李建鵬 靳伍銀 趙以德

1) (蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,蘭州 730050)

2) (蘭州空間技術(shù)物理研究所,真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

針對(duì)我國(guó)小行星探測(cè)任務(wù)對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)離子推力器設(shè)計(jì)要求,基于等離子體基本理論建立了多模式離子推力器輸入?yún)?shù)與輸出特性關(guān)系,完成各工作點(diǎn)下屏柵電壓、束電流、陽(yáng)極電流、加速電壓,流率等輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì),采用試驗(yàn)研究和理論分析的方法研究了推力器工作特性.試驗(yàn)結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)下,23 個(gè)工作點(diǎn)推力最大誤差小于3%,比沖最大誤差小于4%,在功率為289—3106 W 下,推力為9.7—117.6 mN,比沖為1220—3517 s,效率為23.4%—67.8%,電子返流極限電壓隨著推力增加單調(diào)減小,最小、最大推力下分別為—79.5 V和—137 V,放電損耗隨著功率增大從359.7 W/A 下降到210 W/A,并在886 W 時(shí)存在明顯拐點(diǎn),效率隨功率增大而上升,在 1700 W 后增速變緩并趨于穩(wěn)定,在軌應(yīng)用可綜合推力器性能、任務(wù)剖面要求、壽命,合理設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)區(qū)間,制定控制策略.

1 引言

離子電推進(jìn)系統(tǒng)因其比沖高、壽命長(zhǎng)、可增加航天器有效載荷比,較化學(xué)推進(jìn)具有顯著優(yōu)勢(shì),尤其在深空探測(cè)任務(wù)中采用傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)作為主推進(jìn)需要攜帶大量化學(xué)推進(jìn)劑,對(duì)于更遠(yuǎn)的深空探測(cè),不采用電推進(jìn)甚至不能完成任務(wù)[1-3].深空探測(cè)器不斷飛行使之與太陽(yáng)距離不斷發(fā)生變化,造成太陽(yáng)能帆板輸出功率不同,為了保證航天器發(fā)動(dòng)機(jī)與帆板輸出功率匹配,需要研究可實(shí)現(xiàn)功率寬范圍調(diào)節(jié)的變推力、多模式離子推力器.

在深空探測(cè)領(lǐng)域,多模式離子電推進(jìn)因其顯著優(yōu)勢(shì)成為各國(guó)研究熱點(diǎn),美國(guó)深空1 號(hào)和黎明號(hào)探測(cè)器采用30 cm 口徑NSTAR 承擔(dān)主推進(jìn)任務(wù),該推力器具備寬范圍多模式工作能力,在功率0.5—2.3 kW 下,推力20—92 mN,比沖最高可達(dá)3100 s,效率38%—59%[4-7],NEXT 推力器在功率0.5—6.9 kW 下可實(shí)現(xiàn)推力26—236 mN 寬范圍調(diào)節(jié),比沖最高為4200 s,效率最高為71%,地面驗(yàn)證壽命已超過(guò)51000 h[8].XIPS-25 推力器在0.3—4.5 kW 下,推力為14.4—173.7 mN,比沖為1610—3674 s,效率為35%—67%[9].水星探測(cè)器采用英國(guó)研制的22 cm 口徑T6 離子推力器作為巡航階段主推進(jìn),水星探測(cè)器隨著任務(wù)進(jìn)行與太陽(yáng)距離逐漸減小,太陽(yáng)帆板功率逐漸增加,設(shè)置了4 個(gè)工作點(diǎn),對(duì)應(yīng)功率/推力/比沖分別為2.43 kW/75 mN/1710 s,3.16 kW/100 mN/3940 s,3.92 kW/125 mN/4080 s,4.50 kW/145 mN/4120 s[10].我國(guó)離子推力器研究起步較晚,蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的20 cm 口徑1 kW 單模式和30 cm 口徑5 kW 雙模式離子推力器適用于地球同步軌道衛(wèi)星,5 kW 雙模式離子推力器2020 年實(shí)現(xiàn)首次在軌應(yīng)用,針對(duì)木星探測(cè)等任務(wù)還開發(fā)了10 kW 推力器原理樣機(jī)[11-13].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者就多模式離子推力器氣體放電機(jī)理、等離子產(chǎn)生和粒子間相互作用、帶電離子輸運(yùn)、等離子邊界等開展了大量理論研究[14-17],Mahalingam和Menart[18,19]數(shù)值仿真研究了推力器放電過(guò)程及相應(yīng)物理規(guī)律,Brophy 等[20]、Wang 等[21]、陳茂林等[22]、龍建飛等[23]、趙以德等[24]和 Wirz與 Goebel[25]分別通過(guò)數(shù)值模擬仿真研究了離子光學(xué)系統(tǒng)電勢(shì)分布、離子聚集性、離子運(yùn)動(dòng)軌跡、CEX離子、柵極濺射腐蝕等參數(shù)對(duì)多模式離子推力器的影響,多模式離子推力器在國(guó)外已完成在軌飛行應(yīng)用,研究團(tuán)隊(duì)成果發(fā)布集中在推進(jìn)系統(tǒng)在軌表現(xiàn)、地面性能測(cè)試等方面,但對(duì)多模式工作參數(shù)設(shè)計(jì)、詳細(xì)工程設(shè)計(jì)及控制策略報(bào)道較少.

