徐宗琦，蔡?hào)|升，王平陽(yáng)，杭觀榮，李林

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112；3.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

0 引言

霍爾推力器包括穩(wěn)態(tài)等離子體推力器（Stationary Plasma Thruster，SPT）和陽(yáng)極層推力器（Thruster with Anode Layer，TAL），兩者采用相同的電離與加速機(jī)制，但在結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)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(wèi)星姿態(tài)控制、軌道保持、軌道轉(zhuǎn)移等多項(xiàng)航天任務(wù)［6-8］，是中小型航天器動(dòng)力系統(tǒng)的首選［9］。而深空探測(cè)任務(wù)對(duì)航天器的推進(jìn)系統(tǒng)提出了高比沖和大推力的要求［10］，核電技術(shù)的成熟為該任務(wù)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(dāng)前面臨的主要難題［11］。研究表明，采用SPT 以氪作為工質(zhì)在高功率運(yùn)行時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)行為的改變導(dǎo)致陽(yáng)極能量沉積加劇，過(guò)高的陽(yáng)極溫度限制比沖的提高［12］，無(wú)法滿足任務(wù)需要。雙級(jí)TAL 在放電通道內(nèi)將電離區(qū)與加速區(qū)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(guò)多功率，克服SPT 高功率運(yùn)行的弊端。

在電推力器工質(zhì)的選擇方面，綜合考慮穩(wěn)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(yīng)用于各種電推進(jìn)裝置，取得較好效果［13］。其中，氙氣具有原子質(zhì)量大、電離能低、電離碰撞截面大等優(yōu)勢(shì)，在推進(jìn)裝置的地面測(cè)試和空間任務(wù)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(lǐng)域也發(fā)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(cè)任務(wù)中必須攜帶大量高壓推進(jìn)劑，增大發(fā)射成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，尋求適用于TAL 且性能優(yōu)異的固體推進(jìn)劑具有極大的研究?jī)r(jià)值，在此背景下，金屬鉍引起了科研機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注。

1 研究發(fā)展現(xiàn)狀

在電推進(jìn)領(lǐng)域，關(guān)于鉍工質(zhì)TAL 的研究主要集中于蘇聯(lián)和美國(guó)的科研單位，國(guó)內(nèi)尚處于氙工質(zhì)TAL 的研究階段。從20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，蘇聯(lián)的中央機(jī)械制造研究院陸續(xù)開(kāi)展了各種型號(hào)TAL 的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，并將鉍列為可選擇工質(zhì)之一。D-160 型為蘇聯(lián)首臺(tái)測(cè)試的鉍工質(zhì)TAL，該推力器總質(zhì)量為70 kg，采用雙級(jí)結(jié)構(gòu)，并配置水冷系統(tǒng)冷卻磁路，工作電壓超過(guò)8 kV，極限功率約為140 kW，最高比沖接近8 000 s，效率達(dá)到0.70，成為目前驗(yàn)證功率最高的TAL［14-15］。隨后，該研究機(jī)構(gòu)完成了D-200 型TAL 的研制與測(cè)試，其采用了磁路輻射散熱的設(shè)計(jì)方法，與D-160 結(jié)構(gòu)基本相似，質(zhì)量?jī)H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(shí)，比沖為3 000 s，推力為1.13 N，效率為0.67［15］。隨后，中央設(shè)計(jì)制造研究院相繼研制出若干型號(hào)雙級(jí)TAL，并采用氙工質(zhì)進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試，包括D-80、D-100 和TM-50 等。其中，D-80 在以單級(jí)模式工作時(shí)，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(jí)模式工作時(shí)，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(jí)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(zhì)量約為30.5 kg，設(shè)計(jì)的最大功率為50 kW，比沖為3 000～7 000 s，以單級(jí)模式在25.4 kW 功率下工作時(shí)，推力、比沖分別為0.966 N 和3 325 s，效率為0.62［18］。各型號(hào)TAL 實(shí)物如圖1 所示，在多種TAL型號(hào)研制和測(cè)試過(guò)程中，大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，雙級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有利于TAL 在高功率狀態(tài)下運(yùn)行，并獲得較高的效率［19］。

