郭德洲，胡 竟，楊福全，耿 海，李 娟，趙以德，李建鵬

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)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(diào)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(zhuǎn)移、阻力補償、姿態(tài)控制和深空探測器主推進(jìn)任務(wù)，已在美國、英國、日本、中國等得到了廣泛的研究和應(yīng)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(zhì)氣體電離后產(chǎn)生的離子，該過程直接關(guān)系到推力器的推力、比沖、效率等重要性能參數(shù)。因此，柵極結(jié)構(gòu)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(gòu)型結(jié)構(gòu)：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(gòu)型設(shè)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(gòu)型設(shè)計[7-8]。國外相關(guān)文獻(xiàn)提及不同的柵極構(gòu)型對離子推力器工作特性有影響，但未進(jìn)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(jīng)LM-1-MK-1、LM-1-MK-2、LM-2、BBM-1四個階段，實現(xiàn)了放電損耗、推力器內(nèi)部溫度和陽極電壓的降低，推進(jìn)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(shù)進(jìn)行了大量修改，包括改變放電室構(gòu)型和柵極組件構(gòu)型及其安裝方式，因而無法總結(jié)出柵極構(gòu)型單一參數(shù)對推力器工作特性的影響規(guī)律。國內(nèi)LIPS-200、LIPS-300、LIPS-400離子推力器均采用了凸面柵極構(gòu)型設(shè)計[10-12]，還未開展凸面和凹面不同柵極構(gòu)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(gòu)型對離子推力器工作特性的影響，為國內(nèi)離子推力器研制過程中柵極構(gòu)型的選擇和優(yōu)化提供依據(jù)，本文基于蘭州空間技術(shù)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(gòu)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(gòu)型的優(yōu)點和劣勢。

1 柵極工作原理及構(gòu)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(yīng)最大限度地引出放電室內(nèi)電離所產(chǎn)生的離子。對于雙柵離子推力器而言，宜采用小孔離子光學(xué)設(shè)計，即屏柵大孔徑、加速柵小孔徑結(jié)構(gòu)；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(xué)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(fù)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(nèi)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(gòu)成，其中屏柵、加速柵分別固定至對應(yīng)安裝環(huán)上。在工程應(yīng)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(yīng)能夠耐受發(fā)射力學(xué)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?xùn)艠O剛性：一是采用柵極安裝加強環(huán)設(shè)計，增強柵極抗形變能力；二是采用球面形式設(shè)計柵極，以保證各柵極在熱循環(huán)工況和力學(xué)環(huán)境中形變方向的一致性。

根據(jù)柵極球面朝向，柵極構(gòu)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(xué)，電子與氣體原子的相互作用、能量和動量轉(zhuǎn)移、帶電粒子由等離子體內(nèi)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(nèi)，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(jìn)而影響等離子體的特征。建立這種結(jié)構(gòu)與工作特性相關(guān)的幾何參數(shù)，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(jìn)而影響離子推力器工作特性。具體表現(xiàn)為：

（1）在工質(zhì)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(nèi)功率和能量守恒關(guān)系，與放電損耗ε相關(guān)的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)之一為放電室表面積和體積[14]。兩種柵極構(gòu)型導(dǎo)致放電結(jié)構(gòu)參數(shù)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(gòu)型對放電室的影響。

（2）表征柵極離子光學(xué)系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)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(jié)構(gòu)存在一個幾何“焦點”，球面朝向不同，離子引出會出現(xiàn)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(gòu)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(gòu)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(jī)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(jié)構(gòu)存在一個變形預(yù)設(shè)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(yīng)變方向不同，兩種柵極構(gòu)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(gòu)型對離子推力器啟動熱弛豫過程的影響。

2 試驗設(shè)備與方法

在蘭州空間技術(shù)物理研究所自主研制的LIPS-100離子推力器上進(jìn)行了兩種不同柵極構(gòu)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(yīng)的補償進(jìn)行了設(shè)計外[15]，在不改變柵極其余結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下制作了兩種構(gòu)型柵極系統(tǒng)。為了保證試驗參數(shù)的一致性，試驗均在LIPS-100離子推力器工程樣機(jī)上進(jìn)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(shè)備中進(jìn)行，該設(shè)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(shù)，按照式（2）計算得出放電損耗值。本次試驗中，電參數(shù)為推力器工作2 h熱穩(wěn)定后的4 h內(nèi)電參數(shù)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(shè)備中進(jìn)行，該設(shè)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(hù)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(fù)電壓，阻擋束流中的電子到達(dá)電流收集盤，使束流中的離子到達(dá)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(nèi)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(nèi)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?biāo)鶎賵A環(huán)段即為對應(yīng)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(yīng)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(shè)備中進(jìn)行，該設(shè)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(shù)，統(tǒng)計推力器達(dá)到額定電參數(shù)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(diào)壓模塊及流量控制模塊組成，推進(jìn)劑流量控制精度優(yōu)于±（0.8%讀數(shù)＋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(jié)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(jī)上分別裝配兩種不同構(gòu)型的柵極時，平衡后的工作電參數(shù)。從表1可以計算出：凸面柵極構(gòu)型下，放電損耗為294.5 W/A；凹面柵極構(gòu)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(gòu)型下LIPS-100離子推力器主要工作電參數(shù)Tab.1 Major performance parameters of LIPS-100 ion thruster at different grid optical system