針對(duì)我國(guó)首次小行星探測(cè)任務(wù)主帶彗星巡航階段探測(cè)器與太陽(yáng)距離1 至3.5 AU 大范圍變化應(yīng)用需求,為了匹配探測(cè)器與太陽(yáng)距離變化下的帆板輸出功率值,離子電推進(jìn)系統(tǒng)需要在300—3000 W功率范圍內(nèi)進(jìn)行多模式調(diào)節(jié),設(shè)計(jì)壽命要求達(dá)到36000 h.

本文基于我國(guó)首次小天體探測(cè)任務(wù)剖面實(shí)際需求,針對(duì)多模式離子推力器,通過(guò)工作輸入?yún)?shù)與輸出特性數(shù)理模型和經(jīng)驗(yàn)公式開展了工作參數(shù)設(shè)計(jì),完成測(cè)試平臺(tái)建設(shè),驗(yàn)證了工作參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性,研究了多模式離子推力器在不同工作點(diǎn)下推力、比沖、效率、放電損耗、電子返流極限電壓、加減速截獲電流、工質(zhì)利用率等工作特性,并通過(guò)高功率工況300 h 短期試驗(yàn)對(duì)離子推力器工作穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),為離子推力器優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制策略制定、多模式調(diào)節(jié)和在軌應(yīng)用提供有效指導(dǎo).

2 多模式離子推力器輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)小天體探測(cè)任務(wù)需要離子推力器在工作過(guò)程設(shè)置20 多個(gè)變推力工作點(diǎn),在功率300—3000 W 下,推力達(dá)到10—116 mN,比沖達(dá)到1518—3485 s 的任務(wù)要求,對(duì)屏柵電壓、束電流、陽(yáng)極電流、加速電壓,流率等關(guān)鍵工作輸入?yún)?shù)進(jìn)行分析計(jì)算.

2.1 屏柵電壓和束電流的設(shè)計(jì)

離子推力器推力,比沖計(jì)算公式為

束流可以用流率等效,計(jì)算公式為

由(1)式—(3)式可得以下關(guān)系式:

式中,F為推力,N;M是氙離子的質(zhì)量,取2.18×10—25kg;e是電子的電量,取1.6×10—19C;Vb為屏柵電壓,V;Ib為束流,A;α,β分別為束流發(fā)散角和雙荷離子修正系數(shù),根據(jù)前期試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),其值分別為0.976和0.977;Isp為比沖;ηm為工質(zhì)利用率;為推進(jìn)劑總流量,kg/s;g為重力加速度,9.8 m/s2.

