劉輝 蔣文嘉 寧中喜 崔凱 曾明 曹希峰 于達(dá)仁

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,先進(jìn)動(dòng)力技術(shù)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(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器是一種利用磁鏡約束等離子體產(chǎn)生推力的新型推力器,具有壽命長(zhǎng)、推力大范圍連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),在無(wú)拖曳控制領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景.分別采用Xe,Kr和Ar三種不同工質(zhì),開(kāi)展了會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器實(shí)驗(yàn).首先,對(duì)所用的推力器進(jìn)行了簡(jiǎn)要的原理和設(shè)計(jì)介紹;然后,對(duì)三種工質(zhì)的點(diǎn)火電壓分別進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)Xe是最容易點(diǎn)火成功的,Kr和Ar點(diǎn)火難度較大.在陽(yáng)極電流、推力、效率和比沖等性能方面,三種工質(zhì)在同等條件下也存在明顯的區(qū)別.分析發(fā)現(xiàn),三者的工質(zhì)利用率高低導(dǎo)致了性能上的差別,通過(guò)提升通流密度能夠大幅提升Kr和Ar的工質(zhì)利用率.在羽流結(jié)構(gòu)方面,法拉第測(cè)量結(jié)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(xiàn)的角度隨著原子量的減小而逐漸減小.

1 引 言

1998年,會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器被德國(guó)的泰勒斯公司提出[1],已經(jīng)處于工程應(yīng)用階段[2],其原理示意圖如圖1所示,Er為徑向電場(chǎng).推力器的氮化硼通道被兩塊釤鈷2:17永磁體環(huán)繞,通過(guò)將兩塊永磁體相同極性的兩端對(duì)接在一起,在對(duì)接處產(chǎn)生了一個(gè)磁尖端,并形成了在磁尖端處以徑向磁場(chǎng)為主,其余部分以軸向磁場(chǎng)為主的磁場(chǎng)位型.除了特殊的磁場(chǎng)位型,通道內(nèi)最強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)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(zhǎng)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(fā)射進(jìn)入通道內(nèi)部電離通道內(nèi)的工質(zhì),最終到陽(yáng)極放電形成回路.這些特點(diǎn),引起了較多科研機(jī)構(gòu)的興趣,其中比較著名的有美國(guó)的麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)[4?6].

圖1 會(huì)切磁場(chǎng)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(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器用于產(chǎn)生等離子體的工質(zhì)一般是Xe[1,2,7].在其他領(lǐng)域,Kr和Ar被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)生等離子體,如產(chǎn)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(chǔ)性物理方面的研究[13],推力器領(lǐng)域霍爾推力器等也有對(duì)Kr和Ar的研究[14?16],但是以上應(yīng)用領(lǐng)域普遍存在于弱磁場(chǎng)和弱電場(chǎng)環(huán)境下.而會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器具有高達(dá)0.45 T以上的強(qiáng)磁場(chǎng),同時(shí)還有磁鏡對(duì)等離子體進(jìn)行約束,特別是出口區(qū)強(qiáng)磁場(chǎng)的存在,使會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器工作在高陽(yáng)極電壓(500—1000 V),同時(shí)能夠在出口區(qū)形成接近陽(yáng)極電壓的電勢(shì)降,形成強(qiáng)電場(chǎng)[17].這為研究強(qiáng)電磁場(chǎng)作用下等離子體的行為提供了基礎(chǔ)性條件.同時(shí),Kr和Ar被視為Xe的替代品,因此研究Kr和Ar也具有比較現(xiàn)實(shí)的工程意義.

基于上述原因,本文進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),研究了會(huì)切磁場(chǎng)推力器分別采用Xe,Kr和Ar時(shí)的各方面表現(xiàn),并對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了分析.首先簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗(yàn)裝置、推力器和測(cè)量方法.然后對(duì)點(diǎn)火電壓、性能表現(xiàn)、離子電流密度、羽流分布和工質(zhì)利用率進(jìn)行了呈現(xiàn)和分析.

