極工作前的預熱，目的是通過控制鉍蒸氣壓力而控制流量，且保證鉍蒸氣不發生凝結；要求所選材料與鉍有良好的兼容性，且具有耐高溫、抗腐蝕、易加工等特點；結構布局合理，既要滿足傳統TAL 的一般要求，又要針對鉍的特殊性進行改進，可以從加熱器的位置布局、陽極/氣體分配器和陰極小孔的尺寸設計、磁極和磁屏的位置及尺寸等方面進行考慮。

未來實際空間應用中，還應對推力器的機械強度、電路連接、設備調控等進行綜合驗證，并控制推力器羽流發散角度，以避免羽流離子被中和后形成的鉍固體顆粒沉積在航天器表面造成的電子設備發生短路等問題。總之，鉍工質TAL 具有巨大潛力，可以從原理樣機的性能探索到工程樣機的技術驗證，再到實際產品的空間運行的過程逐步發展，爭取早日實現在軌應用。