離子推力器多模式調(diào)節(jié)可采取兩種控制策略:一是分檔調(diào)節(jié)束電流,精確調(diào)節(jié)屏柵電壓;二是分檔調(diào)節(jié)屏柵電壓,精確調(diào)節(jié)束電流.其中策略一對(duì)供電單元屏柵電源的要求更高,研制難度大,策略二對(duì)氙氣供給系統(tǒng)流率控制和供電單元陽(yáng)極電源電流精調(diào)能力要求更高.在任務(wù)剖面推力、比沖條件下,工質(zhì)利用率ηm取65—90%,從(4)式可得不同推力下屏柵電壓范圍為394—1231 V,基于目前我國(guó)星載空間用電源處理單元(PPU)技術(shù)水平,選擇策略二將屏柵電壓設(shè)置為5 檔,采用精確調(diào)節(jié)工質(zhì)氣體流率以保證推力器較佳的工質(zhì)利用率,屏柵電壓調(diào)節(jié)設(shè)置范圍為420—1260 V,將屏柵電壓設(shè)計(jì)值代入(1)式可得TL01—TL23 工作點(diǎn)束流區(qū)間為0.309—2.072 A,取2%的裕度并取整,束電流設(shè)計(jì)范圍為0.3—2.1 A,離子推力器屏柵電壓,束電流理論計(jì)算值和實(shí)際設(shè)計(jì)值詳見表1.

表1 離子推力器23 個(gè)工作點(diǎn)下的工作參數(shù)Table 1.Operating parameters at 23 modes.

2.2 陽(yáng)極電流和加速電壓的設(shè)計(jì)

陽(yáng)極電流取決于所要求的束電流和放電室放電效率(即放電損耗和工質(zhì)利用率),對(duì)于環(huán)形會(huì)切磁場(chǎng)構(gòu)型離子推力器,為了實(shí)現(xiàn)多模式調(diào)節(jié),在65%—90%工質(zhì)利用率下,放電損耗一般在150—360 W/A 之間[4,5],對(duì)同一離子推力器放電損耗存在隨功率增加而減小的趨勢(shì).因此,千瓦級(jí)多模式環(huán)型會(huì)切場(chǎng)離子推力器陽(yáng)極電流Ia與束電流Ib之間按照以下公式估算設(shè)計(jì):

最低推力工作點(diǎn)TL01 陽(yáng)極電流設(shè)計(jì)為IaTL01=13×0.31≈4 A,TL23 工作點(diǎn)陽(yáng)極電流設(shè)計(jì)為IaTL23=7×2.15≈15 A,即陽(yáng)極電流調(diào)節(jié)范圍為4—15 A,其中影響陽(yáng)極電流與束電流比例關(guān)系的放電室放電效率受到推力器口徑、磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)類型、離子光學(xué)系統(tǒng)性能、空心陰極性能等因素影響,對(duì)于寬范圍多模式離子推力器,在推力器工作時(shí),為了保證推力精確控制,通過(guò)陽(yáng)極電流的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)束電流閉環(huán)在一定范圍.

柵極組件單孔導(dǎo)流系數(shù)與其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),單孔導(dǎo)流系數(shù):

ε0為真空介電常數(shù),ds,ts分別為屏柵孔徑和厚度;lg為柵極間距.最大推力TL23 工況下,最大導(dǎo)流系數(shù)為3.8×10—5A/V3/2.根據(jù)柵極組件束流引出能力關(guān)系式:

將TL23 工況下的最大導(dǎo)流系數(shù)和束電流代入(7)式可得加速柵電壓為—168 V.

電子返流極限電壓絕對(duì)值的表達(dá)式為如下,式中l(wèi)e為有效加速長(zhǎng)度,ta為加速柵厚度,da為加速柵孔徑.在一定的柵極幾何參數(shù)下:

從(8)式可得 TL23和TL01 工況下的電子返流極限電壓分別為—138 V和—71 V,因?yàn)殡娮臃盗鳂O限電壓絕對(duì)值小于加速柵電壓絕對(duì)值,考慮1.5 倍設(shè)計(jì)裕度,離子推力器加速電壓設(shè)計(jì)為—200 V.