圖1 陽(yáng)極層推力器實(shí)物Fig.1 Objects of thruster with anode layer

21 世紀(jì)初期，美國(guó)與蘇聯(lián)啟動(dòng)了太陽(yáng)系外探測(cè)任務(wù)，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、中央機(jī)械制造研究院以及斯坦福大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展了超高比沖陽(yáng)極層霍爾推力器（VHITAL）項(xiàng)目［20］，研制出了采用鉍工質(zhì)的雙級(jí)VHITAL-160 型TAL，如圖2 所示，該推力器延續(xù)了D-160 和D-200 樣機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。同樣采用雙級(jí)加速方法，設(shè)計(jì)功率范圍為25～36 kW，工質(zhì)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(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值略有偏差，實(shí)際功率范圍為25.24～36.755 kW，工質(zhì)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(shí)物Fig.2 Objects of VHITAL-160

2008 年，美國(guó)密西根理工大學(xué)報(bào)道了直接采用鉍蒸氣進(jìn)行霍爾推力器點(diǎn)火技術(shù)的研究，主要考察多孔鉍蒸發(fā)器幾何形狀和性能對(duì)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(jìn)劑調(diào)研中報(bào)道了采用鉍工質(zhì)在陽(yáng)極電壓分別為300、500 V 條件下推力器的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)推功比高于BHT-1500 大約16%，并推測(cè)Bi 具有比Xe 更高的使用率［24］，放電通道在推力器未放電時(shí)和放電時(shí)的狀態(tài)如圖3 所示。2017 年，Busek 公司對(duì)鉍工質(zhì)霍爾推力器進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)，該推力器除了具有工質(zhì)利用率高的優(yōu)勢(shì)外，在熱設(shè)計(jì)方面存在較大的優(yōu)化空間，適當(dāng)?shù)靥岣叻烹姽β士梢匝a(bǔ)償加熱功率，并降低能量損失。同時(shí)，羽流中心形態(tài)與氙工質(zhì)相似，在大發(fā)散角位置發(fā)生電荷交換的離子數(shù)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(zhì)推力器放電通道Fig.3 Discharge channel of bismuth thruster

在有關(guān)鉍工質(zhì)霍爾推力器的測(cè)試中，科研人員基本全部采用以惰性氣體為工質(zhì)的空心陰極與鉍工質(zhì)陽(yáng)極進(jìn)行聯(lián)試，而該方式的實(shí)際在軌應(yīng)用不僅加劇了推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且提高了經(jīng)濟(jì)成本。因此，實(shí)現(xiàn)霍爾推力器陽(yáng)極與陰極工質(zhì)的一致性一直是科研單位追求的目標(biāo)。2005 年，美國(guó)密西根理工大學(xué)MAKELA 等對(duì)LaB6發(fā)射體陰極進(jìn)行鉍工質(zhì)點(diǎn)火測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)，鉍貯箱溫度達(dá)到960 ℃在2～16 A 的放電電流范圍內(nèi)，放電電壓具有與相同條件下采用氙工質(zhì)點(diǎn)火相似的變化趨勢(shì)，但數(shù)值偏大，且僅依靠控制溫度的方法改變鉍工質(zhì)流量會(huì)引起較大誤差［26］。2006 年，MAKELA等對(duì)鉍工質(zhì)LaB6空心陰極在恒定質(zhì)量流量下工作特性開(kāi)展了深入研究工作，發(fā)現(xiàn)貯箱內(nèi)過(guò)濾并加熱固體鉍的多孔不銹鋼的溫度影響鉍的蒸發(fā)與流動(dòng)狀態(tài)，而鉍工質(zhì)質(zhì)量流量主要受陰極孔溫度的影響［27］。鉍工質(zhì)陰極裝配和工作時(shí)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 鉍工質(zhì)空心陰極Fig.4 Bismuth hollow-cathode