這一現(xiàn)象可能由兩種因素耦合造成：一種因素是，雖然兩種柵極構(gòu)型放電室內(nèi)的陰極、陽極和磁場完全相同，但是凹面柵極構(gòu)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(chǎn)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(yīng)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(xiàn)象由兩方面因素導(dǎo)致，一是凸面柵離子光學(xué)系統(tǒng)幾何“焦點”位于屏柵上游放電室內(nèi)，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(yīng)產(chǎn)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(jìn)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(gòu)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(gòu)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(jī)上分別裝配兩種不同柵極構(gòu)型時，引出束流發(fā)散角測試結(jié)果。從表2可以看出，凹面柵極構(gòu)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(gòu)型下引出束流發(fā)散角測試結(jié)果Tab.2 Ion beam divergence angle parameters at different grid optical system

基于兩種柵極構(gòu)型引出束流輪廓及發(fā)散角的測試結(jié)果，為了對兩種柵極構(gòu)型的引出束流平直度進(jìn)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(jìn)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(jī)上分別裝配兩種不同柵極構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)行了凹面柵極構(gòu)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(jié)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(zhuǎn)折截面，但根據(jù)圖7的趨勢性，初步分析轉(zhuǎn)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(jié)果和圖5中束流輪廓分析結(jié)論相吻合。

圖7 凹面柵極構(gòu)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(gòu)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(guān)，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(jié)構(gòu)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(yīng)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(nèi)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(shù)難題。在放電室構(gòu)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(xué)系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)。

為了驗證柵極構(gòu)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(luò)（-90℃）進(jìn)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(jī)上分別裝配兩種不同柵極構(gòu)型時，低溫啟動過程束流監(jiān)測結(jié)果。其中，在前期LIPS-100離子推力器工程樣機(jī)上摸底試驗中，凸面柵極構(gòu)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(xiàn)象，因此調(diào)整為分階段啟動試驗流程，即通過調(diào)整放電電流實現(xiàn)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(xiàn)了凸面柵極構(gòu)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(gòu)型在10 s左右實現(xiàn)了額定滿功率低溫啟動。兩種不同柵極構(gòu)型低溫啟動特性基本具備可重復(fù)性。

圖8 不同柵極構(gòu)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(dǎo)及熱輻射使柵極產(chǎn)生不均勻溫度場，柵極熱形變導(dǎo)致兩種不同柵極構(gòu)型在啟動過程出現(xiàn)了柵間距差異。具體表現(xiàn)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(yuǎn)沒有達(dá)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(yuǎn)大于加速柵的熱形變。其中，凸面柵極構(gòu)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(xué)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(dǎo)致束流閃爍頻繁，嚴(yán)重時可導(dǎo)致柵極電源過載。而凹面柵極構(gòu)型啟動瞬間柵間距增大只能短暫降低柵極離子光學(xué)聚焦效果，達(dá)不到形成通路的程度。此外，凹面柵極的聚焦“束腰”特性導(dǎo)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(dá)到熱平衡。因此，凹面柵極構(gòu)型低溫啟動特性表現(xiàn)優(yōu)異。

4 結(jié)論

為了明確兩種主流曲面柵極朝向結(jié)構(gòu)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(jī)上開展了兩種不同柵極構(gòu)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(jié)論：

（1）與凸面構(gòu)型柵極相比，凹面構(gòu)型柵極的放電損耗增加了5.3%。這是由于凹面構(gòu)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(gòu)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(gòu)型束流發(fā)散角比凸面構(gòu)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(jié)構(gòu)使引出離子聚焦，束徑縮小，束流密度峰值提高，同時，也導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(gòu)型柵極低溫啟動特性表現(xiàn)優(yōu)異。這是由于低溫啟動瞬態(tài)過程中，凸面構(gòu)型柵極中心柵間距過小，局部形成瞬間電通路，導(dǎo)致束流閃爍頻繁，使低溫啟動困難。凹面構(gòu)型柵極啟動瞬間柵間距增大，不會出現(xiàn)束流閃爍現(xiàn)象。

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