2.3 流率的設(shè)計(jì)

(2)式變換可得不同工作點(diǎn)下推進(jìn)劑流率計(jì)算值區(qū)間為0.6—3.5 mg/s,實(shí)際設(shè)計(jì)中推進(jìn)劑流率要略高于計(jì)算值,這主要是考慮到離子推力器設(shè)計(jì)裕度和供氣調(diào)節(jié)閥的不穩(wěn)定性,供氣不足會(huì)導(dǎo)致放電室放電電壓峰峰值震蕩,增加高能離子對(duì)屏柵的濺射刻蝕,影響推力器壽命,同時(shí)中和器流率不足也會(huì)導(dǎo)致其工作在羽狀模式造成放電不穩(wěn)定,推力器流率計(jì)算值和實(shí)際設(shè)計(jì)值見表1,其中TL01 這一最低功率點(diǎn)流率值超出了流率參數(shù)設(shè)計(jì)范圍.

3 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

LIPS-300 S 是蘭州空間物理研究所為小天體深空探測(cè)任務(wù)研發(fā)的一款30 cm 口徑多模式離子推力器,放電室采用環(huán)形會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)構(gòu)型方案,設(shè)計(jì)重點(diǎn)為小功率下的放電穩(wěn)定性和寬范圍下的放電適應(yīng)性,空心陰極選擇六硼化鑭發(fā)射體和全石墨觸持極,設(shè)計(jì)重點(diǎn)為寬范圍電子發(fā)射特性和長(zhǎng)壽命可靠性,柵極組件采用屏柵變孔徑凸面鉬材料三柵,設(shè)計(jì)重點(diǎn)為多工作點(diǎn)下束電流寬范圍聚焦引出性,氣路電絕緣器采用電壓分割式結(jié)構(gòu),放電室供氣采用反向供氣方式,圖1 為推力器原理樣機(jī)照片,圖2 為推力器現(xiàn)場(chǎng)工作圖.

圖1 離子推力器原理樣機(jī)Fig.1.Ion thruster prototype model.

圖2 離子推力器點(diǎn)火照片F(xiàn)ig.2.Discharge of the ion thruster.

針對(duì)LIPS-300 S 離子推力器原理樣機(jī),開展輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證試驗(yàn)及多工作點(diǎn)下推力器工作特性研究試驗(yàn),試驗(yàn)組成如圖3 所示.試驗(yàn)在真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TS-7 B 真空試驗(yàn)系統(tǒng)開展,TS-7 B 主艙Φ4.5 m×10 m,副艙Φ2.0 m×1.5 m,真空抽氣系統(tǒng)由26 臺(tái)低溫泵主泵和其他螺桿泵組成,對(duì)氙氣有效抽速25000 L/s,氙氣流率8.3 mg/s 下工作真空度優(yōu)于1×10—3Pa,供電系統(tǒng)調(diào)整率 ≤ ± 0.04%,工質(zhì)流率控制精度為 ± 2%.

圖3 試驗(yàn)組成圖Fig.3.Schematic of experimental principle.

輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證試驗(yàn):按照表1 供電、供氣參數(shù)的實(shí)際設(shè)計(jì)值進(jìn)行23 個(gè)工作點(diǎn)下的測(cè)試試驗(yàn),采用激光干涉推力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行推力實(shí)測(cè),以實(shí)測(cè)推力為輸入對(duì)比沖、效率、放電損耗、工質(zhì)利用率進(jìn)行計(jì)算.

電子返流極限電壓測(cè)試:在每個(gè)工作點(diǎn)下保持除加速電壓外的供電、供氣參數(shù)不變,以5 V 步長(zhǎng)從200 V 不斷調(diào)節(jié)加速電壓,直到加速電流值大于該工作點(diǎn)下束電流的1%,得到的加速電壓為該點(diǎn)的電子返流極限電壓.