國(guó)內(nèi)主要有上海空間推進(jìn)研究所［28］、核工業(yè)西南物理研究院［29］、哈爾濱工業(yè)大學(xué)［30］等單位開(kāi)展了陽(yáng)極層霍爾推力器的研究工作，在推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)優(yōu)化以及壁面侵蝕等方面取得了一定的成果，目前尚無(wú)關(guān)于鉍工質(zhì)的研究情況，根據(jù)國(guó)外已有的研究經(jīng)驗(yàn)，鉍工質(zhì)TAL 在大功率的深空探測(cè)領(lǐng)域必將發(fā)揮積極優(yōu)勢(shì)［31］。

2 性能優(yōu)勢(shì)

隨著工業(yè)科技的發(fā)展，多種金屬、非金屬物質(zhì)的開(kāi)采和提純技術(shù)得到不斷提高，使得電推力器工質(zhì)的選擇范圍不再局限于惰性氣體，目前被各國(guó)研究學(xué)者廣泛認(rèn)為可作為霍爾推力器推進(jìn)劑的物質(zhì)見(jiàn)表1，并與氙和氪作性能對(duì)比［32］。從表中可以看出，鉍在電離能和經(jīng)濟(jì)成本上具有明顯優(yōu)勢(shì)，較大的原子質(zhì)量有利于提高推力器的推力性能，但較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)意味著對(duì)貯供、輸運(yùn)系統(tǒng)提出了更高的要求，增大了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，尤其體現(xiàn)在溫度控制的方式和兼容材料的選擇方面。

對(duì)2株乳酸菌產(chǎn)酸能力的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6，R1和R2均具有較好的產(chǎn)酸能力，能有效地降低發(fā)酵體系的pH，從而產(chǎn)生酸醡肉特有的酸味，并且其產(chǎn)生的酸性環(huán)境能有效地抑制其他雜菌的侵染，防止發(fā)酵過(guò)程發(fā)生腐敗。對(duì)比2株乳酸菌的產(chǎn)酸能力可知，R1產(chǎn)酸能力優(yōu)于R2，因此在實(shí)際發(fā)酵劑的配制過(guò)程中，可根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的風(fēng)味要求調(diào)整2種菌株的使用配比。

表1 霍爾推力器可選擇工質(zhì)對(duì)比Tab.1 Comparison of selected propellants for Hall thruster

將鉍工質(zhì)與目前最常用的氙工質(zhì)進(jìn)行物理性質(zhì)的深入對(duì)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(zhì)量的推進(jìn)劑時(shí)，鉍占用更小的空間，無(wú)需配置高壓氣瓶和減壓閥等附加設(shè)備，更適用于工作時(shí)間長(zhǎng)、飛行距離遠(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)。然而，鉍工質(zhì)的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)溫度相差較大，在推力器貯供系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)以固態(tài)貯存，液態(tài)輸運(yùn)、氣態(tài)電離的形式工作，鉍的熱力學(xué)性質(zhì)成為重點(diǎn)研究的問(wèn)題。眾所周知，液體的飽和蒸氣壓與溫度有關(guān)，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(dǎo)致液體上方的蒸氣壓力升高。當(dāng)液體的蒸發(fā)速率與氣體的液化速率相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的蒸氣壓力即為液體在此溫度的飽和蒸氣壓。2008 年，美國(guó)密西根理工大學(xué)MASSEY 研發(fā)一種鉍工質(zhì)新型多孔鉬蒸發(fā)器，其中鉍飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系為［34］

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

對(duì)于霍爾推力器，鉍工質(zhì)從陽(yáng)極蒸發(fā)的質(zhì)量流量與陽(yáng)極溫度的關(guān)系為［34］

式中：Av為鉍蒸氣蒸發(fā)截面積；m為鉍原子質(zhì)量；k為玻爾茲曼常數(shù)；Ta為陽(yáng)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(shù)；當(dāng)液體鉍溫度為545～1 500 K 時(shí)，Tref=544.55 K。