2 實(shí)驗(yàn)步驟

圖2是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)物圖.該推力器質(zhì)量約為2 kg,放電通道直徑為19 mm,軸向長(zhǎng)度為74 mm,其對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)位型如圖3所示(B為磁感應(yīng)強(qiáng)度).該推力器具有兩級(jí)永磁體,其中長(zhǎng)的一段靠近出口.

圖2 會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.2.An experimental prototype of the cusped field thruster.

實(shí)驗(yàn)在極限氣壓能達(dá)到1×10?3Pa量級(jí)的真空罐中進(jìn)行.真空罐的長(zhǎng)度為4 m,內(nèi)徑為1.2 m.實(shí)驗(yàn)所用到的三種工質(zhì)純度均超過(guò)99.999%.推力采用三絲扭擺測(cè)量,錄波儀記錄陽(yáng)極電流.陰極電子出口固定在水平35 mm和垂直60 mm到推進(jìn)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(chǔ)上,獲取了會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器采用三種不同工質(zhì)時(shí)性能在不同陽(yáng)極電壓、不同陽(yáng)極流量下的變化規(guī)律.其中,陽(yáng)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(cè)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(zhǔn)確地獲得離子電流密度隨角度的分布規(guī)律.探針集電極和屏蔽殼為?30 V的偏置電壓,用來(lái)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(gè)RC模塊過(guò)濾100 kHz以上的噪聲.法拉第探針安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)上,集電極端面距離推力器出口平面215 mm,用以測(cè)量0?—90?羽流離子的空間分布.

圖3 會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器的磁場(chǎng)位型Fig.3.Magnetic field configuration of the cusped field thruster.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 推力器點(diǎn)火差異分析

表1給出了三種工質(zhì)在不同流量下的點(diǎn)火電壓.從表1可以看出,三種工質(zhì)的點(diǎn)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(kāi)始工作,隨著流量的增加,點(diǎn)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(diǎn)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(shí),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(diǎn)火成功.

3.2 性能比較與分析

實(shí)驗(yàn)用的推力器在使用Xe為推進(jìn)劑時(shí),最大流量不超過(guò)10 sccm,否則會(huì)導(dǎo)致推力器過(guò)熱而無(wú)法正常工作.實(shí)驗(yàn)時(shí),Xe流量從3 sccm開(kāi)始,增加到10 sccm.對(duì)于Kr,由圖4(a)可知同等質(zhì)量流量下Kr的電流明顯大于Xe的電流,如果對(duì)Kr進(jìn)行10 sccm以上的實(shí)驗(yàn),將容易導(dǎo)致推力器過(guò)熱.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),采用Ar時(shí)只有在不低于16.4 sccm/700 V時(shí)推力器才能啟動(dòng),成功啟動(dòng)后下調(diào)流量至8 sccm同時(shí)將電壓升至800 V推力器依舊能工作,但繼續(xù)下調(diào)流量或者降低電壓,推力器將熄火.然后提高流量至10 sccm進(jìn)行測(cè)試,電壓低于500 V時(shí)推力器將熄火,無(wú)法了解Ar工質(zhì)工作在200—500 V之間的規(guī)律,需要提升工質(zhì)流量使其能在更低的電壓下工作.從工程應(yīng)用時(shí)攜帶相同質(zhì)量燃料的角度考慮,Ar以與Xe相同的質(zhì)量流量進(jìn)行了測(cè)試,最大流量為19.7 sccm,以此更全面的比較三種工質(zhì)的區(qū)別.

本文在800 V的陽(yáng)極電壓下,比較會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器采用三種不同工質(zhì)時(shí)的陽(yáng)極電流、推力、陽(yáng)極效率和比沖隨著流量增加的變化規(guī)律,如圖4所示.在800 V電壓下對(duì)研究Xe和Kr隨流量的變化規(guī)律不失一般性.