放電損耗與工質(zhì)利用率關(guān)系測(cè)試試驗(yàn):在每個(gè)工作點(diǎn)下保持除陽(yáng)極流率外的供電、供氣參數(shù)不變,以放電室工質(zhì)利用率93.4%對(duì)應(yīng)陽(yáng)極流率值作為起點(diǎn),以0.2 mg/s 步長(zhǎng)調(diào)節(jié)陽(yáng)極流率直到放電室工質(zhì)利用率為53%,記錄每個(gè)點(diǎn)下放電電流、放電電壓和工質(zhì)流率等值,由(10)式和(11)式計(jì)算可得二者曲線關(guān)系.

4 結(jié)果和討論

4.1 推力、比沖

離子推力器輸入功率為工作時(shí)所輸入的所有電功率之和:

式中,Vb,Vd,Va,Vk,Vn分別為屏柵電壓、放電電壓、加速電壓、陰極和中和器觸持電壓,單位為V;Ib,Id,Ia,Ik,In分別為束電流、放電電流、加速電流、陰極和中和器觸持電流,單位為A.采用激光干涉推力測(cè)量系統(tǒng)對(duì)LIPS-300 S 離子推力器性能關(guān)鍵指標(biāo)推力進(jìn)行實(shí)測(cè),比沖按照(2)式計(jì)算.

圖4 給出了按照表1 工作參數(shù)設(shè)計(jì)值為輸入條件,23 個(gè)工作點(diǎn)的推力、比沖實(shí)測(cè)值和任務(wù)剖面要求設(shè)計(jì)值的對(duì)比曲線,推力器推力隨著功率增大不斷增大,二者成線性關(guān)系,功率289—3106 W 條件下實(shí)現(xiàn)了推力9.7—117.5 mN 寬范圍調(diào)節(jié),比沖隨功率增大階梯增大,開始快速增長(zhǎng)然后趨于穩(wěn)定,由比沖表達(dá)式(2)式可知,這種階梯式增長(zhǎng)是屏柵電壓的分檔設(shè)計(jì)導(dǎo)致的,比沖與束電壓開方成正相關(guān),在比沖近線性增長(zhǎng)階段屏柵電壓為一定值,精確調(diào)節(jié)陽(yáng)極電流和放電室工質(zhì)流率實(shí)現(xiàn)在一定屏柵電壓下引出不同束電流,實(shí)現(xiàn)功率寬范圍調(diào)節(jié)下比沖范圍為1220—3517 s.

圖4 不同工況下推力、比沖實(shí)測(cè)值與要求設(shè)計(jì)值對(duì)比曲線 (a) 推力;(b) 比沖Fig.4.Comparison of measured thrust and specific impulse values with required design values at different operating modes:(a) Thrust;(b) specific impulse.

從圖4 可以看出,實(shí)測(cè)推力與設(shè)計(jì)要求值吻合較好,推力器輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)合理,TL01—TL04 前4 個(gè)工作點(diǎn)實(shí)測(cè)推力與任務(wù)要求理論值最大誤差小于3%,TL05—TL23 工作點(diǎn)最大誤差小于2%,比沖除最小功率TL01 點(diǎn)外,TL02—TL04 實(shí)測(cè)比沖與任務(wù)要求理論值最大誤差小于4%,TL05—TL23 工作點(diǎn)最大誤差小于3%,TL01 實(shí)測(cè)點(diǎn)比沖為1250 s,低于要求值1518 s,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:為了保證離子推力器在最低功率點(diǎn)的穩(wěn)定放電,該工作點(diǎn)實(shí)際輸入工質(zhì)流率值高于計(jì)算值.高的磁場(chǎng)強(qiáng)度下,陽(yáng)極吸收面積較小,如果陽(yáng)極面積非常小,等離子體電位將變?yōu)樨?fù)值,在給定的放電電壓下,該負(fù)等離子體電位將使得原初電子能量降低,從而迫使放電室內(nèi)電子和中性原子的碰撞頻率降低,即放電室電離率降低,放電將轉(zhuǎn)變?yōu)檎鹗幠Ｊ?變得不穩(wěn)定,提高放電室流率值可以增加電子和中性原子的碰撞頻率.此外按照小天體探測(cè)任務(wù)剖面,小功率工作點(diǎn)工作區(qū)間在離子推力器壽命末期,壽命末期柵極和陰極存在不可避免的結(jié)構(gòu)磨損,較高的放電室流率設(shè)計(jì)裕度有助于推力器壽命末期可靠性的提升.

