離子推力器有效透明度的地面測量方法研究

　　在離子推力器研制過程中，柵極組件的束流引出效率對于離子推力器的性能評估具有重要意義，通常采用測量相關(guān)電流數(shù)據(jù)求得有效透明度的方法來間接反應(yīng)。文章比對了兩種有效透明度的地面測量方法，并采用較優(yōu)的方法對穩(wěn)態(tài)工作下的離子推力器進(jìn)行了有效透明度的地面測量。測試中通過加入偏置電源來抑制放電室中電子向柵極逃逸，結(jié)果更加接近實(shí)際值，并分析了有效透明度對放電過程的影響。

1、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)，如航天器姿態(tài)控制、位置保持、軌道機(jī)動和星際飛行等。其主要由空心陰極，放電室和柵極組件三部分組成，推進(jìn)劑進(jìn)入放電室后與空心陰極逸出的電子在放電室內(nèi)磁場的作用下碰撞電離，產(chǎn)生的推進(jìn)劑離子被柵極組件捕獲后，在柵間電場的加速下高速噴出產(chǎn)生推力。其中，柵極組件的束流引出效率對于評估放電室和柵極組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。若知道單位時(shí)間內(nèi)從柵極組件噴出的推進(jìn)劑離子量與注入放電室內(nèi)的推進(jìn)劑總量間的比例關(guān)系，就能直接了解束流引出效率。在此基礎(chǔ)上提出了柵極組件的有效透明度的概念，反映了推力器放電室中推進(jìn)劑的電離化率，柵極組件的聚焦能力。

　　1.1、離子透明度概述

　　其物理含義為單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)由柵極組件離開放電室的Xe+數(shù)目與放電室內(nèi)產(chǎn)生的Xe+ 總數(shù)的比值。顯然，該比值等效于電流比。由于柵極組件的靜電聚焦作用使得有效透明度Φα要高于屏柵的物理透明度ΦA(即柵孔面積占屏柵有效面積之比) 。在束流引出狀態(tài)下，一部分Xe 離子撞擊在屏柵上游表面后被中和，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在屏柵和主陰極之間附加直流偏置電源可以在不改變放電電壓的情況下提高Xe+ 的束流密度，并阻止放電室內(nèi)部電子向屏柵上游表面運(yùn)動，因此可將屏柵上的碰撞電流看作偏置電壓的函數(shù)。圖1 給出了試驗(yàn)測得的束流電流和偏置電壓的系曲線:

圖1 束電流與偏置電壓的關(guān)系曲線

　　1.2、離子透明度測量方法

　　在雙柵結(jié)構(gòu)的離子推力器中，準(zhǔn)確測量離子透明度對推力器的設(shè)計(jì)和性能評估很有意義。柵極組件的有效透明度可表示為束流電流Ib的函數(shù)，傳統(tǒng)上采用測量屏柵電流和加速柵電流來粗略估計(jì)透明度，如下式所示:

Φa = Ib/(Ib + Ia)(1)

　　上述方法未考慮放電室內(nèi)部離子與屏柵間相互作用產(chǎn)生的碰撞電流Is，介紹了一種小幅修改20 cm 離子推力器主陰極機(jī)械連接方式和附加偏置電壓回路的有效透明度測量方法，該方法通過測量束流電流、屏柵碰撞電流和加速柵上電流求得離子透明度。

2、試驗(yàn)流程及測量結(jié)果

　　2.1、試驗(yàn)件概述

　　有效透明度測量試驗(yàn)是在20 cm 口徑，Xe 推進(jìn)劑離子推力器工程樣機(jī)上進(jìn)行的，根據(jù)試驗(yàn)需要，改裝了推力器內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣絕緣組件。具體的改裝工作包括: 用大約8 mm 的陶瓷絕緣墊片將主陰極與屏柵安裝法蘭進(jìn)行電隔離，從主陰極和柵極組件安裝法蘭各引出一條聚四氟乙烯導(dǎo)線，同時(shí)還應(yīng)注意偏置電源的懸浮接地保護(hù)。

　　2.2、試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

　　試驗(yàn)在特種推進(jìn)室TS-6 真空艙內(nèi)進(jìn)行，推力器工作狀態(tài)下，真空度達(dá)到8. 1×10-3 Pa，有效透明度測量電路簡易框圖如圖2 所示，在主陰極和屏柵之間加載高于設(shè)備10 ～ 25 V 的正偏壓，以阻止放電室等離子體中的電子撞在屏柵表面或逃逸出放電室，從而更精確地測量離子電流。由此可知，偏置回路的電流即為屏柵表面的離子碰撞電流，束電流即為柵極組件引出的離子電流，將兩者之和除束電流即得到推力器的有效透明度。

圖2 測試電路連接框圖

4、試驗(yàn)結(jié)論及改進(jìn)意見

　　4.1、結(jié)論

　　在地面試驗(yàn)測量離子透明度時(shí)，將偏置電壓置于15 V 附近，得到的離子透明度值與放電損耗值更為適宜，可將該值作為偏置電壓法測量離子透明度的參考值。

　　在離子透明度和偏置電壓關(guān)系曲線上，當(dāng)偏置電壓超過15 V 時(shí)，離子透明度有小幅度上升，但放電損耗急劇增加，存在個(gè)別的尖峰和不規(guī)則點(diǎn)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)這些尖峰點(diǎn)多發(fā)生于屏柵與加速柵間產(chǎn)生間歇性打火前后，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，推力器工況趨于穩(wěn)定，不規(guī)則點(diǎn)出現(xiàn)的頻率大為減小。

　　4.2、改進(jìn)意見

　　由于本次試驗(yàn)時(shí)間有限，試驗(yàn)設(shè)備的真空度和離子推力器的工況均未達(dá)到最佳狀態(tài)，至少應(yīng)等待柵間打火頻率大為減少或穩(wěn)定后進(jìn)行測量數(shù)據(jù)會更加準(zhǔn)確有效。為防止柵間打火導(dǎo)致加速柵測量回路中的電流表損壞，可以嘗試?yán)�用二極管分流方法對電流表進(jìn)行保護(hù)。后續(xù)試驗(yàn)建議在15 V 的參考偏置電位下，通過改變放電電流和Xe 推進(jìn)劑流率得到放電功率-離子透明度特性曲線、放電功率-中性原子特性曲線、流率-離子透明度特性曲線、推進(jìn)劑利用率-放電損耗特性曲線，有益于進(jìn)一步評測離子推力器的性能。