鉍蒸氣密度可通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程確定，即：

式中：M為鉍的摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)。

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

鉍工質(zhì)相對(duì)較低的蒸氣壓能夠帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)，在推力器的地面測(cè)試中，原理樣機(jī)和診斷設(shè)備的背壓更接近宇宙空間，測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果更能反映推力器在軌的真實(shí)情況。在推力器的在軌運(yùn)行中，鉍工質(zhì)更適合長(zhǎng)期貯存，管路和貯箱內(nèi)的低壓環(huán)境可免去額外的溫度控制［25］。綜上所述，鉍工質(zhì)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(zhì)利用率高；⑤ 常溫易凝固，無(wú)毒無(wú)污染。

3 組成結(jié)構(gòu)與工作原理

TAL 與穩(wěn)態(tài)等離子推力器相比，在放電室、陽(yáng)極/氣體分配器、磁路材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎn)額［36］。TAL 的陽(yáng)極既具有極高電勢(shì)，也作為工質(zhì)進(jìn)入放電室的入口，為提高工質(zhì)流動(dòng)的均勻性，通常設(shè)計(jì)為中空多層多孔結(jié)構(gòu)。因此，陽(yáng)極/氣體分配器通常選用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性強(qiáng)、熱碰撞系數(shù)小的材料制成，根據(jù)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(yīng)用。根據(jù)分析和研究結(jié)果推斷，采用雙級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的陽(yáng)極更有利于充分發(fā)揮鉍工質(zhì)的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以提高鉍工質(zhì)利用率和推力器效率。雙級(jí)結(jié)構(gòu)主要目的是將電離與加速過(guò)程解耦，其中陽(yáng)極/氣體分配器作為第一陽(yáng)極，包裹陽(yáng)極/氣體分配器的金屬護(hù)環(huán)作為第二陽(yáng)極，兩者之間電勢(shì)差約為150～250 V，為工質(zhì)的電離提供能量；通道邊緣的金屬護(hù)環(huán)作為陰極，第二陽(yáng)極與陰極之間電勢(shì)差可達(dá)幾千伏，為離子的加速提供能量。合理的磁場(chǎng)強(qiáng)度和位形是TAL 能夠穩(wěn)定工作的重要保證，為使磁極能夠承載強(qiáng)磁場(chǎng)，且在高溫條件下磁性不發(fā)生改變，需使用居里溫度較高且磁飽和強(qiáng)度較大的導(dǎo)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］?？紤]到大功率推力器強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，通常使用中心磁柱與4 個(gè)外磁柱的布局提供外加磁場(chǎng)，磁極形狀和勵(lì)磁線圈的安匝比決定磁場(chǎng)的空間位形，勵(lì)磁電流的強(qiáng)度決定磁場(chǎng)強(qiáng)度。雙級(jí)TAL 的結(jié)構(gòu)如圖5所示［37］。

圖5 雙級(jí)陽(yáng)極層推力器結(jié)構(gòu)Fig.5 Diagram of a two-stage thruster with anode layer

鉍工質(zhì)TAL 與傳統(tǒng)TAL 的工作原理基本相同，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在鉍的貯供系統(tǒng)和電離加速機(jī)制方面。固體鉍金屬受熱后以蒸氣形式進(jìn)入放電室與電子發(fā)生碰撞而被電離為鉍等離子體，鉍離子被軸向電場(chǎng)加速?lài)姵霎a(chǎn)生推力?？赏ㄟ^(guò)控制輸運(yùn)管路溫度使管路內(nèi)的鉍工質(zhì)以液體或氣體形式輸運(yùn)至陽(yáng)極/氣體分配器內(nèi)，中性鉍粒子依次經(jīng)過(guò)電離階段與加速階段后進(jìn)入羽流區(qū)域?？招年帢O主要起到兩個(gè)作用：①為放電室內(nèi)鉍工質(zhì)的電離提供種子電子；② 中和羽流離子。

