離子推力器束流下降原因分析

2014-11-17 馬林蘭州空間技術(shù)物理研究所

　　離子推力器的推力與其引出的束流成正比，束流的大小直接確定了推力。離子推力器在點(diǎn)火啟動(dòng)后，在工作條件不變的條件下，其引出束流隨工作時(shí)間而下降。為找出束流下降的原因，以離子推力器為研究對(duì)象，通過(guò)分析引起離子推力器束流下降的各種因素，并對(duì)這些因素進(jìn)行分析與驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)對(duì)因素的分析定位，找出引起束流下降的主要原因。分析與驗(yàn)證表明：影響離子推力器束流下降的決定因素為柵極組件固有特性、磁場(chǎng)固有特性和陰極固有特性，其中陰極固有特性是導(dǎo)致束流下降的主要原因。

　　引言

　　離子推力器是電推進(jìn)的一種，其特點(diǎn)是推力小，比沖高，廣泛應(yīng)用于空間推進(jìn)任務(wù)，如航天器姿態(tài)控制、位置保持、軌道機(jī)動(dòng)和星際飛行等任務(wù)。離子推力器在工作啟動(dòng)后，其束流隨工作時(shí)間的推移出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，并且隨時(shí)間推移趨于穩(wěn)定。由于離子推力器引出的束流與推力成正比，其束流的下降，直接導(dǎo)致推力的減小，嚴(yán)重影響離子推力器的性能。

　　離子推力器引出束流主要與離子光學(xué)系統(tǒng)(亦稱柵極組件)、放電室推進(jìn)劑流量，以及放電電流和電壓相關(guān)。柵極組件的幾何參數(shù)和加速電壓直接影響束流的大小；放電室推進(jìn)劑流量不但限制了束流極限值，而且其流量的穩(wěn)定性也會(huì)引起束流的變化；放電電流大小也確定束流的大小，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，束流通常占放電電流的20%左右，而放電電壓的變化同樣會(huì)引起束流的變化。從真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)調(diào)研國(guó)外文獻(xiàn)調(diào)研來(lái)看，目前還沒有關(guān)于離子推力器在啟動(dòng)后，束流隨時(shí)間而減小的相關(guān)報(bào)道。

　　為了尋找引起離子推力器在工作啟動(dòng)后，束流隨時(shí)間下降的原因，文章通過(guò)分析影響束流下降的6個(gè)故障因素，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定引起束流下降的主要原因。

1、原因分析與驗(yàn)證

　　1.1、影響束流下降的原因

　　離子推力器在工作啟動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)其引出束流在2 h內(nèi)存在連續(xù)減小，特別是在前30 min內(nèi)變化顯著，如圖1所示。

推力器束流下降示意圖

圖1 推力器束流下降示意圖

　　通過(guò)對(duì)離子推力器引出束流在其工作啟動(dòng)時(shí)，連續(xù)下降的測(cè)試數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)致推力器束流連續(xù)下降的原因有6個(gè)方面的因素。其中由于條件保障原因造成的條件事件有3個(gè)：供電電源異常(X1)、氣路漏氣(X2)及暴露大氣的影響未消除(X3)；由離子推力器本身原因造成的固有事件有3個(gè)：柵極組件固有特性(X4)、磁場(chǎng)固有特性(X5)及陰極固有特性(X6)。

　　1.2、分析與驗(yàn)證

　　原因分析及驗(yàn)證如下：

　　(1)供電電源異常

　　首先對(duì)地面電源進(jìn)行了排查，沒有發(fā)現(xiàn)異常。并用測(cè)試的離子推力器進(jìn)行了問題復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果基本符合。由此確認(rèn)供電源處于正常狀態(tài)。

　　(2)氣路漏氣

　　在進(jìn)行問題復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)前，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備真空室內(nèi)氣路管路進(jìn)行仔細(xì)的檢漏，確認(rèn)管路不存在漏點(diǎn)后開展試驗(yàn)，束流下降問題得到了復(fù)現(xiàn)。并采用2臺(tái)推力器進(jìn)行試驗(yàn)都出現(xiàn)這種現(xiàn)象，初步分析氣路漏氣的可能性較小。由此確認(rèn)氣路不漏氣。