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

圖4 三種工質(zhì)的性能 (a)陽(yáng)極電流;(b)推力;(c)陽(yáng)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(zhì)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(yáng)極電流和推力隨流量變化的規(guī)律分別如圖4(a)和圖4(b)所示.流量增加時(shí),三種工質(zhì)的陽(yáng)極電流和推力都近似于線性增加,此時(shí)法拉第探針測(cè)量結(jié)果得到的工質(zhì)利用率也是近似線性增長(zhǎng),如圖5(a)所示,說(shuō)明陽(yáng)極電流和推力與工質(zhì)利用率具有很強(qiáng)的相關(guān)性.由圖4(c)可知,即使在較低的流量下(3—6 sccm),Xe的陽(yáng)極效率已經(jīng)接近甚至超過(guò)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?yàn)镵r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(yáng)極效率逐次降低.當(dāng)然,不論是何種氣體,陽(yáng)極效率都隨著流量的增加而增加,尤其是從最低流量開(kāi)始提高流量時(shí)這種變化更為明顯,這是因?yàn)榱髁康奶嵘岣吡斯べ|(zhì)利用率.但Kr和Ar的工質(zhì)利用率始終處于較低水平(10 sccm時(shí),Kr和Ar的工質(zhì)利用率分別低于55%和10%),產(chǎn)生的推力有限,比沖也比Xe低很多,如圖4(d)所示.

工質(zhì)利用率方面,當(dāng)保持流量不變、提升電壓時(shí),Xe的工質(zhì)利用率在低電壓時(shí)隨著電壓的增加而迅速增加,在300 V時(shí)已經(jīng)達(dá)到了90.35%;繼續(xù)提高電壓,其工質(zhì)利用率提高有限,甚至略有下降.此時(shí)對(duì)應(yīng)于Kr和Ar,工質(zhì)利用率分別不超過(guò)55%和10%,且電壓從500 V提高到1000 V時(shí)Kr和Ar的工質(zhì)利用率分別僅提升了2.7%,7.2%.說(shuō)明繼續(xù)提高電壓無(wú)法有效促進(jìn)Kr和Ar的電離.從碰撞致電離可知,電離程度與工質(zhì)密度和電離截面密切相關(guān),而電離截面受工質(zhì)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(zhì)密度能有效促進(jìn)電離.結(jié)合圖5(a)可以看出,通過(guò)提升工質(zhì)密度可以快速達(dá)到提升工質(zhì)利用率的目的.實(shí)際上,從同等質(zhì)量流量角度考慮,Kr的9.4 sccm,Ar的19.72 sccm對(duì)應(yīng)著Xe的6 sccm,此時(shí)Xe,Kr,Ar在800 V陽(yáng)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(dāng)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器采用Kr和Ar時(shí),應(yīng)該使其工作在大通流密度下.