4 關(guān)鍵技術(shù)

與惰性氣體作為工質(zhì)的TAL 相比，鉍工質(zhì)TAL 的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：貯供的設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)以及陰極的設(shè)計(jì)。

4.1 貯供的設(shè)計(jì)

雖然鉍工質(zhì)能夠以常溫常壓貯存而無(wú)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(tǒng)的復(fù)雜程度。目前，國(guó)外研究學(xué)者對(duì)于鉍貯供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)表明，鉍以液態(tài)或氣態(tài)在管路內(nèi)流動(dòng)均具有可行性，兩者各有利弊［38-41］。其中，鉍蒸氣流動(dòng)技術(shù)較為成熟，實(shí)施方式為將蒸發(fā)器直接埋入鉍固體粉末中，并施加大電流持續(xù)加熱，利用歐姆熱效應(yīng)使固體鉍熔化，蒸發(fā)管中心附近鉍的溫度最高，液體鉍進(jìn)一步受熱蒸發(fā)，在蒸氣壓的推動(dòng)下鉍蒸氣擴(kuò)散并進(jìn)入輸運(yùn)管路和陽(yáng)極/氣體分配器，貯罐內(nèi)蒸發(fā)器內(nèi)外的液體鉍在液面高度差引起的壓強(qiáng)作用下不斷補(bǔ)充進(jìn)入蒸發(fā)管內(nèi)，直至鉍工質(zhì)消耗完畢；鉍液體流動(dòng)技術(shù)較為新穎，實(shí)施方式為將貯箱直接加熱至鉍熔化溫度以上，使貯箱內(nèi)的鉍固體成為液體，再依靠電磁泵和熱式流量計(jì)將鉍液體輸運(yùn)至推力器工質(zhì)入口，由高溫多孔過(guò)濾篩進(jìn)一步加熱，使液體成為蒸氣進(jìn)入陽(yáng)極/氣體分配器。鉍蒸氣流動(dòng)依靠蒸氣壓的作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但蒸發(fā)器和輸運(yùn)管壁理論上均需保持不低于鉍的蒸發(fā)溫度而消耗較多能量，且僅依靠調(diào)節(jié)溫度間接控制鉍蒸氣流量，誤差較大；鉍液體流動(dòng)僅需保持貯罐和輸運(yùn)管壁不低于鉍的熔化溫度，消耗能量較少，依靠熱式流量計(jì)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(guò)濾篩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩者的可靠度對(duì)貯供系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性影響較大［42-43］?？傊?，加熱方式的選擇和溫度控制的方法是固體工質(zhì)電推力器貯供系統(tǒng)的研究重點(diǎn)，結(jié)合鉍工質(zhì)自身特性的貯供設(shè)計(jì)也是未來(lái)需要研究和掌握的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.2 磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)

TAL 是依靠電磁場(chǎng)對(duì)等離子體的作用而穩(wěn)定工作，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合程度決定推力器的性能，而放電室內(nèi)電勢(shì)變化通常也由磁場(chǎng)強(qiáng)度分布決定。磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是電子被磁化而離子不被磁化并提高工質(zhì)的電離率，減小羽流發(fā)散角。與SPT不同的是，TAL 無(wú)磁屏，當(dāng)使用鉍作為工質(zhì)并以高功率工作時(shí)，需要強(qiáng)磁場(chǎng)約束高溫高速電子，另外鉍原子的質(zhì)量和電離特性也是磁場(chǎng)位形和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的決定因素。磁場(chǎng)設(shè)計(jì)是否合理可通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)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(yīng)強(qiáng)度的空間分布狀態(tài)，再采用粒子或流體法模擬鉍的電離與加速過(guò)程，接著根據(jù)等離子體參數(shù)的數(shù)值和分布計(jì)算推力與比沖，最后對(duì)磁場(chǎng)的合理性進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化；實(shí)驗(yàn)法是在推力器工作過(guò)程中，通過(guò)改變內(nèi)外線圈的安匝比實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度和位形，觀測(cè)推力或等離子體羽流參數(shù)的變化情況，獲得最佳的磁場(chǎng)參數(shù)。磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且鉍工質(zhì)TAL 工作時(shí)形成的極高溫環(huán)境可能會(huì)引起磁路結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁能力發(fā)生改變，因此還存在諸多需要思考和解決的問(wèn)題。