　　(3)離子推力器暴露大氣的影響未消除

　　為了消除大氣影響的測(cè)試，進(jìn)行了專項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，采用離子推力器、星用PPU電源和地面供氣系統(tǒng)進(jìn)行。先對(duì)中和器和陰極通氙氣1 h，同時(shí)抽空排氣；中和器和陰極再用小電流預(yù)熱1 h；然后在陽(yáng)極小電流下，放電起弧1 h。在離子推力器完成了消除暴露大氣影響的預(yù)處理后，進(jìn)行了4次室溫啟動(dòng)工作3 h試驗(yàn)，如圖2所示�？煽闯鳇c(diǎn)火啟動(dòng)試驗(yàn)束流變化的重復(fù)性較好，由此認(rèn)為已消除了大氣的影響。

　　(4)柵極固有特性的影響

　　柵極組件對(duì)束流的影響分為雙柵間距的熱形變和柵極孔徑的熱形變。雙柵間距變大將導(dǎo)致束流減小；柵極孔徑變大使放電室中氣體密度減小，導(dǎo)致束流的減小。

離子推力器室溫啟動(dòng)3 h 點(diǎn)火啟動(dòng)試驗(yàn)束流特性

圖2 離子推力器室溫啟動(dòng)3 h 點(diǎn)火啟動(dòng)試驗(yàn)束流特性

　　a. 雙柵間距熱形變對(duì)束流的影響

　　初步估算離子推力器工作從室溫到熱平衡時(shí)，柵極組件雙柵間距的變化對(duì)束流的影響，如圖3所示。束流與雙柵間距為單調(diào)減的關(guān)系。

離子推力器柵極組件雙柵間距對(duì)束流的影響

圖3 離子推力器柵極組件雙柵間距對(duì)束流的影響

　　造成雙柵間距變化的因素有2種，一種是溫度變化時(shí)，屏柵與加速柵間支撐高度隨溫度變化，使雙柵間距變化，離子推力器從室溫工作2 h，由于屏柵與加速柵間支撐高度隨溫度升高而增大，使雙柵間距變大。因此，離子推力器從室溫工作到熱平衡時(shí)，柵極組件雙柵間距使束流減小了3 mA，如圖3所示；另一種是由于屏柵和加速柵溫度分布不均勻，造成雙柵間距變化，離子推力器從室溫工作2 h，內(nèi)側(cè)屏柵溫度高于外側(cè)加速柵溫度，使雙柵間距變小。

　　b. 柵極孔徑熱形變對(duì)束流的影響

　　在放電室流量一定時(shí)，放電室氣體密度與柵極組件氣體流導(dǎo)成反比，初步估算時(shí)可近似認(rèn)為束流與放電與柵極組件氣體流導(dǎo)成反比。離子推力器從室溫工作2 h，加速柵平均溫度變化140 ℃，使加速柵極小孔直徑增大，致使小孔氣體流導(dǎo)率增大，使束流減小約1 mA。

　　(5)磁場(chǎng)固有特性影響的排查

　　離子推力器啟動(dòng)后，推力器放電室磁路磁鐵溫度將逐漸上升并趨于平衡，由于磁鐵的剩磁溫度系數(shù)和內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)不為0，因此，放電室磁場(chǎng)將隨溫度變化而變化，與此對(duì)應(yīng)的放電電流也將變化，引起束流變化，熱平衡過(guò)渡時(shí)間通常約3 h。離子推力器熱平衡實(shí)驗(yàn)證明：推力器由室溫到熱平衡，磁場(chǎng)變化對(duì)束流的影響不超過(guò)1%。

　　(6)陰極固有特性的影響

　　為了驗(yàn)證陰極發(fā)射性能的熱效應(yīng)對(duì)束流的影響，進(jìn)行了使離子推力器整體處于熱平衡狀態(tài)引束流的試驗(yàn)。試驗(yàn)中，陰極及中和器點(diǎn)火啟動(dòng)成功后，維持放電室處于放電狀態(tài)而不引出束流，持續(xù)工作3 h，當(dāng)離子推力器整體巳基本達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，引出束流。束流隨時(shí)間變化，如圖4所示，圖中曲線1~3為離子推力器室溫下啟動(dòng)直接引束流的結(jié)果，曲線4～6為離子推力器放電3 h后，再引束流的3次試驗(yàn)結(jié)果。

放電室放電3 h 后引束流與工作啟動(dòng)引束流的比較

圖4 放電室放電3 h 后引束流與工作啟動(dòng)引束流的比較

　　由圖4可以看出，當(dāng)推力器工作3 h后，引出的束流仍然下降約50 mA。在離子推力器整體處于熱平衡狀態(tài)，即磁場(chǎng)和機(jī)械熱變已處于穩(wěn)定，束流下降認(rèn)為是由陰極發(fā)射體熱效應(yīng)造成的。試驗(yàn)驗(yàn)證了陰極固有特性對(duì)束流下降的影響。