4.2 加、減速電流、電子返流極限電壓

加速柵和減速柵截獲電流直接表征了柵極組件設(shè)計(jì)及其與放電室等離子密度匹配的合理性,對(duì)于多模式離子推力器而言,柵極組件需要引出寬范圍的離子束電流這一指標(biāo)顯得更加重要.圖5 給出了不同工作點(diǎn)下推力器加速電流和減速電流變化曲線.從圖5 可以看出,不同工作點(diǎn)下隨著功率增加,加速電流緩慢增大,在0.1—5.6 mA 范圍內(nèi)變化,減速電流除TL01 點(diǎn)外,隨著功率增加,減速電流從1.4 mA 緩慢增加到10.7 mA,這主要是因?yàn)楣β试龃?離子束電流增加,放電室內(nèi)的等離子密度相應(yīng)增加,加速柵極小孔內(nèi)鞘層厚度減小,進(jìn)而使得鞘層變得扁平,增加了加速柵極和減速柵極的攔截作用,造成加速,減速電流增大,但LIPS-300S 離子推力器各工況下加速和減速截獲電流值均小于束流的0.5%,說(shuō)明柵極組件幾何參數(shù)和加速電壓參數(shù)設(shè)計(jì)合理,可以實(shí)現(xiàn)寬范圍束電流正常聚焦引出.

圖5 不同工況下加速和減速電流實(shí)測(cè)值Fig.5.Measured acceleration and deceleration currents at different operating modes.

圖6 給出了推力器電子返流極限電壓隨束電流變化曲線,電子返流極限電壓是推力器能夠阻止電子返流的最小加速電壓,其設(shè)計(jì)值直接影響推力器的工作性能和壽命.由圖6 可知,電子返流極限電壓隨著束電流增加單調(diào)減小,最小工作點(diǎn)TL01對(duì)應(yīng)束電流0.3 A 下電子返流極限電壓為—79.5 V,最高工作點(diǎn)TL23 對(duì)應(yīng)束電流2.1 A 下電子返流極限電壓為—137 V,這是因?yàn)榧铀匐妷菏沟眉铀贃趴赘浇纬韶?fù)電勢(shì)壘,沿著柵孔中心軸向位置存在的最低電勢(shì)稱為鞍點(diǎn)電勢(shì)[26],束電流增加會(huì)造成加速柵孔中心鞍點(diǎn)電勢(shì)減小,電子返流極限電壓隨之減小是為了阻止電子向柵極方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能超過(guò)鞍點(diǎn)電勢(shì)能造成電子返流.

圖6 電子返流極限電壓與束電流的關(guān)系Fig.6.Electron backstreaming limited voltage versus beam current.

4.3 放電損耗、效率

放電損耗表征推力器放電效率,其值越小代表放電效率越高,計(jì)算公式為

式中,Vd為放電電壓;Id為放電電流;Ib為束電流.