4.3 陰極的設(shè)計(jì)

發(fā)射電子的能力是衡量陰極的主要標(biāo)準(zhǔn)，空心陰極技術(shù)成熟，是與TAL 聯(lián)試中主要采用的陰極。空心陰極消耗的電功率和工質(zhì)的質(zhì)量流量影響整個(gè)推力器的效率，其設(shè)計(jì)目的是既滿足推力器工作所需電流，又減少工質(zhì)和功率的消耗。根據(jù)國(guó)外的研究情況，鉍工質(zhì)空心陰極尚處于原理樣機(jī)的探索驗(yàn)證階段，鉍工質(zhì)TAL 與氙工質(zhì)LaB6空心陰極耦合點(diǎn)火是目前國(guó)外開(kāi)展推力器地面實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)施方式，但以此方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)全固體工質(zhì)電推進(jìn)的目標(biāo)，因此研發(fā)鉍工質(zhì)空心陰極具有重要意義。從組成結(jié)構(gòu)上分析，鉍工質(zhì)空心陰極也需從發(fā)射體、陰極管、觸持極以及加熱器等主要部件進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，試驗(yàn)難點(diǎn)在于維持鉍的蒸發(fā)溫度、監(jiān)測(cè)鉍的質(zhì)量流量等，另外還需考慮材料與鉍的兼容性以及高溫環(huán)境的穩(wěn)定性等［44］。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，中等功率電推進(jìn)技術(shù)的日臻成熟為未來(lái)拓寬電推力器功率量級(jí)奠定基礎(chǔ)，數(shù)十甚至上百千瓦的大功率電推力器必將成為新的研發(fā)對(duì)象。鉍工質(zhì)TAL 將鉍的性能優(yōu)勢(shì)與TAL 的工作原理相結(jié)合，且采用雙級(jí)設(shè)計(jì)更有利于實(shí)現(xiàn)大功率、高效率和高比沖的目標(biāo)。然而目前仍存在若干關(guān)鍵技術(shù)需要突破和掌握，核心在于整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的溫度控制、材料選擇以及結(jié)構(gòu)布局等方面。其中，溫度控制包括貯箱的加熱與保溫，以及陽(yáng)極和陰極工作前的預(yù)熱，目的是通過(guò)控制鉍蒸氣壓力而控制流量，且保證鉍蒸氣不發(fā)生凝結(jié)；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(diǎn)；結(jié)構(gòu)布局合理，既要滿足傳統(tǒng)TAL 的一般要求，又要針對(duì)鉍的特殊性進(jìn)行改進(jìn)，可以從加熱器的位置布局、陽(yáng)極/氣體分配器和陰極小孔的尺寸設(shè)計(jì)、磁極和磁屏的位置及尺寸等方面進(jìn)行考慮。

未來(lái)實(shí)際空間應(yīng)用中，還應(yīng)對(duì)推力器的機(jī)械強(qiáng)度、電路連接、設(shè)備調(diào)控等進(jìn)行綜合驗(yàn)證，并控制推力器羽流發(fā)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(shè)備發(fā)生短路等問(wèn)題?？傊?，鉍工質(zhì)TAL 具有巨大潛力，可以從原理樣機(jī)的性能探索到工程樣機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證，再到實(shí)際產(chǎn)品的空間運(yùn)行的過(guò)程逐步發(fā)展，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用。