3.3 羽流測(cè)量及分析

在3.1和3.2節(jié)發(fā)現(xiàn)三種工質(zhì)在點(diǎn)火電壓和性能表現(xiàn)上存在著顯著差異,為進(jìn)一步了解使用不同工質(zhì)時(shí)帶來(lái)的區(qū)別,用法拉第探針測(cè)量了推力器的羽流,得到了三種工質(zhì)在同等流量(10 sccm)下隨著電壓變化時(shí)的法拉第測(cè)量結(jié)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(shuō)明三種工質(zhì)都存在空心羽流現(xiàn)象,但是三者在空心羽流上表現(xiàn)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(zhì)雖然在空間分布上存在差異,但是當(dāng)電壓越高時(shí),峰值增加,半高寬變窄,同時(shí)Xe與Kr在0?—15?的離子電流密度越來(lái)越小,空心羽流更加嚴(yán)重.由圖5(a)可知,在700—1000 V時(shí),Xe和Kr的工質(zhì)利用率基本不變,因此排除工質(zhì)利用率的影響.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可以通過(guò)電離區(qū)位置、羽流區(qū)電勢(shì)分布和會(huì)切磁場(chǎng)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(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器主要存在兩個(gè)電離區(qū):通道內(nèi)電離區(qū)和出口電離區(qū),如圖7紫色部分所示,其中前者是主要電離區(qū).電壓的提高,會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器會(huì)進(jìn)入低電流模式,出口區(qū)電離受到抑制,且電壓越高受到的抑制越嚴(yán)重,同時(shí)加速區(qū)徑向電場(chǎng)Er變強(qiáng),更多的離子會(huì)沿著錐形輪廓離開(kāi)推力器[18],如圖7所示.斯坦福大學(xué)采用激光誘導(dǎo)熒光和浮動(dòng)發(fā)射探針?lè)謩e測(cè)量了會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器高低功率下的電勢(shì)分布和速度分布,也發(fā)現(xiàn)高功率(高電壓)時(shí)電勢(shì)呈空心錐形分布,高速離子沿錐形輪廓噴出,低電位時(shí)羽流區(qū)的電勢(shì)降則分布比較均勻[6].綜合來(lái)看,電壓的提高使推力器進(jìn)入低電流模式,出口電離區(qū)受到抑制,更多的離子集中到錐形輪廓離開(kāi)推力器,因此電壓增加導(dǎo)致愈加嚴(yán)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(xiàn)的角度隨著工質(zhì)原子量的減小而逐漸減小.同時(shí),因?yàn)橥ǖ纼?nèi)電離區(qū)是主電離區(qū),被加速向II區(qū),出口電離區(qū)部分被加速向III區(qū),因此I區(qū)對(duì)應(yīng)的空心羽流離子密度非常低,這也造成了不同工質(zhì)下空心羽流程度接近的現(xiàn)象.

在電勢(shì)分布上,文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果指出:羽流區(qū)存在一定的電勢(shì)降.根據(jù)熱化電勢(shì)理論可知,羽流區(qū)的等電勢(shì)線基本與磁力線重合[19].在羽流聚焦方面,會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器主要通過(guò)調(diào)整磁分界面的朝向影響加速區(qū)電場(chǎng)分布來(lái)控制羽流發(fā)散角,但對(duì)處于加速區(qū)之外的出口電離區(qū)的等離子體無(wú)法起到聚焦作用[20].在三種工質(zhì)中,Xe在出口電離區(qū)的電離程度最高,而這部分電離無(wú)法被聚焦,然后在羽流區(qū)電勢(shì)降的作用下,沿著發(fā)散的磁力線向大角度運(yùn)動(dòng),從而Xe的峰值出現(xiàn)在大角度處.因此,峰值出現(xiàn)的角度隨著工質(zhì)原子量的減小而逐漸減小.

圖7 羽流離子發(fā)散路徑Fig.7.Ion divergence path in plume.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器采用Xe,Kr和Ar三種不同工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)Xe在4 sccm,190 V就能完成點(diǎn)火,而Kr和Ar則分別需要在7 sccm、350 V，16.43 sccm、700 V完成點(diǎn)火,存在明顯的差異.在陽(yáng)極電流、推力、效率和比沖等性能方面,三種工質(zhì)在同等條件下也存在明顯的差異.通過(guò)對(duì)工質(zhì)利用率的分析發(fā)現(xiàn),三者在流量為10 sccm時(shí),工質(zhì)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(zhì)利用率也存在著明顯的差距,因此導(dǎo)致了性能上的顯著差異.通過(guò)對(duì)工質(zhì)利用率的分析,發(fā)現(xiàn)通過(guò)提升通流密度能夠大幅提升工質(zhì)利用率.在羽流方面,法拉第測(cè)量結(jié)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(xiàn)的角度隨著原子量的減小而逐漸減小.