放電室工質(zhì)利用率指以離子引出形式的工質(zhì)流率占放電室工質(zhì)總流率之比[27],用符號(hào)ηmd表示:

效率為噴出離子功率與輸入功率的比值,表示為

圖7 給出了不同工作點(diǎn)下離子推力器放電損耗和效率曲線.從圖7 中可以看出,放電損耗隨功率增大不斷降低,并且存在明顯拐點(diǎn),超過(guò)功率點(diǎn)886 W 后放電損耗趨于穩(wěn)定,TL01—TL06 小功率工作點(diǎn),放電損耗隨功率增大從359.7 W/A 線性降到272 W/A,TL06 工作點(diǎn)后,放電損耗在210—240 W/A 范圍波動(dòng).效率隨著功率增大從23.4%快速增加到58.3%,超過(guò)功率點(diǎn)1700 W (TL14 工作點(diǎn))后開始緩慢增長(zhǎng)并趨向于穩(wěn)定,最高效率為67.8%.這是因?yàn)楣β试龃筇嵘穗x子推力器電離率,工質(zhì)利用率增加,放電室內(nèi)等離子密度增多,離子光學(xué)系統(tǒng)引出能力增強(qiáng),離子推力器效率增加,放電損耗降低.

圖7 離子推力器不同工況點(diǎn)下放電損耗和效率 (a) 放電損耗;(b) 效率.Fig.7.Discharge losses and efficiency of ion thrusters at different operating modes:(a) Discharge loss;(b) efficiency.

圖8 給出了多模式離子推力器在最高工作點(diǎn)束電流2.1 A 下,放電損耗隨工質(zhì)利用率變化曲線.由圖8 可知,放電損耗隨放電室工質(zhì)利用率增加單調(diào)增大,當(dāng)陽(yáng)極流率減小到放電室工質(zhì)利用率到一定值后,放電損耗出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),放電損耗增加速率變快,在工作輸入?yún)?shù)設(shè)置時(shí),可以選擇拐點(diǎn)處放電室工質(zhì)利用率對(duì)應(yīng)的參數(shù)值,從(11)式可知,減少放電室推進(jìn)劑流率可以增加工質(zhì)利用率,但是流率減少會(huì)造成放電室等離子密度降低,導(dǎo)致放電電壓增加,放電電壓增大會(huì)導(dǎo)致放電損耗增加,同時(shí)增加雙荷離子占比,提高了放電室內(nèi)離子動(dòng)能,導(dǎo)致離子對(duì)屏柵濺射刻蝕速率增大[28],多模式離子推力器流率的設(shè)計(jì)要綜合放電效率和長(zhǎng)壽命權(quán)衡選擇.

圖8 離子推力器放電損耗與工質(zhì)利用率Fig.8.Ion thruster discharge losses versus propellant utilization efficiency.

4.4 高功率點(diǎn)300 h 性能測(cè)試

為了驗(yàn)證多模式離子推力器短期磨損失效模式及工作穩(wěn)定性,開展功率3050 W 工況下300 h短期測(cè)試,從圖9 推力器主要指標(biāo)及性能表征參數(shù)隨時(shí)間變化曲線可以看出,各性能參數(shù)在300 h 內(nèi)基本保持不變,推力器性能變化范圍為:推力為117.2—118.3 mN,比沖為3487—3533 s,效率為67.8%—68.3%,加速電流為6.2—7.9 mA,減速電流為0.6—3.2 mA,0—25 h 主陰極觸持電壓為6.8—7.2 V,25—300 h 主陰極觸持電壓為 5.7—5.8 V,中和器觸持電壓為13.8—14.8 V.試驗(yàn)表明:推力、比沖和效率參數(shù)滿足不確定度 ± 3%設(shè)計(jì)要求,離子推力器設(shè)計(jì)合理,通過(guò)電源處理單元調(diào)節(jié)陽(yáng)極電流可以實(shí)現(xiàn)束電流閉環(huán)控制,加速和減速柵截獲電流小于束電流的1%,離子光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)挿秶＞劢挂?其中減速電流隨時(shí)間變化整體較加速電流波動(dòng)略大,是因?yàn)槭艿秸婵障到y(tǒng)的影響,試驗(yàn)真空艙壓力波動(dòng)使得推力器產(chǎn)生的交換離子數(shù)量不同,減速柵受到數(shù)量不同的電荷交換離子轟擊從而引起減速電流的波動(dòng),0—25 h 主陰極觸持電壓較高,后續(xù)降低并趨于穩(wěn)定,這主要是主陰極組裝后經(jīng)歷了短期暴露大氣,陰極材料受到輕微表面氧化中毒,空心陰極發(fā)射體功函改變,陰極發(fā)射電子變得困難導(dǎo)致觸持電壓短暫升高,經(jīng)過(guò)短期的點(diǎn)火測(cè)試,陰極發(fā)射體去除了污染[29,30].

圖9 離子推力器最大推力下300 h 短期磨損測(cè)試 (a) 推力和比沖;(b) 效率;(c) 加速電流和減速電流;(d) 主觸電壓和中觸電壓Fig.9.300 h wear test of ion thruster at maximum power:(a) Thrust and specific impulse;(b) efficiency;(c) acceleration current and deceleration current;(d) main cathode keeper voltage and neutralizer keeper voltage.

5 結(jié)論

1) 針對(duì)我國(guó)首次小天體探測(cè)任務(wù)剖面離子推力器工作點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)際需求,基于等離子基本理論、工作輸入?yún)?shù)與輸出特性數(shù)理模型和經(jīng)驗(yàn)公式,建立了關(guān)鍵輸入工作參數(shù)與推力器輸出參數(shù)的表達(dá)式,完成了各工作點(diǎn)屏柵電壓、束電流、陽(yáng)極電流、加速電壓,流率的參數(shù)設(shè)計(jì).

2) 搭建了離子推力器測(cè)試平臺(tái)并開展驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)參數(shù)值下,TL01—TL04 4 個(gè)工作點(diǎn)實(shí)測(cè)推力與任務(wù)要求理論值最大誤差小于3%,TL05—TL23 工作點(diǎn)最大誤差小于2%,比沖除最小功率點(diǎn)TL01 點(diǎn)外,TL02—TL04 實(shí)測(cè)比沖與任務(wù)要求理論值最大誤差小于4%,TL05—TL23 工作點(diǎn)最大誤差小于3%,驗(yàn)證了工作輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)的合理性.

3) 加速、減速電流隨功率增加緩慢增加,在全工作點(diǎn)周期內(nèi),加速電流在0.1—5.6 mA 范圍內(nèi)變化,減速電流在1.4—10.7 mA 范圍內(nèi)變化,電子返流極限電壓隨著束電流增加單調(diào)減小,TL01 對(duì)應(yīng)電子返流極限電壓為—79.5 V,TL23 對(duì)應(yīng)為—137 V.

4) 放電損耗隨功率增大從359.7 W/A 單調(diào)下降到272 W/A,在功率886 W 附近(TL06)存在拐點(diǎn),超過(guò)該點(diǎn)后放電損耗下降速率變緩并趨向穩(wěn)定,效率隨功率增大從23.4%快速增加到58.3%,并在1700 W 附近(TL14)存在明顯拐點(diǎn),開始緩慢增長(zhǎng)并趨向于穩(wěn)定,最高效率為67.8%,放電損耗隨工質(zhì)利用率單調(diào)增大,到一定拐點(diǎn)值時(shí),放電損耗增加速率變快,在軌應(yīng)用控制策略制定可權(quán)衡推力器性能、任務(wù)剖面要求、壽命合理選擇輸入?yún)?shù)區(qū)間.

5) 高功率點(diǎn)300 h 性能測(cè)試表明,離子推力器無(wú)短期失效模式發(fā)生,推力、比沖和效率參數(shù)滿足不確定度 ± 3%設(shè)計(jì)要求,加速,減速柵截獲電流小于束電流的1%,離子光學(xué)系統(tǒng)能夠正常聚焦引出,加速、主陰極和中和器參數(shù)正常,各關(guān)鍵部件匹配良好.